從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到天體物理，沒有什么是AI做不到的

　　如今，物理學(xué)、天文學(xué)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的海量信息是人類團(tuán)隊(duì)難以企及的。一些實(shí)驗(yàn)每天記錄萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)，并且不斷累積增加。世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目Square Kilmeter Array預(yù)計(jì)在2020年開啟，它每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將相當(dāng)于整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的總量。

　　爆發(fā)式的數(shù)據(jù)讓科學(xué)家不得不求助AI。在人類輸入最少的情況下，AI系統(tǒng)(比如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模仿大腦功能的計(jì)算機(jī)模擬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò))可以挖掘海量數(shù)據(jù)、突出異常現(xiàn)象，并檢測(cè)出人力永遠(yuǎn)無法發(fā)現(xiàn)的東西。

　　計(jì)算機(jī)應(yīng)用于科學(xué)研究已經(jīng)有75年歷史，人類對(duì)自然數(shù)據(jù)的觀察研究更是伴隨著人類的發(fā)展史。但是，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和AI的發(fā)展，科學(xué)研究的方法已經(jīng)發(fā)生徹底的革新。其中一種方法稱為生成模型(Generative Modeling)，對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)的不同解釋，它可以僅僅基于數(shù)據(jù)就辨別出最可信的理論。更重要的是，它不需要關(guān)于物理過程的預(yù)編程知識(shí)。生成模型的支持者認(rèn)為它非常新穎，可以被視作研究宇宙的“第三類方式”。

　　傳統(tǒng)上，人類通過觀察來了解自然。想想十六世紀(jì)天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒正在仔細(xì)研究另一位同時(shí)期天文學(xué)家第谷·布拉赫的行星位置圖，開普勒最終推斷出行星在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)。科學(xué)通過模擬而進(jìn)步。天文學(xué)家模擬銀河系及其鄰近星系仙女座的運(yùn)動(dòng)，并預(yù)測(cè)它們將在幾十億年后發(fā)生碰撞。觀察和模擬都有助于科學(xué)家產(chǎn)生假說，再通過進(jìn)一步的觀察來驗(yàn)證這些假說。但是，生成模型既不是觀察也不是模擬。

　　天體物理學(xué)家Kevin Schawinski(供職于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院)是生成模型的積極倡導(dǎo)者，他說：“這是介于觀察和模擬之間的第三類方法，是解決問題的另一種方式?！?/p>

　　雖然一些科學(xué)家仍然把生成模型和其它新技術(shù)簡(jiǎn)單地看作是傳統(tǒng)科學(xué)的補(bǔ)充工具。但大多數(shù)人都同意AI正在產(chǎn)生巨大的影響，它在科學(xué)研究中的作用必然會(huì)越來越大。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家Brian Nord使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究宇宙，他擔(dān)心人類科學(xué)家所做的任何事情都可能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化——這有點(diǎn)讓人不寒而栗。

　　生成模型帶來的發(fā)現(xiàn)

　　研究生時(shí)代，Schawinski就因數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的成就而聞名。攻讀博士期間，他需要根據(jù)星系的外觀對(duì)它們進(jìn)行分類。由于沒有現(xiàn)成的軟件可用，所以Galaxy Zoo眾包科學(xué)項(xiàng)目誕生了。從2007年開始，普通計(jì)算機(jī)用戶通過猜測(cè)記錄星系分類來幫助天文學(xué)家，服從多數(shù)原則一般可以得出正確的分類結(jié)果。這個(gè)項(xiàng)目無疑是成功的，只不過今時(shí)今日的AI技術(shù)使它顯得過時(shí)了。現(xiàn)在，一個(gè)有機(jī)器學(xué)習(xí)和云計(jì)算背景的優(yōu)秀科學(xué)家可以在一個(gè)下午就完成以上任務(wù)。

　　Schawinski在2016年轉(zhuǎn)向強(qiáng)大的生成模型工具。本質(zhì)上，在給定條件X的情況下，生成模型會(huì)詢問觀察到結(jié)果Y的可能性有多大。這種方法已被證明是非常有效且具有通用性。舉個(gè)例子，假設(shè)你提供一組人臉圖像給生成模型，并逐一標(biāo)注年齡。當(dāng)計(jì)算機(jī)程序梳理這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)把年長(zhǎng)者面部和皺紋增加聯(lián)系起來。最終，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)面部判斷年齡，也就是說，它可以通過給定的面部預(yù)測(cè)其經(jīng)歷的物理變化。

　　這些人臉都不是真的。A 行和B 列的人臉都是由GAN使用真實(shí)面部搭建元素來構(gòu)建的。然后，GAN結(jié)合A行臉部的基本特征(包括性別、年齡、臉形)和B列更精細(xì)的臉部特征(例如發(fā)色、眼睛顏色)，創(chuàng)造出上圖中其它的人臉圖像。

　　最著名的生成模型系統(tǒng)是“生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)”。在充分地暴露于訓(xùn)練數(shù)據(jù)之后，GAN可以修復(fù)已損壞或丟失像素的圖像，它也可以使模糊的照片變得清晰。GAN通過博弈(術(shù)語稱作“對(duì)抗”)來學(xué)習(xí)推斷丟失的信息：網(wǎng)絡(luò)的一部分(稱為生成器)生成偽數(shù)據(jù)，而第二部分(判別器)試圖對(duì)真?zhèn)螖?shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。隨著程序的運(yùn)行，兩個(gè)部分都逐漸演化提升。對(duì)于最近出現(xiàn)的一些超現(xiàn)實(shí)的、GAN制作的“人臉”，有文章評(píng)價(jià)道：這些計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的詭異假臉跟真人沒有分別。

