AI創(chuàng)造新物理學(xué),暴力破解引力波!宇宙觀測(cè)開(kāi)掛50倍,三體人直呼內(nèi)行
就在剛剛,AI又將物理學(xué),推動(dòng)到了全新的領(lǐng)域。
來(lái)自馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所(MPL)、加州理工等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),AI已經(jīng)設(shè)計(jì)出了人類(lèi)尚未理解的引力波探測(cè)工具。
這一發(fā)現(xiàn),直接將可觀測(cè)的宇宙體積擴(kuò)大了50倍!
此外,這次人類(lèi)研究者,還發(fā)現(xiàn)了全新的物理思想的核心。這種方法很容易擴(kuò)展到AI驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),跨越基礎(chǔ)物理的廣泛領(lǐng)域,為宇宙打開(kāi)新窗口。
這項(xiàng)研究,已經(jīng)發(fā)表于「Physical Review X」上。

論文地址:https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.15.021012
一百多年前,愛(ài)因斯坦就設(shè)想出了引力波這個(gè)概念,但直到2016年,這項(xiàng)技術(shù)才終于趕上。
十一年后,人類(lèi)科學(xué)家再次突破引力波的界限,這次,是在一個(gè)名為Urania的人工智能的幫助下。
最令人著迷的就是,在這個(gè)過(guò)程中,AI不僅復(fù)制了已知策略,還發(fā)明了一些全新的策略,完全超出了現(xiàn)有概念,讓目前的人類(lèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法理解。
現(xiàn)在,這些設(shè)計(jì)已經(jīng)在「Detector Zoo」公開(kāi),供全球研究使用。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Mario Krenn表示,如今,AI已經(jīng)可以在科學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)超人類(lèi)的全新解決方案了,而我們?nèi)祟?lèi)所做的,就是盡量去理解,AI為什么要這樣做。

2025年的AI,讓百年前的愛(ài)因斯坦圓夢(mèng)
一百多年前,愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)了引力波的存在——這是一種時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪。


圖源:國(guó)家地理
但直到2016年,LIGO(激光干涉引力波天文臺(tái))團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了高度復(fù)雜的探測(cè)器,才讓科學(xué)家得以直接探測(cè)到引力波。

LIGO觀測(cè)到的首個(gè)引力波插圖:LIGO Hanford(橙色)和LIGO Livingston(藍(lán)色)探測(cè)到的波形,疊加在合并黑洞的插圖下方
而這次,MPL人工科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Mario Krenn博士和LIGO的研究者合作,共同開(kāi)發(fā)了一種名為Urania的AI算法,直接將探測(cè)器設(shè)計(jì)提升到了一個(gè)全新的水平!
在以前,設(shè)計(jì)這些探測(cè)器是一項(xiàng)極其復(fù)雜的任務(wù),涉及到對(duì)布局和許多具體參數(shù)的微調(diào)。
這次,團(tuán)隊(duì)設(shè)想:能否將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題,使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)解決?
結(jié)果,AI給出的答案,讓他們喜出望外!
它給出了一系列全新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),其中的許多設(shè)計(jì),甚至超越了為下一代探測(cè)器提出的最佳概念。
其中有些設(shè)計(jì),可以將靈敏度提高到十倍以上,大幅擴(kuò)展人類(lèi)能探測(cè)到的引力波信號(hào)范圍。

所有實(shí)驗(yàn)配置的抽象空間。這個(gè)空間包含了所有可能的實(shí)驗(yàn)設(shè)置,包括那些具有特殊屬性、能夠探測(cè)引力波的配置(以星號(hào)表示)。在這個(gè)空間中,人類(lèi)研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多令人興奮的設(shè)計(jì)(橙色),然而部分有用但不正統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能無(wú)法通過(guò)這種方式被發(fā)現(xiàn)。此時(shí),基于AI人的設(shè)計(jì)可能會(huì)有所幫助(紫色)
AI的想法:非傳統(tǒng),且富有創(chuàng)意
在AI提出算法的解決方案中,研究者對(duì)于許多已知的技術(shù),又有了全新的認(rèn)識(shí)。
而它提出的非傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),則會(huì)重塑物理學(xué)家對(duì)探測(cè)器技術(shù)的理解。
MPL研究組組長(zhǎng)Mario Krenn博士表示,開(kāi)發(fā)了這種AI算法后,他們用了大約兩年的時(shí)間,發(fā)現(xiàn)了幾十種全新的解決方案。
這些新方案,似乎都無(wú)一例外都比人類(lèi)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)藍(lán)圖要更好。
我們問(wèn)自己,與機(jī)器相比,人類(lèi)到底忽略了什么。

