星桥启航 | 刘子鸣：我在微软亚洲研究院用AI自动发现“新物理”
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编者按：在全球疫情的背景下，微软亚洲研究院在2020年推出“星桥计划”，专为出国深造计划延期的同学打造。一流的研究环境、前沿的科研课题、绝佳的交流与展示舞台……第一批入选同学经由“星桥计划”收获了怎样的精彩科研之旅？一起来听他们的星桥故事吧！微软亚洲研究院“星桥计划”长期开放申请，点击这里了解更多。
如果没有新冠疫情，刘子鸣将在从北京大学物理学院本科毕业后，前往麻省理工学院物理系攻读博士学位。
突如其来的疫情打乱了他的计划，不甘于倒时差上网课的刘子鸣决定申请延期至第二年入学，2020年的夏天也因此被赋予了新的可能。
“本科时一直都想来微软亚洲研究院实习，但没有合适的机会。” 刘子鸣回忆起自己看到“星桥计划”招募消息的那天，他一直关注着研究院社交媒体账号上的信息，“招募推送发出的第一时刻我就投出了申请。”
在延期入学的间隔年期间，刘子鸣的愿望因“星桥计划”而实现，一段与科研、友谊和更多可能相联系的奇妙缘分也就此开启。
“农场主向物理学家请教如何养鸡，物理学家给出了建议并补充，‘这个建议只适用于真空中的球形鸡’。”刘子鸣习惯用这个笑话来解释物理学科的思维方式和科研追求：用干净简洁的例子，优雅地讲述最为简洁凝练的原理。
尽管刘子鸣在本科入学不久便萌生对计算机领域的兴趣，开始自学编程、探索神经网络等相关知识与应用，物理学的凝练、优美还是影响、塑造了他的研究风格——排除外在干扰，在理想状况下简化问题、抽丝剥茧寻找最重要的因素——不一定寻求落地生根，但希望看到星空边缘以外的更远之处。
刘子鸣带着这样的物理学“惯性”来到了微软亚洲研究院计算与学习理论组。与数学背景的 mentor 微软亚洲研究院高级研究员陈薇以及其他不同领域同龄人的相遇，让“真空中的理想运动”感受到了“外界条件”的存在。
刘子鸣（右）与mentor陈薇（左）
“一开始我们无法互相理解，也不能理解‘我们为什么不能互相理解’。”刘子鸣回忆起自己通过“星桥计划”进入微软亚洲研究院的初期，与数学、计算机等研究背景的同学交流让他直观感受到“不同学科的人都有自己的标签与特色，思维方式有所区别。”物理学科训练给刘子鸣带来了在案例选择与逻辑推演中追求简洁优雅的习惯，而计算机背景的研究者则期望用更完备现实的案例冲击算法、建立详尽完善的细节与模型。
当至简与周密“对撞”，理论的优雅与情境的复杂相遇，“不同”反而成为了最大的迷人之处。“当交流得够多，我们就开始互相理解。”刘子鸣说，“从简单直觉出发”与“以良好定义为起点”的思维碰撞，深刻印在他的脑海中，“这种区别不是矛盾，恰是多元的体现。”正是一次次“不同”的碰撞，让刘子鸣在矛盾中感悟到“和而不同”的跨学科交流的奇妙，“提高了对话的‘兼容性’，开始学会切换到对方的视角去思考。”
“星桥计划”本身同样体现了这份多元。除了计算机及相关专业，2020年入选“星桥计划”的第一批26名同学中，也有数学、统计学、物理学等背景的同学。他们通过“星桥”加入微软亚洲研究院计算与学习理论、软件分析、自然语言处理等16个不同的研究组，未来将前往哈佛大学、麻省理工大学、普林斯顿大学、杜克大学等名校继续深造。
“星桥计划”这批同学内部也会定期组织成员分享各自领域的研究成果，刘子鸣就是组织者之一，“吆喝大家一起来扩展知识面，后来这个活动演变成了实习生Tech Talk Series。”
“我喜欢这种分享的氛围，喜欢什么都了解一点。”刘子鸣说，“各个小领域在研究什么？有怎样的需求？大家在用什么工具？能不能用到我的领域？”不同学科之间的关联和借鉴空间，往往就在分享与交流之间得到挖掘与利用。
“这种交流会印在我的脑子里”，刘子鸣表示，因为星桥计划来到研究院，让他有机会接触到更多元的思考方式，也学会了试着追求更全面的思维角度。星桥计划为研究院的同学们引入的多元思维碰撞与跨学科交流机会，也正以更长远的方式产生着影响。
用人工智能算法帮助基础学科的发展，是微软亚洲研究院近年来致力于推动计算机技术应用和发挥影响力的重要方向。微软亚洲研究院副院长刘铁岩博士对 “人工智能助力基础学科”这一方向的热情，聚集带动了研究院内部十几位有相同兴趣的研究员的讨论，自发形成了一个 AI for Science 研讨小组，刘子鸣也出于对人工智能与物理学的双重兴趣活跃其中。
研究员们各自有物理、化学、生物等不同基础背景，又都立足于微软亚洲研究院提供的成熟计算机技术资源与平台，“大家既有锤子，也懂钉子是什么。”刘子鸣说，“这给可行想法的发现与执行提供了很好的知识基础。”
刘子鸣与组内同事合影
2020年12月的一天，刘子鸣在 AI for Science 研讨小组的日常讨论中，和往日一样与微软亚洲研究院主管研究员孟琪交流新近关注的学术话题，他惊讶地发现动力系统建模问题是两人在当时共同关心的领域。
