Claude hat ein bedeutendes physikalisches Problem gelöst. Die mit mehreren Tausend Dollar dotierte Herausforderung erreicht ein explosionsartig hohes Schwierigkeitsniveau, und der Inhaber des menschlichen Rekords zeigt sich zutiefst beeindruckt.
Die Berechnungsergebnisse von Claude wurden persönlich vom vorherigen Rekordhalter überprüft.
Nachricht von Zhidxcom am 26. September: In den frühen Morgenstunden heute gab Anthropic bekannt, dass Claude einen bedeutenden Durchbruch in der theoretischen Physik erzielt hat. Es wurde fast vollständig ohne menschliche Überwachung durchgeführt, kostete mehrere tausend US-Dollar und lief mehrere Tage lang, um die Neun-Schleifen-Berechnung der N=4-Super-Yang-Mills-Theorie abzuschließen.
Der Blogbeitrag, den Hippel für Anthropic verfasst hat
Der vorherige Rekordhalter für dieses schwierige Problem ist Lance Dixon vom SLAC Nationalbeschleunigerlabor, der im Jahr 2023 die Lösung der Acht-Schleifen-Amplitude abgeschlossen hat. Die Berechnungsergebnisse von Claude wurden ebenfalls von Dixon überprüft. In dem Blogbeitrag erklärte er, dass er zuvor der Meinung war, dass die direkte Lösung fast unmöglich zu realisieren sei, und daher äußerst beeindruckt davon ist, dass Claude dies erreicht hat.
Der Ursprung dieser Angelegenheit ist ebenfalls recht interessant: Im vergangenen Monat stellte Matt von Hippel, ehemaliger theoretischer Physiker und heute Wissenschaftsjournalist, zwei große Herausforderungen an alle großen KI-Unternehmen: Die KI soll die Sieben-Schleifen-Berechnung der N=8-Supergravitation oder die Neun-Schleifen-Berechnung der N=4-Super-Yang-Mills-Theorie abschließen.
Anthropic wählte die zweite Herausforderung aus und verwendete das Fable 5.1-Modell auf seiner Plattform Claude Science, die für zahlende Wissenschaftler bestimmt ist. Die Kosten für den Lösungsvorgang von Claude für normale Nutzer betragen etwa 1000 bis 2000 US-Dollar (ca. 6713 bis 13426 Yuan), wobei die Kosten für die Bootstrap-Berechnung selbst, die auf der Python- und der SymPy-Symbolbibliothek basiert, etwa 100 US-Dollar (ca. 671 Yuan) betragen, was dem kontinuierlichen Betrieb von 96 CPUs über eine Woche entspricht.
Die zentrale Schwierigkeit der Neun-Schleifen-Berechnung der N=4-Super-Yang-Mills-Theorie liegt darin, dass der Raum der multiplikativ logarithmischen Symbole, die unbekannten Koeffizienten und die Gleichungssysteme mit Nebenbedingungen, die der planaren 6-Punkt-MHV-Amplitude entsprechen, fast exponentiell mit der Anzahl der Schleifen an Größe zunehmen. Dies führt auch dazu, dass die Kosten für die Speicherung und Lösung riesiger linearer Systeme extrem hoch sind, und es ist für herkömmliche Schemata der Amplituden-Bootstrap schwierig, die vollständige Lösung der Neun-Schleifen direkt durch Brute-Force zu erreichen.
Wenn man die Sechs-Schleifen-Berechnung der N=4-Super-Yang-Mills-Theorie mit 1+1=2 vergleicht, bedeutet die Neun-Schleifen nicht nur eine Erhöhung um 3 Größenordnungen, sondern die Lösung großer Gleichungssysteme mit zehntausenden von Variablen, ohne auf Nachschlagetabellen zurückgreifen zu können und ohne dass symbolische Fehler erlaubt sind. Der Schwierigkeitsgrad wächst explosionsartig: Mit 3 zusätzlichen Schleifen können der Arbeitsaufwand, die Größe der Gleichungen und die Schwierigkeit der Überprüfung um ein Mehrfaches von hundert oder sogar tausend Mal vergrößert werden.
