AlphaGo - The Movie

Cztery lata temu miało miejsce doniosłe wydarzenie. Program komputerowy pokonał osiemnastokrotnego mistrza świata w Go, koreańczyka Lee Sedola. Z okazji czterolecia na kanale Deep Mind ukazał się półtoragodzinny dokument o AlphaGo. To nie będzie recenzja, raczej kilka przemyśleń i największe ciekawostki dla mnie jakie wyciągnąłem z seansu.

Zacznijmy może od wyjaśnienia dlaczego jest przepaść między szachami i go, za którą idzie analogiczna przepaść między Deep Blue (program który w 1997 pokonał Garriego Kasparowa) a Alpha Go. Szachownica liczy 64 pola. Figury mogą wykonywać precyzyjnie określone ruchy. Liczba możliwych ruchów i rozgrywek jest ogromna, ale z odpowiednio mocnym komputerem można “brutalnie”, metodycznie sprawdzać najlepsze rozwiązania. Plansza do Go liczy 361 pozycji a kamienie można układać w dowolnych miejscach. Rozwiązanie “siłowe” po prostu tu nie zadziała.

Dlatego w przypadku Go potrzebny był program, który ma/zasymuluje intuicję, kreatywne myślenie, rozmaite strategie. AlphaGo zdecydowanie jest takim programem. Niestety jego działanie opiera się na sieciach neuronowych i uczeniu maszynowym. Piszę “niestety” bo kiedy to usłyszałem, od razu pomyślałem, że nawet jeśli AlphaGo symuluje te niezwykłe cechy, to nie zrozumiemy ich z jego pomocą. Sieci neuronowe są nie jako czarnym pudełkiem, nie mamy wglądu w reguły ich działania. Dobrze się czasem mylić, bo jak ukazuje dokument twórcy AlphaGo mają wgląd w proces decyzyjny. Może nie jest to klucz do zrozumienia jak działa mózg gracza Go, ale zdecydowanie sprawiło, że śledzenie pięciu pojedynków między komputerem a Lee Sedolem było fascynujące nawet dla kogoś nie ogarniającego tej gry.

Program wygrał pierwsze trzy rozgrywki, przegrał czwartą i zakończył piątą zwycięstwem. Ciężko mi określić na ile film dramatyzuje mecze, ale z wyjątkiem trzeciej partii, gdzie koreańczyk najwyraźniej nie wytrzymał presji, każda oferuje coś ciekawego, szczególnie druga i czwarta. Pierwsza i ostatnia pokazały, że maszyna planuje na długą metę, że jej pozorne błędy były częścią planu i że potrafi bezwzględnie kalkulować. AlphaGo wie, że starczy przewaga jednego punkta by wygrać mecz.

Druga partia była szczególnie interesująca, bo udowodniła, że program jest kreatywny. Komentatorzy zachwycali się trzydziestym siódmym ruchem w grze, nazywali go unikalnym i kreatywnym. Ciekawe jest to, że choć sieć neuronowa uczyła się na podstawie gier zwykłych graczy i mistrzów, ruch ten AlphaGo wykonała mimo, że sama szacowała szanse na wykonanie takiej zagrywki przez ludzkiego gracza na 1 na 10 000. Innymi słowy uczeń przerósł mistrza.

Czwarty mecz jest jedynym, który wygrał człowiek. Tu również wygląda na to, że o wyniku zadecydował jeden genialny ruch, który przechylił szalę na korzyść Lee Sedola. Koreańczyk stwierdził, że to był jedyny ruch jaki widział w tamtym momencie. Po nim maszyna popełniła szereg ruchów źle ocenianych przez speców. Dlaczego ta partia była interesująca? Wygląda na to, że “boski ruch” nie świadczy o błędzie maszyny, która do niego dopuściła. AlphaGo raczej nie docenił przeciwnika, bo ruch ten był w przewidywanej puli, ale szansa na to, że ludzki przeciwnik go wykona została oceniona na 0,007%. Brzmi to zatem nie jak błąd tylko racjonalne działanie w obliczu znikomej szansy na konkretne zdarzenie.

Interesujące jest jednak również to, że program później wykonał szereg ruchów wyglądających na błędne. Tego jednak nie skomentowano szerzej w dokumencie. Jak wspomniałem, nie wiem ile w tym wszystkim dramatyzacji, być może zła ocena szans na boski ruch świadczy o słabości AlphaGo.

Nie mam jednak wątpliwości, że cztery lata temu stało się coś wyjątkowego. Dla mnie to kolejny dowód na to, że w ludzkim mózgu nie ma niczego magicznego. Mam nadzieję, że z czasem zbliżymy się zrozumienia tej nie-magicznej, ale diablo złożonej maszynki. Przy czym drogą do jej zrozumienia mogą nie być komputerowe sieci neuronowe. Nawiasem mówiąc warto podkreślić, że Lee Sedol jest pierwszym i ostatnim człowiekiem który pokonał AlphaGo podczas 74 oficjalnie rozegranych gier.