“让她感到激动的几篇文献，碰巧也是我刚读过的”刘子鸣说。偶然重合的文献工作让二人在此时站到了“同一个起跑线”，也催生了更进一步的讨论探索和一个新的科研选题。刘子鸣和孟琪，以及同样因为延期出国而申请“星桥计划”的王博涵同学等人开启合作，挖掘机器学习推广物理动力学建模范围的更多可能：他们试图用 AI 分离守恒和非守恒量，实现通过机器学习自动发现物理规律。
“1846年，人们通过纸笔计算在万有引力定律的基础上发现了海王星的存在”，刘子鸣用海王星的发现过程通俗地解释了自己的研究工作，“我们的研究则实现了让机器自己用‘老物理’发现‘新物理’，甚至可以在没有先验知识的基础上发现‘新物理’——假设机器不知道万有引力定律，它也顺利计算出了海王星的存在。”
在 mentor 陈薇的指导下，刘子鸣等人共同撰写的研究论文已经投往物理期刊 Physical Review，目前正在审稿期。同时，刘子鸣的导师——麻省理工学院物理系教授、人工智能专家 Max Tegmark 也在此过程中对科研内容进行了细致指导。
“我收获最大的时刻就是遭受质疑的时候。”在微软亚洲研究院进行科研探索的时候，几位研究员的指导与引领给刘子鸣带来了多层次的影响。“孟琪师姐常常从实操层面的具体细节指出我的疏漏。”刘子鸣说，研究推进每一步的落实背后都离不开孟琪的严密“监工”与细致指导。
Mentor 陈薇则会为研究的推进提出更宏观的提高建议，“是否能应用更复杂的例子？能否进一步训练算法、直至暴露局限性？”陈薇常常从一个机器学习研究者的视角对刘子鸣提出更现实、更符合应用情境的建议，“陈薇老师对论文写作的论述例子和局限情境都给出了非常有见地的思路指导”，刘子鸣说，推翻重来、反复修改也正是科研能力提高的必经之路。
“我写代码、做实验，王博涵用一天就把实验结果证明出来了。”
在推进神经网络进行动力学建模的研究工作时，刘子鸣基于自己的代码基础和物理背景很快将实验完成实现，但实验数据“过于完美以至于让人觉得不真实”，“too good to be true”成为困扰刘子鸣的一大难题。
王博涵和刘子鸣同一批入选“星桥计划”，本科毕业于中国科技大学。扎实的数学背景使他在这次合作研究的数据处理工作中游刃有余。在合作完成实验后，王博涵仅用一天时间，便对讨论的粗糙结果纳入不同考虑因素、估计各种误差界，用严格的数学语言进行证明，并将实验观测结果规范为了定理化的精准表述。
和王博涵这一次的成功合作，是刘子鸣在微软亚洲研究院结下的一份重要“革命友谊”。基于研究兴趣的交流，也为刘子鸣带来了更多志同道合的伙伴与科研可能：智能系统组的张介宇研究方向与刘子鸣暑研时期工作接近，这催生了二人的更多交流；刘子鸣相邻实习工位的李可在今年申请到了哈佛大学的offer，二人未来将会在大洋彼岸延续在微软亚洲研究院的“隔壁友情”；机器学习组的杜沅岂同学和刘子鸣从蛋白质折叠这一问题出发，辐射出了很多对 AI for Science 方法论层面的讨论……
除了学生间的自发联络，微软学术合作部负责人才项目的同事们为“星桥计划”学生精心策划了聚会活动，设计了一系列督促交流的贴纸与奖品，这也成为了帮助星桥同学主动了解研究院、挖掘学术可能的重要推动力。
刘子鸣和部分星桥同学合影
在活跃于 AI for Science 研讨小组期间，刘子鸣还主动邀请自己的本科同窗来研究院做学术报告，分享机器学习进行宇宙学、观测天文学、高能物理等领域研究的成果。发起研讨小组的刘铁岩博士永远是那个“最好奇”的听众，即使有学科知识壁垒，他也能迅速捕捉和理解内容的精髓，在分享活动中对各领域留待 AI 解决的问题表现得格外兴奋与关注。
这种拓展学术边界、用技术改变世界的热望也感染了刘子鸣，“微软亚洲研究院给我影响最大的观念就是：文章发表数不重要，重要的是所做工作能否对整个共同体产生意义。”刘子鸣说，研究院带给他的不仅是科研训练，更是学术品味的提升，“与铁岩的交流让我真正认同了要做真正有意义的工作、有影响力的工作。”
“星桥计划”全方位为学生考虑，立足于他们的长远发展，陈薇表示，刘子鸣在微软亚洲研究院的几个月以来的成长与变化有目共睹，“他的沟通表达能力、团队合作能力得到了许多提升，‘星桥计划’的经历将对 PhD 阶段的科研有很大帮助。”刘铁岩博士也更进一步肯定了“星桥计划”为展开交叉创新研究带来的无限可能，“星桥让我们有机会遇见一批非常优秀的年轻人，期待更多优秀年轻人加入星桥、与微软亚洲研究院相遇。”
“学生是星，微软是桥，能帮助学生走向更光明的未来。”刘子鸣说，“星桥计划”的经历为自己拓宽了学术思维、项目能力乃至人生走向的可能面。这条由“星桥”延伸出的奇妙路途，也将助力更多人通往更加开阔奇绝的世界。
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