诺德：如果让天体物理学探索的整个过程实现自动化，是否可行呢？

 

自主运行的望远镜如何改变天文学

VISTA（用于天文学的可见光和红外光探测望远镜），位于智利的塞罗帕拉纳尔。

照片来源: Y.贝莱茨基（智利拉斯坎帕纳斯天文台） / 欧洲南方天文台

天文学家和物理学家，持续寻求宇宙最深层次问题的答案，但在许多问题上，包括暗物质和暗能量，他们都遇到了阻碍。如果有一架自主运行的望远镜，摒弃人类的偏见和复杂性，它能够解决我们一直找不到答案的难题吗？

今天，人类操控天文台观测天空，使观测设备对准某个目标物；或者，更常见的是，考虑到地球运转、天气及其他因素的影响，在一系列希望收集到观测数据的目标物之间移动。科学家们现在正在思考如何使望远镜自主计算运行，扫描其列表清单里的一系列目标，以优化对宇宙重大事件的搜索。

布赖恩·诺德（费米实验室的助理科学家）告诉美国科技博客网站Gizmodo说：“正像我们决定将驶向哪条路，或接下来读哪本书一样，我们关心：哪些模拟程序和观测过程可以被参数化设置，以便自动探索我们未知的宇宙空间最深处。”

今天，目标列表清单，被发送到望远镜系统里，这样，计算机脚本在人类的辅助下，选择有价值的目标、控制观测指向。诺德认为，这是让望远镜做出更好决定的机会，甚至它可以在给定的特定坐标之外进行探测。一架“智能”的望远镜，甚至可以实时应对任何意外状况，例如：自动旋转方向，花更多的时间去观测，突然发生的黑洞爆发现象。诺德已经熟悉了，利用“机器学习”技术，让其对宇宙空间目标进行分类。通过与其他专家的交流，他意识到，“机器学习”技术，可以成为优化科学实验（包括优化望远镜性能）的一种方法。

“这是一个具有挑战性的难题。”奥尔丽.艾德伦解释说。她现在是美国国家加速器实验室研究助理，她将“机器学习”技术应用于控制粒子加速器，这在一定程度上给了诺德灵感。“地球持续旋转，夜空在一年里不断的变换，同时，云层可能在某个特定夜晚，阻碍观测列表清单上的目标物。”

“如果我只看普通天气预报，然后试图规划一条路径，使之最适合在环境状况改变后，观测一组新目标，那就很难做到。但如果让人工智能机器，来做这种路径规划，则是非常适合的。”艾德伦告诉我们。

而这，并不会让望远镜操作员失去工作，——他们要维护保养、抽样检查望远镜，并确保自动程序正确运作，不会使望远镜失控到在其限制范围之外运行，比如：试图让固定安装的望远镜，观测根本无法指向的目标源。

但诺德不仅仅只是想自动规划观测天空的最有效路径，而是考虑：如果让天体物理学探索的整个过程实现自动化，是否可行呢？

早在2016年，诺德主持了一个合作项目，引入一种概念验证，叫做SPOKES，即“光谱视野仿真工作流程”的缩写。该项目模拟预估的宇宙学参数，例如一个被称为暗能量状态方程的参数，它决定着宇宙的最终命运。这包含了我们已经观测过的关于宇宙的物理常数，以及观测星系的仪器信息，以便推测计算参数。从本质上说，这是一种程序机制，不仅可以模拟宇宙，还可以模拟望远镜和宇宙之间的相互影响。

诺德思考添加了“机器学习”技术后，这个系统会是什么样子。“机器学习”算法能够用于生成观察宇宙的最佳实验配备——例如如何分配光纤以观察不同波长的光——从而计算暗能量状态方程。然后，可以根据这些参数将模拟望远镜替换为实际望远镜，而这又为模拟提供新数据。模拟将根据新收到的数据进行更新，并自动指向。从理论上讲，一旦模拟宇宙和真实宇宙？？？？，天文学家就可以看看模拟给出的暗能量状态方程的结果。

