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

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 報道 | 公眾號 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，發(fā)現(xiàn)愛因斯坦預言的引力波，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)表了廣義相對論，之后物理學家就預測，兩個黑洞合并會產(chǎn)生引力波。

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

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

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

安裝方法簡單到甚至可以通過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。甚至用鼠標拖動動畫，全方位360度觀看黑洞合并過程：

你以為這就是全部內(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間。

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

△ LIGO

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

為何要模擬引力波

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

我們?nèi)绾斡^測引力波？

愛因斯坦的廣義相對論說，引力波是“時空的漣漪”，就是有質(zhì)量的物體在運動時對時空的擾動。

但是，引力波實在太微弱了。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的最強引力波源，由于黑洞本身只是一個強引力源，因此在合并過程中，它們只會輻射引力波。

為了觀測到引力波，來自加州理工學院和MIT的一群物理學家，搞了個激光干涉引力波天文臺LIGO。

這地方是專門用來探測引力波的，像是長了兩條呈直角分布的“L”形手臂。當引力波出現(xiàn)時，每條手臂中的激光，會測量手臂長度的相對差異。

這個過程非常困難，因為每天LIGO都會收到許多帶有大量噪聲的微弱信號。

來自馬薩諸塞大學的助理教授Scott E. Field對此解釋道：

這個難度，就像是在嘈雜的餐廳里試圖用手機聽歌識曲一樣。

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，再對它進行探測。

這就是數(shù)值模擬引力波的重大意義。

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

但在數(shù)值模擬引力波上，物理學家又遇到了困難——

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

對于這些黑洞的合并，來自馬薩諸塞大學的Gaurav Khanna表示：

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

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

2005年，物理學家用超級計算機模擬了2個月，才得到了一個數(shù)值解。對于質(zhì)量比大于10：1的情況，可能需要超算不停算幾年，這顯然是不切實際的。

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

其實還有一個方法——簡化計算。

這些來自馬薩諸塞大學的物理學家們，就希望用機器學習簡化這個計算過程。

他們甚至真的做了個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。

其計算結(jié)果與用超算模擬的結(jié)果，準確度相差不到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。

安裝過程非常簡單，前面已經(jīng)說過。它的使用方法也很簡單。

因為黑洞合并只取決于以下幾個物理量：質(zhì)量、自轉(zhuǎn)角動量、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表示兩個黑洞的質(zhì)量之比，chiA和chiB后分別是兩個黑洞的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)速度（均已歸一化）。

不同的參數(shù)會產(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

目標星辰大海

地面上的LIGO已經(jīng)無法滿足物理學家們的需求了。

在地球上，用于測量引力波的兩條干涉臂長度有限，如果把探測器建到太空中，那么干涉臂可以長達100多萬公里，大大提高了探測精度。

這就是歐洲空間局ESA和NASA設(shè)想的天基引力波探測計劃LISA，預計在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。

因為星系中央可能存在著10億個太陽質(zhì)量的巨大黑洞，當它把普通黑洞吸入其中時，就會產(chǎn)生這類超大質(zhì)量比的合并事件。

另一邊，物理學家們正在開展著數(shù)值計算的準備。

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

項目地址：
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/?