只差一分！DeepMind最新数学AI在奥数竞赛中勇夺银牌；黑猩猩聊天时会像人类一样轮流发表意见 国际科研周报

发布日期：2024-09-19 17:14

来源类型：学霸说财 | 作者：Anderton

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来源：环球科学、科技日报、中国科学报、新华社等

只差一分！DeepMind最新数学AI在奥数竞赛与金牌失之交臂

一年一度的国际奥林匹克数学竞赛（IMO）是最负盛名的高中数学竞赛，每年的IMO会设有6道代数、几何、数论以及组合学方面的题目。近来，IMO被认为是机器学习领域的一项重要挑战，可用于衡量人工智能（AI）系统的高级数学推理能力，这种能力对实现通用人工智能（AGI）很重要。Google的DeepMind公司在今年年初推出了AlphaGeometry，该模型擅长解决几何证明题，已逼近人类金牌选手的水平，但无法应对几何之外的代数、数论等问题。7月25日，DeepMind宣布推出基于强化学习、可用于形式数学推理的AlphaProof，以及改进后的几何证明模型AlphaGeometry 2。这两个系统共同解决了今年IMO6道题目中的4道，首次达到了人类银牌选手的水平。

相比于上一代AlphaGeometry，DeepMind基于Gemini重新训练了AlphaGeometry 2用到的语言模型，并优化了符号引擎，提升了它解决复杂几何问题的能力和效率。对于IMO 2024的问题4，AlphaGeometry 2仅用19秒便给出了答案。AlphaProof则结合了预先训练的语言模型与强化学习算法AlphaZero（通用棋类AI），并接受了一种名为Lean的形式化语言的训练。其中，Lean是一种交互式定理证明语言，可用于检验数学证明的可靠性。因此用它训练的模型可以避免自然语言训练常出现的看似合理但不正确的答案。对于IMO 2024的题目，AlphaProof花了三天时间解决了两道代数问题，和一道数论问题，包括比赛中最难的、仅有5位参赛选手解决的问题，但无法解决其余两道组合问题。最终，经过数学家评分，AlphaProof和AlphaGeometry 2共获得了28分（满分42），与金牌线29分相差仅有1分，首次达到了银牌选手的水平。

https://deepmind.google/discover/blog/ai-solves-imo-problems-at-silver-medal-level/

新AI可准确预测天气和长期气候趋势

目前的预报系统通常依赖于大气环流模式（general circulation models，GCM），该模式通过描述地球陆地、海洋和大气间的一系列物理过程，预测它们如何影响天气和气候。但GCM需要大量的算力支持，往往需要在超级计算机上才能运行。机器学习预测模型一直被认为是一种替代手段，且具有节省算力成本的优势，但它们很难给出准确的集合预报（一组不同的预报结果，可提供结果的概率分布信息）或长期气候预测。据《自然》新闻（Nature news）报道，近日一项发表于《自然》（Nature）的研究发布了首个能够生成准确集合预报的机器学习模式。

研究团队将该模式命名为NeuralGCM，该模式将传统基于物理规律的模式与机器学习相结合，可以生成中期和短期的天气预报，以及更长期的气候模拟。研究团队将NeuralGCM的预测结果与真实世界数据及其他预报结果进行了对比，结果显示，NeuralGCM对1~15天预报的准确率能够与欧洲中期天气预报中心（ECMWF，最好的传统物理天气模式之一）的结果相媲美。当作者在NeuralGCM的40年气候预测中加入海平面温度后，他们发现NeuralGCM给出的结果与ECMWF数据中发现的全球变暖趋势一致。NeuralGCM 在预测龙卷风及其轨迹方面也超过了已有的气候模式。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07744-y

树皮一直在兢兢业业地吸收甲烷

自前工业化时代以来，甲烷作为一种重要的温室气体，对全球变暖的贡献量为30%左右，而目前其排放增长速度比20世纪80年代有记录以来的任何时候都要快。已有研究表明，湿地和一些高地树木可以在茎基部排放来自土壤的甲烷，但也有研究表明，高地树木可以吸收大气中的甲烷。7月24日，在一篇发表于《自然》（Nature）的论文中，英国伯明翰大学等机构的科学家发现树木表面利用甲烷的细菌能吸收空气中的甲烷，特别是在森林地面以上约2米的地方，这也使得树木可以作为净甲烷汇。

