波音公司物理學家的十八般武藝

編譯 蔡立英

在客機飛行過程中，每小時都會有數十個傳感器監視數千個參數，產生大約1.5 TB的信息。隨著在下一代飛機中增加更多的傳感器，以便及時發現維護問題，預計數據量將增加10倍，并且在10小時的飛行中會生成超過1PB的信息。

杰伊·洛厄爾（Jay Lowell）是波音公司的高級技術研究員，也是波音研究與技術部（該公司的中央研發機構）麾下的90多名物理學家之一。他和他的團隊必須應對不斷增長的海量數據。他認為神經形態處理器（像神經網絡一樣配置的芯片）可以幫助解決機載數據處理問題并標記異常情況。他指出：“神經形態處理器對于機器學習和人工智能應用極為有效。”

但是，使用當前的處理器技術運行機器學習和人工智能程序需要數十乃至數百千瓦的功率，而如今的飛機通常使用50瓦的功率來處理維護數據。洛厄爾補充說，把所有數據從飛機群傳輸到云端進行處理的帶寬永遠都不夠，并指出，目前僅在服役的波音737就有大約10 000架。

在波音公司新成立的顛覆性計算和網絡公司的組織下，波音公司的物理學家正在攻克的挑戰之一就是數據問題。第二個攻關重點是通過將中央處理器與協處理器（例如圖形處理器）配對，來升級高性能計算結構。洛厄爾說，在執行較少數量的特定任務時，GPU比CPU“效率更高”。波音正在研究使用比當今頂級性能超級計算機更多種類協處理器的架構。從更長遠來看，波音公司看到了用量子傳感和量子計算來解決諸如制造優化等問題的前景。

這個邊長2.5厘米的超材料立方體是波音公司、加利福尼亞大學圣迭戈分校和其他大學的研究人員，依據2004年美國國防部高級研究計劃局的合同制造的。該項目表明，科學家可以用類似真實材料的形態，設計出具有特殊性質的人造材料

除了計算之外，波音公司的物理學家還處理許多其他問題：從處理飛機遭遇雷擊到保護工廠工人免受靜電電擊等。但是，他們不會無限期專注一個問題或一個課題。無論他們花費兩個月還是兩年來解決問題，一旦將解決方案交給工程師實施，他們的下一個任務很可能與上一個任務截然不同。洛厄爾一語道破：“我們的工作就是把自己從工作中解脫出來。”

2016年，洛厄爾在波音公司的第一個任務是改善工廠機器人系統的功能。洛厄爾說：“他們需要的是能像物理學家那樣解決問題并理解其中基本原理的人。”結果是，他需要運用計量學原理來了解機器人如何進行測量，并借助經典力學來識別和表征機器人執行任務的限制因素。物理學還有助于他捕獲數據和制圖，以洞悉正在發生的過程。他說：“然后，您必須對捕獲的數據進行分析，從而在工廠規模上對整個系統進行建模。”最后，他提出的更改和修復建議大大提高了工廠的效率。

接受《今日物理》采訪的波音公司的物理學家謝絕談論他們在使波音737 MAX客機恢復服務中所起的作用，只說擁有各種專業背景的員工正在研究該問題。在導致客機上346名乘客和機組人員均遇難的兩起墜機事故發生后，2019年3月，波音737 MAX客機被政府當局停飛。事故歸因于機載操縱特性增強系統的故障，該故障不斷導致飛機的機頭朝下。

解決問題

洛厄爾曾在美國空軍學院任教，并且曾在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）擔任項目經理。他認為，波音公司的物理學家所遇到的現實環境與學術環境不同，一方面，大學里的科學家傾向于專注較窄的研究范圍。洛厄爾說：“而另一方面，我們波音公司的物理學家則將物理研究應用于足夠具體的實際問題，因此，我們無須進行大量假設，我們不必把問題隨意分解得微不足道。”

與大多數學術研究相比，波音公司在規模和細節上的要求都更高。例如，2006年加入波音公司的物理學家德揚·尼基奇（Dejan Nikic）說，對機翼的流體力學建模必須考慮到小翼、縫隙和襟翼。模擬機翼在飛行過程中彎曲時的顫動和彈性會增加建模的復雜性。

然而，與確定飛機部件、發動機和飛機周圍的氣流如何結合在一起將噪音傳播到地面所需的計算資源相比，機翼建模所需的計算資源顯得微不足道。洛厄爾說，即使是最強大的超級計算機，解決這些問題也要花費數月時間。將噪聲水平降低一半將為航空公司帶來巨大好處，許多機場可以放寬或取消對通宵起降的禁令。

與他們的學術同行不同，波音公司的科學家很少發表他們的研究報告，大多數情況下是因為所有權。尼基奇指出，發表成果也有可能引發監管的變革，他的研究興趣包括等離子體物理和脈沖功率的電磁學，他從事激光武器和雷擊等課題的研究。

