AI 에게 물리 법칙을 학습시켰더니 미지의 물리 변수로 현상을 표현하기 시작했다!

AI는 인류가 지각할 수 없는 독자적인 물리 변수를 인식할 수 있다고 판명되었다

AI에게는 우리 인류가 지각할 수 없는 무언가가 보이고 있는 것 같습니다.

미국의 컬럼비아 대학(Columbia University)에서 행해진 연구에 의하면 AI로 하여금 물리 법칙을 학습시키고 그것을 표현하기 위해 필요한 '변수'의 수를 생각하게 한 결과 현재의 인류는 이해할 수 없는 요소가 포함되는 것으로 판명되었다고 합니다.

흔한 진자 운동이나 회전 운동에서도 AI는 인류와는 다른 독자적인 변수를 이용해서 물리 법칙을 이해하고 정확한 운동 예측까지 성공해 내고 있었습니다.

연구자들은 AI는 인류가 아직 발견하지 못한 미지의 방정식과 변수를 이용해서 물체의 운동 법칙을 이해하고 있을 가능성이 있다고 말합니다.

만약 연구자들의 예측이 맞다면 누구나 알고있는 진자운동이나 원운동 등에는 그 누구도 모르는 '숨겨진 방정식'이 존재하는 것입니다.

본 연구 내용의 자세한 내용은 2022년 7월 25일에
'Nature Computational Science'에 게재되었습니다.

요약

• AI는 인류가 지각할 수 없는 물리 변수를 인식하고 있다
• 미지의 운동에서도 AI는 변수를 인식할 수 있었다
• 흔한 물리 법칙의 '숨겨진 베일'이 밝혀지다

AI는 인류가 지각할 수 없는
물리 변수를 인식하고 있다

뉴턴의 운동 방정식은 세 가지 변수로 이루어진다

우리가 흔히 아는 뉴턴의 운동 방정식은 '힘=질량×가속도'라고 세 가지 변수로 기술할 수 있습니다.

뉴턴은 위대한 과학자였지만 운동 방정식을 완성하려면 그 전 단계로 '힘', '질량', '가속도'라는 세 가지 변수를 인식해야 했습니다.

유명한 아인슈타인도 마잔가지로 에너지와 질량 같은 변수를 인식하지 않고서는 상대성이론을 만들어낼 수 없었을 것입니다.

이처럼 인류가 물리법칙을 발견하려면 방정식에 이용되는 변수의 개념을 사전에 필수적으로 인지 해야합니다.

새로운 변수의 발견과 인식은 인류의 과학 진보에 필수적인 것이라고 할 수 있습니다.

그러나 지금까지 인류에 의해 발견되어 온 변수나 그것을 이용한 방정식은 기본적으로 인류의 인지 능력에 의존해서 만들어진 것이며 그것이 유일무이한 법칙이라고 할 수 있을지는 알 수 없습니다.

만약 이 우주에 현재 인류의 지식으로는 인지할 수 없는 '변수'가 숨겨져 있을 경우 그 흔한 운동 방정식조차 전혀 알 수없는 '숭겨진 베일'을 갖고 있을 수 있기 때문입니다.

그래서 이번에 컬럼비아대 연구자들은 AI(뉴럴넷)에 대해 전혀 사전 지식 학습없이 다양한 물체의 운동을 통해 물리 법칙을 학습시키고 그 물리 법칙을 설명하는 최소한의 변수의 수를 조사하기로 했습니다.

이중 진자는 두개의 팔이 연결되어 있다

조사에 있어서는 우선 위의 그림과 같이 이중 진자 운동 등의 이미 우리가 알고 있는 물리 운동을 AI에게 관찰 시켰습니다.

이중 진자에서는 두 개의 팔이 연결되며, 위쪽 팔과 아래쪽 팔에는 관절 연결부가 있습니다.

기존 지식에서는 이중 진자 운동은 '상완 각도'와 '상완의 뿔 속도' '하완의 각도' '하완의 뿔 속도'라는 4가지 변수를 갖고 있는 것으로 알려져 있습니다.

그러나 AI에게 이 운동법칙을 학습시켰더니 '4.7개'로 조금 다른 결과를 얻을 수 있었습니다.

왼쪽이 현실에서의 이중 진자의 움직임, 오른쪽이 AI가 인식하는 변수에 의해 시뮬레이션된 이중 진자의 움직임. 무섭도록 일치하고 있다.

하지만 위 동영상에서도 알 수 있듯이 AI는 이 '4.7개'의 변수를 이용한 물리 법칙을 이용해서 이중진자 운동을 거의 현실과 동일하게 시뮬레이트 할 수 있었습니다.

즉 변수의 수는 달라도 AI가 그 의사신경계(뇌) 속에 확립한 물리법칙은 현실과 손색 없이 동일하게 기능하는 법칙 이었던 것입니다.

그렇다면 궁금한 것이 'AI가 인식한 변수가 어떤 것일까?'입니다.

연구자들은 곧바로 AI가 인식한 변수의 시각화를 시도했습니다.

그러자 놀라운 사실이 밝혀집니다.

인류가 아는 이중진자 운동의 변수는 '상완의 각도' '상완의 모서리 속도' '하완의 각도' '하완의 뿔 속도'라는 네 가지로 명확하게 정의된 것입니다.

하지만 AI가 인식한 변수를 시각화했더니 변수 두 개는 팔 각도에 대충 대응하는 것처럼 보였지만 나머지 두 개는 미지의 영역이였습니다.

그래서 연구자들은 이 미지의 두 변수의 정체를 알아보기 위해 운동에너지,위치에너지,각속도,선형속도 등 인류가 알 수 있는 한 다양한 물리량을 적용해 상관관계가 있는지를 알아냈습니다.

