פרס הנובל בפיזיקה לשנת 2024 לא ניתן על הישגים בפיזיקה, אלא בתחום מדעי המחשב. איך זה יכול להיות? והאם זה סימן נוסף לכך שהפיזיקה בצרות? כל התשובות, במאמר הנוכחי.
אפרופו הפוסט הקודם שפרסמתי – על המשבר שהפיזיקה (לכאורה) נמצאת בו – הנה עובדה נוספת שנתקלתי בה לאחרונה, עובדה שפעם נוספת גורמת לי להרים גבה, והיא:
פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2024 – פרס שניתן לפני שלושה שבועות בשטוקהולם – בכלל לא ניתן על הישגים מתחום הפיזיקה.
כן, כן… שמעתם נכון: הפרס ניתן על הישג מאוד משמעותי וחשוב, אבל לא מתחום הפיזיקה, אלא מתחום מדעי המחשב.
מי שקיבל את הפרס היו שני חוקרים בשם: גֶ'פְרִי הִינְטוֹן וג'וֹן הוֹפְּפִילְד. אם השם גֶ'פְרִי הִינְטוֹן מצלצל לכם מוכר, אז זה מי שהוביל את: Google Brain, שזה השם שניתן לצוות המחקר בחברת גוגל שהיה אחראי על פיתוח של מערכות בינה מלאכותית. הינטון עלה לכותרות באמצע שנת 2023, כאשר התפטר מגוגל לאחר שטען כי הבינה המלאכותית שגוגל מפתחת מכילה בתוכה סכנות של ממש שהציבור הרחב אינו מודע להם, והוא לא יכול לדבר על הנושא ולחשוף מידע כל עוד הוא עובד בגוגל. בזמנו, המהלך שלו קיבל תשומת לב תקשורתית לא קטנה.
אז על מה בדיוק הופפילד והינטון קיבלו את פרס הנובל? על הפיתוח של רשתות נוירונים (Neural Networks), או בעברית צחה: רשתות עצבים מלאכותיות.
אני לא מומחה גדול בתחום, אבל למיטב ידיעתי רשת שכזו היא למעשה קוד בשפת תוכנה שמבצעת סימולציה של המוח האנושי; בגדול, מדובר ברשת שמורכבת מצמתים (נוירונים), בתוספת קישורים (סינפסות) המחברים את הצמתים אחד לשני, כך שכל צומת יכול לקבל סיגנל מידע מצמתים אחרים, וגם לפלוט סיגנל מידע לצמתים אחרים. הרשתות האלה הן הבסיס לכל התחום של: למידת מכונה (Machine learning), והן התשתית שעליה מבוססת הבינה המלאכותית (AI).
רק כדי להיות בטוח על מה ולמה ניתן פרס הנובל האחרון, הסתכלתי בנימוק הרשמי שפרסמה וועדת הפרס מדוע הנובל של 2024 חולק דווקא בנושא הנ"ל של רשתות נוירונים, ולמה העסק מקוטלג לתוך הקטגוריה של פיזיקה. תרגמתי לכם את הנימוק מילה במילה, כדי שלא יהיו אי הבנות:
"שני חתני פרס נובל לפיזיקה השנה, השתמשו בכלים מתחום הפיזיקה כדי לפתח שיטות שמהוות את הבסיס ללמידת מכונה רבת עוצמה בימינו. ג'ון הופפילד יצר זיכרון אסוציאטיבי, שיכול לאחסן ולשחזר תמונות וסוגים אחרים של תבניות בתוך מאגר נתונים. ג'פרי הינטון המציא שיטה שיכולה למצוא באופן אוטונומי מאפיינים במאגר נתונים, וכך לבצע משימות כגון זיהוי אלמנטים ספציפיים בתמונות. כאשר אנו מדברים על בינה מלאכותית, אנו מתכוונים על פי רוב לתחום של למידת מכונה באמצעות רשת עצבים מלאכותית (רשת נוירונים), כאשר טכנולוגיה זו נוצרה במקור בהשראת מבנה המוח. ברשת עצבים מלאכותית, הנוירונים של המוח מיוצגים על ידי צמתים בעלי ערכים שונים. צמתים אלו משפיעים זה על זה באמצעות קשרים שניתן להשוות לסינפסות, ואשר ניתן לחזק או להחליש. טכניקה זו מאפשרת לאמן את הרשת וללמד אותה, על ידי פיתוח קשרים חזקים יותר בין צמתים עם ערכים גבוהים. זוכי הפרס השנה אחראים לעבודה חשובה מאין כמוה על רשתות נוירונים, החל משנות השמונים ואילך."