洛厄爾說，平均而言，客機每年遭遇雷擊一兩次。隨著制造商開始采用更多的復合材料以減輕重量，要建造安全驅散閃電并讓機艙避開閃電的法拉第籠就愈加復雜。洛厄爾說，對于金屬飛機來說，這很容易。“閃電跟隨著飛機的金屬外殼，它不會穿透到飛機內部，或者可能只有幾百安培的電流。復合材料的導電性不及金屬，可能會有數千安培的電流通到飛機內部。”

物理學家有足夠的能力來理解電流如何在飛機的構件之間流動，包括把構件固定在一起的緊固件之間電流流動的微觀細節。尼基奇說：“我們已經做了一些事情，例如，了解雷擊到機身表面時的等離子體密度和溫度，羽流包含的物質，雷電穿透給定材料的距離以及腐蝕速率。所有這些都是基礎物理學的問題。”

保護復合材料飛機的方法是：通過在復合材料疊層中加入一層金屬箔來提高飛機外殼表面的導電性。這樣做可以減少轉移到飛機子結構中的電流量，飛機子結構本身就設計了處理轉移電流的功能。波音公司增加了其他專有功能，以提供后備的保護層。

更司空見慣的是，尼基奇經常被叫去處理工廠工人的投訴，這些工人把機翼板放在高壓釜中固化后，從機翼板上剝離塑料板時，通常會受到無害但令人討厭的靜電電擊。解決方案包括：改變機翼板的去封裝方式、改變工人的穿著以及其他措施。洛厄爾說：“其他嘗試解決這個問題的人都沒有取得進展。”

思維差異

米納斯·塔涅利安（Minas Tanielian）是一位非典型的波音公司物理學家。他在波音公司工作的30多年中，專門與大學、DARPA和其他聯邦機構開展合作。他還從事無線系統、微系統、自動系統、量子設備和激光供能系統等領域的研究。他擁有65項專利，發表了60多篇科研論文。目前，他與美國空軍科學研究辦公室簽訂了合同，開展大學與工業界有關無線電能傳輸的合作項目。

波音公司的電子物理工程師丹尼斯·迪蓋（Dennis Dugay）在公司位于加利福尼亞州亨廷頓海灘的實驗室的消聲室內。迪蓋開發和測試飛機通信系統的射頻和微波組件

將近20年前，塔涅利安在閱讀《今日物理》（2000年5月，第17頁）中有關左手材料（現稱為超材料）的一則新聞報道后，與加利福尼亞大學圣迭戈分校的研究人員取得了聯系。他說：“我和大學的研究人員組建了一個團隊，我們啟動了DARPA的超材料研究項目。最初，超材料的概念在工程界引發了一些爭議，但在6個月內我們開展了一項實驗，驗證了超材料的真實性并發表了研究結果。最終，該項目在DARPA進入了第二階段：負折射率材料研究，我們將重點放在應用上。”塔涅利安隨后在波音公司的國防業務中找到了該技術的應用，他表示，出于專利原因無法在此談論具體內容。

為DARPA項目開發的一些建模工具后來用于開發手機上的小型電子天線。洛厄爾說，這是基礎物理學經常通過“擦板投籃”從基礎物理學轉化到應用的一個例子：“并不是說你所做的研究總是直接應用到你可能想到的地方，而是中間還有一步之遙。”

波音公司的科學家說，物理學家采用的還原論方法是進行故障排除的理想選擇。洛厄爾指出：“當去處理故障時，物理學家解決問題的方法是問：我該如何將系統簡化為最核心本質的物理學，然后再逐步提高復雜性？而工程師則從復雜性入手，然后在復雜性上研究系統，有時會努力簡化問題以弄清問題。”

塔涅利安說，物理學家還幫助彌合不同專業的工程師和從事多學科研究的其他科學家之間的知識鴻溝。他解釋說，比如，電氣工程師可能不了解機械工程、熱學或項目的其他方面，而機械工程師可能不太懂電子學。“物理學家在如何做一些專業的事情上不是專家，但是他們了解事情發生或相互作用的核心，尤其是在多學科環境中。”

廣納賢才

洛厄爾說，波音公司希望招募有實驗背景的人、有理論背景的人、有分析能力的人和有統計能力的人。“在我們這樣規模的公司中，各種問題的涉及面很廣，因此我們所需的人才技能是既廣又深。”

洛厄爾預計，未來兩年內，僅波音公司的顛覆性計算和網絡公司將至少需要12名新物理學家。對量子物理學家（從事超算研究和具有建模經驗）需求特別大，此外還需要處理大量數據和代碼（利用不同類型的處理器）的高能物理學家。

塔涅利安說：“我們試圖招募年輕物理學家進入工業界特別是波音公司（實際上是一家工程公司）方面并不容易。”