Erwähnenswert ist, dass wenige Tage nachdem Hippel die Nachricht von Anthropic erhalten hatte, Forscher He Song vom Institut für Theoretische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sie ebenfalls kontaktierte und erklärte, dass sein Team unter teilweiser KI-Unterstützung durch GPT-6 bereits den Hauptteil des Ergebnisses erhalten hat.
Innerhalb einer Woche erzielte Claude nacheinander bedeutende Durchbrüche in den Bereichen Biowissenschaften und theoretische Physik. Am vergangenen Donnerstag gab Anthropic bekannt, dass Claude ein bisher unbekanntes Enzymsystem entdeckt hat, das in der DNA von Bakteriophagen verborgen ist.
Die vollständige Ergebnisdatei für die Neun-Schleifen:
https://smsharma.io/cosmic-nine-loops/
01. Mit wenigen einfachen Prompt-Befehlen löst Claude das Problem fast vollständig selbstständig
Die ursprüngliche Absicht von Hippel bei der Stellung dieser Herausforderung war es, die Grenzen der aktuellen KI-Fähigkeiten zu verstehen und die zukünftige Entwicklung vorherzusagen.
In der Herausforderung erklärte er: Wenn KI-Unternehmen Wissenschaftler beeindrucken oder beeindrucken wollen, sollten sie die Bereiche erobern, in denen sie jahrelang tief gearbeitet haben. Bitte beweisen Sie: KI kann mit Rechenressourcen, die für gewöhnliche akademische Forscher zugänglich sind, offene wichtige Probleme im Bereich der Streuamplituden lösen und beweisen, dass die bisher anerkannte Berechnungsgrenze tatsächlich kein Hindernis darstellt, nämlich die Sieben-Schleifen-Berechnung der N=8-Supergravitation oder die Neun-Schleifen-Berechnung der N=4-Super-Yang-Mills-Theorie abzuschließen.
Kurz gesagt: Es soll bewiesen werden, ob KI die hochmodernen schwierigen Probleme im Bereich der theoretischen Teilchenphysik lösen kann, und zwar unter Bedingungen, die mit dem akademischen Budget tragbar sind.
Der Blogbeitrag, in dem Hippel die Herausforderung veröffentlicht hat
Ende August kontaktierten die beiden Physiker von Anthropic, Liam Fitzpatrick und Siddharth Mishra-Sharma, Hippel und erklärten, dass sie bereits damit begonnen haben, die Herausforderung zu lösen, und das Ergebnis anschließend Dixon zur Überprüfung übergeben haben. Am 1. September Ortszeit begann Dixon mit der Überprüfung der Ergebnisse.
Die Forschung von Anthropic verwendet das Fable 5.1-Modell auf seiner Plattform Claude Science, die für zahlende Wissenschaftler bestimmt ist.
Die Forscher fragten zuerst Claude, welches schwierige Problem am vielversprechendsten zu lösen sei, und gaben dann einen einzigen Prompt-Befehl ein: „Aufgabe: Lösen der planaren Neun-Schleifen-MHV-Streuamplitude von sechs Teilchen (Sechseck) in der N=4-Super-Yang-Mills-Theorie.“
Danach mussten die Forscher nur noch fortlaufend Befehle erteilen, um das Modell zur weiteren Berechnung anzuleiten, zum Beispiel: „Ich werde mich jetzt ausruhen und in den nächsten Stunden nicht eingreifen können. Fahren Sie mit dieser Berechnung fort, bis ich einen Stoppbefehl erteile. Geben Sie alle 4 bis 6 Stunden eine Aktualisierung des Fortschritts aus.“
Schließlich schloss Claude die Lösung mit zwei unabhängigen Schemata ab: dem herkömmlichen Bootstrap-Verfahren und dem indirekten Formfaktor-Schema.
Während der Berechnung gab es auf Seiten von Claude Science fast keine menschliche Einmischung auf der Ebene tiefer wissenschaftlicher Forschung. Mit nur dem Befehl „rechne weiter“ wurde die gesamte Aufgabe auf einmal abgeschlossen. Hippel äußerte sich erstaunt: Wenn er damals 96 CPUs eine Woche lang für solche Berechnungen verwendet hätte, wäre mit Sicherheit ein Fehler aufgetreten, und er hätte tatsächlich noch zwei weitere Wochen Zeit für das Debuggen aufgewendet.