诺德提议了这样一个实验，叫做“自动宇宙学实验”，英文简称：ACE，用于2019年由美国阿贡国家实验室组建的科学市政厅人工智能。这样一个系统，自主产生关于宇宙在模拟中的状态的假设，然后通过实时选择观测目标，来测试这些假设，他为此潜力感到兴奋。把人类的影响抛开，这样一个系统可能会发现的新天体或关于宇宙的真相，而这些真相，也许曾因为人类的偏见或错误干预，导致错过它们。例如，有一种众所周知的人类固有通病，被称为“Malmquist”偏见，它主要是说：人类更倾向于观测某些更明亮的物体（比如星系），这导致了观测范围不全面。也许自动化系统可以避免这种情况。

尽管这样一个完全自动化的实验，是算法生成的虚拟领域，但它建立在人工智能和天文学之间越来越多的协同增效的基础上。人工智能可以对天空中的物体（如遥远的星系和超新星）的图像进行整理，对观测结果预先进行分类，以便天文学家能够很容易挑选出，仅与其工作相关的部分图像。科研人员已经使用“机器学习”技术，来预测一些宇宙的物理参数，并降低天空图像中的干扰。普林斯顿大学的Elahesadat.纳吉布领导的一个科学家团队，设计了一种方法，即:使用“机器学习”技术，来安排即将到来的大口径全景巡天望远镜的观测，类似于诺德的自主运行望远镜的构想。

“机器学习”技术的大比重参与，带来了一些独特的挑战。“算法”被认为是“黑匣子”；很难准确了解它们在做什么、以及为什么这样做。约书亚·皮克是美国空间望远镜研究所的副天文学家，他对美国科技博客网站Gizmodo解释说：“仅仅是选择要观察的物体时，就会产生偏向，人工智能非常善于利用这一点，甚至会犯下潜在的有害错误。人们对这些系统，抱持有很多可以理解的怀疑。”也许最大的挑战，只是找出如何在算法上最好地表达宇宙——这需要找到有专业知识的人。

人类永远不会停止仰望星空，因为，完全了解我们的宇宙，是深刻在人类本性里的一个最终目标。但随着望远镜获取庞大的数据量，随着科学家们继续为宇宙最深的问题而困扰，我们显然需要一些帮助，需要一些来自思考方式与人类稍有不同的东西的帮助。

 

观乎天文：世界上最早的“天文钟”——水运仪象台

 

大家可能最先想到的是日晷、圭表

最早也是来源于我国

世界上最早的天文钟

 

 

  水运仪象台      

北宋元祐年间，天文学家、机械学家苏颂领导了水运仪象台的研制，团队成员包括精通《九章算术》及天文学的韩公廉等太史局技术官员，是团队共同完成的。研制的水运仪象台是以漏刻水力驱动的，集天文观测、天文演示和报时系统为一体的大型自动化天文仪器。

 

根据《新仪象法要》的记载，水运仪象台（以宋代水矩尺计算）高是三丈五尺六寸五分（约12米），宽度是二丈一尺（约7米），水运仪象台其内部是以水为动力，集浑仪、浑象、报时为一体的，上窄下宽呈长方形的木结构建筑。

 

      上层——浑仪

水运仪象台的结构大致可以分为三层：上层是一个露天的平台，设有浑仪一座，用龙柱支持，下面有水槽以定水平。浑仪上面覆盖有遮蔽日晒雨淋的木板屋顶，为了便于观测，屋顶可以随意开闭，构思比较巧妙。露台到仪象台的台基有七米多高。

    中层——浑象

中层是一间没有窗户的“密室”，里面放置浑象。天球的一半隐没在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠机轮带动旋转，一昼夜转动一圈，真实地再现了星辰的起落等天象的变化。

    下层——动力装置及报时、计时机构

下层包括报时装置和全台的动力机构等。设有向南打开的大门，门里装置有五层木阁，木阁后面是机械传动系统。通过齿轮传动系统与浑仪、浑象相联，使这座两层结构的天文装置环环相扣，达到与天体同步运行。

 

   水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，运用了水车、筒车、桔槔、凸轮、天平杆等一系列设备的机械原理，把观测、演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。

英国科技史家李约瑟曾说：“苏颂把钟表机械和天文观察仪器结合以来，在原理上已经完全成功”，因此，水运仪象台也被誉称为“世界时钟鼻祖”，标志着11世纪世界科技史上的最高成就。