0.001秒!快1億倍!人工智能破解三體問題,三體艦隊快滾回老家吧

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在劉慈欣的小說《三體》中,基本設定就是一個有著三顆恆星的類地星球,由於恆星軌道的混亂,它一會兒跑這顆恆星附近,一會兒跑那顆附近,一會兒又在兩顆恆星中間炙烤,一會兒又遠離三顆恆星,所以星球上總在不停地經歷恆紀元、亂紀元,爆冷爆熱,三體文明只能在溫暖的間隙期發展。所以三體人進化出了脫水的絕技,每當亂紀元來臨,無法生存的時候,就全部脫水變成一張皮,躲倉庫裡蟄伏起來;等恆紀元來臨的時候,扔水裡一泡,就全部復活了。

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這個三星系統就是離我們最近的恆星系,4.2光年外的半人馬座α星,目前科學家們也在其中的紅矮星比鄰星周圍,找到了一顆星球。雖然我們不知道那裡究竟有沒有三體人,但三體問題確實是這個宇宙中最困難、最經典的數學問題之一,因為它不能精確求解,無法預測恆星的軌道數據,所以那裡即使存在文明,也只能在恆紀元亂紀元的火與冰中熬煎,換作是你,也會覬覦4.2光年外我們這顆溫暖舒適的藍色星球。

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但現在,英國愛丁堡大學、劍橋大學等四所高校開展的一項研究表明,他們已經找到了比傳統辦法快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麼麻煩,用400年的時間億萬裡迢迢跑來把人類趕到澳大利亞了,讓科學家們發一個解決方案過去,4.2年就可以收到,以後就可以根據精確的計算,提前獲得恆紀元亂紀元的週期,好好安排自己的生活和文明的發展了。如果他們的艦隊還在路上的話,也可以返回老家了,省得和地球爭來爭去,最後暴露位置,被光粒打擊給全部幹掉了。

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三體問題是指三個可視為質點的天體,其質量、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動規律問題。兩個天體之間引力作用下的運動軌跡,用牛頓定律就可非常容易地計算出來,但一旦加入第三個,情況就非常複雜,除了幾種特殊場景外,其它都不能精確求解。即使其中一個極小,無法對其它兩個天體造成可見的干擾,但長期下來,也會影響整個系統,使之變得無比混亂,大數學家龐加萊因之而發現了混沌理論,也就是現在所說的蝴蝶效應——你在沙發上打個呵欠,空氣振動的效應不斷傳開,三個月後就可能在紐約引發一場暴風雨。

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此前在2015年,科學家們提出了一種名叫Brutus的先進算法,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,計算機模擬計算的時間也會呈指數級增長,導致系統不堪負擔,數週甚至數月才能完成計算。這次研究人員花了10天時間,利用傳統方法生成了9900個簡化的三體方案訓練數據集,以及100個驗證數據集,然後讓深度人工神經網絡(ANN)進行學習,之後用神經網絡對5000種三體演化模式進行了測試。結果表明,神經網絡計算的結果與Brutus的結果非常接近,而且以固定的時間0.001秒鐘就完成了,這比Brutus算法整整快了10萬倍到1億倍!

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​根據劍橋大學生物統計學家克里斯·弗利的說法,Brutus解決問題靠的是“蠻力”,對天體軌跡的每一小步都要進行計算;而AI神經網絡靠的是“巧勁”,它只查看這些計算產生的運動,推斷它們的運動模式,藉此預測未來的發展。研究人員認為,這個神經網絡可以用更復雜的場景進行訓練,包括解決五體問題,對了解恆星團的運動和更廣泛的宇宙演化具有非常大的作用,科學家們甚至可以藉此研究引力波的形成。

論文:https://arxiv.org/pdf/1910.07291.pdf


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