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等離子體|用人工智能研究宇宙大爆炸: 人工智能開發(fā)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)揭開宇宙大爆炸后的物理狀態(tài)

等離子體

等離子體|用人工智能研究宇宙大爆炸: 人工智能開發(fā)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)揭開宇宙大爆炸后的物理狀態(tài)

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等離子體|用人工智能研究宇宙大爆炸: 人工智能開發(fā)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)揭開宇宙大爆炸后的物理狀態(tài)

機器學(xué)習(xí)可以用來揭開夸克膠子等離子體的秘密嗎？是的——但僅限于復(fù)雜的新方法 。 據(jù)維也納科技大學(xué)研究 ， 人工智能正被用于許多極其復(fù)雜的任務(wù) 。 那么為什么不使用機器學(xué)習(xí)來研究粒子物理學(xué)呢？事實證明 ， 這并不容易 ， 因為粒子物理學(xué)有一些特殊的數(shù)學(xué)特性 。 但現(xiàn)在 ， 已經(jīng)開發(fā)出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ， 可以用來研究夸克膠子等離子體——宇宙大爆炸后的狀態(tài) 。

用人工智能研究宇宙大爆炸
再復(fù)雜不過了：微小的粒子以極高的能量瘋狂地旋轉(zhuǎn) ， 無數(shù)的相互作用在量子粒子的糾結(jié)中發(fā)生 ， 這導(dǎo)致了一種被稱為“夸克-膠子等離子體”的物質(zhì)狀態(tài) 。 大爆炸之后 ， 整個宇宙都處于這種狀態(tài)；今天它是由高能原子核碰撞產(chǎn)生的 ， 例如在歐洲核子研究中心 。
此類過程只能使用高性能計算機和高度復(fù)雜的計算機模擬來研究 ， 其結(jié)果難以評估 。 因此 ， 為此目的使用人工智能或機器學(xué)習(xí)似乎是一個顯而易見的想法 。 然而 ， 普通的機器學(xué)習(xí)算法并不適合這項任務(wù) 。 粒子物理學(xué)的數(shù)學(xué)特性需要非常特殊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 。 在 TU Wien（維也納） ， 現(xiàn)在已經(jīng)展示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何成功地用于粒子物理學(xué)中的這些具有挑戰(zhàn)性的任務(wù) 。

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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
【等離子體|用人工智能研究宇宙大爆炸: 人工智能開發(fā)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)揭開宇宙大爆炸后的物理狀態(tài)】“盡可能逼真地模擬夸克-膠子等離子體需要大量的計算時間 ， ”TU Wien 理論物理研究所的 Andreas Ipp 博士說 。 “即使是世界上最大的超級計算機也被這個淹沒了 。 ” 因此 ， 不希望精確計算每個細節(jié) ， 而是在人工智能的幫助下識別和預(yù)測等離子體的某些特性 。
因此 ， 使用了類似于用于圖像識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：人工“神經(jīng)元”在計算機上以與大腦中的神經(jīng)元類似的方式連接在一起——這創(chuàng)建了一個可以識別的網(wǎng)絡(luò) ， 例如 ， 是否在某張圖片中看不到貓 。
然而 ， 當將這種技術(shù)應(yīng)用于夸克-膠子等離子體時 ， 存在一個嚴重的問題：用于數(shù)學(xué)描述粒子的量子場以及它們之間的力可以用各種不同的方式表示 。 “這被稱為規(guī)范對稱性 ， ”Ipp 說 。 “這背后的基本原理是我們所熟悉的：如果我以不同的方式校準測量設(shè)備 ， 例如 ， 如果我的溫度計使用開爾文刻度而不是攝氏刻度 ， 我會得到完全不同的數(shù)字 ， 即使我描述的是相同的物理狀態(tài) 。 它與量子理論相似——除了允許的變化在數(shù)學(xué)上要復(fù)雜得多 。 乍一看完全不同的數(shù)學(xué)對象實際上可能描述了相同的物理狀態(tài) 。

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網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中內(nèi)置的規(guī)范對稱性
“如果你不考慮這些規(guī)范對稱性 ， 你就無法有意義地解釋計算機模擬的結(jié)果 ， ”David I. Müller 博士說 。 “教一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自己找出這些規(guī)范對稱性將是非常困難的 。 最好從設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)開始 ， 以自動考慮規(guī)范對稱性——所以相同物理狀態(tài)的不同表示也會在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生相同的信號 ， ”Müller 說 。 “這正是我們現(xiàn)在成功的做法：我們開發(fā)了全新的網(wǎng)絡(luò)層 ， 自動將規(guī)范不變性考慮在內(nèi) 。 ” 在一些測試應(yīng)用中 ，
“有了這樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ， 就可以對系統(tǒng)進行預(yù)測——例如 ， 估計夸克膠子等離子體在以后的時間點會是什么樣子 ， 而不必真正及時計算每一個中間步驟 。”安德烈亞斯·伊普說 。 “同時 ， 確保系統(tǒng)只產(chǎn)生與規(guī)范對稱性不矛盾的結(jié)果——換句話說 ， 至少在原則上是有意義的結(jié)果 。 ”

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