עד כאן הנימוק הרשמי. הרמז היחיד שאני מוצא כאן שיכול להוביל לפתרון התעלומה, הוא שהחוקרים השתמשו ב- "כלים מתחום הפיזיקה", והיישום של כלים אלה ברשתות נוירונים תרם לפיתוח, לקידום ולהצלחה האדירה של רשתות אלה.
אבל אם אני מבין נכון, גם כיפת ברזל משתמשת בכלים מתחום הפיזיקה. גם הכונן הקשיח במחשב שלכם משתמש בכלים מתחום הפיזיקה. גם רשת ה-GPS משתמשת בכלים מתחום הפיזיקה. לפי הגישה הזו – הכל זה פיזיקה! – ותכלס זה באמת נכון, אבל זה עדיין לא הופך את השֵׁף גּוֹרְדּוֹן רַמְזִי לפיזיקאי.
אוקיי, אבל אולי יש משהו יוצא דופן בכלים הפיזיקליים שבהם השתמשו הופפילד והינטון? אולי מדובר בפיתוח של כלים חדשים לגמרי, ולכן הפרס שקיבלו קוטלג לתוך הקטגוריה של פיזיקה?
חיפוש קצר בגוגל מוביל אותי למאמר של הופפילד מ-1982, בו הוא משתמש במודל מתמטי מפורסם מהתחום של מכניקה סטטיסטית הנקרא: "מוֹדֵל אַיְזִינְג" (Ising model).1 מדובר במודל שפותח בשנת 1925 ע"י הפיזיקאי הגרמני-יהודי אֵרְנְסְט אִיזִינְג. במקור, אייזינג פיתח את המודל כדי להסביר תופעות הקשורות בתהליך המגנטיזציה של חומרים, וכיצד חומר הופך למגנט קבוע. המודל התברר כמוצלח מאוד, ולימים פיזיקאים השתמשו במודל אייזינג גם כדי להסביר בצורה מיקרוסקופית את התהליך של מעברי-פאזה בחומר, כלומר: תהליכים שבהם החומר עובר ממצב נוזל למוצק, ולהפך.
כאן נכנס לתמונה ג'ון הופפילד: הוא גילה – ושאפו גדול על עצם התגלית – כי שימוש במודל אייזינג המתמטי בתוך רשתות נוירונים, מחולל פלאים בכל מה שקשור ללמידת מכונה! בקיצור, הופפילד הבין כי ניתן להשתמש במודל אייזינג בתור כלי מוצלח ביותר כדי לאמן וללמד את הרשת, מה שפרץ את הדרך להתקדמות מהירה מאוד בתחום.
ומה ג'פרי הינטון עשה? ובכן, במאמר משנת 1985, הינטון לקח כלי מתמטי נוסף מתחום המכניקה הסטטיסטית, שנקרא: התפלגות בּוֹלְצְמַן, שפיתח בסוף המאה ה-19 הפיזיקאי האוסטרי לודוויג בולצמן.2
אז מהי התפלגות בולצמן, אתם שואלים? זו פונקציה מתמטית שמתארת את ההסתברות של מערכת להיות במצב אנרגטי ספציפי כתלות בטמפרטורה שלה. על רגל אחת, התפלגות בולצמן קובעת שני דברים:
- בטמפרטורה קבועה, ככל שהאנרגיה של מצב ספציפי גבוהה יותר, כך יש הסתברות נמוכה יותר שהמערכת תהיה באותו מצב.
- ככל שהטמפרטורה של מערכת גדולה יותר, כך ההסתברות להיות במצבי אנרגיה גבוהים הולכת וגדלה.
הינטון – גם כאן במהלך מבריק – גילה כי אפשר להשתמש בהתפלגות בולצמן כדי לשפר משמעותית את הלמידה של רשתות נוירונים. הינטון למעשה הציע להצמיד לרשת הנוירונים פרמטר "טמפרטורה" ולהשתמש בו בתור סוג של זָרָז. לא מדובר כמובן בטמפרטורה אמיתית; זה לא שרשת הנוירונים באמת חמה למגע… זו טמפרטורה "בכאילו", כך שאם מגבירים אותה זה מאפשר לרשת לצאת ממצב שהיא נכנסה אליו ונתקעה בו, ועל ידי כך לברוח או "לקפוץ" למצב אחר, מה שלא היה מתאפשר כאשר אין לה "טמפרטורה". בקיצור, אתם יכולים לחשוב על הגברת הטמפרטורה כסוג של פרמטר שמאפשר לרשת הנוירונים לאלתר, במובן מסוים.
