據(jù)中國(guó)激光雜志社網(wǎng)，于2025年10月27日?qǐng)?bào)道，2024年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了約翰·霍普菲爾德（John J. Hopfield）與杰弗里·辛頓（Geoffrey E. Hinton）。霍普菲爾德以其在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性工作聞名于世，尤其是他提出的“霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)模型”，為人工智能和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。在他的諾獎(jiǎng)演講中（后發(fā)表于《現(xiàn)代物理評(píng)論》），霍普菲爾德并未過(guò)多強(qiáng)調(diào)技術(shù)細(xì)節(jié)，而是娓娓道來(lái)課題的發(fā)展歷程和部分關(guān)鍵抉擇等經(jīng)歷。
1958年，霍普菲爾德加入貝爾實(shí)驗(yàn)室僅有6人的理論物理組。入職首日，他花了半天時(shí)間在行政手續(xù)上，領(lǐng)好辦公用品后，他坐在辦公室里削了數(shù)支鉛筆，問(wèn)自己：“現(xiàn)在我該做什么呢？”
“每天該做什么？是每位科學(xué)家和學(xué)者都面臨的棘手難題。”
他在演講中這樣評(píng)價(jià)：如今，大多數(shù)人的工作方式不過(guò)是把昨日的思緒、測(cè)量數(shù)據(jù)或情節(jié)發(fā)展稍作延伸。但霍普菲爾德認(rèn)為，“選擇問(wèn)題恰恰是決定科學(xué)成就的核心要素”——而這個(gè)關(guān)鍵的能力，卻很少有人傳授。
一 童年：用手思考的拆解少年
霍普菲爾德成長(zhǎng)于一個(gè)物理學(xué)家家庭，父母都是物理學(xué)家。但對(duì)他來(lái)說(shuō)，物理學(xué)的定義并不取決于其研究對(duì)象，而是一種看世界的方式。他回憶道：“我從小就喜歡拆東西，看它們是怎么工作的——修自行車，在廚房里探索化學(xué)、制作可飛行的模型飛機(jī)，擺弄電池，學(xué)會(huì)用雙手思考并操控真實(shí)物體。每理解一件事——比如為什么自行車剎車在使用時(shí)會(huì)變熱，我都會(huì)把這種理解融入到一個(gè)更龐大、更復(fù)雜系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)之中。”這些童年經(jīng)歷塑造了他終身的科學(xué)態(tài)度：只要付出努力、發(fā)揮巧思并擁有充足資源，我們周圍的世界便能以可預(yù)測(cè)且合理量化的方式解釋。
在專業(yè)選擇上，霍普菲爾德全然不顧成為物理學(xué)家可能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)前景。再加之他的高中化學(xué)老師堪稱卓越，不過(guò)物理老師卻連力學(xué)和電學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)都未能掌握。因此，在填寫大學(xué)專業(yè)意向申請(qǐng)表時(shí)，他寫下了"物理或化學(xué)"。
二 命運(yùn)的轉(zhuǎn)折：一句話和一份清單
進(jìn)入斯沃斯莫爾學(xué)院后，威廉·埃爾莫爾教授被指定為霍普菲爾德的導(dǎo)師。在商討未來(lái)規(guī)劃時(shí)，埃爾莫爾教授審閱了他的高中成績(jī)和填報(bào)的意向?qū)I(yè)，隨即提筆將“物理或化學(xué)”中的“或化學(xué)”三字劃去，并說(shuō)道：“我認(rèn)為我們不需要考慮化學(xué)。”霍普菲爾德的求學(xué)之路便由此展開(kāi)。他后來(lái)感慨道："埃爾莫爾的這一隨意決定，與我今日的成就有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。"
