我用1枱筆記本模擬黑洞引力波，和超算2個月得出的結果只差1%丨馬薩諸塞大學出品_風聞

　　邊策 蕭簫 發自 凹非寺

　　量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

　　模擬黑洞產生的引力波，聽起來好可怕，那一定需要巨大的算力吧？

　　確實，發現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，愛因斯坦發表了廣義相對論，之後物理學家就預測，兩個黑洞合併會產生引力波。

　　直到2005年，科學家才得到了第一個黑洞合併數值解，而且是用超算斷斷續續算了2個月。

　　但現在，你只需要一台macOS或Linux系統的筆記本電腦，也能計算黑洞合併，還是帶動畫模擬的那種。

　　這是由加州理工學習博士Vijay Varma開發的一款Python包，用於模擬兩個黑洞在旋轉過程中如何對外輻射引力波，以及它們合併的全過程。

　　安裝方法簡單到甚至可以通過PyPI直接安裝：

　　pip install binaryBHexp

　　然後你只需輸入一串參數，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度觀看黑洞合併過程：

　　你以為這就是全部內容？不不不，以上只是“副產品”而已。

　　真正的“主菜”是，這位博士用AI開發出了迄今為止最精確的模擬黑洞合併模型，而且大大縮短了模擬時間。

　　現在物理學家們要把這項技術用於模擬更復雜的黑洞合併過程，幫助**引力波干涉天文台（LIGO）**能發現更多的引力波，或是驗證廣義相對論，或者找到它的缺陷。

　　△ LIGO

　　憑藉這項工作，這位博士已經在頂級期刊**《物理評論快報》**上發表了多篇論文。

　　為何要模擬引力波

　　既然實驗上能發現引力波，我們為何還要數值模擬它？在瞭解這個問題之前，我們首先要解決一個問題：

　　我們如何觀測引力波？

　　愛因斯坦的廣義相對論説，引力波是“時空的漣漪”，就是有質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。只有黑洞合併這類事件，才能輻射出讓我們發現的引力波。

　　黑洞合併是目前公認的最強引力波源，由於黑洞本身只是一個強引力源，因此在合併過程中，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的一羣物理學家，搞了個激光干涉引力波天文台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佈的“L”形手臂。當引力波出現時，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裏試圖用手機聽歌識曲一樣。

　　只有大致知道曲子的內容，才能更容易地在背景噪聲中發現它。

　　也就是説，必須先想辦法用數值模擬它，再對它進行探測。

　　這就是數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，不同的質量、自轉公轉速度會形成什麼樣的引力波，需要求解極為複雜的廣義相對論方程才能模擬。

　　但在數值模擬引力波上，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，就是質量比小於10：1的兩個黑洞合併產生的引力波。

　　對於這些黑洞的合併，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隻小帆船在航行時可能產生的相互影響，畢竟後者幾乎完全不會影響到巨輪的航線。

　　但對於另一部分黑洞，也就是質量比大於10：1的兩個黑洞合併所產生的引力波，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，才得到了一個數值解。對於質量比大於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。

　　那麼質量比大於10：1的兩個黑洞合併，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，而且從研究結果來看，已經成功模擬了質量比為3：1的黑洞合併過程。

　　其計算結果與用超算模擬的結果，準確度相差不到1%。

　　一行命令模擬黑洞合併

　　這款模擬黑洞合併的可視化工具叫做binaryBHexp。

　　安裝過程非常簡單，前面已經説過。它的使用方法也很簡單。

　　因為黑洞合併只取決於以下幾個物理量：質量、自轉角動量、公轉速度。

　　將這些數值輸入到命令中：

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

　　參數q表示兩個黑洞的質量之比，chiA和chiB後分別是兩個黑洞的自轉與公轉速度（均已歸一化）。

　　不同的參數會產生截然不同的黑洞合併現象。

　　比如下面一組參數，展示了引力波巨大的“後坐力”，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已經無法滿足物理學家們的需求了。

　　在地球上，用於測量引力波的兩條幹涉臂長度有限，如果把探測器建到太空中，那麼幹涉臂可以長達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設想的天基引力波探測計劃LISA，預計在2035年發射。

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

　　因為星系中央可能存在着10億個太陽質量的巨大黑洞，當它把普通黑洞吸入其中時，就會產生這類超大質量比的合併事件。

　　另一邊，物理學家們正在開展着數值計算的準備。

　　Scott Field和Gaurav Khanna教授預計今年夏天將更大質量比的計算模型發表在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/