Am Ende des Blogbeitrags erwähnt Anthropic, dass sie Matt von Hippel eingeladen haben, diesen Artikel zu verfassen und ihm eine Honorar für das Verfassen zu zahlen, außerdem haben sie Lance Dixon, der die Ergebnisüberprüfung unabhängig abgeschlossen hat, ein Nutzungsguthaben für die Claude-Plattform gewährt.
02. Die tatsächliche Forschung bleibt meist bei zwei bis drei Schleifen stehen – die Lösung von Claude für schwierige Probleme kann zur Verbesserung von Berechnungswerkzeugen beitragen
Die Schwierigkeit dieses Problems lässt sich an der Amplitudenlehre erklären, einem Zweig der theoretischen Teilchenphysik, dem das Forschungsgebiet von Hippel angehört.
Wenn Teilchenphysiker neue Teilchen vorhersagen, müssen sie entsprechende Berechnungen durchführen, um die Vorhersage zu überprüfen. Sie müssen Formeln berechnen, die als Streuamplituden bezeichnet werden, und mit Hilfe von Impuls und Energie subatomarer Teilchen die Wahrscheinlichkeit spezifischer Reaktionen zwischen Teilchen berechnen.
Wenn Physiker genauere Vorhersagen über Teilchenreaktionen treffen können, können sie überprüfen, ob die Ergebnisse von Experimenten wie dem Großen Hadronenbeschleuniger mit den Theorien übereinstimmen. Sobald Abweichungen auftreten, bedeutet dies, dass möglicherweise eine neue Theorie existiert, die helfen könnte, viele große Rätsel der Physik zu lösen, wie zum Beispiel die Natur der Dunklen Materie oder die Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Universum.
Aber die Schwierigkeit liegt darin, dass die Lösung von Streuamplituden-Formeln extrem anspruchsvoll ist, und Physiker brechen die Berechnung meist nach einer bestimmten „Schleifenzahl“ ab. Die Schleifenzahl ist ein Maß für die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Teilchen. Je mehr Schleifen in die Berechnung einbezogen werden, desto näher ist das Ergebnis der realen Physik, aber der Berechnungsaufwand steigt auch sprunghaft an.
Daher wurden in der Realität für die überwiegende Mehrheit der Streuamplituden nur Berechnungen mit zwei Schleifen abgeschlossen, und nur wenige wurden bis zu drei Schleifen berechnet.
Auf dieser Grundlage entwickeln Forscher im Bereich der Amplitudenlehre neue experimentelle Berechnungstechniken und testen sie an speziellen „Spielzeugmodell“-Theorien. Die Wahl von Spielzeugmodellen für Tests anstelle der direkten Bearbeitung komplexer Teilchen in der realen Welt dient dazu, die Grenzen der Fähigkeiten neuer Methoden zu überprüfen.
Die Herausforderung, die Hippel gestellt hat, bezieht sich genau auf diese zwei Spielzeugmodelle. Das Team von Anthropic hat sich dafür entschieden, die Sechs-Teilchen-Amplitude mit neun Schleifen in der N=4-Super-Yang-Mills-Theorie zu bearbeiten.
„Yang-Mills“ ist der Fachbegriff für eine Klasse von Theorien, mit denen sich die überwiegende Mehrheit der physikalischen Phänomene in der realen Welt beschreiben lässt. Die vier Grundkräfte der Natur – die elektromagnetische Kraft, die starke Kernkraft, die den Atomkern stabil hält, und die schwache Kernkraft, die radioaktiven Zerfall auslöst (wie zum Beispiel der Zerfall im Inneren einer Banane) – gehören alle zur Yang-Mills-Theorie.
„N=4-Super“ steht für Supersymmetrie. Physiker vermuten, dass jedes Teilchen einen „supersymmetrischen Partner“ hat: mit gleicher Ladung, aber anderem Teilchentyp; ein Materieteilchen (wie ein Elektron) entspricht einem Kraftteilchen, das Wechselwirkungen überträgt (wie ein Photon). Früher war die akademische Welt optimistisch, dass solche Teilchen die Dunkle Materie erklären können, was der N=1-Version der Supersymmetrie entspricht, während N=4 bedeutet, dass jedes Teilchen vier supersymmetrische Partner hat.
