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物理学「AlphaGo时刻」?40年未竟之事被AI一举攻破,顶尖物理学家集体傻眼

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  新智元报道

  编辑:定慧

  【新智元导读】AI设计出人类看不懂的实验,却成功破解物理学数十年难题,大幅提升LIGO灵敏度。寻找暗物质,解读宇宙公式都不在话下,AI辅助物理学发现的新时代已经到来。

  物理学界「炸锅了」!

  AI主导设计的物理实验方案,顶尖科学家看不懂,但它竟然成功了!

  实验方案中的「反直觉」和「外星造物」般的复杂性震惊了科学界。

  尽管顶尖科学家初看时完全无法理解其逻辑,但该方案在模拟中被证实极其有效,标志着物理学可能迎来了自己的「AlphaGo时刻」。

  AI设计出了一种新颖的光学元件布局,可使LIGO引力波探测器的灵敏度提高10%到15%!

  别小看这点进步,在需要「亚质子精度」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台,Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)是一个用于探测引力波的物理实验设施

  LIGO最著名的成就是首次直接探测到由两个黑洞合并产生的引力波(以GW150914命名)。

  2015年9月14日探测到的引力波现象,是人类首次直接探测到的引力波(图为想象)

  LIGO属于精密测量的一种,有多精密?

  想象一下,在LIGO那两座一模一样的探测器里,激光束在巨大的L形、长达四公里的双臂中穿梭亿万次。

  当引力波——也就是时空的涟漪——掠过时,其中一条臂的长度变化,甚至比一颗质子的宽度还小!

  引力波是时空的涟漪,会导致一个方向被拉长。

  当这种时空扭曲通过LIGO时,两条臂的长度分别微小变化(约10⁻¹⁸米级)

  这是一种怎样的精度?

  LIGO的干涉仪是有史以来建造的最大的干涉仪。其臂长为4公里。

  这相当于从地球测量远在半人马座α星之间距离,但误差不能超过一根头发丝的宽度!

  所有伟大的天文学发现,都源于这种令人发指的灵敏度。

  这台神器的设计,耗费了物理学家们数十年的心血,将每一个零件都推向了物理的极限。

  然而,加州理工学院的物理学家Rana Adhikari却在思考一个疯狂的问题:我们还能做得更好吗?

  Rana Adhikari曾在21世纪初领导LIGO的探测器优化团队,他们呕心沥血,才将机器打磨至此。

  但在2015年首次探测到引力波后,他渴望LIGO能捕捉到更宽频带的引力波,从而发现不同尺寸的黑洞合并,甚至是……一些闻所未闻的宇宙奇观!

  「我们真正想发现的,是那些没人想象过的、狂野的、全新的天体物理现象!」

  Rana Adhikari说,「我们不该对宇宙能创造出什么,抱有任何偏见!」

  于是,他和团队将目光投向了AI。

  「外星人」的设计图

  他们使用了一套AI软件,这套软件最初只是用来设计桌面上的量子光学实验。

  他们把所有能想到的组件——透镜、反射镜、激光器——全部「喂」给AI,让它在一个不受任何限制的虚拟空间里,自由组合,构建一个功能更强的干涉仪。

  AI彻底放飞了自我!

  它设计的探测器方案,动辄绵延数百公里,包含数千个元件。

  「AI给出的方案,人类根本无法理解!」

  Rana Adhikari回忆道,「它们太复杂了,看起来就像是外星人的杰作,或者说,只有AI才能造出来的东西。它完全没有人类所追求的对称感、美感……简直就是一团乱麻!」

  研究人员费了好大劲,才学会如何「清理」AI的输出,让它变得可以解读。

  可即便如此,摆在他们面前的设计图,依旧让他们困惑不已。

  图中是从空中俯瞰位于美国路易斯安那州利文斯顿的探测器

  「如果我的学生敢把这种东西交给我,我肯定会说:不不不,这太荒谬了!」Rana Adhikari坦言。

  然而,模拟结果却清清楚楚地显示:这个荒谬的设计,真的有效!

  花了整整几个月,团队才终于搞懂了AI的「鬼点子」。

  原来,AI用了一个反直觉的妙计:它在主干涉仪和探测器之间,额外增加了一个三公里长的环形结构,让光在离开主臂后先在这里「兜圈子」。

  团队恍然大悟!

