諾德：如果讓天體物理學(xué)探索的整個過程實現(xiàn)自動化，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)的可見光和紅外光探測望遠(yuǎn)鏡），位于智利的塞羅帕拉納爾。

照片來源: Y.貝萊茨基（智利拉斯坎帕納斯天文臺） / 歐洲南方天文臺

天文學(xué)家和物理學(xué)家，持續(xù)尋求宇宙最深層次問題的答案，但在許多問題上，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，摒棄人類的偏見和復(fù)雜性，它能夠解決我們一直找不到答案的難題嗎？

今天，人類操控天文臺觀測天空，使觀測設(shè)備對準(zhǔn)某個目標(biāo)物；或者，更常見的是，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數(shù)據(jù)的目標(biāo)物之間移動?？茖W(xué)家們現(xiàn)在正在思考如何使望遠(yuǎn)鏡自主計算運(yùn)行，掃描其列表清單里的一系列目標(biāo)，以優(yōu)化對宇宙重大事件的搜索。

布賴恩·諾德（費米實驗室的助理科學(xué)家）告訴美國科技博客網(wǎng)站Gizmodo說：“正像我們決定將駛向哪條路，或接下來讀哪本書一樣，我們關(guān)心：哪些模擬程序和觀測過程可以被參數(shù)化設(shè)置，以便自動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，計算機(jī)腳本在人類的輔助下，選擇有價值的目標(biāo)、控制觀測指向。諾德認(rèn)為，這是讓望遠(yuǎn)鏡做出更好決定的機(jī)會，甚至它可以在給定的特定坐標(biāo)之外進(jìn)行探測。一架“智能”的望遠(yuǎn)鏡，甚至可以實時應(yīng)對任何意外狀況，例如：自動旋轉(zhuǎn)方向，花更多的時間去觀測，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)，讓其對宇宙空間目標(biāo)進(jìn)行分類。通過與其他專家的交流，他意識到，“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)，可以成為優(yōu)化科學(xué)實驗（包括優(yōu)化望遠(yuǎn)鏡性能）的一種方法。

“這是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。”奧爾麗.艾德倫解釋說。她現(xiàn)在是美國國家加速器實驗室研究助理，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，云層可能在某個特定夜晚，阻礙觀測列表清單上的目標(biāo)物。”

“如果我只看普通天氣預(yù)報，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，觀測一組新目標(biāo)，那就很難做到。但如果讓人工智能機(jī)器，來做這種路徑規(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，并確保自動程序正確運(yùn)作，不會使望遠(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，觀測根本無法指向的目標(biāo)源。

但諾德不僅僅只是想自動規(guī)劃觀測天空的最有效路徑，而是考慮：如果讓天體物理學(xué)探索的整個過程實現(xiàn)自動化，是否可行呢？

早在2016年，諾德主持了一個合作項目，引入一種概念驗證，叫做SPOKES，即“光譜視野仿真工作流程”的縮寫。該項目模擬預(yù)估的宇宙學(xué)參數(shù)，例如一個被稱為暗能量狀態(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)觀測過的關(guān)于宇宙的物理常數(shù)，以及觀測星系的儀器信息，以便推測計算參數(shù)。從本質(zhì)上說，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，這個系統(tǒng)會是什么樣子。“機(jī)器學(xué)習(xí)”算法能夠用于生成觀察宇宙的最佳實驗配備——例如如何分配光纖以觀察不同波長的光——從而計算暗能量狀態(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，并自動指向。從理論上講，一旦模擬宇宙和真實宇宙？？？？，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實驗，叫做“自動宇宙學(xué)實驗”，英文簡稱：ACE，用于2019年由美國阿貢國家實驗室組建的科學(xué)市政廳人工智能。這樣一個系統(tǒng)，自主產(chǎn)生關(guān)于宇宙在模擬中的狀態(tài)的假設(shè)，然后通過實時選擇觀測目標(biāo)，來測試這些假設(shè)，他為此潛力感到興奮。把人類的影響拋開，這樣一個系統(tǒng)可能會發(fā)現(xiàn)的新天體或關(guān)于宇宙的真相，而這些真相，也許曾因為人類的偏見或錯誤干預(yù)，導(dǎo)致錯過它們。例如，有一種眾所周知的人類固有通病，被稱為“Malmquist”偏見，它主要是說：人類更傾向于觀測某些更明亮的物體（比如星系），這導(dǎo)致了觀測范圍不全面。也許自動化系統(tǒng)可以避免這種情況。