在選擇研究生院時(shí)，霍普菲爾德著眼于未來(lái)可能專攻的領(lǐng)域。他的成長(zhǎng)經(jīng)歷使他對(duì)日常世界的物理及其技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。他選擇進(jìn)入康奈爾大學(xué)攻讀研究生，因?yàn)?954年該校物理系正致力于開(kāi)拓固體物理學(xué)這一新興領(lǐng)域。在康奈爾大學(xué)的第二年，霍普菲爾德主動(dòng)找到了理論物理學(xué)家阿爾伯特·奧弗豪澤，請(qǐng)求他協(xié)助確定研究課題并指導(dǎo)學(xué)位論文。霍普菲爾德回憶到：“通過(guò)課程學(xué)習(xí)，我迅速掌握了理論物理的工具，但完全不知道如何找到合適的研究課題。”
幸運(yùn)的是，奧弗豪澤手中有一份有趣的謎題清單，清單上是固體物理中理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相悖的數(shù)個(gè)問(wèn)題。霍普菲爾德選擇了一個(gè)關(guān)于晶體中激子輻射壽命的問(wèn)題。在討論問(wèn)題時(shí)，奧弗豪澤作為傾聽(tīng)者和批評(píng)家給予了他巨大支持，但尋找研究方向與解決理論技術(shù)難題完全由霍普菲爾德自己負(fù)責(zé)。在他看來(lái)，奧弗豪澤給予他的最寶貴禮物，就是讓他擁有一個(gè)有趣的問(wèn)題，并全權(quán)負(fù)責(zé)研究和推進(jìn)。為了回報(bào)這份師恩，霍普菲爾德也始終致力于以同樣的方式培養(yǎng)新一代獨(dú)立研究的學(xué)生。
三 跨界合作：從固體物理到生物學(xué)
博士畢業(yè)后，他加入貝爾實(shí)驗(yàn)室的理論組。負(fù)責(zé)人康耶斯·赫林看到他難以確定下一個(gè)研究問(wèn)題，建議他“與實(shí)驗(yàn)學(xué)家交流，自己去發(fā)現(xiàn)有趣的謎題”。這一建議引導(dǎo)他與化學(xué)家大衛(wèi)·托馬斯展開(kāi)了長(zhǎng)期合作，共同探索化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域，他們共同榮獲了1969年美國(guó)物理學(xué)會(huì)的巴克利固體物理獎(jiǎng)。
至1968年，霍普菲爾德感覺(jué)在那些能發(fā)揮自己獨(dú)特才能的凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域，已無(wú)合適問(wèn)題可解。他期望借助古根海姆獎(jiǎng)金去劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室訪問(wèn)半年，來(lái)發(fā)現(xiàn)有意思的新道路，但卻收獲甚少。從劍橋大學(xué)訪問(wèn)歸來(lái)后，他在貝爾實(shí)驗(yàn)室偶遇了正在用高分辨率核磁共振研究血紅蛋白的化學(xué)家羅伯特·舒爾曼。他發(fā)現(xiàn)，固體物理中的許多精妙實(shí)驗(yàn)技術(shù)竟都適用于研究血紅蛋白——這為他從凝聚態(tài)物理轉(zhuǎn)向生物物理提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的入口。他回想起雙料諾貝爾獎(jiǎng)得主萊納斯·鮑林選擇問(wèn)題的準(zhǔn)則：“我會(huì)自問(wèn)：我正在考慮的問(wèn)題是否是我可能做出貢獻(xiàn)的領(lǐng)域。”霍普菲爾德決心效仿這一準(zhǔn)則。他開(kāi)始關(guān)注蛋白質(zhì)合成中出乎意料的低錯(cuò)誤率，并思考其物理學(xué)背景能否帶來(lái)獨(dú)特見(jiàn)解。于是在1974年提出了“動(dòng)力學(xué)校正”機(jī)制，并設(shè)計(jì)了驗(yàn)證該理論的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。
1976年，他在哈佛醫(yī)學(xué)院報(bào)告這一理論后，第一個(gè)收到了來(lái)自羅伯特·湯普森的提問(wèn)：“你想聽(tīng)聽(tīng)這類實(shí)驗(yàn)的結(jié)果嗎？”隨后便描述了他尚未發(fā)表的、完全支持霍普菲爾德理論的測(cè)量數(shù)據(jù)。霍普菲爾德后來(lái)稱，這是他科學(xué)生涯中“最巨大、也最令人愉悅的驚喜之一”。這篇論文的意外成功，并非因他對(duì)生物學(xué)的深厚積累，而在于論文提出了一個(gè)全新的生物學(xué)問(wèn)題
機(jī)遇眷顧了未作準(zhǔn)備卻充滿求知欲的頭腦。