  AI竟然翻出了几十年前苏联物理学家提出的一个深奥理论——利用该原理可以有效降低量子力学噪声。

  这个想法因为过于超前,从未有人在实验中尝试过!

  「要跳出公认的思维框架,去想这么遥远的事情,实在太难了,」Rana Adhikari感慨道。

  「我们真的需要AI。」

  他估算,如果当初建造LIGO时就有AI的这个洞察,「LIGO的灵敏度将凭空提升10%到15%!」。

  在这个精度决定一切的领域,这无疑是一个巨大的飞跃!

  多伦多大学的量子光学专家艾Aephraim Steinberg评价道:

  LIGO是成千上万顶尖人才苦思冥想了40年的庞然大物。

  他们几乎想尽了一切办法。

  AI能提出任何新东西,都证明它做到了成千上万人没能做到的事。

  「凭空」创造纠缠

  AI的颠覆性,远不止于此。

  在量子世界,两个从未相遇的粒子,可以通过一种名为「量子纠缠」的操作,建立起神秘的连接。

  不过几十年来,物理学家一直认为量子纠缠需要量子物体「一开始处于同一位置」。

  但到了20世纪90年代初,后来因其对纠缠的研究而获得诺贝尔物理学奖Anton Zeilinger证明事实并非总是如此。

  他和同事们提出了一个实验,从两组互不相关的纠缠光子开始。

  光子A和B彼此纠缠,光子C和D也彼此纠缠。

  然后研究人员设计了一种巧妙的实验装置,由晶体、分束器和探测器组成,对光子B和C(来自两个纠缠光子对中的各一个光子)进行操作。

  经过一系列操作后,光子B和C被探测并被摧毁。

  但作为结果,原本未曾发生过相互作用的伴侣粒子A和D却变得纠缠起来。

  这一现象被称为纠缠交换(Entanglement Swapping),如今已成为量子技术的重要基础构件之一。

  2021年,物理学家Mario Krenn的团队,让他们的AI软件「PyTheus」重新设计这个实验。

  Py代表编程语言Python。

  Theus则取自希腊神话中杀死牛头怪弥诺陶洛斯的英雄忒修斯。

  结果,AI给出的方案,与Zeilinger的经典设计截然不同!

  「我当时一看,就认定它肯定是错的。」Krenn说。

  然而,AI的设计借鉴了另一个完全不同领域的思想——多光子干涉中的思路,构建出一种更简洁、更高效的方案。

  2024年12月,由南京大学马小松领导的中国团队在现实中搭建了这个实验,并证实:AI的设计完美可行!

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

  解读宇宙公式

  实验设计并不是物理学家使用人工智能的唯一方式。

  他们还利用人工智能来解析实验结果。

  AI在另一个领域大显身手:从海量数据中挖掘隐藏的物理规律。

  · 寻找暗物质公式

  AI分析了宇宙中暗物质团块的观测数据,竟然得出了一个比人类科学家提出的公式更精确、更贴合实际的全新方程!

  威斯康星大学的物理学家Kyle Cranmer及其合作者利用一个机器学习模型,根据其他邻近暗物质团块的可观测属性,预测宇宙中暗物质团块的密度。

  Cranmer说:「AI的方程完美地描述了数据,但它还讲不出背后的物理逻辑」。

  AI只给了结果,但没有解释。

  · 重现自然对称性

  加州大学圣地亚哥分校的计算机科学家Rose Yu团队,让AI分析欧洲大型强子对撞机(LHC)的数据。

  在不被告知任何物理知识的前提下,AI独立发现了「洛伦兹对称性」——这是爱因斯坦相对论的核心基石!

  尽管今天的AI在提出真正的、全新的物理假说方面还力不从心,但它已经从一个单纯的工具,进化为一个强大的「合作者」。

  Cranmer认为,随着大语言模型的加入,AI甚至可能很快就能帮助人类构建科学假说。

  「我们可能真的正在跨越一个门槛,一个由AI辅助我们发现新物理学的时代,即将到来!」

  参考资料:

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

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