当游戏遇上科学：碰撞的浪漫_风闻

在《三体》这部杰出的科幻小说中，高度智慧的三体文明选择了一款名为“三体”的虚拟现实游戏向人类介绍三体世界的真实状况。

在我看来，作者刘慈欣最为精妙的设定是：通关这款游戏的过程就是一个探索科学精神如何进化的过程。

无独有偶，荷兰历史学家约翰·惠辛加认为游戏是“比文化更古老的东西”，他将游戏视为语言、法律、战争、科学、哲学和艺术等复杂人类活动的起点。

没错，游戏通常被认为离科学很遥远。

但事实上，游戏和科学的关系远比我们想象的要更密切，而二者的相遇通常能碰撞出不一样的浪漫火花。

一

1958年8月，美国布鲁克海文国家实验室内，一位叫William Higinbotham的核物理学家正在设计一个电路。

作为布鲁克海文实验室仪器部门的掌门人，48岁的Higinbotham这一次全心投入的设计工作却不是某个机密的政府项目，而是紧张正式工作之外的另一种有趣尝试。

此时的Higinbotham并不知道，这个只花了他几天时间并不算复杂的小项目，会作为一个开创性的成就被写进一个全新行业的历史。

   

一切要从布鲁克海文国家实验室的公众开放日说起，作为二战后美国能源部的传奇实验室，来自该实验室的科学家先后获得过7次诺贝尔奖。

为了更好地向公众普及科学，自1954年开始的每年10月，这个设计过核反应堆和粒子对撞机的实验室都会举办为期三天的公众开放日。

以往的开放日都是相对简单的静态展示，彼时的公众对很多冷冰冰设备的兴趣并没有想象中的大。

作为仪器部门掌门人的Higinbotham在想：有没有什么方法能让设备动起来从而增加公众们的兴趣呢？

没错，就是这个简单的想法让一位核物理学家做出了世界上第一款电子游戏。

我们来看看当时Higinbotham有什么？

尽管彼时离世界上第一台电子计算机发明已经过去10余年，但作为国家实验室，布鲁克海文也只有一台今天看来性能极低的小型模拟计算机，Higinbotham将它作为驱动设备。

彼时显示设备也并不发达，Higinbotham能用到的只能是一个仅仅只有5英寸的圆形示波器显示屏，它依赖古老的阴极射线管来显示单色画面。

但这对于一个熟练掌握电路设计的核物理学家而言，已经足够了。

毕竟，毕业于康奈尔大学的Higinbotham十多年前就已经是开发曼哈顿计划里电子设备的少数几名科学家了。

重要的是创意，不被限制的创意。

Higinbotham选择了将网球电子化，说是网球，其实地面和球网只是示波器上的两条绿色的直线，呈倒T字型，而运动网球则是一个小圆点。

Higinbotham花了几天时间设计了一个巧妙的电路，将电阻、电容和继电器串联起来，以便利用那台小型的计算机模拟重力和空气阻力从而让弹球的运动变得自然。

这是一个二人对战游戏，Higinbotham为每一方设计了一个有旋转按钮和击球按钮的控制器，旋转按钮上有一个方向指针，用于控制击球方向，而击球按钮负责触发击球。

Higinbotham本来计划再增加一个按钮来控制击球的力度，但他发现这会显著增加控制的难度和电路的复杂度，于是放弃了这个想法。

就这样，一个名为“Tennis for Two”的游戏就在简陋的示波器上诞生了。

1958年10月18日，布鲁克海文实验室公众开放日到了，对于这个只能在5英寸圆形显示器上运行的游戏能否吸引公众的兴趣，Higinbotham的心里并没有底。

然而，疑虑很快就被打消了，“Tennis for Two”那台比今天的iPhone还小的显示屏前挤满了上百位排队体验的人。

“很显然，人们喜欢它，特别是高中生。”