Link do filmu:
https://www.youtube.com/watch?v=WXuK6gekU1Y

Jak powstała Oumuamua (dygresje w promocji)

W lipcu 1994 roku z Jowiszem zderzyła się kometa. Mówili o tym w telewizji, niemal wszystkie teleskopy świata były zwrócone na króla planet. Byłem niedługo po seansie pełnometrażowego filmu “MacGyver i skarb zaginionej Atlantydy”, gdzie w finale nastąpiła koniunkcja planet, która wyglądała oszałamiająco. Nic więc dziwnego, że byłem ciut rozczarowany tym, że wybiegłem na zewnątrz i nie zobaczyłem nic nadzwyczajnego. Ani komety, ani Jowisza, ani żadnych wybuchów.

Pamiętam jednak jak później pokazywano zdjęcia zderzenia i komety Shoemaker–Levy 9. Nie wyglądała jak z typowych ilustracji - zamiast jasnego punktu z warkoczami, był to łańcuch świecących obiektów, które kolejno uderzały w Jowisza. Minęły lata zanim zrozumiałem szczegóły tego zdarzenia.

Kometa Shoemaker–Levy 9 to interesujący przypadek. Nie była obiektem, który po prostu wpadł w studnię grawitacyjną Jowisza i rozbił się na jego powierzchni (czy raczej na jego gazowej atmosferze). W którymś momencie stała się ona satelitą Jowisza, przez co można było powiedzieć, że jej dwuletnia orbita miała peryjowium (odpowiednik peryhelium, czyli punktu gdzie ciało znajduje się najbliżej swojego obiektu “macierzystego”). Zaintrygowany tą nazwą od razu pomyślałem, że ciekawe czy dla Ziemi ten punkt nazywa się w takim razie peryterrum. Okazuje się, że nie - to perygeum ^[1].

Ale wracając do tematu… Gdy Shoemaker-Levy 9 był już satelitą Jowisza, w 1992 roku zbliżył się na odległość raptem 40,000 km do planety. To znacznie mniej niż średnica gazowego giganta. Tym samym obiekt przekroczył tak zwaną granicę Roche’a. To taka odległość w której siły pływowe większego ciała są tak silne, że przeważają grawitację własną mniejszego ciała. To znaczy, kometa będąca kruchym zbitkiem skał i lodu została rozerwana przez grawitację Jowisza tylko dlatego, że części komety znajdujące się bliżej planety były przyciągane mocniej niż te dalsze. I tak w 1992 roku nastąpiło preludium do widowiskowego końca komety. To dlatego w 1994 roku zamiast jednego zdarzenia nastąpiło około 21 większych zderzeń.

Co to ma wspólnego z odkrytym w 2017 pierwszym obiektem pozasłonecznym w naszym układzie? Oumuamua zaskoczyła nas wieloma rzeczami, ale chyba najbardziej swoim kształtem. Wydaje się że jest bardzo podłużna - o długości kilkuset metrów i grubości raptem kilkudziesięciu. Do tej pory nie odkryliśmy takich obiektów.

O kwestii czym jest Oumuamua pisałem już w 2018, więc nie będę się powtarzać tylko odeślę Was do tekstu. Natomiast dopiero teraz mamy niezłe pojęcie o tym jak uzyskała taki kształt. I tu pojawia się skojarzenie z Shoemaker-Levy 9. Bo wygląda na to, że czymkolwiek była Oumuamua miliony lub miliardy lat temu miało przygodę podobną do słynnej komety.

Chińscy naukowcy przeprowadzili symulację skutków przejścia obiektów na orbicie ucieczkowej w pobliżu gwiazdy. Jak się okazuje wiele z nich może rozpadać się na bliźniaczki Oumuamua. Podobnie jak w przypadku w opisanym wyżej przypadku siły pływowe rozrywają większą kometę lub planetę na “warkocze” materii, jednak w tym wypadku dzieje się to w pobliżu korony gwiazdy w tak wysokiej temperaturze, że materiał przyszłej komety jest stopiony. Gdy tylko oddala się od gwiazdy by pomknąć w międzygwiezdną przestrzeń, ma szansę scalić się się ponownie i zastygnąć w postaci jednego, wydłużonego kawałka skały.

A przynajmniej tak wynika z symulacji. Co sądzicie o takim rozwiązaniu zagadki Oumuamua? Czy jest rozczarowująca, czy może raczej fascynująca?


^[1] - terra to słowo łacińskie, a gē greckie. Jeśli idzie o astronomię grecy i język grecki ma kilkaset lat przewagi nad łaciną więc… no perygeum a nie peryterrum. Czekam tylko na okazję, żeby opowiedzieć Wam o liczbie mnogiej słowa ośmiornica w języku angielskim, tam się dopiero działo octopi, octopoda, octopuses...