為了理解這些AI發(fā)現(xiàn)所包含的技巧、想法和技術(shù),研究者擴(kuò)展了他們的方法。
然而,其中許多對(duì)他們來(lái)說(shuō),仍然是完全陌生的。
為了集思廣益,現(xiàn)在他們?cè)凇窪etector Zoo」中,將50種表現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)匯編 在一起,希望廣大科學(xué)家能共同展開(kāi)進(jìn)一步的探究。
我們正處于一個(gè)機(jī)器可以在科學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新的超人類(lèi)解決方案的時(shí)代,而人類(lèi)的任務(wù),就是理解機(jī)器所做的事情。這無(wú)疑將成為未來(lái)科學(xué)的重要組成部分。

論文解讀
引力波是由兩個(gè)劇烈的高能天體物理現(xiàn)象(比如兩個(gè)黑洞或超新星的碰撞),在時(shí)空中產(chǎn)生的漣漪。
引力波的發(fā)現(xiàn),為觀察宇宙中的現(xiàn)象打開(kāi)了新的窗口。它獨(dú)立于電磁波、中微子或重粒子,并且為多信使天體物理學(xué)開(kāi)辟了全新領(lǐng)域。
而目前一代的引力波(GW)探測(cè)器,包括先進(jìn)激光干涉引力波天文臺(tái)(aLIGO)、Virgo、上野引力波探測(cè)器(KAGRA)和GEO600探測(cè)器,都采用了光學(xué)干涉技術(shù),能夠檢測(cè)時(shí)空的扭曲。

LIGO的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及當(dāng)前和未來(lái)升級(jí)的靈敏度
目前,這些探測(cè)器的全部架構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),都是由人類(lèi)研究者設(shè)計(jì)的,有時(shí)還會(huì)通過(guò)小規(guī)模的計(jì)算優(yōu)化個(gè)別光學(xué)參數(shù)(例如尋找理想的激光功率、鏡面反射率和相位、g因子或腔長(zhǎng))。
不過(guò),馬普所團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),還有一個(gè)極其龐大的實(shí)驗(yàn)拓?fù)淇臻g,是人類(lèi)研究者尚未探索過(guò)的。
這就意味著,存在大量未被探索的引力波探測(cè)器配置,不僅超越了當(dāng)前設(shè)計(jì),還能提高全新的實(shí)驗(yàn)概念和創(chuàng)意!
而在這次實(shí)驗(yàn)中,研究者就采用了AI方法,將離散的(因此計(jì)算困難的)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)問(wèn)題重新表述為一個(gè)可處理的連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題,即為引力波探測(cè)器設(shè)計(jì)通用干涉儀(UIFO)。
他們發(fā)現(xiàn),AI設(shè)計(jì)的一些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)約束下,要優(yōu)于當(dāng)前的下一代設(shè)計(jì)。

數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)方法
巨大的拓?fù)渌阉骺臻g
僅用一束激光、十個(gè)光學(xué)元件(如鏡子或分束器)和兩個(gè)探測(cè)器,研究者就能構(gòu)建超過(guò)一億種獨(dú)特的配置。
此外,每一種配置都有一個(gè)巨大的連續(xù)搜索空間。
因此,尋找新的引力波探測(cè)器,本質(zhì)上就是一個(gè)在極高維度空間中的搜索問(wèn)題。
在通用干涉儀中表示引力波探測(cè)器
為了將主要是離散的搜索問(wèn)題,轉(zhuǎn)化為一個(gè)純粹的連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題,研究者發(fā)明了一個(gè)準(zhǔn)通用干涉儀。

通用干涉儀(UIFO)的靈感,來(lái)自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用函數(shù)逼近概念,它是一個(gè)高度表達(dá)能力的、參數(shù)化的光學(xué)干涉儀。
在構(gòu)造UIFO時(shí),通過(guò)設(shè)置合適的參數(shù),可以獲得不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);比如,我們可以在圖1(c)中,編碼下一代LIGO Voyager的設(shè)計(jì)圖。