Higinbotham后来回忆说。

但他不知道的是，正是这群高中生中的一位让Higinbotham在电子游戏的历史上留下了自己的名字。

没错，真实世界的故事并不是和读者们的想象一致。

你以为Higinbotham会因此名声大噪吗？

并没有。

“Tennis for Two”的确在实验室的开放日上非常受欢迎，后来连续两年都作为特别项目在开放日上供公众体验。

Higinbotham第二年还对它进行过一些简单的迭代，比如加上更大的显示屏，比如改变重力参数模拟在月球打网球。

但也仅此而已。两年后，“Tennis for Two”的装置就被实验室拆解了，消失在公众的视野中。

在之后的很多年里，Higinbotham继续如往常一样做着他的核物理研究工作，人们好像忘记了在遥远的60年代，有一款叫做“Tennis for Two”的游戏来过。

然而，一位叫Dave Ahl的年轻人改变了这一切。

作为1958年第一批体验过“Tennis for Two”的高中生，1982年时43岁的Dave Ahl已经是《创意计算》这本杂志的创始主编了。

尽管Dave Ahl对当年的那次参观印象深刻，但也仅仅是印象深刻而已，直到1982年，他在报纸上读到Higinbotham在一项专利诉讼中作证的消息时才决定做些什么。

那次诉讼并不是针对Higinbotham，而是另外两家游戏公司争夺游戏专利时请Higinbotham去作证：早在1958年，他就开发过“Tennis for Two”这样的游戏了。

于是，Dave Ahl让自己杂志的记者John Anderson去写一篇采访稿，为Higinbotham在电子游戏界的贡献证名。

John Anderson顺利地采访到了当时已经72岁高龄的Higinbotham，两周后，《创意计算》杂志一篇名为《到底是谁发明了第一个电子游戏？》的著名文章出炉。

