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          仰望星空的天文學家,站到了 AI 風口上

          摘要

          引領技術不斷向前的天文學,如今借助 AI 等技術獲得進化加速度。

          考考你,不翻書和百度,你能背出來幾位天文學家?

          愛因斯坦,伽利略,開普勒,哈勃…這些估計寫在高中課本里的,你張口就來。對了,還有屈原,他那首《天問》中給天文提了 30 問。

          但你知道他們是怎么工作的嗎?

          姑且給他們分為三類,第一類天文學家做「觀測」,從肉眼到望遠鏡,有代表性的就是伽利略。第二類天文學家做「理論」,早在 1916 年,愛因斯坦就基于廣義相對論預言了宇宙中存在引力波,不過當時沒有探測到。所以想要看得遠,設備必須提上來。第三類天文家做「設備」,1983 年,Kip S.Thorne 等人共同創建 LIGO 項目,開創了引力波波形計算及數據分析的研究方向。直到 2015 年,也是愛因斯坦預言引力波的百年后,科學家們才第一次在宇宙中發現了引力波的存在。

          「從人類誕生那一刻開始,人類對宇宙的探索就從來沒有停過,我覺得這也是定義人為什么能成為人。因為我們總是向已知世界的邊緣去探索。」清華大學天文系副教授蔡崢說。

          后來,人們發現天文學家才是引領科技向前的一撥人。甚至小到集成電路、太陽能電池板、氣墊運動鞋...... 這些發明的出現最早都源自航天進步和人類的好奇、探索精神,

          7 月 12 日,蔡崢做客了由極客公園舉辦的「科技新風向」活動,提出了一個有趣的觀點,「天文學既是推動 AI 重要的前端,又是受益 AI 最大的學科。」他跟我們聊了聊,聽起來遙不可及的那幫人都是怎么工作的,以及這個久遠的科學——天文學為何能受益于 AI,被技術力量「加持」之后,科學家們發生了哪些改變?



          天文:人類科技的引擎

          1609 年,熬了一個通宵之后,伽利略終于搞明白,兩個透鏡一組合,能夠放大肉眼看不見的物體。他制作了一個可以滑動的金屬管,把兩個凹凸鏡片各自安在一端,從凹透鏡一端望去,遠處教堂上的十字架也逼真可見。「這儀器的效用可使 50 英里以外的物體,看起來就像在 5 英里以內那樣。」這讓伽利略興奮不已。

          被好奇心驅使著——要看以前看不見的星星,作為航天之上更大的一個象限,天文已經發展幾千年了。伽利略的發明被譽為天文學研究歷史上具有劃時代意義的一次革命,幾千年來天文學家只靠肉眼觀察日月星辰的時代結束了。后來人類有了更大的「眼睛」,從光學波到全波段,從地面到空間,捕捉的天體信息越來越多。

          「想看得遠,必須把設備提高,有人做更大的鏡面,有人做全波段的探測,有人做更靈敏的探測器」蔡崢說。

          他舉了一個例子,如今 CCD(CCD 是一種能夠把光學影像轉化為數字信號的傳感器)數字成像技術在照相機、手機里使用常見,照片不需沖印,通過互聯網即可分享出去。

          但 CCD 最早實際是 NASA 為了探測更暗弱的信號、探得更遠,來幫助發展的一項技術,代替膠卷膠片。1990 年,NASA 采用 CCD 將有史以來最精確最大的哈勃空間望遠鏡送上了太空軌道,它后來創造很多觀測奇跡,比如發現宇宙加速膨脹,探測到宇宙早期的星系形成。

          不僅是幫助人類社會完成從「膠片時代」到「數字化影像時代」的轉變,「CCD 把圖像進行了數字化處理,只有數字化了,你才能用上一些 AI 技術。應該說整個人工智能時代,沒有 CCD 的話,打開不了。」

          這種例子不勝枚舉,能夠走進日常生活的也只是市場化和產業化的一小部分技術。天文學并非虛無縹緲,而是人類科技的「永動機」,一直在牽引著科技進步。「人類覺得已經夠好了,就躺平了,只有研究基礎科學的一堆人,總想更高更快更強,才對技術進行不斷地發展。」蔡崢說。



          「就像 70 年代為了探索霍金輻射,發展了一個亞毫米波的接收機,里面就有關鍵技術應用到了現在最常見的 Wi-Fi 上。」聊到這里,極客公園創始人張鵬也不禁感慨,「科學家永遠不內卷,他們總在對技術有推動升維,因為有太多未知要去研究。」

