פרס נובל בפיזיקה יוענק השנה לשני חוקרים מארצות הברית ומקנדה על פיתוח כלים של למידת מכונה ורשתות עצבים מלאכותיות. פרופ' ג'ון ג'וזף הופפילד (91) מאוניברסיטת פרינסטון ופרופ' ג'פרי אוורסט הינטון (76) מאוניברסיטת טורונטו יקבלו את הפרס על פיתוח כלי חישוב המדמים את פעילותה של מערכת העצבים. הינטון הוא אחד החוקרים הבולטים בתחום הבינה המלאכותית ומי שכונה בעבר "הסנדק של ה-AI". צפו בהכרזה בשידור חי משטוקהולם:
ההכרזה על הזוכים בפרס נובל בפיזיקה
(צילום: רויטרס)
ללמוד ולהשתפר
בינה מלאכותית היא מערכת מחשב המבוססת על רשתות גדולות, שמסוגלות לעבד כמות גדולה של מידע. צ'טבוטים, מחוללי תמונות ומערכות נוספות של בינה מלאכותית שפרצו לתודעה הציבורית הרחבה בשנים האחרונות, מבוססים על מערכות כאלה. הן נבדלות מתוכנות מחשב "רגילות" ביכולת שלהן "ללמוד" מהניסיון ולשפר את ביצועיהן במשימה מסוימת כל הזמן.
רשת עצבית מלאכותית היא יישום של מודל תיאורטי שמנסה להדמות את פעולת המוח. הרשת מורכבת מאוסף של צמתים המחוברים זה לזה באמצעות קשרים בעלי עוצמות - משקלים - שונים. נסיונות ראשוניים לפיתוח רשתות כאלה נעשו כבר בשנות ה-60 של המאה העשרים, אך הם נזנחו. העניין ברשתות כאלה התעורר שוב בשנות ה-80 בעקבות כמה עבודות פורצות דרך, בהן אלה של הופפילד והינטון.
רשת הופפילד
ג'ון הופפילד נולד ב-1933 בשיקגו, לשני הורים פיזיקאים. בגיל 25 כבר סיים דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת קורנל, והחל לעבוד במעבדות בל (Bell). בהמשך מונה לחוקר באוניברסיטת פרינסטון. ב-1980 קיבל מינוי של פרופסור לכימיה וביולוגיה במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech), שם ביקש לשלב את הפיזיקה עם מערכות ביולוגיות, ולחקור את הפיתוח של רשת עצבית ממוחשבת.
3 צפייה בגלריה
ההכרזה על זוכי פרס נובל בפיזיקה לשנת 2024, פרופ' ג'פרי הינטון ופרופ' ג'ון הופפילד
(צילום: Steffen Trumpf, Reuters)
הופפילד שאב השראה מעבודתו בחקר מערכות המורכבות מחלקיקים רבים, בעיקר מערכות מגנטיות שבהן רכיבים סמוכים יכולים להשפיע זה על זה וליצור השפעות ארוכות טווח על פני כל המערכת. בעוד שברשת עצבית מלאכותית רגילה תאי העצב (הנוירונים) המלאכותיים מסודרים בשכבות המקושרות בטור זו לזו, הופפילד יצר רשת שבה כל תאי העצב מקושרים אלה לאלה. הוא ייחס למערכת אנרגיה, בדומה למערכות מגנטיות דומות, שמחושבת באמצעות הערכים של תאי העצב ועוצמות הקשרים ביניהם. לרשת הזו אפשר להזין תמונה ואז לשנות את שקלול הקשרים בין התאים כדי לקבל מינימום של אנרגיה. כאשר מוזנת לרשת תמונה נוספת, נעשה שינוי בערכי התאים כדי לקבל מינימום של אנרגיה במצב החדש, וחוזר חלילה. באופן זה הרשת מסוגלת "לזכור" ולהציג מחדש את התמונה, או את התמונות, המקורית שהיא אומנה לזכור.