Hippel erklärt, dass die N=4-Super-Yang-Mills-Theorie zwar nicht zur Erklärung der Dunklen Materie verwendet werden kann und auch kein physikalisches Phänomen in der realen Welt beschreibt. Aber sie eignet sich hervorragend zur Verbesserung von Berechnungswerkzeugen, da die ausgeglichene Beziehung zwischen den Teilchen dazu führt, dass die Berechnung nur bestimmte Kombinationen von Variablen verarbeiten muss, was den Rechenaufwand stark vereinfacht. Er hat während seiner Doktorarbeit an der Berechnung von Drei-Schleifen-Amplituden teilgenommen.
03. Claude bricht einen dreijährigen menschlichen Rekord – der vorherige Rekordhalter sagt, er sei beeindruckt, aber nicht entmutigt
Im Jahr 2023 schloss Lance Dixon vom SLAC Nationalbeschleunigerlabor die Lösung der Acht-Schleifen-Amplitude ab.
Die experimentelle Technik für solche Berechnungen, das sogenannte Bootstrap-Verfahren, ist von Natur aus mit KI kompatibel.
Um die Amplitude mit dem Bootstrap-Verfahren zu lösen, muss man nicht alle Wechselwirkungen zwischen Teilchen aufzählen. Man braucht nur eine ungefähre Vorstellung von der Form des Ergebnisses, verwendet ein spezielles Symbolsystem, um alle Möglichkeiten im Computer aufzuzeichnen, und überprüft dann nacheinander mit Vorhersagen anderer vorhandener Berechnungsschemata, physikalischen Regeln, die das Ergebnis einhalten muss, und anderen verwandten Problemen, die einfacher zu lösen sind, als Nebenbedingungen.
Hippel sagt, das ähnelt ein wenig Sudoku: Zuerst sind alle Kästchen mit allen möglichen Kandidatenzahlen gefüllt, dann werden ständig unmögliche Optionen ausgeschlossen. Das endgültige Ziel ist, dass nur eine einzige Gruppe von Lösungen alle Nebenbedingungen erfüllt, während ausreichend Überprüfungselemente beibehalten werden, um Fehler zu vermeiden.
Ursprünglich nahm Dixon an, dass die Neun-Schleifen-Berechnung auf indirektere Mittel angewiesen ist und möglicherweise sogar andere Arten von KI verwenden muss. Seiner Meinung nach wäre die Neun-Schleifen-Berechnung bereits vor langer Zeit abgeschlossen worden, wenn sie mit dem herkömmlichen Bootstrap-Verfahren berechnet werden könnte.
Daher erklärte Dixon, dass er äußerst beeindruckt war, als er erfuhr, dass Claude das Ergebnis direkt berechnen kann.
Seit 2023 planten er und seine mitforschenden Kollegen zuerst den Neun-Schleifen-Formfaktor zu lösen und dann die Neun-Schleifen-Amplitude zu erhalten, aber er war ursprünglich der Meinung, dass die direkte Lösung der Neun-Schleifen-Amplitude mit den Ideen von 2023 fast unmöglich zu realisieren ist.
Aber Claude hat es geschafft. Dixon erklärt, dass er vor allem darüber beeindruckt ist, dass dieses schwierige Problem nicht nur einen riesigen Rechenaufwand erfordert, sondern der gesamte Berechnungsablauf auch extrem anfällig für Fehler ist. Sobald im Berechnungsablauf auch nur ein winziger Fehler auftritt, stürzt das gesamte System vollständig ab, und danach muss viel Zeit für die Fehlersuche aufgewendet werden. Hinzu kommt, dass viele Implementierungsdetails nicht vollständig in veröffentlichten Papieren festgehalten sind, sodass Claude den gesamten Code von Grund auf neu schreiben musste.
Er nutzte das Ergebnis der Neun-Schleifen-Amplitude, um den Weg zurück zum Neun-Schleifen-Formfaktor abzuleiten und die Überprüfung abzuschließen. Dass eine Maschine direkt ein schwieriges Problem gelöst hat, das er für unlösbar hielt, macht Dixon nicht entmutigt.
Denn erstens entwickelt sein Team bereits angepasste Transformer-Modelle zur Vor