物理學(xué)家造出黑箱AI，只為驗(yàn)證量子理論，結(jié)果先顛覆了自身方法論

當(dāng)AI遇見量子迷宮
想象一下：如果要在計(jì)算機(jī)上模擬宇宙誕生第一秒鐘發(fā)生的事情，你需要處理的數(shù)據(jù)量有多大？
答案是——幾乎無(wú)窮大
三十年來(lái)，物理學(xué)家一直被這么個(gè)事兒困擾，咋在計(jì)算機(jī)的離散網(wǎng)格上精準(zhǔn)模擬連續(xù)的量子世界，還不損失精度也不把算力用光。
目前，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)、瑞士伯爾尼大學(xué)還有美國(guó)太平洋大學(xué)組成，借助一種定制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，成功達(dá)成了目標(biāo)，就算在精度有限的計(jì)算晶格情況下，離散化誤差還能被降低到1%以內(nèi)。
發(fā)表在1月21號(hào)《物理評(píng)論快報(bào)》上的這項(xiàng)研究，很有可能徹底改變我們認(rèn)識(shí)粒子碰撞、暗物質(zhì)以及宇宙起源的方式。

破解"地圖縮放"的物理學(xué)難題
量子場(chǎng)論是現(xiàn)代物理學(xué)的基石，描述了粒子如何行為以及它們之間如何相互作用。
可是，好多復(fù)雜的問題不能用紙筆來(lái)算，得靠計(jì)算機(jī)模擬
問題是這樣的，量子理論說(shuō)的是連續(xù)的時(shí)空，可計(jì)算機(jī)只能處理那種離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)
維也納工業(yè)大學(xué)的DavidMüller解釋說(shuō)，這就跟把一張照片分割成像素似的你得在一個(gè)四維網(wǎng)格（三個(gè)空間維度加一個(gè)時(shí)間維度）上存每個(gè)點(diǎn)，讓量子場(chǎng)論的規(guī)則來(lái)定這些點(diǎn)怎么互相影響。
關(guān)鍵突破在于"不動(dòng)點(diǎn)方程"的應(yīng)用
伯爾尼大學(xué)的UrsWenger教授指出，某些晶格公式有這么個(gè)特殊屬性，不管網(wǎng)格粗細(xì)怎么變，某些物理性質(zhì)都保持不變就跟地圖不管放大還是縮小，國(guó)家邊界的拓?fù)潢P(guān)系一直是一樣的。
幾十萬(wàn)個(gè)參數(shù)能被團(tuán)隊(duì)開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自己調(diào)整，從而找到那種尺度不變的最優(yōu)配置
這不是現(xiàn)成的AI工具能完成的任務(wù)，研究人員從零開始構(gòu)建了一個(gè)遵循物理定律的專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

從大爆炸到藥物設(shè)計(jì)的三大應(yīng)用
1、重現(xiàn)宇宙誕生的瞬間
模擬那種極端的物理環(huán)境，是這項(xiàng)技術(shù)最直接的應(yīng)用
歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)每秒能產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)次粒子碰撞，傳統(tǒng)方法得花好幾個(gè)月才能模擬其中一小部分事件。
而用新的AI優(yōu)化晶格后，就算用粗網(wǎng)格（計(jì)算點(diǎn)更少），也能在保持高精度的同時(shí)把模擬速度提高好幾倍
更重要的是，它能幫我們弄明白大爆炸后最初幾微秒里，夸克和膠子是怎么從夸克-膠子等離子體凝聚成質(zhì)子和中子的以前因?yàn)橛?jì)算能力不夠，這段歷史沒法精確重現(xiàn)。

