我用1臺(tái)筆記本模擬黑洞引力波，和超算2個(gè)月得出的結(jié)果只差1%丨馬薩諸塞大學(xué)出品

蕭簫 2021-05-16 19:39:16 來源：量子位

邊策 蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

模擬黑洞產(chǎn)生的引力波，聽起來好可怕，那一定需要巨大的算力吧？

確實(shí)，發(fā)現(xiàn)愛因斯坦預(yù)言的引力波，人類用了100年，而用超算精確模擬它，人們用了90年！

1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，之后物理學(xué)家就預(yù)測(cè)，兩個(gè)黑洞合并會(huì)產(chǎn)生引力波。

直到2005年，科學(xué)家才得到了第一個(gè)黑洞合并數(shù)值解，而且是用超算斷斷續(xù)續(xù)算了2個(gè)月。

但現(xiàn)在，你只需要一臺(tái)macOS或Linux系統(tǒng)的筆記本電腦，也能計(jì)算黑洞合并，還是帶動(dòng)畫模擬的那種。

這是由加州理工學(xué)習(xí)博士Vijay Varma開發(fā)的一款Python包，用于模擬兩個(gè)黑洞在旋轉(zhuǎn)過程中如何對(duì)外輻射引力波，以及它們合并的全過程。

安裝方法簡(jiǎn)單到甚至可以通過PyPI直接安裝：

pip?install?binaryBHexp

然后你只需輸入一串參數(shù)，就能在筆記本上模擬引力波了。甚至用鼠標(biāo)拖動(dòng)動(dòng)畫，全方位360度觀看黑洞合并過程：

你以為這就是全部?jī)?nèi)容？不不不，以上只是“副產(chǎn)品”而已。

真正的“主菜”是，這位博士用AI開發(fā)出了迄今為止最精確的模擬黑洞合并模型，而且大大縮短了模擬時(shí)間。

現(xiàn)在物理學(xué)家們要把這項(xiàng)技術(shù)用于模擬更復(fù)雜的黑洞合并過程，幫助引力波干涉天文臺(tái)（LIGO）能發(fā)現(xiàn)更多的引力波，或是驗(yàn)證廣義相對(duì)論，或者找到它的缺陷。

△ LIGO

憑借這項(xiàng)工作，這位博士已經(jīng)在頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了多篇論文。

為何要模擬引力波

既然實(shí)驗(yàn)上能發(fā)現(xiàn)引力波，我們?yōu)楹芜€要數(shù)值模擬它？在了解這個(gè)問題之前，我們首先要解決一個(gè)問題：

我們?nèi)绾斡^測(cè)引力波？

愛因斯坦的廣義相對(duì)論說，引力波是“時(shí)空的漣漪”，就是有質(zhì)量的物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)時(shí)空的擾動(dòng)。

但是，引力波實(shí)在太微弱了。只有黑洞合并這類事件，才能輻射出讓我們發(fā)現(xiàn)的引力波。

黑洞合并是目前公認(rèn)的最強(qiáng)引力波源，由于黑洞本身只是一個(gè)強(qiáng)引力源，因此在合并過程中，它們只會(huì)輻射引力波。

為了觀測(cè)到引力波，來自加州理工學(xué)院和MIT的一群物理學(xué)家，搞了個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO。

這地方是專門用來探測(cè)引力波的，像是長(zhǎng)了兩條呈直角分布的“L”形手臂。當(dāng)引力波出現(xiàn)時(shí)，每條手臂中的激光，會(huì)測(cè)量手臂長(zhǎng)度的相對(duì)差異。

這個(gè)過程非常困難，因?yàn)槊刻霯IGO都會(huì)收到許多帶有大量噪聲的微弱信號(hào)。

來自馬薩諸塞大學(xué)的助理教授Scott E. Field對(duì)此解釋道：

這個(gè)難度，就像是在嘈雜的餐廳里試圖用手機(jī)聽歌識(shí)曲一樣。

只有大致知道曲子的內(nèi)容，才能更容易地在背景噪聲中發(fā)現(xiàn)它。

也就是說，必須先想辦法用數(shù)值模擬它，再對(duì)它進(jìn)行探測(cè)。

這就是數(shù)值模擬引力波的重大意義。

畢竟，人們目前還只探測(cè)到部分引力波，連它具體長(zhǎng)啥樣都還沒完全弄明白，不同的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)速度會(huì)形成什么樣的引力波，需要求解極為復(fù)雜的廣義相對(duì)論方程才能模擬。