הרשת שהוא פיתח ב-1982 מכונה על שמו "רשת הופפילד", והיא מסוגלת להשתמש בתהליך דומה לזיכרון האסוציאטיבי שלנו – הדרך שבה אנו מנסים להיזכר במילה מסוימת, למשל באמצעות חזרה על הצליל שלה וחיפוש מילים דומות. רשת הופפילד היתה מערכת שמסוגלת לאתר פרט מידע, כמו מילה או תמונה, לפי פריטים דומים.
רשת רב-שכבתית
ג'פרי הינטון נולד ב-1947 בלונדון, אנגליה, ולמד פסיכולוגיה ניסויית באוניברסיטת קיימברידג'. ב-1971 סיים דוקטורט בתחום הבינה המלאכותית באוניברסיטת אדינבורו בסקוטלנד. לאחר שהתקשה להשיג מימון למחקריו בבריטניה עבר לארצות הברית, ובהמשך לאוניברסיטת טורונטו בקנדה.
הינטון השתמש ברשת של הופפילד וברעיונות מתחום הפיזיקה הסטטיסטית, המתארת התנהגויות כלליות של מערכות מרובות חלקיקים. למשל, עבור גז המורכב ממספר עצום של מולקולות, הפיזיקה הסטטיסטית יכולה לתת לנו את ההסתברות כי למולקולה מסוימת תהיה מהירות מסוימת, בהינתן הטמפרטורה, הלחץ והנפח של הגז. כתלות במערכת יש סוגים שונים של התפלגויות, שהידועה שבהן נקראת התפלגות בולצמן. הרשת שפיתח הינטון מסתמכת על התפלגות בולצמן ונקראת בהתאם "מכונת בולצמן".
ברשת הזאת תאי העצב מחולקים לשתי קבוצות. הראשונה, זו שאליה מוכנס המידע ישירות, נקראת השכבה הנראֵית, והשנייה – המקושרת אליה – נקראת השכבה החבויה. לאחר האימון של הרשת על אוסף תמונות, מעדכנים את הערכים של המשקלים אחד אחרי השני ואחרי מספיק חזרות היא מגיעה למצב בו גם כשהמשקלים הפרטניים משתנים, תכונות כלליות של המכונה, המקבילות לתכונות כלליות של מערכת גז, נשארות קבועות. אז מייצרים מהמצב שלה תמונה חדשה, שונה מהתמונות שעליהן הרשת אומנה, אך בסגנון דומה. מכונת בולצמן היא הדוגמה המוקדמת לבינה מלאכותית יוצרת (GenAI). היא אמנם לא יעילה ומצריכה זמן חישוב ארוך מאוד, אבל ממנה צמחו מודלי ייצור התמונה והטקסט המוכרים לנו היום. הינטון ועמיתיו הציגו את עקרונות המערכת במאמר פורץ דרך מ-1986.
מחקריו של הינטון המשיכו לעצב את תחום הבינה המלאכותית והלמידה העמוקה. בין השאר הוא עבד במשך כמה שנים עם חברת גוגל, ועזב אותה ב-2023, לאחר שטען כי הוא רוצה את החופש להתבטא גם בדבר הסכנות הנשקפות מטכנולוגיות של בינה מלאכותית.
3 צפייה בגלריה
זוכי פרס נובל בפיזיקה לשנת 2024, פרופ' ג'פרי הינטון ופרופ' ג'ון הופפילד, על גילויים והמצאות בסיסיים שמאפשרים למידת מכונה עם רשתות עצביות מלאכותיות
(צילום: Nobel committee)
הופפילד והינטון זכו במשך השנים בפרסים ואותות הוקרה רבים על עבודתם. הינטון נבחר ב-1998 לחברה המלכותית הבריטית, קיבל ב-2016 את פרס BBVA וב-2018 את פרס טיורינג – הפרס היוקרתי ביותר במדעי המחשב. הופפילד נבחר ב-1973 לאקדמיה האמריקאית למדעים, ובין השאר הוענקו לו פרס אלברט איינשטיים (2005) ומדליית בולצמן (2022).
