Inteligência artificial resolve equações rígidas e problemas inversos em física

A resolução de equações diferenciais complexas sempre foi um dos grandes desafios da física, especialmente quando se trata de sistemas rígidos, aqueles que envolvem escalas muito diferentes ou parâmetros altamente sensíveis. Esses cenários tornam os cálculos tradicionais extremamente complicados, sobretudo em problemas inversos, nos quais os cientistas buscam deduzir leis físicas desconhecidas a partir de dados observacionais.

Nos últimos anos, a inteligência artificial (IA) surgiu como uma ferramenta poderosa para enfrentar essas dificuldades. Entre as abordagens mais promissoras estão as Redes Neurais Informadas por Física (PINNs), que incorporam diretamente as leis da física no processo de aprendizado das redes neurais. Essa integração permite que o modelo não apenas resolva equações complexas, mas também aprenda padrões e relações fundamentais dentro dos sistemas estudados.

Estratégias inovadoras para equações complexas

Pesquisadores aprimoraram os PINNs utilizando técnicas avançadas que potencializam a eficiência e a precisão da IA:

• Treinamento Multi-Head (MH): permite que a rede aprenda um espaço amplo de soluções para uma família de equações, em vez de se restringir a um caso específico;
• Regularização Unimodular (UR): inspirada em conceitos de geometria diferencial e relatividade geral, estabiliza o treinamento e aumenta a capacidade de generalização para problemas inéditos.

Essas técnicas foram aplicadas com sucesso em sistemas crescentemente complexos, incluindo a equação da chama, o oscilador de Van der Pol e até as equações de campo de Einstein em contextos holográficos. No último caso, foi possível recuperar funções físicas desconhecidas a partir de dados sintéticos, algo anteriormente considerado praticamente impossível.

Avanços e impactos na física moderna

O uso de PINNs representa uma mudança significativa em relação aos métodos numéricos tradicionais. Entre os principais benefícios estão:

• Capacidade de resolver problemas inversos que antes eram intratáveis;
• Maior eficiência computacional e redução de tempo em simulações complexas;
• Potencial de descobrir novas leis físicas a partir de dados observacionais incompletos.

Essas redes funcionam como se “preenchessem as lacunas” de um problema complexo, oferecendo soluções consistentes e únicas para cenários onde as abordagens clássicas poderiam falhar ou gerar múltiplas respostas inconsistentes.

Com essas inovações, a IA aplicada à física abre portas para novas descobertas, não apenas em modelos teóricos, mas também em áreas experimentais e aplicadas, acelerando a compreensão de fenômenos que vão da dinâmica de fluidos até os fundamentos da relatividade.