天體物理設(shè)計(jì)目標(biāo)
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,研究者的目標(biāo),就是找到更高靈敏度的全新引力波探測(cè)器。
因此,他們需要找到UIFO的精確參數(shù)設(shè)置。
他們搜索了一個(gè)寬頻帶探測(cè)器,頻率范圍為20–5000 Hz,用于檢測(cè)如雙黑洞合并等通用來(lái)源。
另一個(gè)目標(biāo),是在低頻范圍內(nèi)尋找高靈敏度設(shè)計(jì),范圍為10–30 Hz,這一范圍是來(lái)自宇宙中最早恒星的黑洞合并信號(hào)的預(yù)期頻段。
此外,他們還在尋找用于超新星爆炸的探測(cè)器,這些信號(hào)預(yù)期在200–1000 Hz范圍內(nèi)。

引力波探測(cè)器的計(jì)算模擬
為了計(jì)算UIFO設(shè)置的性能,研究者使用了PYKAT,這是一個(gè)FINESSE的PYTHON接口。
FINESSE是一個(gè)開(kāi)源的干涉儀仿真程序。
研究者在滿足參數(shù)(如鏡面反射率的最大值)和全局約束(如通過(guò)光學(xué)元件的最大激光功率)等物理約束的同時(shí),試著將靈敏度最大化。
在目標(biāo)頻率范圍的100個(gè)離散步長(zhǎng)上,研究者計(jì)算了應(yīng)變靈敏度,定義為光學(xué)響應(yīng)與讀出噪聲的比值。參數(shù)約束使用與LIGO Voyager設(shè)計(jì)中相同的約束。
全局設(shè)計(jì)約束作為懲罰項(xiàng)加入計(jì)算目標(biāo)函數(shù)中,防止光學(xué)元件傳輸?shù)墓夤β蔬^(guò)大,或在光子探測(cè)器上的光學(xué)功率過(guò)大。
AI立大功:全局優(yōu)化算法Urania誕生!
研究者成功開(kāi)發(fā)出了一個(gè)AI——Urania。
它是一種高度并行的混合局部-全局優(yōu)化算法,如下圖所示。

它會(huì)啟動(dòng)1000個(gè)并行的局部?jī)?yōu)化任務(wù),使用改進(jìn)版的BFGS算法,來(lái)最小化目標(biāo)函數(shù)。
BFGS是一種高效的梯度下降優(yōu)化器,能夠近似求解逆海森矩陣。
對(duì)于每個(gè)局部?jī)?yōu)化,Urania會(huì)根據(jù)Boltzmann分布,從池中選擇一個(gè)目標(biāo)。找到更優(yōu)設(shè)置時(shí),就會(huì)用新方案替代舊方案。
最終,這個(gè)AI成功地完成了復(fù)雜搜索空間中的導(dǎo)航,并且發(fā)現(xiàn)了總共50個(gè)超越人類(lèi)最佳拓?fù)湓O(shè)計(jì)的方案!
令人驚訝的是,這些方案并不是持續(xù)改進(jìn)的,而是經(jīng)歷了相變。在某些時(shí)段改進(jìn)不明顯,在一些時(shí)段AI則效率極高。

具體來(lái)說(shuō),這50種優(yōu)于優(yōu)化版aLIGO基準(zhǔn)的UIFO配置中,包括6種寬帶解決方案,7種適用于宇宙學(xué)窗口的解決方案,3種適用于超新星窗口的解決方案,其余的34種則用于分析中子星合并后的物理過(guò)程。
在下圖中,展示了這四個(gè)頻率范圍內(nèi)最佳解決方案的結(jié)果。
與原始LIGO Voyager基線相比,最大靈敏度分別提高了6.8、9.5、5.0和9.0。

而在雙中子星合并的預(yù)期頻率范圍最佳方案中,平均靈敏度提升了4.1倍,可使觀測(cè)率提高驚人的68.7倍!
AI,創(chuàng)造全新物理學(xué)
最后,研究者們總結(jié)道:未來(lái)的研究可以集中在創(chuàng)建自動(dòng)微分仿真器,類(lèi)似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中的仿真器,或者開(kāi)發(fā)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的替代模型,以高效地逼近物理仿真器。
最令人興奮的是,這種方法并不僅限于引力波物理學(xué)!

由于這種計(jì)算框架的普適性,以及以及基礎(chǔ)物理學(xué)是由二階微分方程支配的,這項(xiàng)技術(shù)還可以直接擴(kuò)展到(量子增強(qiáng))光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)或液壓設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。
無(wú)論是應(yīng)用還是基礎(chǔ)科學(xué)中的全新硬件設(shè)計(jì),前景都會(huì)更令人興奮,包括暗物質(zhì)探測(cè)器、暗能量探測(cè)器和量子引力探測(cè)。
從此,在AI的幫助下,人類(lèi)將擁有全新的途徑,去觀察這個(gè)宇宙。















 
 
 








 
 
 
 