諾德：如果讓天體物理學(xué)探索的整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是否可行呢？

自主運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡如何改變天文學(xué)

VISTA（用于天文學(xué)的可見(jiàn)光和紅外光探測(cè)望遠(yuǎn)鏡），位于智利的塞羅帕拉納爾。

照片來(lái)源: Y.貝萊茨基（智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)） / 歐洲南方天文臺(tái)

天文學(xué)家和物理學(xué)家，持續(xù)尋求宇宙最深層次問(wèn)題的答案，但在許多問(wèn)題上，包括暗物質(zhì)和暗能量，他們都遇到了阻礙。如果有一架自主運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡，摒棄人類(lèi)的偏見(jiàn)和復(fù)雜性，它能夠解決我們一直找不到答案的難題嗎？

今天，人類(lèi)操控天文臺(tái)觀測(cè)天空，使觀測(cè)設(shè)備對(duì)準(zhǔn)某個(gè)目標(biāo)物；或者，更常見(jiàn)的是，考慮到地球運(yùn)轉(zhuǎn)、天氣及其他因素的影響，在一系列希望收集到觀測(cè)數(shù)據(jù)的目標(biāo)物之間移動(dòng)?？茖W(xué)家們現(xiàn)在正在思考如何使望遠(yuǎn)鏡自主計(jì)算運(yùn)行，掃描其列表清單里的一系列目標(biāo)，以優(yōu)化對(duì)宇宙重大事件的搜索。

布賴恩·諾德（費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的助理科學(xué)家）告訴美國(guó)科技博客網(wǎng)站Gizmodo說(shuō)：“正像我們決定將駛向哪條路，或接下來(lái)讀哪本書(shū)一樣，我們關(guān)心：哪些模擬程序和觀測(cè)過(guò)程可以被參數(shù)化設(shè)置，以便自動(dòng)探索我們未知的宇宙空間最深處。”

今天，目標(biāo)列表清單，被發(fā)送到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)里，這樣，計(jì)算機(jī)腳本在人類(lèi)的輔助下，選擇有價(jià)值的目標(biāo)、控制觀測(cè)指向。諾德認(rèn)為，這是讓望遠(yuǎn)鏡做出更好決定的機(jī)會(huì)，甚至它可以在給定的特定坐標(biāo)之外進(jìn)行探測(cè)。一架“智能”的望遠(yuǎn)鏡，甚至可以實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)任何意外狀況，例如：自動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向，花更多的時(shí)間去觀測(cè)，突然發(fā)生的黑洞爆發(fā)現(xiàn)象。諾德已經(jīng)熟悉了，利用“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)，讓其對(duì)宇宙空間目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)。通過(guò)與其他專(zhuān)家的交流，他意識(shí)到，“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)，可以成為優(yōu)化科學(xué)實(shí)驗(yàn)（包括優(yōu)化望遠(yuǎn)鏡性能）的一種方法。

“這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。”奧爾麗.艾德倫解釋說(shuō)。她現(xiàn)在是美國(guó)國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室研究助理，她將“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)應(yīng)用于控制粒子加速器，這在一定程度上給了諾德靈感。“地球持續(xù)旋轉(zhuǎn)，夜空在一年里不斷的變換，同時(shí)，云層可能在某個(gè)特定夜晚，阻礙觀測(cè)列表清單上的目標(biāo)物。”

“如果我只看普通天氣預(yù)報(bào)，然后試圖規(guī)劃一條路徑，使之最適合在環(huán)境狀況改變后，觀測(cè)一組新目標(biāo)，那就很難做到。但如果讓人工智能機(jī)器，來(lái)做這種路徑規(guī)劃，則是非常適合的。”艾德倫告訴我們。

而這，并不會(huì)讓望遠(yuǎn)鏡操作員失去工作，——他們要維護(hù)保養(yǎng)、抽樣檢查望遠(yuǎn)鏡，并確保自動(dòng)程序正確運(yùn)作，不會(huì)使望遠(yuǎn)鏡失控到在其限制范圍之外運(yùn)行，比如：試圖讓固定安裝的望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)根本無(wú)法指向的目標(biāo)源。

但諾德不僅僅只是想自動(dòng)規(guī)劃觀測(cè)天空的最有效路徑，而是考慮：如果讓天體物理學(xué)探索的整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是否可行呢？

