諾德：如果讓天體物理學探索的整個過程實現(xiàn)自動化，是否可行呢？

自主運行的望遠鏡如何改變天文學

VISTA（用于天文學的可見光和紅外光探測望遠鏡），位于智利的塞羅帕拉納爾。

照片來源: Y.貝萊茨基（智利拉斯坎帕納斯天文臺） / 歐洲南方天文臺

天文學家和物理學家，持續(xù)尋求宇宙最深層次問題的答案，但在許多問題上，包括暗物質(zhì)和暗能量，他們都遇到了阻礙。如果有一架自主運行的望遠鏡，摒棄人類的偏見和復雜性，它能夠解決我們一直找不到答案的難題嗎？

今天，人類操控天文臺觀測天空，使觀測設(shè)備對準某個目標物；或者，更常見的是，考慮到地球運轉(zhuǎn)、天氣及其他因素的影響，在一系列希望收集到觀測數(shù)據(jù)的目標物之間移動。科學家們現(xiàn)在正在思考如何使望遠鏡自主計算運行，掃描其列表清單里的一系列目標，以優(yōu)化對宇宙重大事件的搜索。

布賴恩·諾德（費米實驗室的助理科學家）告訴美國科技博客網(wǎng)站Gizmodo說：“正像我們決定將駛向哪條路，或接下來讀哪本書一樣，我們關(guān)心：哪些模擬程序和觀測過程可以被參數(shù)化設(shè)置，以便自動探索我們未知的宇宙空間最深處。”

今天，目標列表清單，被發(fā)送到望遠鏡系統(tǒng)里，這樣，計算機腳本在人類的輔助下，選擇有價值的目標、控制觀測指向。諾德認為，這是讓望遠鏡做出更好決定的機會，甚至它可以在給定的特定坐標之外進行探測。一架“智能”的望遠鏡，甚至可以實時應(yīng)對任何意外狀況，例如：自動旋轉(zhuǎn)方向，花更多的時間去觀測，突然發(fā)生的黑洞爆發(fā)現(xiàn)象。諾德已經(jīng)熟悉了，利用“機器學習”技術(shù)，讓其對宇宙空間目標進行分類。通過與其他專家的交流，他意識到，“機器學習”技術(shù)，可以成為優(yōu)化科學實驗（包括優(yōu)化望遠鏡性能）的一種方法。

“這是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。”奧爾麗.艾德倫解釋說。她現(xiàn)在是美國國家加速器實驗室研究助理，她將“機器學習”技術(shù)應(yīng)用于控制粒子加速器，這在一定程度上給了諾德靈感。“地球持續(xù)旋轉(zhuǎn)，夜空在一年里不斷的變換，同時，云層可能在某個特定夜晚，阻礙觀測列表清單上的目標物。”

“如果我只看普通天氣預報，然后試圖規(guī)劃一條路徑，使之最適合在環(huán)境狀況改變后，觀測一組新目標，那就很難做到。但如果讓人工智能機器，來做這種路徑規(guī)劃，則是非常適合的。”艾德倫告訴我們。

而這，并不會讓望遠鏡操作員失去工作，——他們要維護保養(yǎng)、抽樣檢查望遠鏡，并確保自動程序正確運作，不會使望遠鏡失控到在其限制范圍之外運行，比如：試圖讓固定安裝的望遠鏡，觀測根本無法指向的目標源。

但諾德不僅僅只是想自動規(guī)劃觀測天空的最有效路徑，而是考慮：如果讓天體物理學探索的整個過程實現(xiàn)自動化，是否可行呢？

早在2016年，諾德主持了一個合作項目，引入一種概念驗證，叫做SPOKES，即“光譜視野仿真工作流程”的縮寫。該項目模擬預估的宇宙學參數(shù)，例如一個被稱為暗能量狀態(tài)方程的參數(shù)，它決定著宇宙的最終命運。這包含了我們已經(jīng)觀測過的關(guān)于宇宙的物理常數(shù)，以及觀測星系的儀器信息，以便推測計算參數(shù)。從本質(zhì)上說，這是一種程序機制，不僅可以模擬宇宙，還可以模擬望遠鏡和宇宙之間的相互影響。

諾德思考添加了“機器學習”技術(shù)后，這個系統(tǒng)會是什么樣子。“機器學習”算法能夠用于生成觀察宇宙的最佳實驗配備——例如如何分配光纖以觀察不同波長的光——從而計算暗能量狀態(tài)方程。然后，可以根據(jù)這些參數(shù)將模擬望遠鏡替換為實際望遠鏡，而這又為模擬提供新數(shù)據(jù)。模擬將根據(jù)新收到的數(shù)據(jù)進行更新，并自動指向。從理論上講，一旦模擬宇宙和真實宇宙？？？？，天文學家就可以看看模擬給出的暗能量狀態(tài)方程的結(jié)果。

