新智元报道
编辑：定慧
AI 设计出人类看不懂的实验，却成功破解物理学数十年难题，大幅提升 LIGO 灵敏度。寻找暗物质，解读宇宙公式都不在话下，AI 辅助物理学发现的新时代已经到来。
物理学界「炸锅了」！
AI 主导设计的物理实验方案，顶尖科学家看不懂，但它竟然成功了！
实验方案中的「反直觉」和「外星造物」般的复杂性震惊了科学界。
尽管顶尖科学家初看时完全无法理解其逻辑，但该方案在模拟中被证实极其有效，标志着物理学可能迎来了自己的「AlphaGo 时刻」。
AI 设计出了一种新颖的光学元件布局，可使 LIGO 引力波探测器的灵敏度提高 10% 到 15%！
别小看这点进步，在需要「亚质子精度」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台，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）是一个用于探测引力波的物理实验设施
LIGO 最著名的成就是首次直接探测到由两个黑洞合并产生的引力波（以 GW150914 命名）。
2015 年 9 月 14 日探测到的引力波现象，是人类首次直接探测到的引力波（图为想象）
LIGO 属于精密测量的一种，有多精密？
想象一下，在 LIGO 那两座一模一样的探测器里，激光束在巨大的L形、长达四公里的双臂中穿梭亿万次。
当引力波——也就是时空的涟漪——掠过时，其中一条臂的长度变化，甚至比一颗质子的宽度还小！
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引力波是时空的涟漪，会导致一个方向被拉长。
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当这种时空扭曲通过 LIGO 时，两条臂的长度分别微小变化（约 10⁻¹⁸米级）
这是一种怎样的精度？
LIGO 的干涉仪是有史以来建造的最大的干涉仪。其臂长为 4 公里。
这相当于从地球测量远在半人马座α星之间距离，但误差不能超过一根头发丝的宽度！
所有伟大的天文学发现，都源于这种令人发指的灵敏度。
这台神器的设计，耗费了物理学家们数十年的心血，将每一个零件都推向了物理的极限。
然而，加州理工学院的物理学家 Rana Adhikari 却在思考一个疯狂的问题：我们还能做得更好吗？
Rana Adhikari 曾在 21 世纪初领导 LIGO 的探测器优化团队，他们呕心沥血，才将机器打磨至此。
但在 2015 年首次探测到引力波后，他渴望 LIGO 能捕捉到更宽频带的引力波，从而发现不同尺寸的黑洞合并，甚至是……一些闻所未闻的宇宙奇观！
「我们真正想发现的，是那些没人想象过的、狂野的、全新的天体物理现象！」
Rana Adhikari 说，「我们不该对宇宙能创造出什么，抱有任何偏见！」
于是，他和团队将目光投向了 AI。
「外星人」的设计图
他们使用了一套 AI 软件，这套软件最初只是用来设计桌面上的量子光学实验。
他们把所有能想到的组件——透镜、反射镜、激光器——全部「喂」给 AI，让它在一个不受任何限制的虚拟空间里，自由组合，构建一个功能更强的干涉仪。
AI 彻底放飞了自我！
它设计的探测器方案，动辄绵延数百公里，包含数千个元件。
「AI给出的方案，人类根本无法理解！」
Rana Adhikari 回忆道，「它们太复杂了，看起来就像是外星人的杰作，或者说，只有 AI 才能造出来的东西。它完全没有人类所追求的对称感、美感……简直就是一团乱麻！」
研究人员费了好大劲，才学会如何「清理」AI 的输出，让它变得可以解读。
可即便如此，摆在他们面前的设计图，依旧让他们困惑不已。
图中是从空中俯瞰位于美国路易斯安那州利文斯顿的探测器
「如果我的学生敢把这种东西交给我，我肯定会说：不不不，这太荒谬了！」Rana Adhikari 坦言。
然而，模拟结果却清清楚楚地显示：这个荒谬的设计，真的有效！
花了整整几个月，团队才终于搞懂了 AI 的「鬼点子」。
原来，AI 用了一个反直觉的妙计：它在主干涉仪和探测器之间，额外增加了一个三公里长的环形结构，让光在离开主臂后先在这里「兜圈子」。
