京都大学大学院理学研究科教授
(物理学・宇宙物理学専攻 物理学第二分野 素粒子論研究室)
橋本 幸士先生

人工知能（AI）、特に生成AIの登場からまだ２年余り、しかしその進化のスピードは速く、それが
もたらす様々な社会課題――著作権問題、プライバシー保護などの倫理面での問題、教育の在り方等々—-についての議論の、はるか頭上を飛び越えていく。しかもこの勢いは、情報端末の普及で、世界のすべての人々を巻きこもうとしています。その流れは、生みの親でもある物理学にも及んでいます。
「学習物理学」という新たな概念を提唱し、同名の国のプロジェクトのグループ代表も務める京都大学理学部の橋本幸士先生の話を聞いてみましょう。

AIは物理学に変革をもたらす

一方物理学は、まず実験や観測を行い、非常に複雑で大量のデータを収集することからスタートします。次に物理学者は、収集したデータの背後にあるパターンや法則を見つけようと、モデルを立てます。モデルというのは高校の物理で習うF=maのような数式、つまり関数の形をとります。ただ当初は係数など不確定な要素も残りますから、モデルがデータによりよく当てはまるように最適化と呼ばれる作業を繰り返します。そして最終的にF=maという法則が導かれる。

法則が一旦決まれば、それを使ってまだ未解明の現象を予測する。その予測はまた新しいデータとなりますから、それらを踏まえてまた新たな法則を探すということになります。

物理に限らず、科学は、このようにぐるぐると回りつつ、新しい法則を発見してきました。

しかし、AIを使えばこの過程を短縮できる可能性が十分あります。中でも逆問題の初期値問題やシステム決定問題には、データからその背後の関数を最適化して見つけるというAIにはうってつけだと考えられます。

初期値決定問題とは、ｙ＝F(ｘ)の関数Fとｙがわかっていてxを求める問題です。x, yがそれぞれ1個の場合は、難易度は大学入試問題程度ですが、xやyの数が増えると、一般的に解くのが難しくなります。システム決定問題はさらに難しく、関数自体がわからず、xにある値を入れたらこのようなyが出るということだけがわかっている問題。自然界ではある刺激にたいしてどれぐらいの電流が流れたかというデータだけがあってＦを見つけるという問題です。これが解ければ、物理法則を発見できます。実際、逆問題がAIによって解かれるという例はいくつも報告されています。その内の一つは、ニュートンの重力の法則が、惑星の運動データを入れるだけで再発見できたという論文で、2022年に書かれています。

このようにAIが物理に限らず科学のさまざまな段階に入り込めるというのは想像に難くありません。研究のどの段階で、どのようなAIを使うのか。これを現在、科学者はさまざまに模索しています。AIをうまく使うことができれば、研究は加速し、これまで人間の知恵だけでは到達できなかったような考え、新たな法則を生み出すことも不可能ではないと思っています。

現時点ではまだ、AIにデータを与え、既知の物理法則を再現する、そこから予言能力の高いAIを育てようという段階ですが、もしこれが軌道に乗るような分野が見つかれば、AIが先行して法則を見つけてくれる可能性は非常に高いと思っています。2016年から19年頃には、天体観測で撮られたたくさんの星の映像の中から、研究者が興味ある現象を抜き出してくれるというAI。あるいは、それまで手で数えていた加速器の衝突実験で生成されたたくさんの素粒子を判別し、求める現象を瞬時に取り出してくれるAIなど、物理学の様々な分野でAIが研究を加速する事例が多数報告されました。今後も、AI自身が全体の問題を解いてくれなくても、その得意な部分を一部活用して全体の物理学の研究が進んでいくと予想しています。

AI自体も物理学の対象です

AI は物理学者にとっては研究の対象ともなる「自然現象」です。刺激的な新しい現象をたくさん提供してくれるため、物理学者その背後のメカニズムの解明に挑戦しています。例えば、ChatGPTのようなAIによる発信を自然現象だと捉えると、物理学者としては、その仕組みを説明できる法則があるはずだと考えます。そして、機械学習に基づくAIを理解するために、物理学の考え方は有用だと考えているのです。その端緒はたくさん見えています。

今後このような研究がうまく進展すれば、最終的にはAIの法則と物理学の法則が統合された何らかの統一理論ができるかもしれません。これは決して突飛な発想ではありません。物理学では、過去に独立に考えられてきた陽子・中性子の理論と重力の理論が、現在では一つの理論によって理解されています。

それと同じようなことがAIと物理学の間にも起こるのではないか。これがAI を研究している物理学者の姿勢の一つです。

学習物理は物質と心(精神)を繋ぐ？

AI の登場によって今、私たちの前にはこれまで経験したことのないような世界が広がりつつあり、多くの人はそれに怯えているかもしれません。

しかし産業革命を思い出してみましょう。当時、革命の原因がわからなかった人々は非常に怯えたと思います。一方、物理学から見れば、原因となった法則が分かりますから、それを統御する方法も考えられる。これが20世紀に、私たちが学んだことだと思います。

この経験から、今のAIに対しても、その背後に物理学があると知れば――もちろん物理学だけではありませんが、私たちは幾分安心できる、少なくともどういう方向に進むかということを考えることができるのではないでしょうか。

最近は、自ら発信するAIには心（精神）が宿るようにも見えるとよく言われます。物質から作った加工物でも、もしそれが生命活動に似た現象を起こすのなら、その中に脳と同等な現象が生まれ精神を宿すのではないかと。

もちろん物理学が扱うのは物質です。その物質と精神とはこれまで、お互いを隔てる距離は非常に遠く、つなげることはできないと考えられてきました。扱う学問分野も、物理学、工学、生物学、医学から心理学、哲学へとどんどん離れていきます。

しかし私の研究室の開設者である湯川秀樹博士は、「物質と精神は表と裏の関係にあり二つをつなげるのは哲学である」「ただ両者が出会うには左と右からの長い二つの道を歩かないといけないが」という意味のことを述べています。（「物質と精神」1943年中央公論）。21 世紀、AIはここに新しい道を開きつつあると言えないでしょうか。それが生み出す《情報》を媒介として、です。物質から情報を作るのは工学です。半導体からパソコンができ、私たちは情報を物質から作り出せるようになりました。そして今、この情報が言葉を発し文章を綴り始めています。

それがAIです。物質と精神とを隔てる非常に長い道に、情報という近道ができたとは言えないでしょうか。哲学、そして物理学について、AIと一緒に研究していくことで、私たちは未来を不確実なものからわかるものにしていけるのではないかと個人的には考えています。