מגנטיקה עד נהיגה
הפרס השנה הוא דוגמה נוספת לשימושיות הרבה של לימודי הפיזיקה, שמתבררים שוב ושוב כמעשיים במגוון תחומים, גם כאלו שממבט ראשון נראים רחוקים מהפיזיקה ה"טהורה". פריצת הדרך של החוקרים הושפעה מן הרעיונות ומצורת החשיבה של הפיזיקה הסטטיסטית, אשר מתארת מערכות המורכבות ממספר רב של חלקים. הופפילד גילה שבדומה למערכות המורכבות בפיזיקה, רשת של נוירונים ביולוגיים או כאלה הבנויים ממעגלים חשמליים, עשויים לפתח תכונה קולקטיבית בלתי צפויה אשר מאפשרת להם לבצע חישובים.
למרות שהמחקר לא עסק בפיזיקה "טהורה", ראוי לציין כי הכלים של למידת מכונה ורשתות עצבים מלאכותיות משרתים כיום תחומי מחקר רבים, גם בפיזיקה, בהם ניתוח המידע הרב הנמדד במסגרת ניסויי פיזיקת חלקיקים, תצפיות אסטרונומיות, וגם בתחומים אחרים עתירי נתונים כמו ניתוח מידע גנטי. מערכות כאלה כבר הופכות שימושיות יותר ויותר במגוון רחב של תחומים, מאבחון רפואי, דרך נהיגה אוטונומית ועד שירות לקוחות, וחלקן בחיינו צפוי לגדול עוד ועוד בשנים הבאות.
הזוכים הקודמים
בשנה שעברה הוענק הפרס לשלושה חוקרים שתרמו לחקר תהליכים אלקטרוניים הנמשכים מיליארדית של מיליארדית השנייה: פייר אגוסטיני (Agostini) מאוניברסיטת אוהיו בארצות הברית, פרנץ קראוס (Krausz) ממכון מקס פלנק לפיזיקה במינכן, גרמניה, ואן ל'הוליייר (L’Huillier) מאוניברסיטת לונד בשוודיה. מחקריה של ל'הוליייר פתחו את הדלת ליצירת הבזקי לייזר של אטו-שניות, כלומר 10-18 שניות, ואילו אוגוסטיני וקראוס הראשונים שיצרו בפועל הבזקים כאלו, ומדדו באמצעותם תופעות כמו יינון של אטומים.
לפני שנתיים הזוכים היו שלושה חוקרים מתחום המכניקה הקוונטית. אלן אספה (Aspect) מצרפת, ג'ון קלאוזר (Clauser) מארצות הברית ואנטון ציילינגר (Zeilinger) מאוסטריה זכו בפרס על סדרת ניסויים שבהם הדגימו כי תופעת השזירה הקוונטית, שאינה אפשרית בפיזיקה קלאסית, אכן מתקיימת.
ב-2021 הפרס התחלק בין שלושה מדענים: מחציתו הוענקה לשוקורו מנאבה (Manabe) מאוניברסיטת פרינסטון בארצות הברית ולקלאוס הסלמן (Hasselmann) ממכון מקס פלנק למטאורולוגיה בהמבורג, שפיתחו מודלים לחיזוי שינויי אקלים, ומחציתו לג'ורג'ו פריזי (Parisi) מאוניברסת ספיאנצה ברומא, על פיתוח מודלים תיאורטיים המאפשרים לחקור מערכות מורכבות.
שבוע של פרסים
הפרס בפיזיקה הוא פרס נובל השני שמוכרז השבוע. ביום שני הוכרז כי הפרס ברפואה יוענק השנה לגארי רובקון (Ruvkun) ולוויקטור אמברוז (Ambros) מארצות הברית, על גילוי המיקרו-RNA ותפקידן בבקרה על ביטוי גנים. מחר (רביעי) יוכרזו הזוכים בפרס נובל בכימיה, וביום חמישי בספרות. ביום שישי תודיע ועדת הפרס באוסלו על הזוכים בפרס נובל לשלום. שבוע ההכרזות יינעל ביום שני עם ההודעה על הזוכים בפרס לכלכלה על שם אלפרד נובל.
ד"ר בועז קרני-הראל, נעם לויתן וד"ר יובל רוזנברג, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
