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(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)表了廣義相對論,之后物理學(xué)家就預(yù)測,兩個黑洞合并會產(chǎn)生引力波。
直到2005年,科學(xué)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(xué)習(xí)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(biāo)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(xué)家們要把這項技術(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(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。
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(rèn)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(xué)院和MIT的一群物理學(xué)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(dāng)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(xué)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(fù)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(xué)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(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(xué)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(xué)的物理學(xué)家們,就希望用機器學(xué)習(xí)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(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(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(yù)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(dāng)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(xué)家們正在開展著數(shù)值計算的準(zhǔn)備。
Scott Field和Gaurav Khanna教授預(yù)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。
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