Vật lý trực giác: biết mà không tính

Đưa tay ra đúng chỗ để đón một quả bóng đang bay đòi giải một bài toán về quỹ đạo, và làm điều đó trong vài phần giây. Không ai giải phương trình. Cơ chế thay thế cho phép tính đó là thứ đáng hiểu.

Trực giác vật lý làm được gì

Con người dự đoán khá tốt một nhóm hiện tượng mà không cần công cụ.

• Quỹ đạo vật bay. Đủ chính xác để đón bắt.
• Vật có đổ không. Nhìn một chồng đồ là ước lượng được độ vững.
• Vật nặng hay nhẹ. Từ vẻ ngoài và kích thước, và ta điều chỉnh lực trước cả khi chạm.
• Chất lỏng chảy đi đâu. Đủ để nghiêng bình mà không đổ ra ngoài.

Điểm chung: các dự đoán này nhanh, tự động, và không cần ý thức. Ta không cảm thấy mình đang tính.

Và chúng đủ chính xác cho hành động, dù không chính xác về mặt vật lý học.

Những chỗ trực giác sai

Chính các sai lệch mới cho biết cơ chế bên dưới là gì.

Có các nghiên cứu cho thấy người ta dự đoán sai một cách có hệ thống trong vài tình huống: quỹ đạo của vật rời khỏi một đường cong, hành vi của con lắc, hoặc chuyển động của vật khi không còn lực tác dụng.

Đáng chú ý là các sai lệch này không ngẫu nhiên — nhiều người sai theo cùng một kiểu.

Điều đó gợi ý rằng trực giác vật lý không phải là mô phỏng chính xác các định luật, mà là một tập quy tắc gần đúng hoạt động tốt trong các tình huống thường gặp và lệch ở các tình huống hiếm.

Nói cách khác, nó được điều chỉnh cho môi trường mà con người sống, không cho mọi tình huống vật lý khả dĩ.

Hai giả thuyết về cơ chế

Giả thuyết mô phỏng. Bộ não chạy một mô phỏng thô về vật lý, tương tự cách máy tính mô phỏng nhưng đơn giản hơn nhiều và có nhiễu. Dự đoán là kết quả chạy mô phỏng đó về phía trước.

Giả thuyết này giải thích tốt việc dự đoán trở nên kém chính xác hơn khi phải nhìn xa hơn về tương lai — vì nhiễu tích luỹ qua các bước mô phỏng.

Giả thuyết quy tắc học được. Không có mô phỏng nào; chỉ có một tập ánh xạ trực tiếp từ tình huống sang dự đoán, học được từ rất nhiều lần quan sát.

Giả thuyết này giải thích tốt tốc độ — không cần thời gian chạy mô phỏng — và giải thích tốt các sai lệch có hệ thống.

Bằng chứng hiện có ủng hộ cả hai phần nào, và có thể cả hai cơ chế cùng tồn tại cho các loại dự đoán khác nhau.

Ý nghĩa với hệ thống nhân tạo

Hai hướng tương ứng với hai giả thuyết, và cả hai đều được dùng trong robot.

Hướng mô phỏng: dùng một trình mô phỏng vật lý để dự đoán. Chính xác trong phạm vi mô hình, giải thích được, nhưng chậm và sai ở chỗ mô hình thiếu — đặc biệt là tiếp xúc.

Hướng học ánh xạ: học trực tiếp từ dữ liệu quan hệ giữa tình huống và kết quả. Nhanh, nắm được cả các hiện tượng khó mô hình hoá, nhưng chỉ đáng tin trong vùng đã thấy.

Điều đáng chú ý là đánh đổi giữa hai hướng này giống hệt đánh đổi ở con người: chính xác và chậm, hay nhanh và gần đúng.

Và cách giải quyết cũng giống: dùng dự đoán nhanh cho phần lớn tình huống, và chỉ dùng mô phỏng kỹ khi cần kiểm tra một thao tác quan trọng.

Đủ đúng cho hành động

Điểm quan trọng nhất rút ra từ vật lý trực giác: độ chính xác cần thiết thấp hơn ta tưởng.

Để bắt bóng, không cần biết chính xác nó sẽ ở đâu — chỉ cần đưa tay tới vùng đúng rồi điều chỉnh khi bóng tới gần. Phản hồi ở giai đoạn cuối bù cho phần dự đoán không chính xác.

Đây là nguyên tắc thiết kế rất hữu ích: thay vì cố dự đoán thật chính xác, hãy dự đoán đủ để tới gần, rồi dựa vào phản hồi cho phần còn lại.

Cách này rẻ hơn nhiều và bền vững hơn, vì nó không phụ thuộc vào việc mô hình đúng.

Ngược lại, một hệ thống cố tính toán chính xác toàn bộ quỹ đạo từ đầu sẽ vừa chậm vừa dễ hỏng khi mô hình lệch — và mô hình luôn lệch ở đâu đó.

Câu hỏi thường gặp

Đọc thêm trong Nền tảng triết học & khoa học nhận thức và Cảm biến & tri giác máy.