新智元報(bào)道

　　編輯：定慧

　　【新智元導(dǎo)讀】AI設(shè)計(jì)出人類(lèi)看不懂的實(shí)驗(yàn)，卻成功破解物理學(xué)數(shù)十年難題，大幅提升LIGO靈敏度。尋找暗物質(zhì)，解讀宇宙公式都不在話下，AI輔助物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

　　物理學(xué)界「炸鍋了」！

　　AI主導(dǎo)設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)方案，頂尖科學(xué)家看不懂，但它竟然成功了！

　　實(shí)驗(yàn)方案中的「反直覺(jué)」和「外星造物」般的復(fù)雜性震驚了科學(xué)界。

　　盡管頂尖科學(xué)家初看時(shí)完全無(wú)法理解其邏輯，但該方案在模擬中被證實(shí)極其有效，標(biāo)志著物理學(xué)可能迎來(lái)了自己的「AlphaGo時(shí)刻」。

　　AI設(shè)計(jì)出了一種新穎的光學(xué)元件布局，可使LIGO引力波探測(cè)器的靈敏度提高10%到15%！

　　別小看這點(diǎn)進(jìn)步，在需要「亞質(zhì)子精度」的世界里，10%到15%的提升是非常巨大的！

　　LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）是一個(gè)用于探測(cè)引力波的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施

　　LIGO最著名的成就是首次直接探測(cè)到由兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波（以GW150914命名）。

　　2015年9月14日探測(cè)到的引力波現(xiàn)象，是人類(lèi)首次直接探測(cè)到的引力波（圖為想象）

　　LIGO屬于精密測(cè)量的一種，有多精密？

　　想象一下，在LIGO那兩座一模一樣的探測(cè)器里，激光束在巨大的L形、長(zhǎng)達(dá)四公里的雙臂中穿梭億萬(wàn)次。

　　當(dāng)引力波——也就是時(shí)空的漣漪——掠過(guò)時(shí)，其中一條臂的長(zhǎng)度變化，甚至比一顆質(zhì)子的寬度還小！

　　引力波是時(shí)空的漣漪，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)方向被拉長(zhǎng)。

　　當(dāng)這種時(shí)空扭曲通過(guò)LIGO時(shí)，兩條臂的長(zhǎng)度分別微小變化（約10?1?米級(jí)）

　　這是一種怎樣的精度？

　　LIGO的干涉儀是有史以來(lái)建造的最大的干涉儀。其臂長(zhǎng)為4公里。

　　這相當(dāng)于從地球測(cè)量遠(yuǎn)在半人馬座α星之間距離，但誤差不能超過(guò)一根頭發(fā)絲的寬度！

　　所有偉大的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)，都源于這種令人發(fā)指的靈敏度。

　　這臺(tái)神器的設(shè)計(jì)，耗費(fèi)了物理學(xué)家們數(shù)十年的心血，將每一個(gè)零件都推向了物理的極限。

　　然而，加州理工學(xué)院的物理學(xué)家Rana Adhikari卻在思考一個(gè)瘋狂的問(wèn)題：我們還能做得更好嗎？

　　Rana Adhikari曾在21世紀(jì)初領(lǐng)導(dǎo)LIGO的探測(cè)器優(yōu)化團(tuán)隊(duì)，他們嘔心瀝血，才將機(jī)器打磨至此。

　　但在2015年首次探測(cè)到引力波后，他渴望LIGO能捕捉到更寬頻帶的引力波，從而發(fā)現(xiàn)不同尺寸的黑洞合并，甚至是……一些聞所未聞的宇宙奇觀！

