Cover image generated by Sora
Para ilmuwan fisika di Emory University di Atlanta, Amerika Serikat telah mengembangkan AI berbasis jaringan saraf (neural network) yang berhasil menemukan hukum fisika baru. Penemuan tersebut diterbitkan dalam jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), berfokus pada sistem Dusty Plasma (plasma berdebu) dan memanfaatkan model jaringan saraf untuk mengidentifikasi kekuatan non-resiprokal (non-reciprocal forces) yang kompleks. Yang lebih menakjubkan, AI ini tidak hanya menemukan hukum baru, tetapi juga mengoreksi asumsi yang salah yang telah membentuk teori plasma selama bertahun-tahun.
AI yang mereka gunakan berbeda dengan AI pada umumnya (prediksi atau klasifikasi data), AI ini dilatih untuk benar-benar menemukan fisika baru.
“Kami menunjukkan bahwa AI dapat digunakan untuk menemukan fisika baru,” kata Justin Burton, profesor fisika eksperimental di Emory. “Metode AI kami bukanlah sebuah black box: kami memahami bagaimana dan mengapa metode ini bekerja. Kerangka kerja ini juga bersifat universal, dan berpotensi diterapkan pada sistem banyak partikel lainnya untuk membuka jalan baru dalam penemuan ilmiah.”
What is Dusty Plasma?
AI dilatih dengan data eksperimen dari dusty plasma, yaitu gas panas bermuatan listrik yang berisi partikel debu berukuran mikrometer (10⁻⁶) hingga nanometer (10⁻⁹) yang tersuspensi di dalamnya. Plasma adalah gas yang terionisasi, yang dikenal sebagai status materi keempat, membentuk 99,9% dari alam semesta yang terlihat.
Materi dusty plasma ini ditemukan di berbagai tempat di alam semesta (cincin Saturnus, permukaan Bulan, asap kebakaran hutan). Partikel debu ini dapat bergabung membentuk partikel yang lebih besar, menghasilkan apa yang disebut sebagai plasma butiran (grain plasmas). Para ilmuwan menggunakan plasma ini di laboratorium untuk memahami sistem partikel yang saling berinteraksi.
Inside the laboratory vacuum chamber, colloidal particles are suspended in a flat disc illuminated by green laser light for dusty plasma research, while conducting 3D scanning experiments. (Burton lab)
Why Does This Matter?
Salah satu tantangan utama dalam fisika plasma, khususnya dusty plasma (plasma berdebu), adalah ketidakjelasan tentang hukum interaksi antar partikel. Meskipun kita memiliki teori dasar tentang gaya Coulomb dan bagaimana partikel bermuatan berinteraksi, sistem nyata seperti dusty plasma jauh lebih kompleks.
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan membuat asumsi-asumsi teoretis untuk menjelaskan perilaku ini. Contohnya, bahwa muatan partikel berbanding lurus dengan ukuran (radius) partikel, atau bahwa gaya antar partikel menurun secara eksponensial dengan jarak—dan itu tak tergantung pada ukuran partikel. Namun, data eksperimen menunjukkan hasil yang lebih rumit, dan tidak ada persamaan fisika tunggal yang mampu menjelaskan semuanya dengan akurat.
How Did the AI Learn to Discover Physical Laws?
Alih-alih sekadar memproses data atau memprediksi hasil, AI dalam penelitian ini dirancang untuk menemukan hukum fisika baru langsung dari data eksperimen. Para peneliti di Emory University melatih sebuah model jaringan saraf (neural network) yang dimodifikasi secara khusus dengan konstraint fisika nyata seperti hukum Newton dan simetri spasial antar partikel.
The Burton lab developed techniques to track the 3D motion of individual particles in dusty plasma to validate AI inferences. (Video by the Burton lab)
Untuk penelitian ini, menggunakan teknik pencitraan tomografi untuk melacak gerakan 3D partikel dalam plasma berdebu. Sebuah laser yang disebarkan menjadi lembaran cahaya bergerak naik turun di dalam ruang vakum, sementara kamera kecepatan tinggi merekam gambar. Potongan gambar partikel dalam setiap bidang cahaya kemudian disusun menjadi tumpukan, memperlihatkan posisi 3D partikel secara rinci selama beberapa menit.
Model ini dilatih menggunakan data lintasan 3D dari partikel-partikel debu bermuatan yang mengambang di dalam plasma. AI ini tidak hanya belajar gaya total yang bekerja pada partikel, tapi juga mampu memisahkan tiga komponen gaya utama:
- Gaya gesek (drag force)
- Gaya lingkungan seperti gravitasi
- Gaya antar-partikel
Laboratory experiments allowed the researchers to validate AI conclusions about dusty plasma. (Burton lab)
AI dilatih menggunakan lintasan partikel 3D, dan memperhitungkan simetri, perbedaan antar partikel, serta berhasil mempelajari gaya non-resiprokal dengan akurasi tinggi.
Interaksi antar partikel di dusty plasma bersifat non-resiprokal (gaya yang diberikan satu partikel tidak selalu dibalas dengan kekuatan yang sama), sehingga sangat sulit dipahami dengan fisika tradisional. AI berhasil memberikan deskripsi yang sangat akurat dengan akurasi lebih dari 99% tentang gaya-gaya aneh ini.
AI memberikan pandangan bahwa saat ada satu partikel yang memimpin, ia akan menarik partikel yang mengikutinya. Namun, partikel yang mengikuti itu justru mendorong partikel yang memimpin menjauh. Untuk memahaminya bayangkan dua perahu di danau, gelombang yang ditinggalkan satu perahu memengaruhi perahu lainnya tergantung posisinya. Interaksi yang tidak simetris (satu menarik, satu mendorong) seperti ini sebelumnya sudah pernah diduga, tapi belum pernah dijelaskan dengan model yang sejelas ini.
AI juga mengoreksi asumsi yang keliru dalam teori plasma sebelumnya:
- Muatan partikel tidak selalu sebanding dengan ukurannya: Dulu, diasumsikan bahwa semakin besar radius partikel debu, semakin besar pula muatan yang menempel padanya, dengan perbandingan yang proporsional. Namun, AI menunjukkan bahwa peningkatan muatan tidak selalu berbanding lurus dengan radius, melainkan bergantung pada kepadatan dan suhu plasma.
- Pelemahan gaya antar partikel bergantung pada ukuran partikel: Teori lama menyebutkan bahwa gaya antar dua partikel menurun secara eksponensial seiring jarak, dan faktor penurunannya tidak bergantung pada ukuran partikel. AI membuktikan bahwa faktor penurunan gaya ini justru bergantung pada ukuran partikel.
The Dawn of AI-Driven Scientific Discovery
Penelitian ini menunjukan bahwa AI dapat melampaui perhitungan angka dan benar-benar membantu ilmuwan menemukan aturan tersembunyi yang mengatur alam semesta. Meskipun AI ini mampu menemukan hukum fisika baru, peran manusia tetap krusial. Diperlukan pemikiran kritis untuk merancang struktur jaringan saraf yang tepat, serta menafsirkan dan memvalidasi data yang dihasilkan. Seperti yang dikatakan Justin Burton, “Saya percaya AI, jika digunakan dengan benar, bisa membuka pintu ke dunia yang belum pernah kita eksplorasi sebelumnya, seperti motto Star Trek: to boldly go where no one has gone before.”