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人工智能0.001秒破解三體問題,三體艦隊(duì)可以徹底滾回老家了!

2019-11-06 20:41 作者:徐德文科學(xué)頻道  | 我要投稿



在劉慈欣的小說《三體》中,基本設(shè)定就是一個(gè)有著三顆恒星的類地星球,由于恒星軌道的混亂,它一會(huì)兒跑這顆恒星附近,一會(huì)兒跑那顆附近,一會(huì)兒又在兩顆恒星中間炙烤,一會(huì)兒又遠(yuǎn)離三顆恒星,所以星球上總在不停地經(jīng)歷恒紀(jì)元、亂紀(jì)元,爆冷爆熱,三體文明只能在溫暖的間隙期發(fā)展。所以三體人進(jìn)化出了脫水的絕技,每當(dāng)亂紀(jì)元來臨,無法生存的時(shí)候,就全部脫水變成一張皮,躲倉庫里蟄伏起來;等恒紀(jì)元來臨的時(shí)候,扔水里一泡,就全部復(fù)活了。


這個(gè)三星系統(tǒng)就是離我們最近的恒星系,4.2光年外的半人馬座α星,目前科學(xué)家們也在其中的紅矮星比鄰星周圍,找到了一顆星球。雖然我們不知道那里究竟有沒有三體人,但三體問題確實(shí)是這個(gè)宇宙中最困難、最經(jīng)典的數(shù)學(xué)問題之一,因?yàn)樗荒芫_求解,無法預(yù)測恒星的軌道數(shù)據(jù),所以那里即使存在文明,也只能在恒紀(jì)元亂紀(jì)元的火與冰中熬煎,換作是你,也會(huì)覬覦4.2光年外我們這顆溫暖舒適的藍(lán)色星球。


但現(xiàn)在,英國愛丁堡大學(xué)、劍橋大學(xué)等四所高校開展的一項(xiàng)研究表明,他們已經(jīng)找到了比傳統(tǒng)辦法快10萬到1億倍的方法,來求解三體問題,平均僅用0.001秒就解決了問題!看來三體人可以不用那么麻煩,用400年的時(shí)間億萬里迢迢跑來把人類趕到澳大利亞了,讓科學(xué)家們發(fā)一個(gè)解決方案過去,4.2年就可以收到,以后就可以根據(jù)精確的計(jì)算,提前獲得恒紀(jì)元亂紀(jì)元的周期,好好安排自己的生活和文明的發(fā)展了。如果他們的艦隊(duì)還在路上的話,也可以返回老家了,省得和地球爭來爭去,最后暴露位置,被光粒打擊給全部干掉了。


三體問題是指三個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的天體,其質(zhì)量、初始位置和初始速度可以是任意值,相互之間在萬有引力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題。兩個(gè)天體之間引力作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡,用牛頓定律就可非常容易地計(jì)算出來,但一旦加入第三個(gè),情況就非常復(fù)雜,除了幾種特殊場景外,其它都不能精確求解。即使其中一個(gè)極小,無法對(duì)其它兩個(gè)天體造成可見的干擾,但長期下來,也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng),使之變得無比混亂,大數(shù)學(xué)家龐加萊因之而發(fā)現(xiàn)了混沌理論,也就是現(xiàn)在所說的蝴蝶效應(yīng)——你在沙發(fā)上打個(gè)呵欠,空氣振動(dòng)的效應(yīng)不斷傳開,三個(gè)月后就可能在紐約引發(fā)一場暴風(fēng)雨。


此前在2015年,科學(xué)家們提出了一種名叫Brutus的先進(jìn)算法,可以求解三體乃至N體問題任意給定精度的近似收斂解,然而精度越大,計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的時(shí)間也會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長,導(dǎo)致系統(tǒng)不堪負(fù)擔(dān),數(shù)周甚至數(shù)月才能完成計(jì)算。這次研究人員花了10天時(shí)間,利用傳統(tǒng)方法生成了9900個(gè)簡化的三體方案訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,以及100個(gè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)集,然后讓深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)進(jìn)行學(xué)習(xí),之后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)5000種三體演化模式進(jìn)行了測試。結(jié)果表明,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的結(jié)果與Brutus的結(jié)果非常接近,而且以固定的時(shí)間0.001秒鐘就完成了,這比Brutus算法整整快了10萬倍到1億倍!


根據(jù)劍橋大學(xué)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家克里斯·弗利的說法,Brutus解決問題靠的是“蠻力”,對(duì)天體軌跡的每一小步都要進(jìn)行計(jì)算;而AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)靠的是“巧勁”,它只查看這些計(jì)算產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng),推斷它們的運(yùn)動(dòng)模式,借此預(yù)測未來的發(fā)展。研究人員認(rèn)為,這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用更復(fù)雜的場景進(jìn)行訓(xùn)練,包括解決五體問題,對(duì)了解恒星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)和更廣泛的宇宙演化具有非常大的作用,科學(xué)家們甚至可以借此研究引力波的形成。


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