模拟黑洞引力波，只需要一台笔记本？
模拟黑洞引力波，只需要一台笔记本？
本文来自微信公众号：量子位（ID：QbitAI），作者：边策、萧箫，原文标题：《我用1台笔记本模拟黑洞引力波，和超算2个月得出的结果只差1%丨马萨诸塞大学出品》，题图来自：Wikipedia
模拟黑洞产生的引力波，听起来好可怕，那一定需要巨大的算力吧？
确实，发现爱因斯坦预言的引力波，人类用了100年，而用超算精确模拟它，人们用了90年！
1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，之后物理学家就预测，两个黑洞合并会产生引力波。
直到2005年，科学家才得到了第一个黑洞合并数值解，而且是用超算断断续续算了2个月。
但现在，你只需要一台macOS或Linux系统的笔记本电脑，也能计算黑洞合并，还是带动画模拟的那种。
这是由加州理工学习博士Vijay Varma开发的一款Python包，用于模拟两个黑洞在旋转过程中如何对外辐射引力波，以及它们合并的全过程。
安装方法简单到甚至可以通过PyPI直接安装：
pip install binaryBHexp
然后你只需输入一串参数，就能在笔记本上模拟引力波了。甚至用鼠标拖动动画，全方位360度观看黑洞合并过程：
你以为这就是全部内容？不不不，以上只是“副产品”而已。
真正的“主菜”是，这位博士用AI开发出了迄今为止最精确的模拟黑洞合并模型，而且大大缩短了模拟时间。
现在物理学家们要把这项技术用于模拟更复杂的黑洞合并过程，帮助引力波干涉天文台（LIGO）能发现更多的引力波，或是验证广义相对论，或者找到它的缺陷。
△ LIGO
凭借这项工作，这位博士已经在顶级期刊《物理评论快报》上发表了多篇论文。
为何要模拟引力波
既然实验上能发现引力波，我们为何还要数值模拟它？在了解这个问题之前，我们首先要解决一个问题：
我们如何观测引力波？
爱因斯坦的广义相对论说，引力波是“时空的涟漪”，就是有质量的物体在运动时对时空的扰动。
但是，引力波实在太微弱了。只有黑洞合并这类事件，才能辐射出让我们发现的引力波。
黑洞合并是目前公认的最强引力波源，由于黑洞本身只是一个强引力源，因此在合并过程中，它们只会辐射引力波。
为了观测到引力波，来自加州理工学院和MIT的一群物理学家，搞了个激光干涉引力波天文台LIGO。
这地方是专门用来探测引力波的，像是长了两条呈直角分布的“L”形手臂。当引力波出现时，每条手臂中的激光，会测量手臂长度的相对差异。
这个过程非常困难，因为每天LIGO都会收到许多带有大量噪声的微弱信号。
来自马萨诸塞大学的助理教授Scott E. Field对此解释道：
这个难度，就像是在嘈杂的餐厅里试图用手机听歌识曲一样。
只有大致知道曲子的内容，才能更容易地在背景噪声中发现它。
也就是说，必须先想办法用数值模拟它，再对它进行探测。
这就是数值模拟引力波的重大意义。
毕竟，人们目前还只探测到部分引力波，连它具体长啥样都还没完全弄明白，不同的质量、自转公转速度会形成什么样的引力波，需要求解极为复杂的广义相对论方程才能模拟。
但在数值模拟引力波上，物理学家又遇到了困难——
用超算求解广义相对论方程，只能较快地模拟出其中一部分引力波长啥样，就是质量比小于10：1的两个黑洞合并产生的引力波。
对于这些黑洞的合并，来自马萨诸塞大学的Gaurav Khanna表示：
这就像是模拟一艘巨轮和一只小帆船在航行时可能产生的相互影响，毕竟后者几乎完全不会影响到巨轮的航线。
但对于另一部分黑洞，也就是质量比大于10：1的两个黑洞合并所产生的引力波，模拟需要的计算量就太大了。
2005年，物理学家用超级计算机模拟了2个月，才得到了一个数值解。对于质量比大于10：1的情况，可能需要超算不停算几年，这显然是不切实际的。
那么质量比大于10：1的两个黑洞合并，真的就无法探测它们的引力波了吗？
其实还有一个方法——简化计算。
这些来自马萨诸塞大学的物理学家们，就希望用机器学习简化这个计算过程。
他们甚至真的做了个Python工具包，而且从研究结果来看，已经成功模拟了质量比为3：1的黑洞合并过程。
其计算结果与用超算模拟的结果，准确度相差不到1%。
一行命令模拟黑洞合并
这款模拟黑洞合并的可视化工具叫做binaryBHexp。
安装过程非常简单，前面已经说过。它的使用方法也很简单。
因为黑洞合并只取决于以下几个物理量：质量、自转角动量、公转速度。
将这些数值输入到命令中：
binaryBHexp --q 2 --chiA 0.2 0.7 -0.1 --chiB 0.2 0.6 0.1
参数q表示两个黑洞的质量之比，chiA和chiB后分别是两个黑洞的自转与公转速度（均已归一化）。
不同的参数会产生截然不同的黑洞合并现象。
比如下面一组参数，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，将其甩出所在星系：
binaryBHexp --q 1.34 --chiA 0.62 -0.27 0.34 --chiB -0.62 0.27 0.34
目标是星辰大海
地面上的LIGO已经无法满足物理学家们的需求了。
在地球上，用于测量引力波的两条干涉臂长度有限，如果把探测器建到太空中，那么干涉臂可以长达100多万公里，大大提高了探测精度。
这就是欧洲空间局ESA和NASA设想的天基引力波探测计划LISA，预计在2035年发射。
到了太空中，精度的提高能让我们看到更大质量比的黑洞合并事件，比如质量比超过100万的情况。
因为星系中央可能存在着10亿个太阳质量的巨大黑洞，当它把普通黑洞吸入其中时，就会产生这类超大质量比的合并事件。
另一边，物理学家们正在开展着数值计算的准备。
Scott Field和Gaurav Khanna教授预计今年夏天将更大质量比的计算模型发表在arxiv上，不知道会带来哪些惊喜。
项目地址：https://vijayvarma392.github.io/binaryBHexp/
参考链接：
[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/
本文来自微信公众号：量子位（ID：QbitAI），作者：边策、萧箫