科学家们利用机器学习揭示了从中心射出的量子粒子形成了一种类似乌龟的图案。温暖的颜色表示更多的活动。

 

用磁场轰击大量的过冷原子，你会看到“量子烟火”——原子喷流向明显随机的方向发射。

 

早在2017年，研究人员就发现了这一点，杏耀招商他们怀疑这些烟花中可能存在某种模式。但是他们不能自己发现它。因此，他们把这个问题交给一台经过模式匹配训练的电脑，这台电脑能够识别出他们无法识别的东西:一个形状，随着时间的推移由烟花绘制，在一次又一次的原子喷射爆炸中形成。这个形状吗?一只时髦的小乌龟。

 

这一结果发表在2月1日的《科学》杂志上，是科学家利用机器学习来解决量子物理问题的首批主要例子之一。研究人员写道，人们应该期待看到更多这样的数字辅助，因为量子物理实验越来越多地涉及到太大、太复杂的系统， 杏耀平台总代结缘，无法单独使用脑力进行分析。[物理学中18个最大的未解之谜]

 

这就是为什么电脑帮助是必要的:

 

为了制造烟花，研究人员从一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚态的物质开始。这是一组温度接近绝对零度的原子，它们聚集在一起，开始表现得像一个超级原子，在相对较大的尺度上表现出量子效应。

 

每次磁场击中凝析油，就会有几束原子喷流从凝析油中喷射出来，方向显然是随机的。研究人员拍摄了喷射流的图像，精确地指出了原子在空间中的位置。但是，即使是许多重叠的图像也没有揭示出原子行为的任何明显的规律或原因。

 

电脑看到的人类看不到的是，如果把这些图像旋转到一个一个的上面，就会出现清晰的图像。在每次爆炸中，这些原子平均会朝着六个相对方向中的一个方向远离烟花。结果是，足够多的图像，以正确的方式旋转和分层，显示出四个“腿”以直角彼此，以及一个较长的“头”之间的两条腿和一个“尾巴”之间的匹配。其余的原子相当均匀地分布在构成龟壳的三个环上。

 

这对人类观察者来说并不明显，因为“海龟”在每次爆炸中所指向的方向是随机的。每一次爆炸都只是整个海龟形状拼图的一小部分。电脑需要无限的耐心来筛选杂乱的数据，找出如何排列乌龟出现的所有图像。

 

这种方法——将计算机的模式识别能力分散在一个庞大而杂乱的数据集上——已经在从解释人类大脑中传递的思想到发现绕着遥远恒星运行的系外行星等诸多领域取得了成效。这并不意味着计算机正在超越人类;人们仍然需要训练机器去注意这些模式，而电脑却无法以任何有意义的方式理解他们所看到的。但是这种方法在科学工具包中越来越普遍，现在已经被应用到量子物理学中。

 

当然，一旦计算机显示出这个结果，研究人员就会使用一些量子物理学中已经很常见的老式模式搜索技术来检查它的工作。一旦他们知道要寻找什么，即使没有电脑的帮助，研究人员也再次找到了海龟。

 

研究人员指出，这些研究都没有解释为什么烟花会随着时间的推移呈现出海龟的形状。机器学习并不适合回答这样的问题。

 

“识别模式始终是科学的第一步,所以这类型的机器学习可以识别隐藏的关系和特征,特别是当我们转向试图理解系统与大量的粒子,”主要作者程下巴,芝加哥大学的物理学家在一份声明中说。

 

要弄清楚为什么这些烟花会形成海龟图案，杏耀招代理下一步可能需要更少的机器学习和更多的人类直觉。