四 霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)物理學(xué)家走進(jìn)神經(jīng)科學(xué)
1977年冬天，霍普菲爾德在哥本哈根玻爾研究所負(fù)責(zé)組織“物理學(xué)家現(xiàn)代生物學(xué)”的系列研討會(huì)。他回顧了尼爾斯·玻爾于1932年在《光與生命》演講中提出的深刻問(wèn)題：生命本身的深層解釋，與理解量子力學(xué)時(shí)遇到的哲學(xué)上的模糊性，是否本質(zhì)上相互交織？然而四十多年過(guò)去，霍普菲爾德所邀請(qǐng)的生物學(xué)專家們更傾向于闡述已知的內(nèi)容，而非探討未解之謎，他們并未表現(xiàn)出對(duì)物理學(xué)介入的期待。
這番經(jīng)歷讓霍普菲爾德陷入思考。回到普林斯頓后，他決心尋找一個(gè)“大問(wèn)題”。該問(wèn)題的解決和理解將顯著超越一般的學(xué)科邊界，并重構(gòu)該問(wèn)題起源的那些領(lǐng)域。此時(shí)，他接到了來(lái)自MIT神經(jīng)科學(xué)研究計(jì)劃（NRP）負(fù)責(zé)人弗朗西斯·施密特的邀約電話。盡管對(duì)神經(jīng)科學(xué)幾乎一無(wú)所知，霍普菲爾德仍欣然赴約。這次會(huì)面成為他科學(xué)生涯的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折。NRP會(huì)議上，各路專家從不同角度探討“大腦如何產(chǎn)生心智”這一深刻命題令他深受吸引。他意識(shí)到，盡管這些科學(xué)家熱情高漲、才華橫溢，但他們?nèi)狈y(tǒng)一的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)整合各自的研究。霍普菲爾德決定加入NRP，開(kāi)始系統(tǒng)學(xué)習(xí)神經(jīng)科學(xué)，并致力于提煉出一個(gè)能夠整合各類細(xì)節(jié)的“物理學(xué)視角”。
他逐步形成一項(xiàng)關(guān)鍵洞察：大腦與機(jī)器都通過(guò)遵循不斷演化的狀態(tài)軌跡來(lái)進(jìn)行“計(jì)算”。兩者都在一個(gè)狀態(tài)空間中追隨一條動(dòng)力學(xué)軌跡，從初始狀態(tài)流向某個(gè)穩(wěn)定的終點(diǎn)。他進(jìn)一步將問(wèn)題聚焦于“聯(lián)想記憶”，并指出其本質(zhì)在于雙向關(guān)聯(lián)——見(jiàn)其人而憶其名，聞其名而想其容。這種關(guān)聯(lián)性可通過(guò)構(gòu)建相互連接的遞歸網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而其背后的數(shù)學(xué)竟與固體磁性中描述自旋系統(tǒng)的模型高度相似。基于這一洞見(jiàn)，1982年，他在PNAS上發(fā)表開(kāi)創(chuàng)性論文《Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities》，正式提出“霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)”模型。作為美國(guó)科學(xué)院院士，他雖可以在不經(jīng)評(píng)審的情況下在PNAS發(fā)表論文，但文章的長(zhǎng)度僅限五頁(yè)且需面向物理學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和神經(jīng)生物學(xué)家三類讀者，霍普菲爾德不得不以海明威式的風(fēng)格寫作，故意留下“未言明之處”，吸引更多人加入這一領(lǐng)域。此后幾十年，霍普菲爾德的理論不斷被擴(kuò)展和應(yīng)用，并啟發(fā)了今天深度學(xué)習(xí)中的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生成模型。
五 物理學(xué)是一種視角
霍普菲爾德總結(jié)道："我在科學(xué)領(lǐng)域的成就，依賴于專家們的實(shí)驗(yàn)和理論研究。我對(duì)那些愿意與跨領(lǐng)域人士交流、樂(lè)于將物理學(xué)引入新領(lǐng)域的專家懷有崇高敬意。"
"最好的物理，是一種理解人類與宇宙全貌的視角。"