团队恍然大悟！
AI 竟然翻出了几十年前苏联物理学家提出的一个深奥理论——利用该原理可以有效降低量子力学噪声。
这个想法因为过于超前，从未有人在实验中尝试过！
「要跳出公认的思维框架，去想这么遥远的事情，实在太难了，」Rana Adhikari 感慨道。
「我们真的需要 AI。」
他估算，如果当初建造 LIGO 时就有 AI 的这个洞察，「LIGO 的灵敏度将凭空提升 10% 到 15%！」。
在这个精度决定一切的领域，这无疑是一个巨大的飞跃！
多伦多大学的量子光学专家艾 Aephraim Steinberg 评价道：
LIGO 是成千上万顶尖人才苦思冥想了 40 年的庞然大物。
他们几乎想尽了一切办法。
AI 能提出任何新东西，都证明它做到了成千上万人没能做到的事。
「凭空」创造纠缠
AI 的颠覆性，远不止于此。
在量子世界，两个从未相遇的粒子，可以通过一种名为「量子纠缠」的操作，建立起神秘的连接。
不过几十年来，物理学家一直认为量子纠缠需要量子物体「一开始处于同一位置」。
但到了 20 世纪 90 年代初，后来因其对纠缠的研究而获得诺贝尔物理学奖 Anton Zeilinger 证明事实并非总是如此。
他和同事们提出了一个实验，从两组互不相关的纠缠光子开始。
光子A和B彼此纠缠，光子C和D也彼此纠缠。
然后研究人员设计了一种巧妙的实验装置，由晶体、分束器和探测器组成，对光子B和C（来自两个纠缠光子对中的各一个光子）进行操作。
经过一系列操作后，光子B和C被探测并被摧毁。
但作为结果，原本未曾发生过相互作用的伴侣粒子A和D却变得纠缠起来。
这一现象被称为纠缠交换（Entanglement Swapping），如今已成为量子技术的重要基础构件之一。
2021 年，物理学家 Mario Krenn 的团队，让他们的 AI 软件「PyTheus」重新设计这个实验。
Py 代表编程语言 Python。
Theus 则取自希腊神话中杀死牛头怪弥诺陶洛斯的英雄忒修斯。
结果，AI 给出的方案，与 Zeilinger 的经典设计截然不同！
「我当时一看，就认定它肯定是错的。」Krenn 说。
然而，AI 的设计借鉴了另一个完全不同领域的思想——多光子干涉中的思路，构建出一种更简洁、更高效的方案。
2024 年 12 月，由南京大学马小松领导的中国团队在现实中搭建了这个实验，并证实：AI的设计完美可行！
论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.233601
解读宇宙公式
实验设计并不是物理学家使用人工智能的唯一方式。
他们还利用人工智能来解析实验结果。
AI 在另一个领域大显身手：从海量数据中挖掘隐藏的物理规律。
· 寻找暗物质公式
AI 分析了宇宙中暗物质团块的观测数据，竟然得出了一个比人类科学家提出的公式更精确、更贴合实际的全新方程！
威斯康星大学的物理学家 Kyle Cranmer 及其合作者利用一个机器学习模型，根据其他邻近暗物质团块的可观测属性，预测宇宙中暗物质团块的密度。
Cranmer 说：「AI 的方程完美地描述了数据，但它还讲不出背后的物理逻辑」。
AI 只给了结果，但没有解释。
· 重现自然对称性
加州大学圣地亚哥分校的计算机科学家 Rose Yu 团队，让 AI 分析欧洲大型强子对撞机（LHC）的数据。
在不被告知任何物理知识的前提下，AI 独立发现了「洛伦兹对称性」——这是爱因斯坦相对论的核心基石！
尽管今天的 AI 在提出真正的、全新的物理假说方面还力不从心，但它已经从一个单纯的工具，进化为一个强大的「合作者」。
Cranmer 认为，随着大语言模型的加入，AI 甚至可能很快就能帮助人类构建科学假说。
「我们可能真的正在跨越一个门槛，一个由 AI 辅助我们发现新物理学的时代，即将到来！」
参考资料：
https://www.quantamagazine.org/ai-comes-up-with-bizarre-physics-experiments-but-they-work-20250721/
