Un avance en física: la IA descubre nuevas leyes en el cuarto estado de la materia

Un grupo de físicos de la Universidad de Emory realizó un descubrimiento significativo en el campo de la física al utilizar inteligencia artificial (IA) para revelar nuevas leyes de la naturaleza. Este avance se centró en el estudio de un sistema de partículas en un plasma polvoriento, considerado el cuarto estado de la materia, que se encuentra en diversas situaciones, desde el espacio hasta incendios forestales.

Los investigadores combinaron una red neuronal diseñada específicamente con un seguimiento tridimensional preciso de las partículas en este plasma. Su modelo logró capturar patrones complejos de interacción entre las partículas, destacando fuerzas no recíprocas con una precisión superior al 99%. Este hallazgo cuestionó suposiciones previas sobre el comportamiento de estas fuerzas.

El estudio, publicado en la revista PNAS, surgió de una colaboración entre físicos experimentales y teóricos. Según Justin Burton, profesor de física experimental y coautor del trabajo, "demostramos que podemos usar la IA para descubrir nueva física. Nuestro método no es una caja negra; entendemos cómo y por qué funciona".

El modelo de IA se centró en describir fuerzas no recíprocas, donde una partícula afecta a otra de manera diferente a como es afectada en retorno. Este fenómeno es difícil de medir y modelar, pero el equipo logró hacerlo con gran precisión. Ilya Nemenman, profesor de física teórica y coautor, señaló que algunas suposiciones teóricas comunes sobre estas fuerzas no son del todo precisas y que su investigación permite corregir esas inexactitudes.

El primer autor del estudio, Wentao Yu, quien trabajó en el proyecto como estudiante de doctorado en Emory, destacó que este enfoque podría aplicarse a otros sistemas complejos, desde materiales industriales hasta grupos de células vivas.

La investigación recibió apoyo principalmente de la National Science Foundation, con financiamiento adicional de la Simons Foundation. Vyacheslav Lukin, director del programa de física de plasmas de la NSF, comentó que este proyecto ejemplifica una colaboración interdisciplinaria que podría llevar a avances en el estudio de sistemas vivos.

El plasma, a menudo denominado el cuarto estado de la materia, es un gas ionizado donde electrones e iones se mueven libremente, lo que genera propiedades únicas como la conductividad eléctrica. Este estado de la materia representa aproximadamente el 99.9% del universo visible, desde el viento solar hasta los rayos en la Tierra.

El plasma polvoriento incluye partículas de polvo cargadas y se presenta en diversas situaciones, desde los anillos de Saturno hasta la ionosfera terrestre. En la Luna, la gravedad débil permite que el polvo cargado flote sobre la superficie, mientras que en la Tierra, puede formarse durante incendios forestales, lo que complica la comunicación para los bomberos.

Para estudiar el plasma polvoriento, el laboratorio de Burton recreó este sistema en experimentos controlados. Utilizaron un método de imagen tomográfica para capturar el movimiento tridimensional de las partículas. Un láser se movió a través de la cámara mientras una cámara de alta velocidad registraba imágenes, las cuales se combinaron para reconstruir las posiciones de las partículas a lo largo del tiempo.

La IA demostró ser una herramienta efectiva para entender el movimiento colectivo en sistemas complejos. Nemenman, quien estudia cómo emergen sistemas complejos de interacciones simples, enfatizó la importancia de comprender cómo un sistema entero surge de la interacción de sus partes más pequeñas.

El modelo de IA, diseñado para funcionar en una computadora de escritorio estándar, ofrece un marco flexible para estudiar sistemas de múltiples cuerpos en diferentes campos. Nemenman planea enseñar a estudiantes de todo el mundo cómo usar la IA para inferir la física del movimiento colectivo, no solo en plasmas polvorientos, sino también en sistemas vivos.

A pesar de estos avances, los expertos humanos siguen siendo esenciales para diseñar modelos y interpretar resultados. "Se requiere pensamiento crítico para desarrollar y utilizar herramientas de IA que generen avances reales en ciencia, tecnología y humanidades", concluyó Burton.

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