从此，核物理学家William Higinbotham的名字开始被电子游戏界熟知和铭记。

1997年，在布鲁克海文实验室50周年的庆典上，一台复刻版“Tennis for Two”游戏设备被展出。

实验室年轻的同事们完全复制了Higinbotham当年简陋而精巧的设计，以纪念这位核物理学家对电子游戏的杰出贡献。

游戏和科学碰撞的火花，比想象的还要精彩。

电子游戏，本身就是科学家的杰作。

二

2008年3月，华盛顿大学生物学家David Baker决定向同校的计算机副教授Zoran Popović求助。

生物学家和计算机教授为什么会产生交集呢？

这要从Baker的研究方向说起，Baker教授所在的领域是分子生物学，他的研究方向是蛋白质结构。

我们知道蛋白质由氨基酸组成，但氨基酸组成的具体结构和折叠方式则有无数种可能。

每一个氨基酸如何折叠成特定的蛋白质在本质上是一个可能性的计算问题，而研究特定蛋白质如何正确折叠对于破解特定病因和开发新药非常关键。

Baker之所以找计算机教授Popović，是因为他设计了一个预测蛋白质结构的算法，想让更多人参与到寻找合适的蛋白质折叠结构中去。

他希望后者能帮忙设计一个可交互的蛋白质动画模型。

Popović教授和他的博士生Seth Cooper将蛋白质折叠设计成了一款游戏——Foldit。

他们将蛋白质结构数字化，同时加上了有节奏的音乐，玩家只需要根据特定的规则就能完成蛋白质结构的折叠。

2008年5月，Foldit正式公测，不到两年时间，这个另类的“游戏”项目成功吸引了超过24万的注册玩家。

而更重要的是，这些玩家的蛋白质折叠成果超出了包括Baker在内的众多分子生物学家的意料。

2011年，Foldit的玩家帮助破译了一种导致恒河猴艾滋病逆转录病毒蛋白酶的折叠结构。

这是一个15年来一直未解决的科学问题。

而神奇的是Foldit玩家只用了十天就成功破译了这种蛋白酶的结构，同时这种结构的精确度足以进行分子层面替换，该成果成功发表在《自然》杂志的子刊上。

尽管今天以Deepmind为代表的AI识别蛋白质结构已经取得了重要的突破。

但业界依然承认，Foldit和它所代表的公民科学运动在一些细分科学领域依然做出了值得被铭记的贡献。

而在大西洋的另一端，牛津大学的物理系天体物理学教授的Chris Lintot也有着异曲同工的想法。

Lintot的研究方向为天体物理学，今天的天体物理已经进入到了“大数据”时代。

天文望远镜每天产生的观测数据是惊人的，全球最大的天文数据库——美国斯隆数字化巡天项目的数据库中的星系就超过百万个。

尽管今天的计算机可以帮助对星系数据进行AI识别，但不少数据机器无法完全处理，这时候处理众多庞大的数据依然得依赖人类的肉眼。

Lintot启动了一个名为Galaxy Zoo的项目，希望通过游戏的方式招募公众帮助识别星系。

结果仅仅在网站创建十天后，项目就收到了超过800万份标记数据。

Lintot不会想到，他开启的这个平台会在后来进化成注册用户超160万、横跨多个学科的Zooniverse。

今天的Zooniverse已经发展成了世界上最大的科学游戏众包平台，横跨生物学、历史、气候科学、艺术、医学、生态学和社会科学等多个学科。

今天，用户可以在Zooniverse上以游戏化的方式识别奥尔特星云的遥远星系、标记开普勒望远镜凌日的数据、计算威德尔海豹在南极某个区域的数量、寻找岩石峭壁图像里的小蜥蜴、确定细胞中线粒体的位置等等。

在Zooniverse等跨界项目上线之前，科学界对游戏玩家具体能起到多大的作用并不确定。

但后来发生的事，已经远远超出了科学家们最初的想象。

Zooniverse的“游戏玩家”们先后“通关”了包括发现新豌豆星系类型、天鹅座的系外行星等一系列重要的科学“副本”。

“通过游戏和玩家来参与科学，我们改变了科研的形式。” 信息传播学者凯西·奥唐纳曾说。

游戏，以自己的方式参与了人类科学的进程。

三

黑格尔说 : “一个民族总要有一群仰望星空的人。”

下面这个故事属于在物理意义上真正“仰望星空”的人们。

让我们从“太空烟花”说起。

“太空烟花”是不少天文爱好者们对于引力波、黑洞及中子星、超新星爆发、快速射电暴等一列天文现象的形象比喻。

用天文学的专业术语描述，这些“太空烟花”都属于变源天体所引发的现象，是时域天文的研究范围。

所谓时域天文，核心是通过研究宇宙中各类天体的变化从而洞察宇宙的动态演化。

“太空烟花”这个比喻之所以如此形象，核心在于它准确地描述了这些天文现象转瞬即逝的特点。

没错，变源天体所引发的天文现象如烟花般短暂。

同时，没有人能准确知道它到底何时会绽放，这就给天文观察带来了极其高难度的挑战。

捕捉“太空烟花”通常需要使用到聚焦型X射线望远镜。

现实的问题是：大型X射线望远镜造价昂贵，体积庞大，操控和调度难度高。

同时，让天文工作者捉襟见肘的是：每一台望远镜在同一个时间内仅能观测极为有限的空间区域。

此时，如何选择观测对象就变成了一道极难抉择的选择题。

“挂一漏万”对于研究变源天体的时域天文学家而言不是一句客套话，而是对现实最真实的描述。

“等于你在海里只能拿一滴水，这滴水你再怎么选择它还是一滴水对不对？所以这就很难。” 