　　更廣泛地說，生成模型采用數(shù)據(jù)集(通常是圖像)，并將每個(gè)數(shù)據(jù)集分解為一組基本的抽象構(gòu)建模塊，科學(xué)家將其稱為數(shù)據(jù)的“隱空間”。隱空間的概念是抽象的，很難將其視覺化，粗略地類比一下，當(dāng)你試圖確定人臉的性別時(shí)，想想你的大腦可能是怎么思考的，也許你會(huì)注意到發(fā)型、鼻子形狀等等，還有的判斷模式可能很難用文字表達(dá)。相似地，計(jì)算機(jī)程序也是在數(shù)據(jù)中尋找突出的特征：雖然它不知道什么是胡子，什么是性別，但如果它接受過數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練，其中一些圖像被貼上“男人”或“女人”的標(biāo)簽，一些圖像被貼上“胡子”的標(biāo)簽，計(jì)算機(jī)會(huì)很快推演出它們之間的聯(lián)系。

　　在與同事合著的一篇論文中，Schawinski利用生成模型研究了星系在演化過程中所經(jīng)歷的物理變化。模型創(chuàng)建了人工數(shù)據(jù)集，以此作為檢驗(yàn)物理過程假設(shè)的方式。例如，恒星猝熄(恒星形成速度急劇下降)如何與星系環(huán)境密度增加相關(guān)聯(lián)。

　　關(guān)鍵問題在于：有多少關(guān)于恒星和銀河系的信息可以單獨(dú)從數(shù)據(jù)中提取出來。Schawinski說：“讓我們抹掉所有關(guān)于天體物理學(xué)固有的知識(shí)。然后僅僅利用數(shù)據(jù)本身，能在多大程度上重新認(rèn)知宇宙?”

　　首先，星系圖像被縮小到隱空間，然后，Schawinski可以調(diào)整空間的一個(gè)元素，使其對(duì)應(yīng)星系環(huán)境的特定變化(比如周圍的密度)。然后他可以重新生成星系，看看會(huì)有什么不同。Schawinski解釋說：“所以現(xiàn)在我有了一個(gè)假說生成機(jī)器。通過這個(gè)過程，我可以讓原本處于低密度環(huán)境中的一整束星系看起來像處于高密度環(huán)境中。”研究者發(fā)現(xiàn)，隨著星系從低密度變?yōu)楦呙芏拳h(huán)境，它們的顏色變得更紅，恒星分布更集中。這與現(xiàn)有的星系觀測(cè)結(jié)果相吻合。問題是為什么會(huì)這樣。

　　對(duì)于這個(gè)過程，有兩種可能的解釋：也許星系在高密度環(huán)境中顏色更紅，因?yàn)樗鼈兒懈嗟膲m埃，又或者是因?yàn)槠浞秶鷥?nèi)的恒星趨于衰退。有了生成模型，這兩個(gè)想法都可以進(jìn)行測(cè)試：改變隱空間中有關(guān)塵埃和恒星形成速率的元素，然后觀察星系顏色的變化。結(jié)論很清楚，星系顏色更紅的地方是“恒星形成速率下降的地方”，而不是“塵埃發(fā)生改變的地方”。

　　通過生成模型，天體物理學(xué)家可以研究星系從宇宙的低密度區(qū)域到高密度區(qū)域是如何變化的，以及是什么物理過程導(dǎo)致了這些變化。

　　該方法與傳統(tǒng)的模擬有關(guān)，但存在關(guān)鍵差別。Schawinski說，模擬“本質(zhì)上是假設(shè)驅(qū)動(dòng)的”，對(duì)于某種宇宙現(xiàn)象，我首先假設(shè)一個(gè)可以解釋它的物理原則，比如說我們對(duì)于暗物質(zhì)、對(duì)于恒星形成都有一套理論假設(shè)，然后對(duì)照假設(shè)運(yùn)行模擬操作，接著再思考：模擬是否符合現(xiàn)實(shí)?但是生成模型則不同，某種意義上來說，它與模擬完全相反。我們什么都不知道也不想做任何假設(shè)，只是讓數(shù)據(jù)告訴我們可能會(huì)發(fā)生什么。

　　生成模型的成功應(yīng)用當(dāng)然不意味著天文學(xué)家要失業(yè)，但這也確實(shí)讓我們思考，天體物理學(xué)研究多大程度上可以由智能系統(tǒng)完成。Schawinski表示，這不是完全自動(dòng)化的科學(xué)，但它表明我們至少能夠部分地構(gòu)建工具——使科學(xué)過程自動(dòng)化。

　　生成模型顯然是強(qiáng)大的，但它是否真正代表了一種新的科學(xué)方法仍有待商榷。David Hogg是紐約大學(xué)的宇宙學(xué)家，它認(rèn)為，這仍然只是從數(shù)據(jù)中抓取模型，數(shù)個(gè)世紀(jì)以來天文學(xué)家都是這樣進(jìn)行工作的，只不過如今的技術(shù)相當(dāng)強(qiáng)大。換句話說，生成模型是一種先進(jìn)的觀察加分析的方式。Hogg自己的工作也嚴(yán)重依賴AI。他使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)恒星的光譜對(duì)它們進(jìn)行分類，并使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型來推斷恒星的其它物理屬性。但他不認(rèn)為生成模型是另類方法。他說：“只是科學(xué)家在如何使用數(shù)據(jù)方面變得更加老練了。特別是在比較數(shù)據(jù)方面比以前進(jìn)步很多。但在我看來，我的工作仍處于觀察模式?！?/p>