仰望星空的天文学家,站到了 AI 风口上

摘要

引领技术不断向前的天文学,如今借助 AI 等技术获得进化加速度。

考考你,不翻书和百度,你能背出来几位天文学家?

爱因斯坦,伽利略,开普勒,哈勃…这些估计写在高中课本里的,你张口就来。对了,还有屈原,他那首《天问》中给天文提了 30 问。

但你知道他们是怎么工作的吗?

姑且给他们分为三类,第一类天文学家做「观测」,从肉眼到望远镜,有代表性的就是伽利略。第二类天文学家做「理论」,早在 1916 年,爱因斯坦就基于广义相对论预言了宇宙中存在引力波,不过当时没有探测到。所以想要看得远,设备必须提上来。第三类天文家做「设备」,1983 年,Kip S.Thorne 等人共同创建 LIGO 项目,开创了引力波波形计算及数据分析的研究方向。直到 2015 年,也是爱因斯坦预言引力波的百年后,科学家们才第一次在宇宙中发现了引力波的存在。

「从人类诞生那一刻开始,人类对宇宙的探索就从来没有停过,我觉得这也是定义人为什么能成为人。因为我们总是向已知世界的边缘去探索。」清华大学天文系副教授蔡峥说。

后来,人们发现天文学家才是引领科技向前的一拨人。甚至小到集成电路、太阳能电池板、气垫运动鞋...... 这些发明的出现最早都源自航天进步和人类的好奇、探索精神,

7 月 12 日,蔡峥做客了由极客公园举办的「科技新风向」活动,提出了一个有趣的观点,「天文学既是推动 AI 重要的前端,又是受益 AI 最大的学科。」他跟我们聊了聊,听起来遥不可及的那帮人都是怎么工作的,以及这个久远的科学——天文学为何能受益于 AI,被技术力量「加持」之后,科学家们发生了哪些改变?



天文:人类科技的引擎

1609 年,熬了一个通宵之后,伽利略终于搞明白,两个透镜一组合,能够放大肉眼看不见的物体。他制作了一个可以滑动的金属管,把两个凹凸镜片各自安在一端,从凹透镜一端望去,远处教堂上的十字架也逼真可见。「这仪器的效用可使 50 英里以外的物体,看起来就像在 5 英里以内那样。」这让伽利略兴奋不已。

被好奇心驱使着——要看以前看不见的星星,作为航天之上更大的一个象限,天文已经发展几千年了。伽利略的发明被誉为天文学研究历史上具有划时代意义的一次革命,几千年来天文学家只靠肉眼观察日月星辰的时代结束了。后来人类有了更大的「眼睛」,从光学波到全波段,从地面到空间,捕捉的天体信息越来越多。

「想看得远,必须把设备提高,有人做更大的镜面,有人做全波段的探测,有人做更灵敏的探测器」蔡峥说。

他举了一个例子,如今 CCD(CCD 是一种能够把光学影像转化为数字信号的传感器)数字成像技术在照相机、手机里使用常见,照片不需冲印,通过互联网即可分享出去。

但 CCD 最早实际是 NASA 为了探测更暗弱的信号、探得更远,来帮助发展的一项技术,代替胶卷胶片。1990 年,NASA 采用 CCD 将有史以来最精确最大的哈勃空间望远镜送上了太空轨道,它后来创造很多观测奇迹,比如发现宇宙加速膨胀,探测到宇宙早期的星系形成。

不仅是帮助人类社会完成从「胶片时代」到「数字化影像时代」的转变,「CCD 把图像进行了数字化处理,只有数字化了,你才能用上一些 AI 技术。应该说整个人工智能时代,没有 CCD 的话,打开不了。」

这种例子不胜枚举,能够走进日常生活的也只是市场化和产业化的一小部分技术。天文学并非虚无缥缈,而是人类科技的「永动机」,一直在牵引着科技进步。「人类觉得已经够好了,就躺平了,只有研究基础科学的一堆人,总想更高更快更强,才对技术进行不断地发展。」蔡峥说。



「就像 70 年代为了探索霍金辐射,发展了一个亚毫米波的接收机,里面就有关键技术应用到了现在最常见的 Wi-Fi 上。」聊到这里,极客公园创始人张鹏也不禁感慨,「科学家永远不内卷,他们总在对技术有推动升维,因为有太多未知要去研究。」