中科院粒子天体物理重点实验室主任张双南说。

没错，弱水三千，聚焦型X射线望远镜只能取一瓢饮。

这个问题一直困扰着无数梦想捕获“太空烟花”的天文工作者们。

然而，总要有人对这个问题发起挑战，张双南和他的同事们决定迎难而上，向这座天文领域的大山发起挑战。

经过和高能物理研究所的同僚们反复酝酿和论证，一个极具想象力的项目被提上日程——“全变源追踪猎人星座”计划（简称CATCH计划）。

该计划创造性地提出发射上百颗搭载小型聚焦型X射线望远镜的卫星组成阵列来共同观察目标天体——

单个卫星可以各司其职，追踪观测某个或者数个变源天体，同时众多卫星也可以组成大视场或者高精度望远镜星座，对一些重要目标进行合力围剿。

这是一个具有颠覆性意义的项目。

要知道，今天全球的聚焦型X射线望远镜全加起来也仅仅只有十多台。

“上百颗、小型化、连起来”三件事放到一起，这是一条前人从没有走过的未知道路。

这个突破常规的计划不免让人想起《三体》小说中女主角程心的“阶梯计划”：

当科学家们对如何将人类飞船加速到光速的十分之一这个问题上一筹莫展的时候，年轻的程心提出了一个突破常规的方案——

和以往推进设备和目标设备一体的设计不同，程心创造性地提出了预先将负责推进的核弹运送到指定位置排成直线，当探测器到达的时候依次引爆。

在小说中，这个极具想象力的计划最终成功实现了预定目标。

“CATCH计划”就是这样一个有着科幻般想象力却又在现实中真实推进的天文计划。

美国科学院院士、时域天文学领军人物Shrinivas Kulkarni曾评价道：

“如果真的能实现，它将改变游戏规则。”

这一次，中科院高能所的天文学家们，要做“宇宙的猎手”。

2021年10月20日，中科院高能所，CATCH计划正式启动。

   

在启动当天的参与方中，除了中科院高能所，还有国家空间科学中心、清华大学、上海天文台、腾讯等众多机构。

你没看错，参与方里的确有互联网公司腾讯。

那么，现在的问题是——对于这个目标为“刻画极端宇宙的多维度动态全景”的超级项目，似乎和天文毫不相关的腾讯可以发挥什么作用呢？

这需要从聚焦型X射线望远镜的控制与调度开始说起：

CATCH计划所使用的望远镜被安装在小型卫星上，这些卫星被发射到特定的轨道上排成阵列，它们对调度的精度要求极高。

现实的问题是：要实现多个卫星根据实时变化灵活调度是一个极其复杂的问题。

根据以往的经验，单颗卫星的观测调度通常就需要一个小型团队来专门支持，而对于体量高达上百颗卫星的CATCH计划来说，其复杂程度可想而知。

如果这些卫星不能根据实际天文变化实现智能调度，CATCH计划所描述的宏伟目标将无法实现。

而迎难而上的张双南或许也没有想到，这个问题的解决思路会交到一个和天文完全不相关的跨界团队的手上。

2021年，一个偶然的机会，CATCH团队和腾讯互娱部门搭上了线，彼时的腾讯正好也在致力于“游戏科技”在更多行业的的应用与落地。

和CATCH团队在北京见面的，是腾讯互娱研发效能部游戏AI技术总监殷俊和他的同事们。

而接待他的则是35岁的年轻博士后研究员陶炼以及由她领衔的CATCH团队成员，毕业于清华大学的陶炼是CATCH的首席科学家。

她向殷俊介绍了CATCH计划望远镜调度的需求和复杂性——如何灵活地控制上百颗卫星根据随时可能变化的状况独自或协同观察一个或多个目标天体。

尽管对天文的众多专业术语并不精通，但在游戏AI技术领域浸润多年的殷俊对复杂决策的问题却异常敏感。

他想到的解决方案是腾讯游戏已经广泛应用的“多智能体强化学习”。

作为AI领域”复杂决策“的重要方法，“多智能体强化学习”已经应用在包括王者荣耀在内的多款游戏的机器对战中。

具体来说，游戏AI可以通过多智能体深度学习与强化学习训练，使其自身对战水平得以匹配大多数玩家的水平。

直观地说，在某些游戏场景下，和你对战的并非完全是真人而是游戏的AI。

但这个AI非常聪明，聪明到你意识不到它是AI，它能如某个水平的真人一样根据不同的游戏战况实时合理地调整自己的策略。

如果运用到CATCH项目中，游戏AI技术控制的将不再是游戏玩家而是一颗颗搭载着望远镜的卫星，让它们随时根据宇宙天文的变化调整自身的姿态从而完成目标观测计划。

在经过一系列的交流、讨论和“互相翻译”之后，双方一拍即合。

2022年6月27日，腾讯游戏正式宣布将以AI技术助力CATCH项目。

“腾讯的研发人员很快就理解了我们的研究重点，并对我们的研究方向展现了极高的兴趣。”

