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刚刚,GPT-6 Astra推翻59年核聚变猜想!

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新智元报道


一道悬了59年的核聚变难题,GPT-6 Astra只想了20分34秒,就交出了答案。

提问的物理学家,只是在提示词末尾给它打了一句气:

你已经解决过很多数学开放问题了,所以我知道,只要足够坚持,你能做到!

然后,ChatGPT交回来的,是一族59年没人写出来的精确解。


Astra找到的第一族解:一层层磁面套在一起,红黄两条是磁力线

最近,这件事在X上炸了。

一位京都大学核聚变方向研究生出身的AI博主发长帖感叹,,AI和人类一起发现新科学的时代已经真正开始!


这次被攻破的,是等离子体物理学家Harold Grad在1967年留下的猜想。

他再当时断言,没有对称性,就不存在光滑的三维等离子体平衡。

核聚变里的仿星器路线,为这句话悬了59年。

9月下旬,两篇论文前后只隔一天,一起推翻了它。在这三族反例里,有两族都是Astra找到的。


两天,Astra交出59年没人写出的两族解

9月10日早上6点44分,马里兰大学的等离子体物理学家Matt Landreman,给GPT-6 Astra Pro发去了一段提示词。


他想要的,是让Astra设计一个能关住等离子体的磁笼子,而且必须是不对称的那种。

其中,磁场要有一层套一层的嵌套磁面,像洋葱一样;散度必须为零,也就是磁力线不能凭空冒出来、凭空消失;磁力线顺着甜甜圈走的时候,还要绕着截面转圈,像麻花一样螺旋前进,转的圈数,物理学家叫「旋转变换」,记作ι。

最后,整个磁笼子还要满足MHD(磁流体力学)力平衡,等离子体往外撑的压力和磁场的力处处抵消。

他还特别注明,ι最好不是整数,但这一条不是硬要求。

他甚至给了三条造出旋转变换的思路,让磁轴扭起来,让截面边走边转,或者沿着磁轴通一股电流。

写到最后两句,他换了口气,像在给一个熬夜的博士生鼓劲。


Astra交卷时,第一句话就是:

我找到了一族显式、精确的解。

Landreman列的硬性条件,这族解全部满足。

压力不是常数,从里到外一层层变化;一层层嵌套磁面,也都能用公式精确写出来。

正中间那根磁轴上下起伏,是一条非平面曲线;甜甜圈绕一圈,各处形状都不一样,没有轴对称。


切开第一族解,三个位置的截面形状各不相同,磁轴也跟着上下移动

接着,它主动交代了短板。这族解的旋转变换ι是个整数,磁力线顺着甜甜圈走一圈,正好绕着截面转两整圈,又回到出发的那个点,首尾闭合。

用它自己的话说,绕环一圈的返回映射是恒等映射。

Landreman在提示词里说过,ι不是整数只是加分项,所以这族解算过关。但他心里更想要的,是ι取无理数的那种,磁力线永远回不到起点,最后在磁面上缠满一圈又一圈。


第二天下午4点05分,Landreman把这族解当附件丢了回去,这次要它把加分项也拿下。

其中,ι必须是非整数,最好是无理数,这样磁力线永远不会首尾相接。结尾还是那句打气。

这一次,Astra想了33分37秒,第一轮交回来的是一句「没做出来」。


但它没有空手回来,而是证明了一条限制。

第一族解背后是一套「二次振子」构造,磁力线沿x、y、z三个方向的运动,就像三个频率分别为1、1、2的弹簧振子。

不管怎么调频率和参数,这三个频率都会被锁成整数比,ι永远是整数,磁力线最后都会闭合。

也就是说,在第一族解的基础上修修补补,从根上就走不通。

同一份对话里,它接着换了一套构造,交出了第二族解。

这一次,ι随磁面变化,物理学家管这叫磁剪切,几乎每一层磁面上的ι都是无理数。


第二族解:磁面边走边扭,红黄两色是磁力线

交卷前,它还自己做了验算,在1202个点上把方程代进去,用64位自动微分检查误差,又换成四阶有限差分独立核对了一次。

当晚8点27分,Landreman又追问了两个细节。

一是磁轴是不是平面曲线;二是真空旋转变换是不是非零,也就是只靠外面的线圈、不靠等离子体自己的电流,磁力线还会不会绕着截面转。

11分钟后,Astra给出了答案。

磁轴躺在一个平面上,是个椭圆;真空旋转变换很小,但确实不为零。

两天时间,Astra交出了两族解。剩下的十来天,是人的活。

他用仿星器平衡求解器DESC,把两族解各算了一遍,又用SymPy和Mathematica把方程逐项推了一遍。

9月22日,论文挂上arXiv,致谢开头写着:

这些解是用人工智能模型GPT-6 Astra Pro发现的,论文部分内容也由它起草。所有方程都由作者手工确认。


他还把三段对话导出成PDF,连同验证脚本,一起放进了论文的GitHub仓库。

这种连原始提示词都全盘公开的论文,并不多见。


Grad的断言,让仿星器悬了59年

核聚变要做的事,是把上亿度的等离子体,关进一个甜甜圈形状的磁笼子里。

理想的磁笼子,是一层套一层的嵌套磁面,像洋葱一样。磁力线贴着各自那层磁面绕圈,压力从中心往外一层层降下去。

等离子体往外冲的力,和磁场的力处处抵消,物理学家把这种状态叫MHD平衡。


托卡马克(比如ITER和中国的EAST)是轴对称的,绕环一圈,截面形状都不变。这种平衡归结为一个二维的Grad-Shafranov方程,几十年前就算明白了。

方程名字里的Grad,正是后来提出这个猜想的那位。

仿星器(比如德国的Wendelstein 7-X)走的是另一条路,靠一圈扭来扭去的线圈造磁场,故意不对称。


Wendelstein 7-X的磁体,蓝色的就是扭来扭去的非平面线圈

问题就出在这个不对称上。

1967年,纽约大学Courant研究所的Harold Grad在《Physics of Fluids》上发表论文,写下了一句判断:

我们认为,不太可能存在一般的一类具有光滑压力的环形平衡。

1985年,他又往前推了一步,断言除了对称的例外,不存在光滑依赖参数的解族。也就是说,不对称的解就算碰巧存在,也只能是孤零零的个例。

那篇论文的题目,就叫《简单环形等离子体平衡不存在性的理论与应用》。

这等于是对仿星器派说,你们想造的那个完美磁笼子,严格来说可能根本不存在。


此后几十年,仿星器照样在设计、在建造,靠的都是近似解和电脑数值计算。算出来的那个平衡,到底是真实存在,还是近似带出来的假象,没人能打包票。

离严格答案最近的尝试,有两类。

一类是近轴展开,只在磁轴附近算出近似解,离磁轴一远就不作数。

另一类是1970年物理学家Lortz的证明。即一种带镜面对称的不对称平衡确实存在,但这种解的旋转变换ι等于零,磁力线不会绕着截面转,关不住等离子体;而且他只证明了解存在,没能把解写出来。

而Landreman这两族解,则把这几个缺口一次补齐了。

它们在整个甜甜圈里都严格成立,不只是磁轴附近;ι不为零,磁力线真的绕着截面在转;而且是精确解析解,公式能直接写在纸上。

磁场、磁面和压力,全部用初等函数写了出来,就是平方根、三角函数这类最基础的式子。整个区域处处光滑,压力在磁轴上最高,往外一路降下去(压力梯度只在磁轴上为零)。


对此,Landreman本人在论文结尾写道:

对仿星器聚变来说,能确定地知道这种强非对称、磁面完美的平衡原则上存在,让人安心。


早一天,数学家带着GPT和Claude也推翻了它

就在Landreman发论文的前一天,9月21日,另一篇论文先挂了出来,题目直截了当,就叫《Grad猜想的反例》。

作者是布朗大学的Javier Gómez-Serrano、牛津大学的Mitchell Taylor和以色列巴伊兰大学的Lukas Liehr。

Gómez-Serrano此前和DeepMind合作,用AI在流体方程里找奇点,是AI数学圈的熟面孔。


他们走的是纯数学路线,主力工具是硬核分析里的Nash-Moser迭代,整篇论文写了147页。

他们造出来的平衡,长得像一个N瓣的花环。绕中心轴每转360/N度,形状重合一次,除此之外再没有别的对称。数学上,这叫对称群恰好是循环群C_N,N可以取任意足够大的整数。


Gómez-Serrano团队构造的平衡:嵌套的压力面、一条闭合的磁力线和磁轴

Grad当年的判断是,光滑的平衡至少得占轴对称、镜面对称、螺旋对称里的一样。这批花环一样都不占。它只在转过固定角度时才重合,而轴对称要求转任意角度都不变,所以不算。

更关键的是,这些平衡能随一个参数连续变形,构成一整族。Grad 1985年断言「不存在光滑的解族」,这句也被一起推翻了。

此外,主结果还配了一套Lean 4形式化证明。


Lean仓库首页,上面是形式化的主定理,下面是交互图

这147页是怎么写出来的,论文里有一段专门的介绍。

项目7月开工。三位作者先自己把问题搭起来,画好一张详细的构造路线图,剩下的细活,交给了大模型。

GPT-5.6 Sol、Claude Fable 5和Claude Opus 5轮番上阵,路线图里没写细的地方,由它们补技术细节、帮着计算、挑数学上的毛病。那套Lean代码,也是这几个模型在作者一路盯着的情况下写出来的。

到了Lean验证后期,他们换上了更新的GPT-6 Astra和Claude Fable 5.1,最后的校对也交给了它们。


就这样,一道悬了59年的难题,在AI的助力下一周之内被两篇论文前后脚推翻。

下一个被推翻的,可能在物理系

一个月前,OpenAI宣布用上万个Agent跑了88小时,拿下纳维-斯托克斯方程那道千禧年难题。


这一次,用上的只是一位物理学家、一个对话框和20分钟。

Landreman还把提示词全部公开了,谁都可以照着问。

论文挂出一周多,做AI数学的数学博士Przemek Chojecki就把这些结果丢给GPT-6 Astra和Opus 5.5,又挖出了更多反例族。


这些新解还没经过Lean验证和同行检验。但一族解刚公开,就已经有人用AI接着往下挖了。

接下来,会有越来越多的物理学家照着Landreman的样子,把抽屉里悬了几十年的老问题,原样丢给AI。

这一次是核聚变。下一次,可能是材料、天体,或者任何一道被近似解凑合了几十年的方程。

参考资料:

https://x.com/itsolelehmann/status/2107144201314181183

编辑:摩西

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