天文和科技,交织向前

「测地球到太阳距离,要通过金星凌日去测。金星凌日以两次凌日为一组,间隔 8 年,但是两组之间的间隔却有 100 多年。如果赶上两次阴天,当年的天文学家,一辈子就这么过去了。」蔡峥开玩笑。不过一个有趣的例子足以说明,为什么很多天文学家究其一生只能研究一件事儿。毕竟人类文明不过几千年,放入宇宙的时空,沧海一粟。

然而过去三十年,人类社会被互联网、数字化深刻地改造,原来只能靠「等」的天文学家可以通过 AI、大数据等技术加快研究步伐。

蔡峥举了一个例子,以前用发现爱因斯坦环推导前景暗物质分布的方式是解爱因斯坦场方程,要用超级计算机算两个星期。所谓爱因斯坦环是指,当光线由恒星发出,遇到质量极大的星系团、暗物质之后产生的引力透镜现象。然而现在,AI 算法可以做图像训练,从图像到图像,不管中间的方程。但一旦一个爱因斯坦环被发现,就能马上从图像推算出一个最为接近的暗物质结构,速度比之前提高了亿倍。

「以前超级计算机要算两个星期的东西,现在通过 AI、机器学习算法在一台个人电脑上几秒中就能出来。」算力的提升、大数据时代的来临对于本来需要巨大算力的天文计算,变得更加迅速。这让张鹏回忆起几年前,去往 LIGO(激光干涉引力波观测站)实验室。实验室人员告诉他,科技发展与天文学是相辅相成的,往前推二十年,当零配件、技术都达不到一定灵敏度,也无法通过一个先进的设计探测到引力波。

如果说过去人类的好奇心和求知欲让人类仰头看天,那么今天科技的进步和应用愈发重要,让天文学家拥有更加先进和快速的方法论同时,决定了我们能看多远的天空。原来只能靠天才科学家去猜去想,如今依托于海量数据,AI 总结成一些模型,也许人类就能在规律中找到新的值得推理的理论。

「天文不仅是浪漫的事儿,还是顶天立地的事儿」

「普通人看星星是浪漫,天文学家看星星,就是一堆不断变化的数字,会不会无聊?」面对这样的提问,蔡峥称,如今科技的发展大大提升科学家的效率,「相当于 AI 给天文学家当助理了。」

蔡峥做了一个类比,就像降噪耳机使用的 AI 降噪算法,他们正在研究如何在低信噪比的光谱中迅速发现发射线、吸收线。使用 AI 降噪进一步把信噪比提高,相当于把望远镜的口径变大,更有效地滤掉没用的噪声。

另一方面,蔡峥觉得未来三十年将是天文学极速发展的三十年。近十年的诺贝尔奖,天体物理拿了五个,因为天文学正在极大受益于科技,处于加速发展的态势。蔡峥十分羡慕在这个时代做天文研究的学生,「美欧日,无论在地基还是空间望远镜未来十年都会有量级的提高,中国也将有自己的『哈勃』——中国空间站工程巡天望远镜,清华大学也在探索世界最大的光谱巡天望远镜。」

然而这个对全人类有益的领域,在蔡峥看来,还没有得到足够的关注度。中国研究天体物理的研究生每年最多也就两三百人,然而在美国,做职业天文学研究的天文学家超过万人。「我们很希望在人类共同关注的基础重大问题上,也能有我们中国人的贡献和解答。这也是实现人类命运共同体的具体体现。」

今天「中国天眼」已经正式开放。作为世界最大、最灵敏的单口径射电望远镜,天眼领先世界。为了建造它,天眼总工程师南仁东耗费二十多年心血,也一度为了补齐资金缺口四处奔走。

说起来这还是令科技圈十分「汗颜」的一件事,天眼造价 11 亿人民币,而如今一家科技公司一轮融资随便都要几亿美金。「然而天眼落成之后,光是为平塘县带来的旅游收入一年都有 40 个亿,更何况,带我们到世界的边缘看看,这个价值不是用金钱能衡量出来的。」

访谈的最后,蔡峥用一以贯之的幽默口吻说,「我们别老内卷,要往外升维。哪怕一天有 3 秒钟抬头看看,当你看到一个更大的世界,也许就会发现,眼前的困苦、彷徨也许并不算什么,我们有时需要站得高一点,看得更远一点。」


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