刚刚，2024年诺贝尔物理学奖揭晓！

北京时间10月8日下午5点45分许，2024年诺贝尔物理学奖揭晓。美国普林斯顿大学科学家约翰·霍普菲尔德（John J. Hopfield）和加拿大多伦多大学科学家杰弗里·辛顿（Geoffrey E. Hinton）获奖，以表彰他们“基于人工神经网络实现机器学习的基础性发现和发明”。

他们用物理学训练人工神经网络

今年的两位诺贝尔物理学奖得主使用物理学的工具来开发方法，这些方法是当今强大的机器学习的基础。John J. Hopfield创造了一种联想记忆，可以存储和重建图像和其他类型的数据模式。Geoffrey Hinton发明了一种方法，可以自动发现数据中的属性，从而执行识别图片中的特定元素等任务。

当我们谈论人工智能时，我们通常指的是使用人工神经网络的机器学习。这项技术最初是受到大脑结构的启发。在人工神经网络中，大脑的神经元由具有不同值的节点表示。这些节点通过连接相互影响，这些连接可以被比作突触，可以增强或减弱。例如，通过在同时具有高值的节点之间建立更强的连接来训练网络。今年的获奖者从20世纪80年代开始就在人工神经网络方面开展了重要的工作。

John Hopfield发明了一种网络，可以使用一种方法来保存和重建模式。我们可以把节点想象成像素。Hopfield网络利用物理学来描述材料的特性，这是由于它的原子自旋——使每个原子成为微小磁铁的一种特性。整个网络的描述方式相当于物理中发现的自旋系统中的能量，并通过寻找节点之间的连接值来训练，以便保存的图像具有低能量。当Hopfield网络得到一张扭曲或不完整的图像时，它会有条不紊地通过节点并更新它们的值，这样网络的能量就会下降。因此，网络逐步找到最像它输入的不完美图像的已存图像。

Geoffrey Hinton使用Hopfield网络作为新网络的基础，它采用了一种不同的方法——玻尔兹曼机。它可以学习识别给定类型数据中的特征元素。Hinton使用了统计物理学的工具，这是一门由许多相似内容组成的系统科学。通过给机器输入在实际运行时很可能出现的例子来训练它。玻尔兹曼机器可以用来对图像进行分类，或者为它所训练的模式类型创建新的例子。Hinton在这项工作的基础上，帮助开启了当前机器学习的爆炸性发展。

“获奖者的工作已经带来了巨大的好处。在物理学中，我们在广泛的领域使用人工神经网络，例如开发具有特定性能的新材料。”诺贝尔物理学委员会主席Ellen Moons说。

获奖者简历

John J. Hopfield，1933年出生于美国芝加哥。1958年从美国康奈尔大学获得博士学位。目前为美国普林斯顿大学教授。

Geoffrey E. Hinton，1947年出生于英国伦敦。1978年从英国爱丁堡大学获得博士学位。目前为加拿大多伦多大学教授。

基于人工神经网络实现机器学习的基础性发现和发明。图片来自：瑞典皇家科学院/Johan Jarnestad

天然和人工神经元

大脑的神经网络是由活细胞、神经元和先进的内部机制构成的。它们可以通过突触相互传递信号。当我们学习东西时，一些神经元之间的联系变得更强，而另一些神经元之间的联系变得更弱。人工神经网络是由带有值编码的节点构建的。节点之间相互连接，当网络被训练时，同时活跃的节点之间的连接会变得更强，否则则会变弱。

图片来自：瑞典皇家科学院/Johan Jarnestad

过去10年诺贝尔物理学奖得主名单

2023年——美国科学家Pierre Agostini、德国科学家Ferenc Krausz和法国/瑞典科学家Anne L’Huillier获奖，获奖理由是“开发了产生阿秒光脉冲的实验方法，用于研究物质中的电子动力学”。

2022年——法美奥三位科学家Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger获奖，获奖理由是“进行了纠缠光子的实验，确立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”。

2021年——美德意三位科学家因“对人们理解复杂物理系统的开创性贡献”而获奖。美籍日裔科学家Syukuro Manabe、德国科学家Klaus Hasselmann的获奖理由是“物理模拟地球气候，量化变化和可靠地预测全球变暖”；意大利科学家Giorgio Parisi的获奖理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用”。

2020年——英国科学家Roger Penrose获奖，获奖理由是“发现黑洞形成是广义相对论的一个有力预测”；另外两位获奖者是德国和美国科学家Reinhard Genzel、Andrea Ghez，获奖理由是“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。

2019年——美国科学家James Peebles获奖，获奖理由是“在物理宇宙学的理论发现”；另外两位获奖者是瑞士科学家Michel Mayor和Didier Queloz，获奖理由是“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”。

2018年——美法加三位科学家Arthur Ashkin、Gerard Mourou和Donna Strickland获奖，获奖理由是“在激光物理学领域所作出的开创性发明”。

2017年——三位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne获奖，获奖理由是“对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献”。

2016年——英美三位科学家David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane和J. Michael Kosterlitz获奖，获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。

2015年——日本科学家Takaaki Kajita和加拿大科学家Arthur B. McDonald获奖，获奖理由是“发现了中微子振荡，表明中微子具有质量”。

2014年——日本及美国三位科学家Isamu Akasaki、Hiroshi Amano、Shuji Nakamura获奖，获奖理由是“发明了高效蓝光二极管，带来了明亮而节能的白色光源”。

诺贝尔物理学奖小知识

——截至2023年，诺贝尔物理学奖共颁发了117次，没有颁发的六年分别是1916、1931、1934、1940、1941和1942年。

——从1901年至2023年，共225人次获奖，实际获奖个人为224人，因为美国物理学家John Bardeen于1956年和1972年两次获奖。

——117次颁奖中，47次为单独获奖者，32次为2人共享，38次为3人共享。

——最年轻的获奖者是英国物理学家Lawrence Bragg，1915年因“用X射线对晶体结构的分析所作的贡献”与父亲一起获奖，时年25岁。

——最年长的获奖者是美国物理学家Arthur Ashkin，2018年因“在激光物理学领域所作出的开创性发明”获奖，时年96岁。

——224位诺贝尔物理学奖得主中，有5位女性。分别是1903年的居里夫人（居里夫人另外还获得1911年的化学奖）、1963年的Maria Goeppert-Mayer、2018年的Donna Strickland、2020年的Andrea Ghez，以及2023年的Anne L’Huillier。

——诺奖史上的“家庭”诺奖。

夫妇：Marie Curie和Pierre Curie夫妇获得1903年的诺贝尔物理学奖；

父子：William Bragg和Lawrence Bragg父子获得1915年的诺贝尔物理学奖；Niels Bohr获得1922年诺贝尔物理学奖，其子Aage N. Bohr获得1975年诺贝尔物理学奖；Manne Siegbahn获得1924年诺贝尔物理学奖，其子Kai M. Siegbahn获得1981年诺贝尔物理学奖；J. J. Thomson获得1906年诺贝尔物理学奖，其子George Paget Thomson获得1937年诺贝尔物理学奖。