2、破解暗物質(zhì)候選粒子的行為
好多暗物質(zhì)理論涉及復(fù)雜的量子場(chǎng)相互作用，這些相互作用在傳統(tǒng)晶格上模擬的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的誤差
新方法用機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)識(shí)別臨界慢化問題（就是快到臨界點(diǎn)的時(shí)候，蒙特卡洛采樣效率會(huì)突然降得很低），接下來(lái)調(diào)整參數(shù)躲開這些陷阱。
日本物理學(xué)會(huì)2025年有個(gè)綜述說(shuō)，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和晶格量子色動(dòng)力學(xué)結(jié)合起來(lái)，已經(jīng)讓某些拓?fù)潆姾傻挠?jì)算成本降低了40%。
這就意味著物理學(xué)家能比較快地篩選暗物質(zhì)候選粒子的可能性質(zhì)
3、為量子計(jì)算提供"標(biāo)準(zhǔn)答案"
現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)功能比較有限，很難去驗(yàn)證它輸出得對(duì)不對(duì)
高精度的經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬可以作為"基準(zhǔn)測(cè)試"：先用優(yōu)化晶格計(jì)算出某個(gè)量子系統(tǒng)的準(zhǔn)確答案, 再用量子計(jì)算機(jī)驗(yàn)證是否一致。
這種對(duì)比在凝聚態(tài)物理里特別重要研究人員正在用神經(jīng)量子態(tài)來(lái)研究二維玻色-哈伯德模型（這個(gè)模型是用來(lái)描述超冷原子行為的），給未來(lái)的量子材料設(shè)計(jì)提供理論方面的指導(dǎo)。

黑箱困境與物理直覺的平衡
有人對(duì)這項(xiàng)技術(shù)提出疑問，雖然成果比較讓人興奮的
最大的擔(dān)憂是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的"黑箱"特性：它能找到數(shù)十萬(wàn)參數(shù)的最優(yōu)解，卻難以解釋為什么這組參數(shù)是正確的。
傳統(tǒng)搞物理的人習(xí)慣通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)來(lái)弄明白每個(gè)公式的物理意思，可AI直接就給出答案，沒辦法讓人有直覺上的那種理解。
除此之外, 訓(xùn)練這種專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身需要大量計(jì)算資源, 太平洋大學(xué)的KieranHolland坦言, 三十年前就有人提出類似思路, 但當(dāng)時(shí)的硬件條件根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
另一個(gè)挑戰(zhàn)是泛化能力，現(xiàn)在的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)特定類型的量子場(chǎng)論優(yōu)化的，它適不適合別的理論還得檢驗(yàn)，量子場(chǎng)論的種類還挺多的，從描述電磁力的量子電動(dòng)力學(xué)到描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)，每種理論或許都得重新訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，不過(guò)，業(yè)內(nèi)正在做遷移學(xué)習(xí)策略的研究，好讓在某一理論上訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)能更快適應(yīng)新問題。

物理學(xué)的新范式
未來(lái)三到五年，這種AI輔助模擬可能就會(huì)變成粒子物理的標(biāo)配工具，就跟顯微鏡對(duì)于生物學(xué)一樣，更大膽地預(yù)測(cè)就是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不光能優(yōu)化現(xiàn)有理論，還有可能發(fā)現(xiàn)人類沒想到過(guò)的物理對(duì)稱性當(dāng)AI在數(shù)十萬(wàn)參數(shù)空間里搜索的時(shí)候，說(shuō)不定就能找到某些違反常規(guī)但數(shù)學(xué)上能自洽的模式，從而啟發(fā)全新的理論框架。
這項(xiàng)研究提出個(gè)挺深刻的問題，當(dāng)機(jī)器比人類更擅長(zhǎng)處理復(fù)雜方程的時(shí)候，物理學(xué)家的角色會(huì)怎么變化，或許答案不是被取代，而是得到解放把重復(fù)計(jì)算交給人工智能，把精力放到提出更深刻的問題還有詮釋結(jié)果的物理意義上面，畢竟，理解宇宙可不只是算對(duì)答案，更得去問問“為啥是這個(gè)答案。

延伸閱讀：
1、物理評(píng)論快報(bào)原始論文：關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在量子場(chǎng)論晶格模擬中的應(yīng)用
2、《日本物理學(xué)會(huì)雜志》2025年綜述：機(jī)器學(xué)習(xí)在晶格量子色動(dòng)力學(xué)中的全面應(yīng)用

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