盡管這樣一個完全自動化的實驗，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)之間越來越多的協(xié)同增效的基礎(chǔ)上。人工智能可以對天空中的物體（如遙遠(yuǎn)的星系和超新星）的圖像進(jìn)行整理，對觀測結(jié)果預(yù)先進(jìn)行分類，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?？蒲腥藛T已經(jīng)使用“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)，來預(yù)測一些宇宙的物理參數(shù)，并降低天空圖像中的干擾。普林斯頓大學(xué)的Elahesadat.納吉布領(lǐng)導(dǎo)的一個科學(xué)家團(tuán)隊，設(shè)計了一種方法，即:使用“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)，來安排即將到來的大口徑全景巡天望遠(yuǎn)鏡的觀測，類似于諾德的自主運(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，帶來了一些獨特的挑戰(zhàn)。“算法”被認(rèn)為是“黑匣子”；很難準(zhǔn)確了解它們在做什么、以及為什么這樣做。約書亞·皮克是美國空間望遠(yuǎn)鏡研究所的副天文學(xué)家，他對美國科技博客網(wǎng)站Gizmodo解釋說：“僅僅是選擇要觀察的物體時，就會產(chǎn)生偏向，人工智能非常善于利用這一點，甚至?xí)赶聺撛诘挠泻﹀e誤。人們對這些系統(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——這需要找到有專業(yè)知識的人。

人類永遠(yuǎn)不會停止仰望星空，因為，完全了解我們的宇宙，是深刻在人類本性里的一個最終目標(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)為宇宙最深的問題而困擾，我們顯然需要一些幫助，需要一些來自思考方式與人類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

大家可能最先想到的是日晷、圭表

最早也是來源于我國

世界上最早的天文鐘

  水運(yùn)儀象臺      

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)儀象臺的研制，團(tuán)隊成員包括精通《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)隊共同完成的。研制的水運(yùn)儀象臺是以漏刻水力驅(qū)動的，集天文觀測、天文演示和報時系統(tǒng)為一體的大型自動化天文儀器。

根據(jù)《新儀象法要》的記載，水運(yùn)儀象臺（以宋代水矩尺計算）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)儀象臺其內(nèi)部是以水為動力，集渾儀、渾象、報時為一體的，上窄下寬呈長方形的木結(jié)構(gòu)建筑。

      上層——渾儀

水運(yùn)儀象臺的結(jié)構(gòu)大致可以分為三層：上層是一個露天的平臺，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，屋頂可以隨意開閉，構(gòu)思比較巧妙。露臺到儀象臺的臺基有七米多高。

    中層——渾象

中層是一間沒有窗戶的“密室”，里面放置渾象。天球的一半隱沒在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠機(jī)輪帶動旋轉(zhuǎn)，一晝夜轉(zhuǎn)動一圈，真實地再現(xiàn)了星辰的起落等天象的變化。

    下層——動力裝置及報時、計時機(jī)構(gòu)

下層包括報時裝置和全臺的動力機(jī)構(gòu)等。設(shè)有向南打開的大門，門里裝置有五層木閣，木閣后面是機(jī)械傳動系統(tǒng)。通過齒輪傳動系統(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)儀象臺的構(gòu)思廣泛吸收了以前各家儀器的優(yōu)點，尤其是吸取了北宋初年天文學(xué)家張思訓(xùn)所改進(jìn)的自動報時裝置的長處；在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，運(yùn)用了水車、筒車、桔槔、凸輪、天平桿等一系列設(shè)備的機(jī)械原理，把觀測、演示和報時設(shè)備集中起來，組成了一個整體，成為一部自動化的天文臺。

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