物理雙月刊 [第44卷2期]:人工智慧︑機器學習︑深度學習在科學上的應用

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其他題名:Physics bimonthly

作者:雜誌編輯團隊編

出版年:2022.04

出版社:台灣物理學會

出版地:臺北市

最新發刊 : 2022-04-01

雜誌類型 : 雙月刊



雜誌簡介: 我們賴以生存的能源 老店新開張:原來物理好精彩! 自上一期結束後,物理雙月刊正式跟過去說拜拜了!在這兩個月的時間裡,我們的編輯團隊加入許多新的成員,一同打造一個全新風貌的物理雙月刊。新網站在5月20 日隨著新總統的上任,重新開張了;雜誌的版面設計和專欄內容也都煥然一新,我們希望新的物理雙月刊可以吸引更多的讀者的目光,讓更多人看見原來物理不只是一堆數學公式所建構起來,也不再只是老師黑板上的無字天書,物理可以跟歷史有緊密的連結、物理可以從教育的觀點去剖析、物理可以用好多不同的方式出現在我們的生活裡,最後會看見原來我們一直跟物理生活著,從未遠離。

本期內容簡介
 
總編輯的話

人工智慧(Artificial Intelligence,AI)、機器學習(Machine Learning,ML)、深度學習(Deep Learning,DL)是近年來相當熱門的話題,代表了人類渴望使用電腦以類似人類處理事情的方式去解決問題。事實上,這三個名詞代表的層級略有不同。人工智
慧是希望使電腦在特定的領域能表現得像人類或是更好。例如早期的電腦跳棋程式,透過人工編碼,讓電腦表現得像跟人類下棋一樣;而機器學習是透過多組的人工編碼與演算法來分析大量數據,進而獲得解析特徵的能力。除了辨識特徵外,也可能需要編寫濾除雜訊的程式碼,才能讓電腦由獲得的資料中去訓練機器學習與執行任務。因此機器學習的處理過程為:資料輸入 → 特徵擷取 → 訓練模型 → 輸出。常見的應用可以在透過電腦來分辨符號或是形狀的「電腦視覺」中看到;而深度學習的方式則是模擬人類大腦的神經網絡,透過重複的「刺激」去訓練與改變每一個「神經元」對應的權重,運算後的訊號經過特定的離散層與其他神經元連接,並把數據往特定的方向(層)做傳播,直到最後的加權輸出。因此其處理過程為:資料輸入 → 特徵擷取 + 訓練模型 →輸出。以上解釋或許較為抽象,這裡可以用常見的交通號誌辨識做一個說明,來了解機器學習與深度學習的不同處。在nvidia網站上曾舉了一個例子[1],常見的停車符號(紅色八角型標誌,中間寫一個大大的STOP)如果分別以機器學習與深度學習的方式去做辨識時,機器學習在起霧或是被樹給阻擋時,其辨識率將會降低。這其實跟前面所說的濾除雜訊編碼有關。而深度學習的方式則能透過學習的「經驗」,知道這是「起霧」或是「被樹阻擋」的停車符號。最大的差異就在於處理過程中,機器學習的作法是人類先告知了電腦欲辨識的特徵(人工寫程式去擷取特徵),然後才去訓練模型;而深度學習則是在大量接受數據時,由電腦自己做特徵擷取,也同時訓練模型。等同於所謂的「特徵」是電腦自己找出來的!因此這樣的「行為」便如同人類對於圖像的學習方式,因此可以獲得與人類的認知相同且較佳的辨識率!

無論是人工智慧、機器學習、深度學習是否能應用在科學上呢?在科學界中常常對於人工智慧、機器學習、深度學習等方式所獲得的科學結果感到不安。這是因為所獲得之結果均來自於所輸入的數據,加上電腦過往的訓練經驗,而中間的過程沒有經過「透明的監督」便獲得了最終的結論。這與過往科學的發展與進步,都是經過縝密理論推演與實驗驗證才能得出的成果的方式大不相同。因此科學家們對於這樣的演算「黑盒子」常常具有高度的懷疑。這如同人類跟電腦同時蓋房子一樣,人類的做法需要建築師、土木技師等經過精密的計算後才會施作,並能保證能承受到某種級數以上的地震;而人工智慧、機器學習、深度學習等技術則是看了一堆能挺過大地震的房子後,就告訴你這樣蓋的房子不會在大地震下傾倒。因此總是令人對於電腦這樣的「說法」保持懷疑,並擔心是否有「例外」、「誤判」、甚至來自資料庫的「偏見」產生。即便如此,人工智慧、機器學習、深度學習在科學上至少能當作一個相當好的工具去使用,甚至提醒科學家一些本來沒有被人類發現的地方。本期的物理雙月刊中將有三篇專文介紹,內容將提及應用在量子化學計算、高能物理、重力波觀測、與材料的性質、製造等範疇。希望藉由本期的介紹讓大家知道人工智慧、機器學習、深度學習在科學上的應用。由於涉及的名詞與觀念與可能較多,讀者們也可以搭配2018年皮旭庭博士在本刊所撰寫的文章。在物理雙月刊新網站[2]搜尋「深度學習及其在凝態物理上的應用」。文章分為三篇,分別是—上篇:什麼是深度學習;中篇:CNN與RNN;下篇:深度學習與凝態物理。相信可以有更多的幫助來理解人工智慧、機器學習、深度學習在科學上的應用。
雜誌簡介
 
物理雙月刊的誕生
物理雙月刊前身為「中華民國物理學會通訊」,為提供本會會員彼此聯絡之用。後因會員深感國內尚缺乏一專門介紹物理發展及新知之刊物,乃於民國68年7月正式創刊,名為「物理季刊」,每三個月出刊一次,並請吳大猷先生特為本刊封面親筆提字。民國76年6月改名為「物理會刊」,每兩個月出刊一次。至民國82年再改名為現在的「物理雙月刊」。
 
物理雙月刊的定位
「物理雙月刊」定位為物理的科普雜誌,希望可以透過國內物理各領域專家 學者為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。「物理雙月刊」努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。
  • 總編輯的話(p.3)
  • 好文推薦 量子韌體與量子計算階層(p.69)