物質(zhì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過程稱之為相變。簡單而言，相變對應(yīng)了物質(zhì)從一種“序”變?yōu)榱硪环N“序”的過程。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者朗道提出的基于序參量為研究變量的朗道理論，已成為研究相變過程普遍采用的統(tǒng)計物理學(xué)方法。以水結(jié)冰為例：在相變發(fā)生之前，水分子是無規(guī)分布的；但相變發(fā)生之后，水分子按照四面體結(jié)構(gòu)周期性的排列方式而形成冰。因而，水結(jié)冰這種相變對應(yīng)著“晶體序”的產(chǎn)生。

與水結(jié)冰完全不同，由過冷液體在臨界溫度以下形成的玻璃態(tài)的過程，在相變前后，分子都呈現(xiàn)出無序的排列方式。液體態(tài)和玻璃態(tài)的明顯區(qū)別在于其各自的動力學(xué)行為：處于液體態(tài)中的分子運(yùn)動很快，因此液體具有流動性；而玻璃態(tài)中的分子則基本不動，因而玻璃宏觀上呈現(xiàn)為沒有流動性的固態(tài)。相對于平衡態(tài)相變（如水結(jié)冰），液體形成玻璃的過程是一個典型的非平衡過程。由于難以定義和測量體系的序參量，對于這類復(fù)雜的非平衡態(tài)相變，傳統(tǒng)的統(tǒng)計物理方法顯得束手無策，關(guān)于玻璃態(tài)物理本質(zhì)的理解是公認(rèn)的難題，在Science創(chuàng)刊125周年之際被列為125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。由于玻璃態(tài)物質(zhì)在材料應(yīng)用和科學(xué)探索方面的重要價值，科學(xué)家們構(gòu)建了物理和數(shù)學(xué)模型，試圖理解玻璃化轉(zhuǎn)變的物理本質(zhì)及其規(guī)律。

中國科學(xué)院理論物理研究所副研究員金瑜亮、北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院研究員蔣瀅和加拿大滑鐵盧大學(xué)教授陳征宇等合作，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，直接從分子模擬數(shù)據(jù)出發(fā)，研究玻璃模型中的一種特有的復(fù)雜非平衡相變——Gardner 相變，即在降溫條件下，玻璃體系呈現(xiàn)出由具有單一cage size 的Glass 相到多級次cage size 的Gardner 相的動力學(xué)轉(zhuǎn)變?；谏疃葘W(xué)習(xí)算法的特征結(jié)構(gòu)識別功能，通過構(gòu)造基于分子動力學(xué)軌跡的輸入數(shù)據(jù)、并結(jié)合“有限時間-有限尺寸”效應(yīng)分析，研究發(fā)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法不但可以識別這種非平衡相變，而且可以體現(xiàn)體系的空間關(guān)聯(lián)性，從而精確確定該相變對應(yīng)的臨界指標(biāo)等物理性質(zhì)。這也是首次基于分子模擬數(shù)據(jù)對Gardner 相變臨界指標(biāo)的數(shù)值報道。該研究方法無需對體系事先構(gòu)建物理模型，而是直接從軌跡數(shù)據(jù)出發(fā)，由機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動提取體系的非平衡態(tài)物理規(guī)律，從而有效避免了因人為理解的偏差而導(dǎo)致物理模型的失真。該研究非平衡態(tài)相變的思路和方法有望在自旋玻璃、高分子聚合物、生物細(xì)胞等非平衡態(tài)體系中得到進(jìn)一步應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表在PNAS 上。博士李華平（北京航空航天大學(xué)博士后，現(xiàn)在中國科學(xué)院大學(xué)溫州研究院工作）和金瑜亮為論文的共同第一作者，金瑜亮和蔣瀅為論文的共同通訊作者。（圖1）

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)探索復(fù)雜非平衡相變研究獲進(jìn)展

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中科院、北京航空航天大學(xué)拔尖人才等的支持。部分計算在理論物理所和北京航空航天大學(xué)先進(jìn)計算平臺完成。