　　「我們真正想發(fā)現(xiàn)的，是那些沒(méi)人想象過(guò)的、狂野的、全新的天體物理現(xiàn)象！」

　　Rana Adhikari說(shuō)，「我們不該對(duì)宇宙能創(chuàng)造出什么，抱有任何偏見(jiàn)！」

　　于是，他和團(tuán)隊(duì)將目光投向了AI。

　　「外星人」的設(shè)計(jì)圖

　　他們使用了一套AI軟件，這套軟件最初只是用來(lái)設(shè)計(jì)桌面上的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　他們把所有能想到的組件——透鏡、反射鏡、激光器——全部「喂」給AI，讓它在一個(gè)不受任何限制的虛擬空間里，自由組合，構(gòu)建一個(gè)功能更強(qiáng)的干涉儀。

　　AI徹底放飛了自我！

　　它設(shè)計(jì)的探測(cè)器方案，動(dòng)輒綿延數(shù)百公里，包含數(shù)千個(gè)元件。

　　「AI給出的方案，人類(lèi)根本無(wú)法理解！」

　　Rana Adhikari回憶道，「它們太復(fù)雜了，看起來(lái)就像是外星人的杰作，或者說(shuō)，只有AI才能造出來(lái)的東西。它完全沒(méi)有人類(lèi)所追求的對(duì)稱(chēng)感、美感……簡(jiǎn)直就是一團(tuán)亂麻！」

　　研究人員費(fèi)了好大勁，才學(xué)會(huì)如何「清理」AI的輸出，讓它變得可以解讀。

　　可即便如此，擺在他們面前的設(shè)計(jì)圖，依舊讓他們困惑不已。

　　圖中是從空中俯瞰位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓的探測(cè)器

　　「如果我的學(xué)生敢把這種東西交給我，我肯定會(huì)說(shuō)：不不不，這太荒謬了！」Rana Adhikari坦言。

　　然而，模擬結(jié)果卻清清楚楚地顯示：這個(gè)荒謬的設(shè)計(jì)，真的有效！

　　花了整整幾個(gè)月，團(tuán)隊(duì)才終于搞懂了AI的「鬼點(diǎn)子」。

　　原來(lái)，AI用了一個(gè)反直覺(jué)的妙計(jì)：它在主干涉儀和探測(cè)器之間，額外增加了一個(gè)三公里長(zhǎng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，讓光在離開(kāi)主臂后先在這里「兜圈子」。

　　團(tuán)隊(duì)恍然大悟！

　　AI竟然翻出了幾十年前蘇聯(lián)物理學(xué)家提出的一個(gè)深?yuàn)W理論——利用該原理可以有效降低量子力學(xué)噪聲。

　　這個(gè)想法因?yàn)檫^(guò)于超前，從未有人在實(shí)驗(yàn)中嘗試過(guò)！

　　「要跳出公認(rèn)的思維框架，去想這么遙遠(yuǎn)的事情，實(shí)在太難了，」Rana Adhikari感慨道。

　　「我們真的需要AI?！?/strong>

　　他估算，如果當(dāng)初建造LIGO時(shí)就有AI的這個(gè)洞察，「LIGO的靈敏度將憑空提升10%到15%！」。

　　在這個(gè)精度決定一切的領(lǐng)域，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的飛躍！

　　多倫多大學(xué)的量子光學(xué)專(zhuān)家艾Aephraim Steinberg評(píng)價(jià)道：

　　LIGO是成千上萬(wàn)頂尖人才苦思冥想了40年的龐然大物。

　　他們幾乎想盡了一切辦法。

　　AI能提出任何新東西，都證明它做到了成千上萬(wàn)人沒(méi)能做到的事。

　　「憑空」創(chuàng)造糾纏

　　AI的顛覆性，遠(yuǎn)不止于此。

　　在量子世界，兩個(gè)從未相遇的粒子，可以通過(guò)一種名為「量子糾纏」的操作，建立起神秘的連接。

　　不過(guò)幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直認(rèn)為量子糾纏需要量子物體「一開(kāi)始處于同一位置」。

　　但到了20世紀(jì)90年代初，后來(lái)因其對(duì)糾纏的研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)Anton Zeilinger證明事實(shí)并非總是如此。

　　他和同事們提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，從兩組互不相關(guān)的糾纏光子開(kāi)始。

