Менделеев научил нас способности глубоко мыслить, чтобы находить объяснения

Подходы «черного ящика» становятся все более популярными в ИИ, машинном обучении и вычислительной науке о данных. Под «черным ящиком» я подразумеваю вычислительные подходы, которые делают прогнозы без объяснения их обоснования. Например, популярный chatGPT и угрожающий чат-бот Bing предоставляют информацию и забавные разговоры, но мы не знаем, почему они выбирают те ответы, которые выбирают.

Точно так же глубокое обучение и нейронные сети — это вычислительные инструменты, которые делают мощные прогнозы, не раскрывая механизма или обоснования своих прогнозов. Однако при использовании этих инструментов мы теряем что-то важное — объяснение, почему . История Менделеева дает яркий пример того, почему это важно.

Поиск фундаментальных элементов

На протяжении тысячелетий люди стремились понять вещества, из которых состоит мир. Философы с древних времен размышляли о фундаментальном строении материи, но продвинуться в этом вопросе было трудно. Ранние греческие философы предположили, что, поскольку воды много и она может переходить из твердого состояния в жидкое и парообразное, возможно, вода была фундаментальной основой мира.

Другие философы предположили, что фундаментальным фактором может быть воздух, поскольку воздух образует облака, ураганы и водяной пар и окружает нас повсюду.

Аналогичные аргументы приводились в отношении огня и земли.

Философ Аристотель объединил эти идеи и предположил, что эти четыре субстанции являются четырьмя фундаментальными элементами, составляющими материальный мир. На протяжении тысячелетий господствовала эта идея, и большинство людей верило, что четырьмя основными элементами материи действительно являются вода, воздух, земля и огонь. Эта завораживающая гипотеза до сих пор остается необычайно популярной в художественной литературе, сериалах, псевдонаучных кругах и популярной культуре.

Четыре элемента не могут объяснить всю материю

Иконоборческий исследователь и врач по имени Парацельс начал процесс, который привел к разгадке этой гипотезы и современным поискам фундаментальных химических элементов, что привело к рождению новой области науки. Парацельс был первым, кто использовал термин «химия» для обозначения усилий по созданию чистых версий природных элементов.

Роберт Бойль, которого часто считают отцом современной химии, в 1661 году опубликовал свою книгу « Химик-скептик» , в которой он выступал против преобладающего взгляда на знаменитые четыре «элемента» воздуха, огня, воды и земли, являющиеся основой всего. иметь значение. Он отметил, что многие эксперименты показали, что должно быть более четырех основных элементов материи, и что некоторые вещества, такие как золото, сами по себе кажутся чистыми элементами, поскольку их нельзя разбить дальше на эти четыре «вещества». ».

Бойль утверждал, что идентичность элементов нужно определять экспериментально, а не теоретизировать в отсутствие данных, при этом элементы определяются как вещества, которые нельзя разложить на какие-либо более простые вещества.

Так много элементов

Когда было открыто ошеломляющее количество чистых элементов, химики задались вопросом, почему их так много и как они могут быть организованы. Русский химик Дмитрий Менделеев изо всех сил пытался написать исчерпывающий учебник по химии « Основы химии» . Он пытался обобщить то, что было известно о каждом из 63 открытых элементов, от простого водорода до углерода, кислорода и азота, из которых состоит большая часть живой материи.

Механистический прорыв Менделеева

Размышляя о том, как представить накапливающиеся данные о каждом из этих элементов, Менделеев проанализировал сходство их свойств, чтобы можно было классифицировать их по семействам родственных элементов. Изучая список элементов в порядке возрастания атомного веса, он заметил, что их свойства повторяются, что побудило его организовать элементы в виде таблицы, чтобы периодическая закономерность была очевидна в их свойствах. каждую строку и столбец.

История немного запуталась в том, что произошло дальше: то ли из-за болезни, то ли поначалу не оценив влияние своей организационной схемы, Менделеев попросил своего друга Николая Меншуткина представить ему свою таблицу на заседании Русского химического общества. В любом случае, по мере того, как в последующие месяцы Менделеев подробно излагал свою организацию элементов, он все больше осознавал, что его периодические представления позволили ему предсказать существование новых элементов, в том числе тех, которые стали известны как алюминий, кремний и бор. Когда эти элементы были открыты и обладали предсказанными им свойствами, химическое сообщество восприняло периодическую таблицу элементов Менделеева как глубокий прорыв в понимании строительных блоков материального мира.

Как отметил Ричард Моррис в « Последних чародеях» : «Именно Менделеев открыл периодический закон — принцип, описывающий периодичность, наблюдаемую в свойствах химических элементов. Это позволило ему предсказать существование еще не открытых элементов, предсказать атомный вес, а также описать их химические и физические свойства». Это открытие сегодня отражается во всей химии и биологии, и его влияние невозможно переоценить.

Периодическая таблица элементов дает нам своего рода рейтинговую систему Netflix для элементов, показывая нам, что гелий, неон и аргон являются инертными инертными газами из-за их положения в крайнем правом столбце таблицы. Или что натрий и литий образуют похожие соли, потому что они находятся вместе в самой левой колонке таблицы.

Могли ли chatGTP или Microsoft Bing обнаружить Периодическую таблицу?

Что, если бы Менделеев использовал chatGPT, Microsoft Bing или сеть глубокого обучения для предсказания свойств элементов? Конечно, он имел бы фантастический успех, но неизвестно почему. Он бы не разгадал фундаментальную причину взаимосвязей между элементами — лежащую в их основе атомную структуру. У нас не было бы периодической таблицы.

ИИ мощен, но нам также нужны механизмы и объяснения, чтобы расширить наши фундаментальные знания о мире.