但在數(shù)值模擬引力波上，物理學(xué)家又遇到了困難——

用超算求解廣義相對(duì)論方程，只能較快地模擬出其中一部分引力波長(zhǎng)啥樣，就是質(zhì)量比小于10：1的兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波。

對(duì)于這些黑洞的合并，來自馬薩諸塞大學(xué)的Gaurav Khanna表示：

這就像是模擬一艘巨輪和一只小帆船在航行時(shí)可能產(chǎn)生的相互影響，畢竟后者幾乎完全不會(huì)影響到巨輪的航線。

但對(duì)于另一部分黑洞，也就是質(zhì)量比大于10：1的兩個(gè)黑洞合并所產(chǎn)生的引力波，模擬需要的計(jì)算量就太大了。

2005年，物理學(xué)家用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬了2個(gè)月，才得到了一個(gè)數(shù)值解。對(duì)于質(zhì)量比大于10：1的情況，可能需要超算不停算幾年，這顯然是不切實(shí)際的。

那么質(zhì)量比大于10：1的兩個(gè)黑洞合并，真的就無法探測(cè)它們的引力波了嗎？

其實(shí)還有一個(gè)方法——簡(jiǎn)化計(jì)算。

這些來自馬薩諸塞大學(xué)的物理學(xué)家們，就希望用機(jī)器學(xué)習(xí)簡(jiǎn)化這個(gè)計(jì)算過程。

他們甚至真的做了個(gè)Python工具包，而且從研究結(jié)果來看，已經(jīng)成功模擬了質(zhì)量比為3：1的黑洞合并過程。

其計(jì)算結(jié)果與用超算模擬的結(jié)果，準(zhǔn)確度相差不到1%。

一行命令模擬黑洞合并

這款模擬黑洞合并的可視化工具叫做binaryBHexp。

安裝過程非常簡(jiǎn)單，前面已經(jīng)說過。它的使用方法也很簡(jiǎn)單。

因?yàn)楹诙春喜⒅蝗Q于以下幾個(gè)物理量：質(zhì)量、自轉(zhuǎn)角動(dòng)量、公轉(zhuǎn)速度。

將這些數(shù)值輸入到命令中：

binaryBHexp?--q?2?--chiA?0.2?0.7?-0.1?--chiB?0.2?0.6?0.1

參數(shù)q表示兩個(gè)黑洞的質(zhì)量之比，chiA和chiB后分別是兩個(gè)黑洞的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)速度（均已歸一化）。

不同的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生截然不同的黑洞合并現(xiàn)象。

比如下面一組參數(shù)，展示了引力波巨大的“后坐力”，它的能量可以把黑洞加速到光速的1/100，將其甩出所在星系：

binaryBHexp?--q?1.34?--chiA?0.62?-0.27?0.34?--chiB?-0.62?0.27?0.34

目標(biāo)星辰大海

地面上的LIGO已經(jīng)無法滿足物理學(xué)家們的需求了。

在地球上，用于測(cè)量引力波的兩條干涉臂長(zhǎng)度有限，如果把探測(cè)器建到太空中，那么干涉臂可以長(zhǎng)達(dá)100多萬公里，大大提高了探測(cè)精度。

這就是歐洲空間局ESA和NASA設(shè)想的天基引力波探測(cè)計(jì)劃LISA，預(yù)計(jì)在2035年發(fā)射。

到了太空中，精度的提高能讓我們看到更大質(zhì)量比的黑洞合并事件，比如質(zhì)量比超過100萬的情況。

因?yàn)樾窍抵醒肟赡艽嬖谥?0億個(gè)太陽質(zhì)量的巨大黑洞，當(dāng)它把普通黑洞吸入其中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這類超大質(zhì)量比的合并事件。

另一邊，物理學(xué)家們正在開展著數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)備。

Scott Field和Gaurav Khanna教授預(yù)計(jì)今年夏天將更大質(zhì)量比的計(jì)算模型發(fā)表在arxiv上，不知道會(huì)帶來哪些驚喜。

項(xiàng)目地址：
https://vijayvarma392.github.io/binaryBHexp/

參考鏈接：
[1]https://www.quantamagazine.org/new-black-hole-math-closes-cosmic-blind-spot-20210512/
[2]https://phys.org/news/2019-01-physicists-supercomputers-ai-accurate-black.html
[3]https://phys.org/news/2020-03-method-black-holes-galaxies.html
[4]https://pypi.org/project/surfinBH/
[5]https://pypi.org/project/binaryBHexp/?