하지만 인류가 알고있는 변수와 완전히 일치하는 것은 하나도 없었습니다.

이번 연구에서는 다양한 운동 패턴을 시험해 보았다

또 같은 결과는 위의 그림과 같은 「단순한 원운동」 「 소용돌이 운동」 「단순한 진자 운동」 「스윙하는 막대기 운동」 「늘어짐하는 팔로 만들어진 이중 진자 운동」 등, 인류에게 있어서 이미 해명이 끝난 것으로 생각되고 있던 다른 운동 법칙에도 해당되었습니다.

예를 들어 원운동의 경우 인류는 반지름과 각속도의 두 변수로 이해하지만 AI는 그보다 약간 많다

이 결과는 AI가 인류가 운동법칙을 이해하는 데 사용하는 물리량 이외의 '무엇인가'를 더 변수로 이용해 다양한 독자적인 물리법칙을 이루고 있을 가능성을 보여줍니다.

연구자들은 현재로서는 AI만이 인식할 수 있는 변수로 구축되는 물리학을 대체 물리학(Alternative Physics) 이라고 부르는 것 같습니다.

하지만 이 보다 흥미로운 결과는 인류가 아직 모르는 운동법칙을 AI에게 학습시킴으로써 새로운 변수의 존재를 밝혀냈습니다.

미지의 운동에서도
AI는 변수를 인식할 수 있었다

왼쪽이 공기로 춤추는 인형 튜브, 가운데가 고무공을 띄운 고무라이트, 오른쪽이 불꽃

미지의 운동에 AI는 어떤 법칙을 발견했을까?

답을 얻기 위해 연구자들은 위의 그림과 같은 공기압으로 춤추는 인형ㅉ 고무라이트, 불꽃의 흔들림 등 인류가 아직 모르는 운동 법칙을 AI에게 학습시켜 변수를 구하게 했습니다.

그 결과 AI는 '공기압으로 춤추는 인형'에는 약 8개 '고무라이트'에도 약 8개, 그리고 '불꽃의 흔들림'에는 약 24개의 변수를 사용한 법칙을 찾아내는 것으로 밝혀 졌습니다.

또 AI가 구축한 법칙을 이용해서 각각의 운동을 시뮬레이션 했더니 꽤 정확한 예측을 얻을 수 있는 것으로 밝졌습니다.

AI가 인식하는 변수를 바탕으로 시뮬레이션된 불길은 실제와 같은 거동을 보인다.

예를 들어 위 그림에서는 AI가 인식한 변수를 사용하여 현실의 불꽃 흔들림과 비슷한 움직임을 보일 수 있다는 것을 보여줍니다.

이 결과는 AI가 인식한 변수가 결코 허술한 것이 아니라 현실의 물리 현상을 상당히 높은 정확도로 재현할 수 있는 의미 있는 수치일 가능성을 보여줍니다.

또한 기존에 알려진 운동에서 AI가 예측한 변수는 인류가 아는 변수의 개수와 근사하다는 점에서 '공압으로 춤추는 인형', '고무라이트', '불꽃의 흔들림'의 운동법칙 변수도 인류가 인식할 수 있는 변수의 수에 가까울 것으로 추측됩니다.

그렇다면 AI가 인식한 변수가 정말 의미 있는 것이라면 인류에게 어떤 혜택이 있을까요?

이 의문에 대해 연구자들은 "AI가 인식한 변수를 이해할 수 있다면 기존 방정식을 보다 효율적인 것으로 덧칠 할 수 있다"고 말합니다.

연구자들은 현재 인류가 사용하고 있는 방정식의 상당수는 효율적이라고 할 수 없는 변수를 이용하고 있을 수 있으며, 몇몇 물리현상을 이해하는 데 어려움을 겪는 원인이 되고 있다고 여겨지는 것 같습니다.

흔한 물리 법칙의 '숨겨진 베일'이 밝혀지다

이번 연구를 통해 우리 인류가 유일무이하다고 믿었던 몇 가지 물리 법칙이 여러 표현 방법 중 하나일 뿐이라는 가능성이 제시됐습니다.

연구자들은 만약 지적인 외계인이 있다면 우리와는 다른 개념에 기반한 변수를 이용해서 서로 다른 물리 법칙의 표현을 하고 있을 가능성이 있다고 말합니다.

또 이번 연구에 사용된 기법은 단순한 물체의 운동뿐만 아니라 다른 모든 종류의 데이터 소스에도 적용할 수 있다는 것입니다.

그래서 새로운 AI는 미지의 물리현상을 규명하는 데도 도움이 될 수 있습니다.

지금까지 개발 되었던 '물리현상을 자력으로 발견하는 AI'의 상당수는 변수 자체가 사전에 설정되어 있을 때만 관측 결과에서 물리법칙을 추출할 수 있는 유형이기 때문에 변수 자체가 불분명한 미지의 물리현상에 대해서는 충분히 작용하지 않을 수 있었습니다.

하지만 관찰 결과로부터 변수 자체를 자력으로 검출할 수 있는 AI가 있다면 인간 과학자의 이해를 돕는 유용한 도구가 될 것으로 보입니다.

연구자들은 앞으로 AI에 의해 인식된 변수와 기존 물리량으로 표현하기 위한 또 다른 AI를 개발해 나갈 것으로 알려졌습니다.

어쩌면 100년 후의 미래에는 노벨상을 AI 탑재형 로봇들이 휩쓸고 있을지도 모르겠네요.

참고문헌은 아래링크를 확인하세요.

Columbia Engineering Roboticists Discover Alternative Physics

관련원문은 아래링크를

Automated discovery of fundamental variables hidden in experimental data



https://www.stylec.co.kr/short/LJSrqBmMDq

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