          天文和科技,交織向前

          「測地球到太陽距離,要通過金星凌日去測。金星凌日以兩次凌日為一組,間隔 8 年,但是兩組之間的間隔卻有 100 多年。如果趕上兩次陰天,當年的天文學家,一輩子就這么過去了。」蔡崢開玩笑。不過一個有趣的例子足以說明,為什么很多天文學家究其一生只能研究一件事兒。畢竟人類文明不過幾千年,放入宇宙的時空,滄海一粟。

          然而過去三十年,人類社會被互聯網、數字化深刻地改造,原來只能靠「等」的天文學家可以通過 AI、大數據等技術加快研究步伐。

          蔡崢舉了一個例子,以前用發現愛因斯坦環推導前景暗物質分布的方式是解愛因斯坦場方程,要用超級計算機算兩個星期。所謂愛因斯坦環是指,當光線由恒星發出,遇到質量極大的星系團、暗物質之后產生的引力透鏡現象。然而現在,AI 算法可以做圖像訓練,從圖像到圖像,不管中間的方程。但一旦一個愛因斯坦環被發現,就能馬上從圖像推算出一個最為接近的暗物質結構,速度比之前提高了億倍。

          「以前超級計算機要算兩個星期的東西,現在通過 AI、機器學習算法在一臺個人電腦上幾秒中就能出來。」算力的提升、大數據時代的來臨對于本來需要巨大算力的天文計算,變得更加迅速。這讓張鵬回憶起幾年前,去往 LIGO(激光干涉引力波觀測站)實驗室。實驗室人員告訴他,科技發展與天文學是相輔相成的,往前推二十年,當零配件、技術都達不到一定靈敏度,也無法通過一個先進的設計探測到引力波。

          如果說過去人類的好奇心和求知欲讓人類仰頭看天,那么今天科技的進步和應用愈發重要,讓天文學家擁有更加先進和快速的方法論同時,決定了我們能看多遠的天空。原來只能靠天才科學家去猜去想,如今依托于海量數據,AI 總結成一些模型,也許人類就能在規律中找到新的值得推理的理論。

          「天文不僅是浪漫的事兒,還是頂天立地的事兒」

          「普通人看星星是浪漫,天文學家看星星,就是一堆不斷變化的數字,會不會無聊?」面對這樣的提問,蔡崢稱,如今科技的發展大大提升科學家的效率,「相當于 AI 給天文學家當助理了。」

          蔡崢做了一個類比,就像降噪耳機使用的 AI 降噪算法,他們正在研究如何在低信噪比的光譜中迅速發現發射線、吸收線。使用 AI 降噪進一步把信噪比提高,相當于把望遠鏡的口徑變大,更有效地濾掉沒用的噪聲。

          另一方面,蔡崢覺得未來三十年將是天文學極速發展的三十年。近十年的諾貝爾獎,天體物理拿了五個,因為天文學正在極大受益于科技,處于加速發展的態勢。蔡崢十分羨慕在這個時代做天文研究的學生,「美歐日,無論在地基還是空間望遠鏡未來十年都會有量級的提高,中國也將有自己的『哈勃』——中國空間站工程巡天望遠鏡,清華大學也在探索世界最大的光譜巡天望遠鏡。」

          然而這個對全人類有益的領域,在蔡崢看來,還沒有得到足夠的關注度。中國研究天體物理的研究生每年最多也就兩三百人,然而在美國,做職業天文學研究的天文學家超過萬人。「我們很希望在人類共同關注的基礎重大問題上,也能有我們中國人的貢獻和解答。這也是實現人類命運共同體的具體體現。」

          今天「中國天眼」已經正式開放。作為世界最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡,天眼領先世界。為了建造它,天眼總工程師南仁東耗費二十多年心血,也一度為了補齊資金缺口四處奔走。

          說起來這還是令科技圈十分「汗顏」的一件事,天眼造價 11 億人民幣,而如今一家科技公司一輪融資隨便都要幾億美金。「然而天眼落成之后,光是為平塘縣帶來的旅游收入一年都有 40 個億,更何況,帶我們到世界的邊緣看看,這個價值不是用金錢能衡量出來的。」

          訪談的最后,蔡崢用一以貫之的幽默口吻說,「我們別老內卷,要往外升維。哪怕一天有 3 秒鐘抬頭看看,當你看到一個更大的世界,也許就會發現,眼前的困苦、彷徨也許并不算什么,我們有時需要站得高一點,看得更遠一點。」


          本文由極客公園 GeekPark 原創發布,轉載請添加極客君(ID:geekparker)

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