早在2016年，諾德主持了一個(gè)合作項(xiàng)目，引入一種概念驗(yàn)證，叫做SPOKES，即“光譜視野仿真工作流程”的縮寫(xiě)。該項(xiàng)目模擬預(yù)估的宇宙學(xué)參數(shù)，例如一個(gè)被稱為暗能量狀態(tài)方程的參數(shù)，它決定著宇宙的最終命運(yùn)。這包含了我們已經(jīng)觀測(cè)過(guò)的關(guān)于宇宙的物理常數(shù)，以及觀測(cè)星系的儀器信息，以便推測(cè)計(jì)算參數(shù)。從本質(zhì)上說(shuō)，這是一種程序機(jī)制，不僅可以模擬宇宙，還可以模擬望遠(yuǎn)鏡和宇宙之間的相互影響。

諾德思考添加了“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)后，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)是什么樣子。“機(jī)器學(xué)習(xí)”算法能夠用于生成觀察宇宙的最佳實(shí)驗(yàn)配備——例如如何分配光纖以觀察不同波長(zhǎng)的光——從而計(jì)算暗能量狀態(tài)方程。然后，可以根據(jù)這些參數(shù)將模擬望遠(yuǎn)鏡替換為實(shí)際望遠(yuǎn)鏡，而這又為模擬提供新數(shù)據(jù)。模擬將根據(jù)新收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，并自動(dòng)指向。從理論上講，一旦模擬宇宙和真實(shí)宇宙？？？？，天文學(xué)家就可以看看模擬給出的暗能量狀態(tài)方程的結(jié)果。

諾德提議了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，叫做“自動(dòng)宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)”，英文簡(jiǎn)稱：ACE，用于2019年由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室組建的科學(xué)市政廳人工智能。這樣一個(gè)系統(tǒng)，自主產(chǎn)生關(guān)于宇宙在模擬中的狀態(tài)的假設(shè)，然后通過(guò)實(shí)時(shí)選擇觀測(cè)目標(biāo)，來(lái)測(cè)試這些假設(shè)，他為此潛力感到興奮。把人類(lèi)的影響拋開(kāi)，這樣一個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)的新天體或關(guān)于宇宙的真相，而這些真相，也許曾因?yàn)槿祟?lèi)的偏見(jiàn)或錯(cuò)誤干預(yù)，導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)它們。例如，有一種眾所周知的人類(lèi)固有通病，被稱為“Malmquist”偏見(jiàn)，它主要是說(shuō)：人類(lèi)更傾向于觀測(cè)某些更明亮的物體（比如星系），這導(dǎo)致了觀測(cè)范圍不全面。也許自動(dòng)化系統(tǒng)可以避免這種情況。

盡管這樣一個(gè)完全自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)，是算法生成的虛擬領(lǐng)域，但它建立在人工智能和天文學(xué)之間越來(lái)越多的協(xié)同增效的基礎(chǔ)上。人工智能可以對(duì)天空中的物體（如遙遠(yuǎn)的星系和超新星）的圖像進(jìn)行整理，對(duì)觀測(cè)結(jié)果預(yù)先進(jìn)行分類(lèi)，以便天文學(xué)家能夠很容易挑選出，僅與其工作相關(guān)的部分圖像。科研人員已經(jīng)使用“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)一些宇宙的物理參數(shù)，并降低天空?qǐng)D像中的干擾。普林斯頓大學(xué)的Elahesadat.納吉布領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了一種方法，即:使用“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)，來(lái)安排即將到來(lái)的大口徑全景巡天望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，類(lèi)似于諾德的自主運(yùn)行望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想。

“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)的大比重參與，帶來(lái)了一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。“算法”被認(rèn)為是“黑匣子”；很難準(zhǔn)確了解它們?cè)谧鍪裁?、以及為什么這樣做。約書(shū)亞·皮克是美國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡研究所的副天文學(xué)家，他對(duì)美國(guó)科技博客網(wǎng)站Gizmodo解釋說(shuō)：“僅僅是選擇要觀察的物體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生偏向，人工智能非常善于利用這一點(diǎn)，甚至?xí)赶聺撛诘挠泻﹀e(cuò)誤。人們對(duì)這些系統(tǒng)，抱持有很多可以理解的懷疑。”也許最大的挑戰(zhàn)，只是找出如何在算法上最好地表達(dá)宇宙——這需要找到有專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人。