陶炼这样评价与腾讯游戏的合作。

按照计划，CATCH项目将在2023年发射第一颗试验卫星，并在2023-2030年之间发射10颗卫星组成“宇宙猎手”验证星座，2030年后完成百颗卫星的全面部署。

尽管离卫星的发射还尚需时日，但调度的技术推进已经在有条不紊地进行中。

在准备阶段，腾讯游戏的团队需要在一个模拟宇宙爆发的仿真环境中对调度AI进行训练，拟真的卫星根据模拟的宇宙爆发场景进行调度和调优。

具体来说，腾讯团队为模型训练配备了高并发的分布式环境，可以支持接入上万路模拟环境同时训练，还能利用训练样本，进行分布式训练。

对于项目中腾讯的工程师们而言，参与“仰望星空”的CATCH计划是一种前所未有的体验。

和科学家一道窥探宇宙的过去、现在与未来让每一位年轻的工程师们心潮澎湃。

他们明白，自己写下的代码将穿越云霄、飞出地球，驱动无数颗“太空眼睛”望向浩渺宇宙的深处。

而在未来等待他们的将是无法预料却又异常笃定的天文惊喜。

这一刻，属于游戏与科学跨界碰撞的浪漫。

四

游戏与科学继续跨界碰撞。

在近日由腾讯发起，特邀中国科学院国家天文台作为学术顾问单位联合主办的“WE大会中外深空探索科学家对话”活动上。

CATCH计划的腾讯侧负责人邓大付在同美国韦布望远镜高级科学家约翰·马瑟、国家天文台巡天空间望远镜光学设施责任科学家詹虎、《中国国家天文》杂志执行总编苟利军的对话中分享了CATCH计划的诸多细节与进展。

事实上，参与CATCH计划是腾讯“游戏技术”系列计划的一个缩影。

在过去几年，腾讯一直致力于游戏技术在游戏之外的应用与推广。

不同的游戏技术已跨界应用于工业、文化、科研等多个领域，游戏技术的作用力正在“外溢”到现实世界，游戏的形态与边界也在不断地升级和突破。

以这次腾讯科学WE大会为例，引擎渲染和腾讯CDD虚拟影棚拍摄技术等游戏科技，将科学家演说及“科技树”发布打造成一场影视级“科幻大片”，高精度还原呈现“人造太阳”、中国空间站等代表国家科技突破的宏大科学装置。

让观众可以360°观察装置，跟随嘉宾演讲感受“太空出舱作业”、“大海万米深潜”等场景的科技壮美。

事实上，游戏产业在本质上是一个技术生态，它横跨了显示技术、渲染技术、基础通讯、图形处理、AI、云等多个交叉领域。

从更宏观的视角，游戏是一个模拟现实的过程。

模拟现实的过程需要技术高度参与，游戏对实时计算、图形处理、基础通讯、前端交互等是天生的交叉型技术，游戏技术恰好可以和工业数字化、数字孪生、智能协同等领域进行深度融合。

因此，在更宏观的下一代互联网“超级数字场景”中，游戏技术在某种意义上会成为未来数实融合产业中的“元技术”，将起到“造梦工坊”的基础设施作用。

游戏技术，将比我们想象中走的更远。

在小说中，三体人选择用游戏向人类介绍三体文明真实状况；

在现实中，游戏和它背后的技术将和人类一同构建一个全新的数字文明。

——End——