研究人员调查了高地热带、温带和北方森林树木，包括亚马逊和巴拿马的热带森林，英国牛津郡的温带阔叶树以及瑞典的北方针叶林。他们发现，热带森林对甲烷的吸收最强，可能是温暖潮湿的条件更适合利用甲烷的微生物生长。此外，他们还使用激光扫描方法量化了全球森林树皮的表面积，初步计算表明，全球树木吸收甲烷的总量在24.6至49.9百万吨（Tg）之间。平均而言，这种新发现的甲烷吸收方式，使得温带和热带树木在气候上的效益增加了约10%。研究人员正在设计一项新的研究，以了解森林砍伐是否导致大气甲烷浓度增加。他们希望更多地了解微生物本身吸收甲烷的机制，并将研究是否可以增强树木对大气甲烷的去除。

https://www.eurekalert.org/news-releases/1052108

安慰剂也能镇痛的机制

安慰剂效应有镇痛的功效。当一个人认为自己的疼痛将得到缓解时，即使没有服用镇痛药物，他们对疼痛的感知也会降低，这个过程被称作安慰剂镇痛效应。此前研究显示，安慰剂镇痛效应与前扣带回皮质内的活动有关，这个脑区也与疼痛感受有关。不过，这种现象背后的生物学机制一直不明。最近一项发表于《自然》（Nature）的研究在小鼠模型中，发现了安慰剂效应缓解疼痛的一个可能神经环路。

研究人员设计了一个安慰剂镇痛效应的小鼠模型，来研究疼痛缓解是如何介导的。他们让小鼠与地面温度不同的两个房间条件性相关，一个热度舒适，另一个非常热。这些条件性小鼠暴露在更热的地面后，会在更凉的地面上停留更长时间，说明它们预期这能缓解疼痛，而且它们的疼痛缓解行为也会减少，如舔脚。通过对小鼠大脑的基因分析，他们发现了一个与疼痛缓解行为相关的通路，该通路位于前扣带回皮质喙部与脑桥核之间，而此前脑桥核脑区未被发现在疼痛中有作用。研究发现的这一脑通路，或能通过药物、电极或认知行为疗法刺激，来诱导个体的疼痛缓解。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07816-z%20

基于转基因黑水虻，建造基于有机废物的生物制造平台

据卫报（The Guardian）消息，近期在一篇发表于《通讯生物学》（Communications Biology）的观点性论文中，澳大利亚麦考瑞大学（Macquarie University）的研究人员发现可以基于黑水虻（Hermetia illucens）发展一个新型的可持续生物制造平台，将广泛的有机废料原料转化成动物饲料、高价值的生物分子以及改良肥料等。

黑水虻在全球范围内（南极洲除外）都有分布，不携带人类病原体，且不会叮咬人类。黑水虻幼虫每天可消耗多达500毫克的有机废物，包括厨房垃圾、牲畜粪便甚至人类排泄物等。它们也很容易与这些有机废物分离，而它们的蛹含有40%至44%的蛋白质和15%-50%的脂质，也可以作为宠物食品和牲畜饲料，也可以用于制造其他产品，例如生物染料、生物塑料等。相比于标准的堆肥处理方法，这种方法减少有机废物的效率在65.5%至78.9%之间。研究人员提出可以制造转基因黑水虻，使其表达多种酶来更好地代谢有机废物，以及生产口服兽药和动物疫苗等等。研究显示，从遗传学上建立基于黑水虻的合成生物学平台，将有助于在更广泛的有机废物上获得高价值生物分子。

https://www.theguardian.com/australia-news/article/2024/jul/24/australian-scientists-genetically-engineer-common-fly-species-to-eat-more-of-humanitys-waste

发现第26太阳周期的前期迹象

太阳的活跃程度可以由太阳表面的黑子数量反映，而太阳表面黑子的数量以11年的周期变化。人类详细记录太阳表面黑子数量变化的历史始于1755年，并将当时的太阳周期定为第1个太阳周期。当前我们正处在第25个太阳周期，这个周期开始于2019年，目前正处在峰值，此时太阳南北磁极正在互换，直到2025年年中可能完成这个过程。第25太阳周期将在2030年左右结束。

自1995年以来，通过全球日震观测网（GONG）等多方数据，天文学家一直在检测太阳的震动，通过太阳内部的声波来测量太阳旋转的方式。在第24周期的早期，研究人员发现快速移动的物质裹挟着太阳黑子向赤道移动，这种现象后来演化成了太阳的第25个周期。而今天，天文学家发现了一个微弱的迹象，表明太阳正在重复上述的活动模式。研究人员在皇家天文学会天文学会议上介绍了相关内容。

https://www.eurekalert.org/news-releases/1051858

深海采矿目标能产“暗氧”

