數學科學與國家安全

2014-6-18 08:37 |個人分類:科學書摘

2025 美國科學院國家研究理事會 科學出版社

　　

　　國家安全非常依賴於數學科學。美國國家安全局擁有約1000 名數學家，當然，這個數字可能會減半或者加倍，取決於與數學交叉領域的研究人員是否定義為數學家。美國國家安全局每年雇傭40—50 位數學家，並試圖保持穩定的增長速度，讓數學科學界知道具有數學專業背景的人可以在國家安全局找到工作。美國國家安全局希望美國數學科學界健康發展，有足夠多的經過良好數學教育的美國公民。美國國家安全局雇傭具有數學專業背景的人員大部分擁有研究生學歷，其中碩士學位和博士學位約各佔一半。美國國家安全局招聘的數學科學人員的學科背景幾乎覆蓋數學科學的所有領域，而不是數學科學某一特定分支領域，因為沒人能預測數學科學的哪個分支領域對國家安全的貢獻最大。例如，一些數學家在數十年前猜測橢圓曲線對美國國家安全局具有重大意義，而現在橢圓曲線成為密碼學的一個重要基礎專業。

　　密碼學很明顯依賴於數學，數學科學和國家安全之間還存在許多其他聯繫。一個例子是網路分析，它對於國防至關重要。另一例子是科學計算。約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）創造第一台計算機的原始目的之一是，為了模擬氫彈中發生的情況，需要進行必要的計算。多年以後，隨著空中核實驗和地下核試驗的禁止，美國再次依靠模擬，這一次是為了保持其核武器庫的備用狀態。由於國防依賴於尖端設備設計和製造，數學科學對先進工程設計和製造做出了重要貢獻，因此，國防還是依賴於數學科學。國防使用的數學工具的複雜程度逐漸加大。數學科學對於後勤、模擬訓練和測試、軍事演習、圖像和信號分析、衛星和航天器的控制，以及新設備的測試和評估，也是必不可少的。

　　

　　在戰場上或戰場外的新設備產生了超過目前可以分析的、令人目不暇接的數據量。如何能夠自動分析戰場上或戰場外的新設備產生的大數據，是數學和統計學面臨的巨大挑戰。我們能否編程，讓計算機自動分析一張衛星圖像，以檢測建築物和道路，並分析圖像中非季節變化因素導致的某一位置何時出現重大變化。如何通過分析高光譜數據（這些數據度量了所有頻率頻譜的反射光）來檢測化學武器工廠的煙柱？能否在雜亂環境中識別敵方車輛和船舶？這些問題本質上都依賴於數學科學的進步。

　　以前沒有出現過的一個非常嚴重的威脅是：關鍵性的網路在不斷地遭受來歷不明的盜賊、惡作劇者和黑客的複雜攻擊。隨著網路攻擊日益複雜化，基於數學科學的自適應技術在可靠地檢測和預防網路攻擊、制定預防和防止網路攻擊的新策略方面將發揮重要作用。

　　目前，美國國防部遴選了7 個科技領域，優先對它們進行投資，以維護國家安全。

　　（1）數據決策：依靠數據決策的科學和應用領域，以減少分析和使用大型數據集所需的周期和人力。

　　（2）工程化彈性系統：工程化的概念、科學和設計工具，用於防禦武器系統的惡意妥協，以及用於發展靈活的製造業，以製造出值得信賴和放心的防禦系統。

　　（3）網路科學與技術：發展有利於提高網路效率的科學和技術。

　　（4）電子作戰/電子保護：新概念和新技術，以保護系統，並擴展整個電磁頻譜的能力。

　　（5）反擊大規模殺傷性武器：提升美國國防部定位、保護、監控、標記、跟蹤、攔截、消除和追溯大規模殺傷性武器和材料的能力。

　　（6）自主系統：實現自主系統的科學和技術，在各種環境中安全可靠地完成複雜任務。

　　（7）人類系統：增強人機界面的科學與技術，提高執行廣泛任務的生產力和效率。

　　

　　數學科學顯然在優先領域（1）和（3）中發揮了重要作用，數學在支撐其他優先領域上也發揮重要作用。數學科學的進展使得我們能對複雜系統進行基於模擬的設計、測試和控制，這樣的工作對於創建彈性系統是必不可少的。一些信號分析與處理方面的改進性方法（如關於模式識別的更快的演算法、更敏感的方案）對發展電子作戰和保護的能力至關重要。我們應用數學為分析社會網路而快速開展的工具（基於網路統計分析的新方法），也用於提高反擊大規模殺傷性武器的能力。機器學習方面的數學科學方法，對於提高我們的自主性和人機界面能力是必要的。計算神經科學在很大程度上依賴於數學科學，同時它也是人機界面未來較有前景的發展方向。

　　「威脅檢測」領域通常需要數學科學的多種技術。如何快速檢測生物恐怖襲擊引起的病原體傳播的模式？如何理解恐怖主義網路結構？能否設計出具有最佳抵禦攻擊能力的電網、交通運輸網路？一個新的威脅是不斷升級的網路戰。反擊網路戰涉及數學科學的多個領域：更好的加密、優化的網路設計，新興的數學和統計學密集型異常檢測技術。

　　本文摘編自美國科學院國家研究理事會編著，劉小平、李澤霞譯《2025年的數學科學》，標題為編者所加，圖片來自於網路。更多2025年的數學科學，敬請關注科學出版社：