- LIGO ist ein hochpräzises Messsystem für Gravitationswellen, das Veränderungen der Armlängen im Bereich eines Bruchteils eines Protons erfassen kann. Der Bau und die Weiterentwicklung von LIGO dauerten Jahrzehnte, wobei 2015 die erste Gravitationswelle nachgewiesen wurde. Künstliche Intelligenz wurde eingesetzt, um die Sensitivität und Bandbreite der Gravitationswellenerfassung zu verbessern, obwohl sie bislang keine neuen physikalischen Entdeckungen hervorgebracht hat. Die Rolle der KI in der Physik umfasst das Entdecken von Mustern und die Gestaltung von Experimenten, wie etwa Verschränkungstausch. Die Zukunft der Physik mit KI zeigt Potenzial für neue Entdeckungen, doch das Entwickeln von Theorien bleibt eine menschliche Aufgabe.
In der faszinierenden Welt der Präzisionsmessungen gibt es nur wenige Systeme, die mit dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) vergleichbar sind. LIGOs Zwillingsexemplare, in Hanford, Washington und Livingston, Louisiana gelegen, verwenden Laserstrahlen, die in den vier Kilometer langen Armen eines enormen “L” hin- und herzucken. Kommt eine Gravitationswelle vorbei, verändern sich die Armlängen um Bruchteile der Größe eines Protons. Diese winzigen Unterschiede sind so präzise, dass sie mit dem Messen der Entfernung zum Stern Alpha Centauri bis auf die Breite eines Menschenhaares zu vergleichen sind.
Der Entwurf von LIGO
Der Entwurf dieses außergewöhnlichen Geräts benötigte Jahrzehnte an Entwicklungsarbeit, da Physiker jeden Aspekt bis an seine physischen Grenzen ausloteten. Der Baubeginn datiert auf das Jahr 1994 und es dauerte über zwei Jahrzehnte, einschließlich einer vierjährigen Pause zur Verbesserung der Detektoren, bis LIGO 2015 die erste Gravitationswelle nachwies. Eine Raumzeitwelle, verursacht durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher. Der Physiker der California Institute of Technology führte das Team zur Optimierung der Detektoren in den frühen 2000er Jahren. Akribisch feilte das Team an den LIGO-Elementen, erforschte Grenzen und fand Wege, um das Gerät sensibler zu machen.
Das Jahr 2015 markierte auch den Punkt, an dem das Team überlegte, ob die LIGO-Konstruktion durch die Nutzung von KI verbessert werden könnte. Man wollte Gravitationswellen in einer breiteren Frequenzbandbreite erfassen, um selbst Überraschungen wahrnehmen zu können. Durch den Einsatz einer Software, die ursprünglich von Mario Krenn zur Gestaltung von Quantenoptik-Experimenten entwickelt wurde, wurde diese Vision Realität. Die KI erhielt Zugang zu sämtlichen Komponenten, um einen komplizierten Interferometer zu bauen.
Die Rolle der Künstlichen Intelligenz
Zunächst wirkten die KI-Entwürfe unverständlich, fremdartig und chaotisch. Doch nach monatelanger Anpassung und Analyse durch die Forscher entpuppten sich die Entwürfe als effektiv. Eine zusätzliche drei Kilometer lange Lichtumlaufbahn führte zur Erfassung minimaler Geräusche, was das Team vor neue theoretische Einblicke stellte, die von russischen Physikern schon vor Jahrzehnten erkannt, aber nie praktisch umgesetzt wurden. Hätte man diese Erkenntnisse bereits während des LIGO-Baus gehabt, wäre die Sensitivität massiv gesteigert worden.
Kritiker betonen jedoch, dass die künstliche Intelligenz bislang keine neuen physikalischen Entdeckungen hervorgebracht hat, obwohl sie als wertvolles Werkzeug zur Gestaltung von Experimenten gilt. Neben der experimentellen Gestaltung hilft es, nicht-triviale Muster in komplexen Daten zu entdecken. Beispielsweise haben Algorithmen Symmetrien aus den beim Large Hadron Collider gesammelten Daten extrahiert. Diese Symmetrien waren zwar nicht neu, dennoch ein Beweis des Prinzips für zukünftige Entdeckungen.
Einsichten des Quantenreichs
Im klassischen Physikrahmen haben Objekte definierte Eigenschaften. Im Gegensatz dazu beschreibt die Quantenphysik Objekte mit einem quantenmechanischen Zustand. Zwei oder mehr Quantenobjekte können einen gemeinsamen Zustand teilen, selbst wenn ihre physische Verbindung bricht. Diese Quantenverschränkung stellte früher die Voraussetzung eines gemeinsamen Ursprungs dar.
Ein Phänomen, das als Verschränkungstausch bekannt ist, stellte jedoch diese Voraussetzung infrage. Beginnend mit zwei unabhängigen Paare verschränkter Photonen, erlaubten dann Detektoren eine Interaktion zwischen zuvor unverbundenen Partnern, die zur Verschränkung führte. Dies war der Stand der Dinge, als Krenns Team Software einsetzte, um neue Experimente zu gestalten. Ein mathematisches Modellierungssystem führte zur Konstruktion eines allgemeinen Designs, welches Entität und Pfade von Photonen abbildete.
Das Ergebnis war ein unvorhersehbares Experimentalkonzept, das von der ursprünglichen Versuchsinterpretation deutlich abwich. Der Algorithmus hatte Konzepte eines separaten Forschungsbereiches, der Mehrphotoneninterferenz, integriert, was zu einem effizienteren Prozess führte. Im Jahr 2024 bestätigte ein Team in China die Vielversprechendheit dieses Experimentes.
Zukunft der Physik mit KI
Darüber hinaus verwenden Physiker KI zur Interpretation von Experimentergebnissen. Beispiele umfassen Vorhersagen zur Dichte dunkler Materie, die zur Galaxiebildung wichtig sind. Maschinelles Lernen half auch dabei, wichtige Symmetrien zu entdecken, die Albert Einsteins Relativitätstheorien zugrunde liegen. Obwohl KI diese Muster erkennt, bleibt das Entwickeln physikalischer Theorien eine Aufgabe für die Menschen. Experten glauben, dass Sprachmodelle künftig imstande sein könnten, Hypothesen automatisch zu formulieren.
Solche Fusionen zwischen Mensch und Maschine können das Potenzial bergen, künftig neue physikalische Konzepte zu entdecken. Innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft herrscht Optimismus, dass wir möglicherweise einen Wendepunkt erreichen könnten und KI-gestützte Entdeckungen in der Physik zeitnah Realität werden.