　　光子A和B彼此糾纏，光子C和D也彼此糾纏。

　　然后研究人員設(shè)計(jì)了一種巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置，由晶體、分束器和探測(cè)器組成，對(duì)光子B和C（來(lái)自?xún)蓚€(gè)糾纏光子對(duì)中的各一個(gè)光子）進(jìn)行操作。

　　經(jīng)過(guò)一系列操作后，光子B和C被探測(cè)并被摧毀。

　　但作為結(jié)果，原本未曾發(fā)生過(guò)相互作用的伴侶粒子A和D卻變得糾纏起來(lái)。

　　這一現(xiàn)象被稱(chēng)為糾纏交換（Entanglement Swapping），如今已成為量子技術(shù)的重要基礎(chǔ)構(gòu)件之一。

　　2021年，物理學(xué)家Mario Krenn的團(tuán)隊(duì)，讓他們的AI軟件「PyTheus」重新設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

　　Py代表編程語(yǔ)言Python。

　　Theus則取自希臘神話中殺死牛頭怪彌諾陶洛斯的英雄忒修斯。

　　結(jié)果，AI給出的方案，與Zeilinger的經(jīng)典設(shè)計(jì)截然不同！

　　「我當(dāng)時(shí)一看，就認(rèn)定它肯定是錯(cuò)的?！筀renn說(shuō)。

　　然而，AI的設(shè)計(jì)借鑒了另一個(gè)完全不同領(lǐng)域的思想——多光子干涉中的思路，構(gòu)建出一種更簡(jiǎn)潔、更高效的方案。

　　2024年12月，由南京大學(xué)馬小松領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)實(shí)中搭建了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并證實(shí)：AI的設(shè)計(jì)完美可行！

　　論文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.233601

　　解讀宇宙公式

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并不是物理學(xué)家使用人工智能的唯一方式。

　　他們還利用人工智能來(lái)解析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　AI在另一個(gè)領(lǐng)域大顯身手：從海量數(shù)據(jù)中挖掘隱藏的物理規(guī)律。

　　· 尋找暗物質(zhì)公式

　　AI分析了宇宙中暗物質(zhì)團(tuán)塊的觀測(cè)數(shù)據(jù)，竟然得出了一個(gè)比人類(lèi)科學(xué)家提出的公式更精確、更貼合實(shí)際的全新方程！

　　威斯康星大學(xué)的物理學(xué)家Kyle Cranmer及其合作者利用一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，根據(jù)其他鄰近暗物質(zhì)團(tuán)塊的可觀測(cè)屬性，預(yù)測(cè)宇宙中暗物質(zhì)團(tuán)塊的密度。

　　Cranmer說(shuō)：「AI的方程完美地描述了數(shù)據(jù)，但它還講不出背后的物理邏輯」。

　　AI只給了結(jié)果，但沒(méi)有解釋。

　　· 重現(xiàn)自然對(duì)稱(chēng)性

　　加州大學(xué)圣地亞哥分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Rose Yu團(tuán)隊(duì)，讓AI分析歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的數(shù)據(jù)。

　　在不被告知任何物理知識(shí)的前提下，AI獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了「洛倫茲對(duì)稱(chēng)性」——這是愛(ài)因斯坦相對(duì)論的核心基石！

　　盡管今天的AI在提出真正的、全新的物理假說(shuō)方面還力不從心，但它已經(jīng)從一個(gè)單純的工具，進(jìn)化為一個(gè)強(qiáng)大的「合作者」。

　　Cranmer認(rèn)為，隨著大語(yǔ)言模型的加入，AI甚至可能很快就能幫助人類(lèi)構(gòu)建科學(xué)假說(shuō)。

　　「我們可能真的正在跨越一個(gè)門(mén)檻，一個(gè)由AI輔助我們發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)的時(shí)代，即將到來(lái)！」

　　參考資料：

　　https://www.quantamagazine.org/ai-comes-up-with-bizarre-physics-experiments-but-they-work-20250721/