正在阅读:AI版哥白尼 推导“日心说”so easy
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

AI版哥白尼 推导“日心说”so easy

来源:光明网2019-11-25 09:21

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  人类对天体的观测已经有了上千年的历史。公元2世纪时,古希腊天文学家托勒密提出“地心说”来解释他的天文观测数据,但直到16世纪初,哥白尼提出“日心说”,才颠覆了一千多年来的传统,再加上后面开普勒、伽利略、牛顿等人的完善,人类对天体运行的规律逐渐有了比较清楚的认识。那么如果让人工智能(以下简称AI)进行研究,它需要花多久呢?答案是只需要在一台笔记本电脑上运行几个小时便可得出。

AI版哥白尼 推导“日心说”so easy

  图1. 我们的太阳系 Credit: NASA/JPL/SPL

  会做科研的AI

  苏黎世瑞士联邦理工学院(ETH)的物理学家雷纳托·雷纳(Renato Renner)和他的合作者设计了一种新型的神经网络可以将大量的数据集提炼成几个基本的公式,就像牛顿提出简洁的万有引力定律来描述天体运行轨道一样。所谓神经网络是一种模仿大脑的神经元结构而建立的机器学习系统,从而让计算机也能像人一样具有学习、鉴别和预测的能力。

  传统的神经网络通过对大量数据集的训练来学习识别物体,如图像或声音。例如,“四条腿”、“尖尖的耳朵”和“胡须”等特征可能被AI识别是猫。然后,它们将这些特征编码到网络的“节点”(好比人脑的神经元)中。但是神经网络并没有像物理学家那样,将这些信息提炼成易于解释的规则,它像一个黑匣子,你并不能直接看清这些规律到底是什么。

  因此,雷纳的团队设计了一种好比“脑叶切除”的神经网络:它由两个通过少量的节点相互连接的子网络组成。第一个子网将从数据中学习和训练,第二个子网将使用这种“经验”来做测试和新的预测。由于连接双方的链路很少,第一个网络被迫以压缩的格式向另一个网络传递信息,就像导师需要把他们学到的知识传授给学生。

AI版哥白尼 推导“日心说”so easy

  图2. 雷纳团队设计的新神经网络的结构。所谓的“表示”可以理解为总结出来的公式,“潜”意味着它隐藏在神经网络内。

  他们对该神经网络所做的一个测试是向该网络提供从地球上看到的火星和太阳在天空中运动的模拟数据,然后它得出了哥白尼式的火星轨道公式。除此之外,它还被应用于二体碰撞、单摆、量子系统等的求解,有望被用于解决复杂的科学问题。

  哥伦比亚大学的机器人专家霍德.李普森(Hod Lipson)说:“这项工作很重要,因为它能够找出描述物理系统的关键参数。”他认为这些技术是我们理解并跟上日益复杂的物理和其他领域里现象的唯一希望。

  AI是把双刃剑

  正如机器将人类从繁重的体力劳动中解放出来,AI将人类从复杂的脑力劳动中解放出来。AI可以面对更海量的数据、以更高的效率、解决更复杂的问题,帮助我们更迅速地修筑起人类科学的参天大厦,这是人类仅凭一己之力所远远不能企及的。

  不过,譬如AlphaGo下赢了人类顶尖的棋手后,从此人间不再有棋王。有人也可能会担心,机器人会让无数从事简单机械劳动的“白丁”失业流浪,AI会不会也令满腹经纶的学者、科学家们也黯然神伤呢?如此到处“称王称霸”的AI,会不会反过来伤害或征服人类呢?

  但也有不同的声音表示,AI虽然在某些方面有一技之长,但终究是人类发明出来的,是人类智慧的延伸和拓展,不可能完全取代人类。雷纳也强调,虽然该AI推导出了这些公式,但依然需要人来解释它所得到的公式,并理解公式背后的物理含义。

  AI也许会从大量实验和海量数据中拟合抽取规律,达成对自然规律的无限逼近,但却很难如人类一般从第一性原理得到简洁优美的方程式。比如,从水星近日点的进动数据,AI很可能会发现真实引力相对于牛顿万有引力定律的偏离,但绝不可能直接得到爱因斯坦的广义相对论和场方程。由少量方程式构建的现代科学的美感也许在AI的机器语言中将会荡然无存。

  相信未来的AI完全能够发挥所长,在大量的实验和观测数据中发现潜在规律,成为人类探索未知、揭示宇宙奥秘的强大助手。这正是:

  人工智能多才俊,

  不惧繁复拓新篇。

  双子网络泄天机,

  世上从此少疑难。

  感谢中国科学院大学曲一至教授的有益讨论。

  附注:

  1.该神经网络为用简洁的“公式”来解释观测数据,它压缩信息得到的表示r(t)实为地球和火星的日心角的线性组合(详见参考文献[1]原文),可以认为AI已经知道用“日心说”的观点来解释观测数据。由此可见,AI由于没有人类长期的坚持“地心说”的偏见,更容易找到问题正确的答案;另一方面,AI能迅速分析大量数据并在短时间找出其中规律的这一优势,是人类难以望其项背的。

  2.该神经网络源代码在GitHub网站上可以获取(见下),可以下载到自己的电脑玩一玩哦~https://github.com/eth-nn-physics/nn_physical_concepts