諾德提議了這樣一個實驗，叫做“自動宇宙學實驗”，英文簡稱：ACE，用于2019年由美國阿貢國家實驗室組建的科學市政廳人工智能。這樣一個系統(tǒng)，自主產(chǎn)生關(guān)于宇宙在模擬中的狀態(tài)的假設(shè)，然后通過實時選擇觀測目標，來測試這些假設(shè)，他為此潛力感到興奮。把人類的影響拋開，這樣一個系統(tǒng)可能會發(fā)現(xiàn)的新天體或關(guān)于宇宙的真相，而這些真相，也許曾因為人類的偏見或錯誤干預，導致錯過它們。例如，有一種眾所周知的人類固有通病，被稱為“Malmquist”偏見，它主要是說：人類更傾向于觀測某些更明亮的物體（比如星系），這導致了觀測范圍不全面。也許自動化系統(tǒng)可以避免這種情況。

盡管這樣一個完全自動化的實驗，是算法生成的虛擬領(lǐng)域，但它建立在人工智能和天文學之間越來越多的協(xié)同增效的基礎(chǔ)上。人工智能可以對天空中的物體（如遙遠的星系和超新星）的圖像進行整理，對觀測結(jié)果預先進行分類，以便天文學家能夠很容易挑選出，僅與其工作相關(guān)的部分圖像?？蒲腥藛T已經(jīng)使用“機器學習”技術(shù)，來預測一些宇宙的物理參數(shù)，并降低天空圖像中的干擾。普林斯頓大學的Elahesadat.納吉布領(lǐng)導的一個科學家團隊，設(shè)計了一種方法，即:使用“機器學習”技術(shù)，來安排即將到來的大口徑全景巡天望遠鏡的觀測，類似于諾德的自主運行望遠鏡的構(gòu)想。

“機器學習”技術(shù)的大比重參與，帶來了一些獨特的挑戰(zhàn)。“算法”被認為是“黑匣子”；很難準確了解它們在做什么、以及為什么這樣做。約書亞·皮克是美國空間望遠鏡研究所的副天文學家，他對美國科技博客網(wǎng)站Gizmodo解釋說：“僅僅是選擇要觀察的物體時，就會產(chǎn)生偏向，人工智能非常善于利用這一點，甚至會犯下潛在的有害錯誤。人們對這些系統(tǒng)，抱持有很多可以理解的懷疑。”也許最大的挑戰(zhàn)，只是找出如何在算法上最好地表達宇宙——這需要找到有專業(yè)知識的人。

人類永遠不會停止仰望星空，因為，完全了解我們的宇宙，是深刻在人類本性里的一個最終目標。但隨著望遠鏡獲取龐大的數(shù)據(jù)量，隨著科學家們繼續(xù)為宇宙最深的問題而困擾，我們顯然需要一些幫助，需要一些來自思考方式與人類稍有不同的東西的幫助。

觀乎天文：世界上最早的“天文鐘”——水運儀象臺

大家可能最先想到的是日晷、圭表

最早也是來源于我國

世界上最早的天文鐘

  水運儀象臺      

北宋元祐年間，天文學家、機械學家蘇頌領(lǐng)導了水運儀象臺的研制，團隊成員包括精通《九章算術(shù)》及天文學的韓公廉等太史局技術(shù)官員，是團隊共同完成的。研制的水運儀象臺是以漏刻水力驅(qū)動的，集天文觀測、天文演示和報時系統(tǒng)為一體的大型自動化天文儀器。

根據(jù)《新儀象法要》的記載，水運儀象臺（以宋代水矩尺計算）高是三丈五尺六寸五分（約12米），寬度是二丈一尺（約7米），水運儀象臺其內(nèi)部是以水為動力，集渾儀、渾象、報時為一體的，上窄下寬呈長方形的木結(jié)構(gòu)建筑。

      上層——渾儀

水運儀象臺的結(jié)構(gòu)大致可以分為三層：上層是一個露天的平臺，設(shè)有渾儀一座，用龍柱支持，下面有水槽以定水平。渾儀上面覆蓋有遮蔽日曬雨淋的木板屋頂，為了便于觀測，屋頂可以隨意開閉，構(gòu)思比較巧妙。露臺到儀象臺的臺基有七米多高。

    中層——渾象

中層是一間沒有窗戶的“密室”，里面放置渾象。天球的一半隱沒在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠機輪帶動旋轉(zhuǎn)，一晝夜轉(zhuǎn)動一圈，真實地再現(xiàn)了星辰的起落等天象的變化。

    下層——動力裝置及報時、計時機構(gòu)

下層包括報時裝置和全臺的動力機構(gòu)等。設(shè)有向南打開的大門，門里裝置有五層木閣，木閣后面是機械傳動系統(tǒng)。通過齒輪傳動系統(tǒng)與渾儀、渾象相聯(lián)，使這座兩層結(jié)構(gòu)的天文裝置環(huán)環(huán)相扣，達到與天體同步運行。

   水運儀象臺的構(gòu)思廣泛吸收了以前各家儀器的優(yōu)點，尤其是吸取了北宋初年天文學家張思訓所改進的自動報時裝置的長處；在機械結(jié)構(gòu)方面，運用了水車、筒車、桔槔、凸輪、天平桿等一系列設(shè)備的機械原理，把觀測、演示和報時設(shè)備集中起來，組成了一個整體，成為一部自動化的天文臺。

英國科技史家李約瑟曾說：“蘇頌把鐘表機械和天文觀察儀器結(jié)合以來，在原理上已經(jīng)完全成功”，因此，水運儀象臺也被譽稱為“世界時鐘鼻祖”，標志著11世紀世界科技史上的最高成就。