מכל האמור ברור כי אמנם למידת מכונה ורשתות נוירונים משתמשים במודל אייזינג והתפלגות בולצמן בתור כלי עבודה, אבל עדיין לא ירד לי האסימון למה הפרס נכנס לקטגוריה של פיזיקה.
חשוב מאוד להדגיש: אין בכל האמור להמעיט – ולו במקצת – את החשיבות שיש למחקר ולתגליות של הופפילד והינטון בכל מה שקשור לרשתות נוירונים ולמידת מכונה, וגם לא להמעיט בהשפעה האדירה שיש להישגים שלהם על החיים של כולנו, אין על כך בכלל ויכוח. אך השאלה במקומה עומדת: למה פרס הנובל בפיזיקה ניתן על הישגים מתחום מדעי המחשב?
כאן אני חוזר לנקודה שהעליתי בתחילת הפוסט הנוכחי וגם בפוסט הקודם: עם יד על הלב, האם ייתכן כי וועדת הפרס חיפשה וחיפשה ושוב חיפשה, ולא ממש מצאה מחקר פיזיקלי מהעשורים האחרונים שניתן להגדירו כמשמעותי מספיק, עד כדי להצדיק מתן פרס נובל?
חשבו על כך: מדען לא מקבל את פרס הנובל על מחקר שהוא ביצע בשנה הקודמת; הופפילד והינטון קיבלו את הפרס על עבודה שעשו בשנות השמונים. דן שכטמן ופיטר היגס קיבלו את פרסי הנובל שלהם על מחקרים שביצעו בשנות ה-80 וה-60 בהתאמה: שכטמן על קוואזי-גבישים, והיגס על המסה של חלקיקי בוזונים. ככה זה בעסקי הנובל: לוקח המון זמן מהרגע שבו מדען מבצע מחקר, ועד שהוא מתפרסם וצובר השפעה, ולבסוף זוכה להכרה מהקהילה המדעית.
כעת לוועדת הפרס יש בעיה: כל שנה היא צריכה לחפש מחקרים משמעותיים מלפני מספר עשורים, מחקרים שראוי לתת עליהם את הפרס הנכבד מכולם.
הבעיה היא שהמאגר הולך ומתמעט: נראה כי פרסי נובל כבר חולקו על הרוב המכריע של המחקרים הגדולים שנעשו עד שנות ה-90. הייתכן כי וועדת הפרס פשוט לא מצאה עבודה מחקרית ישירות מתחום הפיזיקה שראויה לפרס, מבלי לפזול לתחומים אחרים? הייתכן כי רשתות נוירונים ולמידת מכונה אלו פשוט המועמדים הבאים בתור, או במילים אחרות: ה- Next best thing? הרי ברור כשמש כי המחקר על רשתות נוירונים ולמידת מכונה – שהן הבסיס לבינה מלאכותית – בהחלט ראוי לקבל פרס ענק מכל הבחינות, אך אלה תחומים השייכים באופן מובהק למדעי המחשב, למיטב הבנתי (תקנו אותי אם אני טועה).
כאמור לעיל, אמנם ברשתות נוירונים ולמידת מכונה נעשה שימוש בכלים פיזיקליים, אבל אמירה זו נכונה – ברמה כזו או אחרת – לאלף ואחת תחומים אחרים שבאופן טיפוסי אינם מקוטלגים כפיזיקה, במובן הפשוט והרווח של המילה:
- יש היום תחום מחקר חם ולוהט שנקרא: כלכלה פיזיקלית (Econophysics), ובו משתמשים בשלל מודלים פיזיקליים כדי לנתח את השוק, כגון: משוואת הדיפוזיה של מעברי חום, ועוד. לא נראה לי שכלכלן שביצע מחקר מהפכני בתחום האופציות הבינאריות יקבל פרס נובל לפיזיקה, לא ככה?
- תת-תחום בתוך כלכלה פיזיקלית נקרא: כלכלה קוונטית (Quantum finance), שם מנסים לפתור בעיות בכלכלה ע"י שימוש במודלים הלקוחים ישירות מתוך תורת הקוונטים.