  参考文献

  [1] Iten, R., Metger, T., Wilming, H., Rio, L. D., & Renner, R. (2018). Discovering physical concepts with neural networks. arXiv:1807.10300

  [2] Davide Castelvecchi. (2019). AI Copernicus ‘discovers’ that Earth orbits the Sun

  https://www.nature.com/articles/d41586-019-03332-7

  作者简介

  郭潇,中科院国家天文台博士研究生,研究领域涉及脉冲星计时阵探测引力波、引力波的引力透镜效应等

  陆由俊,中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学岗位教授,主要研究领域为理论天体物理,包括黑洞物理、引力波天体物理、活动星系核和类星体等。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 新建上海至南京至合肥高速铁路建设加速 全新南通站亮相展雄姿

  • 第81届联大开幕 聚焦重建信任和管理变革

独家策划

推荐阅读
费马大定理是过去半个世纪最负盛名的数学成果之一。
2026-09-09 09:04
当前,世界百年变局加速演进,新一轮科技革命和产业变革深入发展,人工智能作为引领时代变革的关键技术,正在重塑生产方式、生活方式和国际竞争格局,蕴藏着造福全人类的巨大潜能。
2026-09-09 08:56
文物科研工作长期建立在小范围观察、小样本归纳、小视角判断的认知链条上,高度依赖研究者的个人禀赋与经验积累。
2026-09-09 08:55
最近一个月,郭守敬望远镜再次令世界瞩目:为4万余颗贫金属红巨星精确测距,找到9个超高速星候选体,构建了近10万颗恒星的AI标注数据集。
2026-09-09 08:51
磷是植物生长必需的大量营养元素,可土壤里的磷大多“锁”在难溶的矿物和有机质里。土壤并不缺磷,植物却常常“够不着”。
2026-09-09 08:48
9月7日,工业和信息化部印发《信息通信行业发展“十五五”规划》,其中提到,“探索太空算力技术前瞻研究”。
2026-09-09 09:21
手机为什么突然集体涨价?答案不在手机行业
2026-09-09 09:13
慕思以“焕活芯生,越睡越懂你”为主题发布年度新品。
2026-09-08 21:10
金星没有卫星。但预印本平台arXiv近日公布的一项模拟研究显示,它在近20亿年的时间里可能拥有过一颗卫星,直到最后将其吞噬。厘清这一过程,有助于了解金星过去的宜居性。
2026-09-08 10:19
近日,生态环境部、科技部、中国人民银行、国务院国资委、金融监管总局等五部门联合印发《关于推动生态环境领域科技创新多元化投入的指导意见》。
2026-09-08 10:13
近日,由中国科学院紫金山天文台、国家天文台、清华大学等组成的研究团队,利用“中国天眼”(FAST)、南非MeerKAT射电望远镜和加拿大—法国—夏威夷光学望远镜,首次在银河系一个古老疏散星团的潮汐尾中直接识别出一颗脉冲星。
2026-09-08 10:04
日前,在国家科技传播中心举办的“新天工开物”科技成就发布会上,曹新有带来了三粒麦种——“济麦22”“济南17”“济麦44”,它们种出的麦子,可不止香在嘴里。
2026-09-08 10:03
北京大学城市与环境学院彭书时、物理学院沈路路研究团队联手国内外合作者首次阐明了甲烷“平台期”的维持机制:排放在涨,只是大气里清甲烷的“清洁队”恰好扩编了。
2026-09-08 10:02
从丝绸、茶叶、瓷器、中药,到酿造、工艺美术、文房四宝,这些文化底蕴深厚的中华传统特色产业均属于历史经典产业。
2026-09-07 17:14
延续已久的“手工科研”模式正在被一种全新的力量改写。
2026-09-07 16:44
一根通体透明的“玻璃棒”——看着像玻璃,其实它叫光纤预制棒,是生产光纤的核心原材料。2011年,我们开启了基于VAD(轴向气相沉积法)/OVD(棒外化学气相沉积法)工艺的大尺寸光纤预制棒自主研发的漫长征途。
2026-09-07 09:40
脑机接口是在大脑与外部设备之间建立直接信息通路的技术系统。“‘北脑一号’的初始版本采用128通道无线全植入柔性电极,电极贴附在硬脑膜外,兼顾安全性和有效性。”罗敏敏说,在可预见的未来,脑机接口有望实现从人脑与人工智能、机器人深度协同,拓展到健康人群的认知、感知增强等。
2026-09-07 09:38
距今约5000至4000年,大麦、小麦、牛与羊等驯化动植物在亚欧大陆的东西两端双向流动,构建起史前时期一幅跨大陆农牧业交流图景。“这表明,麦作农业和技术自新月沃地传入甘肃,可能并不直接伴随着来自西方的大规模人群流入。
2026-09-07 09:29
火红的钢坯从连铸机中源源不断送出,切割枪落下,每一段坯料的目标误差控制在0.2%以内,不超过一根头发丝的直径。从人工经验到数据驱动,从单点突破到全流程协同,从单一学科到交叉融合,安徽工业大学正在为钢铁行业装上“智慧大脑”。
2026-09-07 09:25
2016年,我到法国留学攻读应用科学与技术博士学位。回国后我进入人形机器人领域,发现品牌思维已深入人心。
2026-09-07 09:24
加载更多