Źródła:
Tidal fragmentation as the origin of 1I/2017 U1 (‘Oumuamua)
New formation theory explains the mysterious interstellar object 'Oumuamua
Oumuamua przyspiesza, wiemy czym jest przybysz spoza układu słonecznego
Astrofaza - Nowe fakty na temat Oumuamua
We May Have Solved The Mystery of Interstellar Comet Oumuamua
Comet Shoemaker–Levy 9

Fenomenalna wizualizacja Starlinka

Trafiłem na fantastyczną wizualizację powstającej właśnie konstelacji Starlinka. Liczba małych satelitów SpaceX zbliża się do 500. Z tej okazji Elias Eccli użył danych z Space-Track.org i obrobił je w Pythonie. Powstała animacja tak mnie zachwyciła, że postanowiłem poświęcić jej notkę.

Animacja śledzi okres od 17 listopada 2019 (pierwszy rzut “docelowych” Starlinków na orbitę), do 21 maja 2020, czyli na dzień przed siódmym lotem. Zatem w końcowej części widzimy rozkład około 360 satelitów. Kiedy powstaje ten tekst jesteśmy między siódmą a ósmą misją Starlinka. W przyszłym tygodniu ich liczba powinna sięgnąć 480.

Pewnie podobnie jak ja na początku zadajecie sobie pytanie “na co ja patrzę?”. Spieszę z pomocą...

Wszystkie wystrzelone do tej pory Starlinki znajdują się na orbitach o wysokości 550 km o inklinacji (nachyleniu) 53 stopni. Wyobraźmy sobie przekrój Ziemi w płaszczyźnie równika. Będzie to płaski, kolisty plasterek. Orbita o zerowym nachyleniu wysokości 550km byłaby okręgiem¹ o trochę większej średnicy. Jeśli ją nachylimy względem płaszczyzny równika, wtedy satelita krążący po niej będzie dwa razy przelatywał nad równikiem. Raz przesuwając się znad półkuli północnej, drugi przelatując znad południowej nad północną. Ten drugi punkt określa tak zwaną długość węzła wstępującego. I to właśnie widzimy na osi pionowej w animacji Eliasa.

Oś pozioma przedstawia natomiast to jak rozpropagowane na danej orbicie są Starlinki. Pamiętajcie, że to nie znaczy, że nieruchomo wiszą nad pojedynczym punktem Ziemi, wszystkie nieustannie poruszają się po orbicie, ale chodzi o to, by były na niej rozmieszczone w równych odstępach. Jeśli śledzicie starty lub obserwujecie Starlinka na niebie to kojarzycie, że tuż po starcie widać było jasny sznur punktów na niebie, który sukcesywnie się wydłużał - dokładnie to można obserwować na tej animacji.

Co więcej, wykorzystując naturalne zjawiska fizyczne SpaceX jest w stanie regulować długość węzła wstępującego. Dzięki temu za pomocą jednego startu 60 satelitów, mogą oni obsadzić aż trzy orbity. Czyli jeśli orbita po starcie jest tak ustawiona, że znajdujące się na niej Starlinki przelatują nad Singapurem z południa na północ, to nie potrzeba wiele, by po kilku dniach granicę półkul przekraczały nad Kuala Lumpur².

Co ciekawe, według wikipedii na każdej miały znajdować się 22 urządzenia, ale na ten moment orbity obsadzane są dwudziestoma. Jak widać na wykresie już teraz robi się tłoczno przy kilkunastu orbitach. Docelowo w tej pierwszej konstelacji krążyć ma około 1500 satelitów na 72 orbitach. W rzeczywistości jednak Ziemia jest ogromna i na każdego satelitę będzie przypadać jakieś 100 000 km^2 powierzchni, czyli przeciętna odległość³ między nimi będzie wynosić w okolicy 100km.

Ostatnia rzecz do wspomnienia to kolory punktów na animacji. Poza przypisaniem do poszczególnych startów Falcona 9, barwa punktów ciemnieje im wyżej na orbicie się znajdują - widać też, że im ciemniejsze, im bliżej docelowej wysokości 550km, tym wolniej się poruszają. Ten manewr - tzn zmiana wysokości orbity, to już efekt działania pokładowych silników jonowych.

Mam nadzieję, że to wytłumaczenie było klarowne i pomogło Wam docenić świetną robotę jaką wykonał Elias Eccli. Oczywiście nie uniknąłem szeregu uproszczeń, więc wspomnę o kilku najbardziej rażących, by uspokoić nadgorliwych.

1 - Tak, wiem - elipsą, ale staram się nie komplikować tekstu dla nie-nerdów ;)
2 - Tak, to jest kolejne uproszczenie, bo konstelacja jako całość ulega precesji więc
3 - Zmienność tej odległości jest spora, najbliżej siebie będą w okolicy biegunów, wciąż jednak będą to setki metrów. Ich pozycje są łatwe do przewidzenia więc uniknięcie kolizji będzie dość proste.


Źródła:
https://www.youtube.com/watch?v=857UM4ErX9A - Animacja Eliasa
https://www.youtube.com/watch?v=VyMGhUWkm5w - kanał Marcusa House
https://pl.wikipedia.org/wiki/TLE
https://pl.wikipedia.org/wiki/Elementy_orbitalne
https://en.wikipedia.org/wiki/Starlink