人類(lèi)永遠(yuǎn)不會(huì)停止仰望星空，因?yàn)?，完全了解我們的宇宙，是深刻在人?lèi)本性里的一個(gè)最終目標(biāo)。但隨著望遠(yuǎn)鏡獲取龐大的數(shù)據(jù)量，隨著科學(xué)家們繼續(xù)為宇宙最深的問(wèn)題而困擾，我們顯然需要一些幫助，需要一些來(lái)自思考方式與人類(lèi)稍有不同的東西的幫助。

觀乎天文：世界上最早的“天文鐘”——水運(yùn)儀象臺(tái)

大家可能最先想到的是日晷、圭表

最早也是來(lái)源于我國(guó)

世界上最早的天文鐘

  水運(yùn)儀象臺(tái)      

北宋元祐年間，天文學(xué)家、機(jī)械學(xué)家蘇頌領(lǐng)導(dǎo)了水運(yùn)儀象臺(tái)的研制，團(tuán)隊(duì)成員包括精通《九章算術(shù)》及天文學(xué)的韓公廉等太史局技術(shù)官員，是團(tuán)隊(duì)共同完成的。研制的水運(yùn)儀象臺(tái)是以漏刻水力驅(qū)動(dòng)的，集天文觀測(cè)、天文演示和報(bào)時(shí)系統(tǒng)為一體的大型自動(dòng)化天文儀器。

根據(jù)《新儀象法要》的記載，水運(yùn)儀象臺(tái)（以宋代水矩尺計(jì)算）高是三丈五尺六寸五分（約12米），寬度是二丈一尺（約7米），水運(yùn)儀象臺(tái)其內(nèi)部是以水為動(dòng)力，集渾儀、渾象、報(bào)時(shí)為一體的，上窄下寬呈長(zhǎng)方形的木結(jié)構(gòu)建筑。

      上層——渾儀

水運(yùn)儀象臺(tái)的結(jié)構(gòu)大致可以分為三層：上層是一個(gè)露天的平臺(tái)，設(shè)有渾儀一座，用龍柱支持，下面有水槽以定水平。渾儀上面覆蓋有遮蔽日曬雨淋的木板屋頂，為了便于觀測(cè)，屋頂可以隨意開(kāi)閉，構(gòu)思比較巧妙。露臺(tái)到儀象臺(tái)的臺(tái)基有七米多高。

    中層——渾象

中層是一間沒(méi)有窗戶的“密室”，里面放置渾象。天球的一半隱沒(méi)在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠機(jī)輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，一晝夜轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，真實(shí)地再現(xiàn)了星辰的起落等天象的變化。

    下層——動(dòng)力裝置及報(bào)時(shí)、計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)

下層包括報(bào)時(shí)裝置和全臺(tái)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)等。設(shè)有向南打開(kāi)的大門(mén)，門(mén)里裝置有五層木閣，木閣后面是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與渾儀、渾象相聯(lián)，使這座兩層結(jié)構(gòu)的天文裝置環(huán)環(huán)相扣，達(dá)到與天體同步運(yùn)行。

   水運(yùn)儀象臺(tái)的構(gòu)思廣泛吸收了以前各家儀器的優(yōu)點(diǎn)，尤其是吸取了北宋初年天文學(xué)家張思訓(xùn)所改進(jìn)的自動(dòng)報(bào)時(shí)裝置的長(zhǎng)處；在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，運(yùn)用了水車(chē)、筒車(chē)、桔槔、凸輪、天平桿等一系列設(shè)備的機(jī)械原理，把觀測(cè)、演示和報(bào)時(shí)設(shè)備集中起來(lái)，組成了一個(gè)整體，成為一部自動(dòng)化的天文臺(tái)。

英國(guó)科技史家李約瑟曾說(shuō)：“蘇頌把鐘表機(jī)械和天文觀察儀器結(jié)合以來(lái)，在原理上已經(jīng)完全成功”，因此，水運(yùn)儀象臺(tái)也被譽(yù)稱為“世界時(shí)鐘鼻祖”，標(biāo)志著11世紀(jì)世界科技史上的最高成就。