新智元報道

　　編輯：定慧

　　【新智元導讀】AI設計出人類看不懂的實驗，卻成功破解物理學數(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輔助物理學發(fā)現(xiàn)的新時代已經(jīng)到來。

　　物理學界「炸鍋了」！

　　AI主導設計的物理實驗方案，頂尖科學家看不懂，但它竟然成功了！

　　實驗方案中的「反直覺」和「外星造物」般的復雜性震驚了科學界。

　　盡管頂尖科學家初看時完全無法理解其邏輯，但該方案在模擬中被證實極其有效，標志著物理學可能迎來了自己的「AlphaGo時刻」。

　　AI設計出了一種新穎的光學元件布局，可使LIGO引力波探測器的靈敏度提高10%到15%！

　　別小看這點進步，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，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）是一個用于探測引力波的物理實驗設施

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

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

　　LIGO屬于精密測量的一種，有多精密？

　　想象一下，在LIGO那兩座一模一樣的探測器里，激光束在巨大的L形、長達四公里的雙臂中穿梭億萬次。

　　當引力波——也就是時空的漣漪——掠過時，其中一條臂的長度變化，甚至比一顆質(zhì)子的寬度還?。?/p>

　　引力波是時空的漣漪，會導致一個方向被拉長。

　　當這種時空扭曲通過LIGO時，兩條臂的長度分別微小變化（約10?1?米級）

　　這是一種怎樣的精度？

　　LIGO的干涉儀是有史以來建造的最大的干涉儀。其臂長為4公里。

　　這相當于從地球測量遠在半人馬座α星之間距離，但誤差不能超過一根頭發(fā)絲的寬度！

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

　　這臺神器的設計，耗費了物理學家們數(shù)十年的心血，將每一個零件都推向了物理的極限。

　　然而，加州理工學院的物理學家Rana Adhikari卻在思考一個瘋狂的問題：我們還能做得更好嗎？

　　Rana Adhikari曾在21世紀初領導LIGO的探測器優(yōu)化團隊，他們嘔心瀝血，才將機器打磨至此。

　　但在2015年首次探測到引力波后，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，是那些沒人想象過的、狂野的、全新的天體物理現(xiàn)象！」

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

　　于是，他和團隊將目光投向了AI。

　　「外星人」的設計圖

　　他們使用了一套AI軟件，這套軟件最初只是用來設計桌面上的量子光學實驗。

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

　　AI徹底放飛了自我！

　　它設計的探測器方案，動輒綿延數(shù)百公里，包含數(shù)千個元件。

　　「AI給出的方案，人類根本無法理解！」

　　Rana Adhikari回憶道，「它們太復雜了，看起來就像是外星人的杰作，或者說，只有AI才能造出來的東西。它完全沒有人類所追求的對稱感、美感……簡直就是一團亂麻！」

　　研究人員費了好大勁，才學會如何「清理」AI的輸出，讓它變得可以解讀。

　　可即便如此，擺在他們面前的設計圖，依舊讓他們困惑不已。

　　圖中是從空中俯瞰位于美國路易斯安那州利文斯頓的探測器

　　「如果我的學生敢把這種東西交給我，我肯定會說：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：這個荒謬的設計，真的有效！

　　花了整整幾個月，團隊才終于搞懂了AI的「鬼點子」。

　　原來，AI用了一個反直覺的妙計：它在主干涉儀和探測器之間，額外增加了一個三公里長的環(huán)形結(jié)構，讓光在離開主臂后先在這里「兜圈子」。

　　團隊恍然大悟！

　　AI竟然翻出了幾十年前蘇聯(lián)物理學家提出的一個深奧理論——利用該原理可以有效降低量子力學噪聲。

　　這個想法因為過于超前，從未有人在實驗中嘗試過！

　　「要跳出公認的思維框架，去想這么遙遠的事情，實在太難了，」Rana Adhikari感慨道。

　　「我們真的需要AI?！?/strong>

　　他估算，如果當初建造LIGO時就有AI的這個洞察，「LIGO的靈敏度將憑空提升10%到15%！」。

　　在這個精度決定一切的領域，這無疑是一個巨大的飛躍！

　　多倫多大學的量子光學專家艾Aephraim Steinberg評價道：

　　LIGO是成千上萬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人沒能做到的事。

　　「憑空」創(chuàng)造糾纏

　　AI的顛覆性，遠不止于此。

　　在量子世界，兩個從未相遇的粒子，可以通過一種名為「量子糾纏」的操作，建立起神秘的連接。

　　不過幾十年來，物理學家一直認為量子糾纏需要量子物體「一開始處于同一位置」。

　　但到了20世紀90年代初，后來因其對糾纏的研究而獲得諾貝爾物理學獎Anton Zeilinger證明事實并非總是如此。

　　他和同事們提出了一個實驗，從兩組互不相關的糾纏光子開始。

　　光子A和B彼此糾纏，光子C和D也彼此糾纏。

　　然后研究人員設計了一種巧妙的實驗裝置，由晶體、分束器和探測器組成，對光子B和C（來自兩個糾纏光子對中的各一個光子）進行操作。

　　經(jīng)過一系列操作后，光子B和C被探測并被摧毀。

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

　　這一現(xiàn)象被稱為糾纏交換（Entanglement Swapping），如今已成為量子技術的重要基礎構件之一。

　　2021年，物理學家Mario Krenn的團隊，讓他們的AI軟件「PyTheus」重新設計這個實驗。

　　Py代表編程語言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)典設計截然不同！

　　「我當時一看，就認定它肯定是錯的?！筀renn說。

　　然而，AI的設計借鑒了另一個完全不同領域的思想——多光子干涉中的思路，構建出一種更簡潔、更高效的方案。

　　2024年12月，由南京大學馬小松領導的中國團隊在現(xiàn)實中搭建了這個實驗，并證實：AI的設計完美可行！

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

　　解讀宇宙公式

　　實驗設計并不是物理學家使用人工智能的唯一方式。

　　他們還利用人工智能來解析實驗結(jié)果。

　　AI在另一個領域大顯身手：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)團塊的觀測數(shù)據(jù)，竟然得出了一個比人類科學家提出的公式更精確、更貼合實際的全新方程！

　　威斯康星大學的物理學家Kyle Cranmer及其合作者利用一個機器學習模型，根據(jù)其他鄰近暗物質(zhì)團塊的可觀測屬性，預測宇宙中暗物質(zhì)團塊的密度。

　　Cranmer說：「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，但沒有解釋。

　　· 重現(xiàn)自然對稱性

　　加州大學圣地亞哥分校的計算機科學家Rose Yu團隊，讓AI分析歐洲大型強子對撞機（LHC）的數(shù)據(jù)。

　　在不被告知任何物理知識的前提下，AI獨立發(fā)現(xiàn)了「洛倫茲對稱性」——這是愛因斯坦相對論的核心基石！

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

　　Cranmer認為，隨著大語言模型的加入，AI甚至可能很快就能幫助人類構建科學假說。

　　「我們可能真的正在跨越一個門檻，一個由AI輔助我們發(fā)現(xiàn)新物理學的時代，即將到來！」

　　參考資料：

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