破解宇宙奥秘,为何人工智能是关键?

作者: 读芯术 2020-11-03 17:21:33

 本文转载自公众号“读芯术”(ID:AI_Discovery)

千百年来,人类对于宇宙一直抱有极大的好奇心。仰望天空,你会不禁感叹宇宙之大,那里有太多的东西需要人们去探索和发现。浩瀚宇宙,美丽如斯,宇宙学家和天体物理学家都在尽力揭开宇宙的神秘面纱。

人类的好奇心源自于未知。卫星每年传送下来数百兆字节的信息,智利正在建设的一台望远镜每晚将产生15兆字节的太空图片。现代望远镜扫射的面积广,覆盖的距离长,但这还不够。宇宙过于庞大,人们目前的覆盖范围还不理想。

在技术有限、预算不足以购买大型宇宙飞船和更好的设备的情况下,我们如何才能实现探索宇宙的目标?人工智能可以解决这个问题吗?是的,人工智能就像是黑暗宇宙中的明星,它很可能是解决复杂问题、征服宇宙奥秘的优秀方案。

随着人工智能在数据科学、探索性数据分析和计算机视觉等领域的技术进步,我们取得了超乎想象的成果。

自我们开始用望远镜对话以来,人工智能成为了解决远距离图像清晰度问题的优秀方案,特别是在计算机视觉和深度神经网络领域,其处理图像的能力非常厉害。基于这些发展,我们可以创造出许多清晰的视觉效果,识别如何重建这些模糊的图像以创造更多的副本,还可以确定这些神经网络所产生的这些非常有效的图像的真阳率和假阳率。

将这项技术应用于寻找引力透镜的过程极其简单。首先,科学家们创建一个数据集来训练神经网络,即生成600万张假图像,显示引力透镜的样子。然后,他们把数据放到神经网络中,让它慢慢识别。稍作调整后,他们很快就能有一个可识别引力透镜的程序。

用计算机模拟进行解读和数字化,设计出清晰的画面来表示宇宙中的数十亿物体,一直是科学家们实验的概念和理论哲学,但都进展寥寥。人工智能显然改变了这一现状。这要归功于那些开发了名为“深度密度位移模型”(D³M)的深度神经网络架构的研究人员。

D³M从一组预处理数值模拟中学习,利用基于微扰理论的分析近似方法(Zel'dovichApproximation)来预测宇宙的非线性大尺度结构,以此来作为输入。大量分析表明,D³M在预测非线性体系中的宇宙结构方面优于常用的快速近似模拟方法——二阶微扰理论(2LPT)。D³M还能准确推断出远超其训练数据的数据,并预测结构形成明显不同的宇宙学参数。

这个模型的构建对天体物理学家以及特殊设计的创造者来说,都可谓是个奇迹。它的精确度和响应速度远远超出了开发者的想象。D³M产生的模拟结果非常精确,甚至对整个宇宙进行了三维模拟。

人工智能的进步不仅仅局限于使用望远镜进行图像分割或模拟整个宇宙。宇航员在太空中生存、前往月球和其他太空探险都很艰难。对此,人工智能也有办法,那就是使用人工智能巡视器和机器人设备。

先进的现代人工智能机器人漫游车可替代天文学家在外太空的角色。火星漫步者就是一个例子,将先进的人工智能系统与卫星、机器人漫游车和宇宙飞船相连接,其中的益处远远超过我们的想象。

火星漫步者的智能数据传输软件没有了人为的调度错误,避免丢失宝贵的数据,增加了来自行星邻居的有效数据。同样的技术也可以用于探索太阳系的长期任务,这将最大程度减少人类对它们的监督。

人工智能技术的机器人作为一个整体,包含了更多的内容。从勇探人类禁区的机器人到自主航天器和群体智能,现在人工智能在太空中的应用变得很广泛。包括卫星图像的分析方式,超大星座的管理,甚至是寻找太阳系外行星,都因为采用了人工智能而变得更加容易。

破解宇宙奥秘,为何人工智能是关键?

最后一个要讨论的话题是人工智能领域的重大新进展,这或许可以成为最重大、最特殊的发现。这个概念可以启发我们了解宇宙的最重要的结构、设计和能力。欢迎新人工智能——“暗模拟器”。

有一个概念一直困惑着几代科学家,让他们摸不着头脑,那就是暗物质背后的理论。了解它不仅可以揭开整个宇宙结构的秘密,还有现代物理学概念的假说和复杂的区别,都可能通过对暗物质或暗能量的详细研究和突破得到答案。暗模拟器AI可以成为解决天体物理学家问题的最佳工具。

其主要作者Nishimichi说:“我们以前用超级计算机要花三年时间才能建起一个巨大的数据库,但现在只需几秒钟就可以在笔记本电脑上新建一个。我觉得数据科学的潜力巨大。利用该成果,或许我们可以朝着揭开现代物理学最大的谜团——发现暗能量秘密。我还认为我们开发的这种方法在其他领域也有用,比如自然科学或社会科学。”

暗模拟器从现有的数据中学习并创建多个虚拟宇宙,并不断从这些虚拟宇宙中反复学习。在用真实的调查进一步测试所产生的工具后,它能够在几秒钟内成功预测Hyper Suprime-Cam勘测中的弱引力透镜效应,以及Sloan Digital Sky调查中记录的三维星系分布模式,准确率在2-3%之间。相比之下,在没有人工智能的情况下,通过超级计算机单独运行模拟需要好几天的时间。

利用各种人工智能工具和技术来解释浩瀚宇宙具有巨大的潜力。在遥远的未来,关于宇宙的谜团、悖论和秘密将一一公开,我们将对各种谜团有一个清晰的认知,或者至少有简单的方法来探索、检验和预想宇宙的永恒。

随着图形处理单元和自动化机械化的快速、持续发展,以及GANs等深度学习算法的演进,人类清晰认识到世界是如何诞生的那一天也许并不遥远。当你读到Elon Musk的这句话时,所有这些耐人寻味的好奇念头都会进一步被提出来。

正如马斯克所说:“人工智能(我指的不是狭义的人工智能)的进步速度快得惊人。除非你直接接触过像Deepmind这样的团队,否则你根本不知道其速度有多快——接近以指数增长。将会在5年时间内发生极其危险的事件,最多10年。”

好奇、神秘和陌生,这是关于人类与宇宙间故事的优秀注解。

人工智能 技术 宇宙
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