Constructing Custom Thermodynamics Using Deep Learning

耗散系统 直觉 计算机科学 统计物理学 热力学定律 人工智能 齐次空间 理论计算机科学 物理 非平衡态热力学 数学 热力学 认知科学 心理学 几何学
作者
Xiaoli Chen,Beatrice W. Soh,Zi‐En Ooi,Eléonore Vissol-Gaudin,Haijun Yu,Kostya S. Novoselov,Kedar Hippalgaonkar,Qianxiao Li
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2308.04119
摘要

One of the most exciting applications of artificial intelligence (AI) is automated scientific discovery based on previously amassed data, coupled with restrictions provided by known physical principles, including symmetries and conservation laws. Such automated hypothesis creation and verification can assist scientists in studying complex phenomena, where traditional physical intuition may fail. Here we develop a platform based on a generalized Onsager principle to learn macroscopic dynamical descriptions of arbitrary stochastic dissipative systems directly from observations of their microscopic trajectories. Our method simultaneously constructs reduced thermodynamic coordinates and interprets the dynamics on these coordinates. We demonstrate its effectiveness by studying theoretically and validating experimentally the stretching of long polymer chains in an externally applied field. Specifically, we learn three interpretable thermodynamic coordinates and build a dynamical landscape of polymer stretching, including the identification of stable and transition states and the control of the stretching rate. Our general methodology can be used to address a wide range of scientific and technological applications.

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