在全世界海洋中，被沉积物覆盖的深海平原上常见多金属结核。它们主要由铁和锰的氧化物组成，但也含有对许多先进低碳能源技术至关重要的钴和稀土元素这类金属，因此是深海采矿的一个目标，不过，这种采矿对环境的潜在影响一直不明确。《自然·地球科学》（Nature Geoscience）发表的一篇论文显示，漆黑深邃海底的含稀土金属结核能产氧，这种氧被称为“暗氧”（dark oxygen）。这一发现表明，这些结核或能影响深海海底的生态。

研究者在发现了多金属结核的中太平洋克拉里昂-克里帕顿断裂带（Clarion–Clipperton Zone）开展了实验，他们利用放置于4200米深海底的空箱测量了相距4000千米的多个位点的氧气浓度。这些实验几乎都显示氧气浓度在两天时间里逐渐升高。研究团队后续开展了实验室分析，并提出多金属结核是检测到的氧气释放的来源。基于数值模拟，研究者提出假说，认为这些结核的电性质是产氧原因。虽然作者指出很难估算多金属结核在更大规模下的产氧量，但他们认为这个氧来源或支持了深海海底生态系统，如果这些结核被开采可能会影响这个生态系统。

https://www.nature.com/articles/s41561-024-01480-8

改良高压超导的测量方法

硫在超过90GPa的压力下，会从非金属态转变成了金属态，高压金属硫在降低温度后还能出现超导现象。但包括上述体系在内，很多高压超导体系都需要金刚石对顶砧实现吉帕级别及以上的压力，但这种设备让科学家无法详细测量物质向超导态的转变，也无法深入了解超导体的性质。而德国马克思·普朗克化学研究所的研究人员近日对测量方法进行了改进，可以测量高压物体的超导性质，相关论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

在超导体中，电子相互配对形成库珀对，需要一定能量才能激发出单个粒子，这被称为超导能隙。研究人员在金刚石对顶砧的内表面，用硫（超导体）、钽（金属）和五氧化二钽（绝缘体）构建了隧道结，利用隧道光谱来测量超导体中的电子态密度。通过这种方式，他们成功测量了160GPa、17K的高压金属硫的超导能隙，并发现高压金属硫的超导能隙值与理论预测相符。研究人员期待将隧道结设计用于测量更奇特、我们了解更少的材料，如氢化物和镍酸盐。

https://physics.aps.org/articles/v17/s84

用天文学方法检测深度伪造面孔

人工智能的进步可以让人们制造以假乱真的图像、视频和音频。深度伪造（Deepfake）可以用他人的特征替换原有图片、视频或音频中原本属于另一个人的特征，AI换脸就是最常见的场景之一。这种技术可以被武器化，传播虚假信息。英伟达科学家提出，可以用天文学方法来检测深度伪造的虚假图像。

真实的照片中的物理现象应该自洽，人物照片中，左眼的反光模式应该和右眼相似。而天文学技术手段可以量化物体光分布的浓度、不对称和平滑度，科学家就用这些技术制造了识别虚假图像的程序。科学家制造了一批深度伪造图像，并和真实的图像混在一起，发现该程序预测虚假图像的成功率大约在70%左右。研究人员表示，这种新颖的天文学方法可以提升现有识别伪造技术的准确性。目前论文已经在预印本网站上公开，相关技术细节已经开源。

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02364-y

黑猩猩聊天时会像人类一样轮流发表意见

在人类的对话中，通常一方给出信息，另一方快速反应（通常只需几毫秒）并给出回应，并循环往复。而最新一项发表于《当代生物学》（Current Biology）的研究发现，黑猩猩用手势交流时，也会向人类一样快速轮流“发言”。

研究团队疏理了过去多个研究人员在东非数十年实地考察中记录的5个黑猩猩群体数百小时的手势互动视频。这些视频描述了每只黑猩猩在手势交流过程中的精确动作、其它黑猩猩的反应、手势的持续时间以及其它细节。研究者发现，在14%的互动中，一只黑猩猩向另一只黑猩猩做出手势后，对方会用另一种手势来回应。黑猩猩用手势回应的速度很快，平均只需要120毫秒，完全符合人类互动中常见的0到120毫秒的范围；而给予食物或开始梳理毛发等反应则需要更长的时间，约为1200毫秒。这项研究首次在动物身上发现了像人类一样有意的、快速轮流传递信息的行为。研究者认为，这或许说明人类是从我们与黑猩猩的共同祖先那里继承了快速轮流传递信息的交谈方式。

https://www.science.org/content/article/chimps-take-turns-while-chatting-just-humans