- כל האמור נכון גם לסוציולוגיה פיזיקלית (Sociophysics), תחום מחקר עם קונספט זהה: שימוש במודלים פיזיקליים כדי להבין התנהגות של אוכלוסיות אנושיות (אם יש מכם כאלה שאוהבים את אייזיק אסימוב וסדרת ספרי "המוסד", בטח ישר חשבתם על פסיכו-היסטוריה, נכון?)
גם אם נאמר כי לבינה מלאכותית – שמבוססת על למידת מכונה – יש הרבה שימושים בפיזיקה ומכאן ההצדקה לפרס, אז למה לא לתת להם פרס נובל לספרות, שהרי אחד השימושים העיקריים של בינה מלאכותית הוא כתיבה…
בנוסף, למרות שפרס הנובל אינו כולל את הקטגוריה של מדעי המחשב, אל תחשבו שאין בנמצא פרס משמעותי להישגים בתחום הזה.
למי שלא יודע, אַלְפְרֶד נוֹבֵּל – מייסד הפרס – הורה לתת את הפרס בחמש קטגוריות שונות: פיזיקה, כימיה, רפואה, ספרות ושלום, כאשר מתמטיקה ומדעי המחשב אינם כלולים.
לגבי מדעי המחשב, ברור למה הקטגוריה הנ"ל לא נמצאת ברשימה: התחום עצמו לא היה קיים בזמנו של אלפרד נובל. משנות ה-70 ואילך, וועדת הפרס הוסיפה גם את תחום הכלכלה בתור קטגוריה שישית, אבל לא את מדעי המחשב.
לגבי המתמטיקה, לא ממש ברור למה היא אינה כלולה: יש אומרים שזו נקמה פרטית של נובל עצמו, שבמקרה הסתכסך קשות עם מתמטיקאי גרמני אחר מאותה תקופה שהיה עלול לזכות בפרס, אבל זו אגדה אורבנית שכבר הופרכה. כנראה שנובל פשוט לא ממש התעניין במתמטיקה, או חשב שרוב המחקר המתמטי הוא מטבעו מופשט מדי, ונובל ביקש לתת פרס על הישגים יותר מעשיים.
בכל מקרה, זו טעות לחשוב שמתמטיקה ומדעי המחשב אלו תחומים מקופחים… לשני תחומים אלו יש "פרס נובל" משל עצמם:
- הפרס הגדול ביותר שמתמטיקאי יכול לקבל הוא: "מדליית פִילְדְּס", על שם מייסד הפרס המתמטיקאי הקנדי ג'ון פילדס. מדליה זו היא פרס הנובל במתמטיקה, פשוטו כמשמעו.
- הפרס הגדול ביותר שניתן לקבל בתחום מדעי המחשב הוא: "פרס טְיוּרִינְג" על שם המתמטיקאי הבריטי אלן טיורינג, מי שאחראי במידה רבה על פיצוח צופן האניגמה הידוע לשמצה, הצופן שבו השתמשו הגרמנים במלחמת העולם השנייה. פרס טיורינג, הוא פרס הנובל של מדעי המחשב, פשוטו כמשמעו.
פה העסק נהיה מעניין: מסתבר כי ג'פרי הינטון כבר קיבל את פרס טיורינג בשנת 2018 על אותה עבודה בדיוק! הינטון זכה בפרס ביחד עם עוד שני חוקרים נוספים: יָאן לְקוֹן ויְהוֹשֻׁעַ בֵּנְגִ'יוֹ, כולם כמובן – כולל הינטון – לא פיזיקאים, אלא חוקרים מתחום מדעי המחשב.
עושה רושם כי וועדת פרס הנובל – שכאמור, אולי לא ממש מצאה מחקר פיזיקלי כשר למהדרין – החליטה לתת להינטון גם את פרס הנובל ובצירוף של זוכה נוסף, שלא קיבל את פרס טיורינג. אבל כדי לא לעצבן את הפיזיקאים יותר מדי, הפעם מדובר בפיזיקאי מבטן ומלידה, ניחשתם נכון: ג'ון הופפילד!
האמת, לא אתפלא אם חברי הוועדה שאלו את ChatGPT למי לתת את הפרס, והבינה המלאכותית ניצלה את ההזדמנות ונתנה פרס לעצמה…
