你可能也好奇過，為什么我們能把探測器送上火星，卻還是很難精確預(yù)報(bào)一場來自太陽的“風(fēng)暴”，會何時(shí)抵達(dá)地球？最近，一群科學(xué)家在探討這個(gè)問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)挺有意思的解決思路。答案或許就藏在人工智能里。

要理解這件事，我們得先從太陽說起。太陽的活動影響著地球乃至整個(gè)太陽系的“天氣”，這種現(xiàn)象被統(tǒng)稱為太空天氣。它的范圍很廣，從持續(xù)不斷的太陽風(fēng)和行星際磁場，到一些更極端的爆發(fā)事件，比如太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射，以及太陽高能粒子事件。這些現(xiàn)象會以非常復(fù)雜的方式，跟行星的磁層和大氣層產(chǎn)生相互作用。

在地球上，我們能看到的直接結(jié)果之一，就是極地上空舞動的絢爛極光。但并非所有的結(jié)果都如此浪漫，它們有時(shí)也會給我們的通訊、導(dǎo)航甚至能源基礎(chǔ)設(shè)施帶來嚴(yán)重干擾，雖然這種嚴(yán)重干擾發(fā)生的頻率要低得多。

所以，預(yù)報(bào)整個(gè)太陽圈內(nèi)的狀況，理解太陽與地球之間千變?nèi)f化的互動，并預(yù)測每一次太空天氣事件的抵達(dá)——無論溫和的還是危險(xiǎn)的——就成了一項(xiàng)大挑戰(zhàn)。尤其是對日冕物質(zhì)拋射和太陽高能粒子事件來說，它們的傳播路徑完全取決于在太陽上的源頭位置，以及被太陽風(fēng)裹挾著向外擴(kuò)散的行星際磁場。當(dāng)它們撞擊地球的磁層系統(tǒng)時(shí)，影響的大小還要看粒子能量、速度以及磁場方向等多種因素。這意味著，我們需要追蹤和預(yù)測的條件，跨越了從太陽到地球的數(shù)千萬公里星際空間，時(shí)而平靜，時(shí)而狂暴。

這件事說起來容易做起來難。我們之所以能進(jìn)行追蹤和預(yù)測，全靠太陽觀測站和航天器測量所積累的海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)規(guī)模達(dá)到了拍字節(jié)級別，構(gòu)成了一個(gè)豐富的觀測檔案。研究人員會利用這些數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出描述太陽圈內(nèi)有物理意義的量，并找出模式來區(qū)分太陽的寧靜期和活躍期。這些洞察不僅能回答基礎(chǔ)的科學(xué)問題，還能為太空天氣預(yù)報(bào)員提供至關(guān)重要的預(yù)測時(shí)間窗口。

但問題也出在這里。即便擁有這么多數(shù)據(jù)，太陽和地球之間的空間也實(shí)在太空曠、太巨大了，這給我們的預(yù)測能力設(shè)下了首要障礙。另一個(gè)障礙是，這些數(shù)據(jù)是由不同位置的儀器、在不同時(shí)間點(diǎn)獲取的。把幾個(gè)因素綜合在一起，就造成了一個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)稀疏挑戰(zhàn)，讓大規(guī)模分析變得非常復(fù)雜。

這就好比你要拼出一幅巨大的拼圖，但手里只有散落在不同房間、不同時(shí)間點(diǎn)找到的幾塊碎片。你大概能猜出整幅畫的樣子，卻很難精確還原每一個(gè)細(xì)節(jié)，更別說預(yù)測下一塊碎片該出現(xiàn)在哪里了。

這些根本性的難題——數(shù)據(jù)量看似巨大卻仍顯不足、我們想要闡明的物理過程的尺度差異極端懸殊，以及人們對可行動的預(yù)測結(jié)果有著硬性需求——恰好給人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)提供了用武之地，讓它們能夠補(bǔ)充傳統(tǒng)的、基于物理的分析方法。正如研究人員坎波雷亞爾在2019年指出的那樣，這是一個(gè)充滿機(jī)會的領(lǐng)域。在一系列工作坊中，科學(xué)家們深入探討了這類機(jī)會，以及它們?nèi)绾文軌蛲七M(jìn)太陽物理學(xué)研究和業(yè)務(wù)化的太空天氣預(yù)報(bào)。他們的討論，也構(gòu)成了我們這次思考的基礎(chǔ)。

可以說，對太空天氣的預(yù)測，本質(zhì)上是一場與不確定性賽跑的游戲。太空天氣事件能對人造衛(wèi)星的運(yùn)行造成顯著影響，甚至威脅到人類自身。而我們正在嘗試用AI這個(gè)新工具，在稀疏的數(shù)據(jù)和廣闊的空間中，找到那些過去難以捕捉的規(guī)律。