仿照黑洞产生的引力波，听起来好恐怖，那一定须要巨大的算力吧？
确实，创造爱因斯坦预言的引力波，人类用了100年，而用超算精确仿照它，人们用了90年！
1915年，爱因斯坦揭橥了广义相对论，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，你只须要一台macOS或Linux系统的条记本电脑，也能打算黑洞合并，还是带动画仿照的那种。
这是由加州理工学习博士Vijay Varma开拓的一款Python包，用于仿照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。
安装方法大略到乃至可以通过PyPI直接安装：
pipinstallbinaryBHexp
然后你只需输入一串参数，就能在条记本上仿照引力波了。乃至用鼠标拖动动画，全方位360度不雅观看黑洞合并过程：
你以为这便是全部内容？不不不，以上只是“副产品”而已。
真正的“主菜”是，这位博士用AI开拓出了迄今为止最精确的仿照黑洞合并模型，而且大大缩短了仿照韶光。
现在物理学家们要把这项技能用于仿照更繁芜的黑洞合并过程，帮助引力波干涉天文台（LIGO）能创造更多的引力波，或是验证广义相对论，或者找到它的毛病。
△ LIGO
凭借这项事情，这位博士已经在顶级期刊《物理评论快报》上揭橥了多篇论文。
为何要仿照引力波既然实验上能创造引力波，我们为何还要数值仿照它？在理解这个问题之前，我们首先要办理一个问题：
我们如何不雅观测引力波？
爱因斯坦的广义相对论说，引力波是“时空的荡漾”，便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宜，才能辐射出让我们创造的引力波。
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。
为了不雅观测到引力波，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。当引力波涌现时，每条手臂中的激光，会丈量手臂长度的相对差异。
这个过程非常困难，由于每天LIGO都会收到许多带有大量噪声的微弱旗子暗记。
来自马萨诸塞大学的助理教授Scott E. Field对此阐明道：
这个难度，就像是在喧华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，才能更随意马虎地在背景噪声中创造它。
也便是说，必须先想办法用数值仿照它，再对它进行探测。
这便是数值仿照引力波的重大意义。
毕竟，人们目前还只探测到部分引力波，连它详细长啥样都还没完备弄明白，不同的质量、自转公转速率会形成什么样的引力波，须要求解极为繁芜的广义相对论方程才能仿照。
但在数值仿照引力波上，物理学家又碰着了困难——
用超算求解广义相对论方程，只能较快地仿照出个中一部分引力波长啥样，便是质量比小于10：1的两个黑洞合并产生的引力波。
对付这些黑洞的合并，来自马萨诸塞大学的Gaurav Khanna表示：
这就像是仿照一艘巨轮和一只小帆船在航行时可能产生的相互影响，毕竟后者险些完备不会影响到巨轮的航线。
但对付另一部分黑洞，也便是质量频年夜于10：1的两个黑洞合并所产生的引力波，仿照须要的打算量就太大了。
2005年，物理学家用超级打算机仿照了2个月，才得到了一个数值解。对付质量频年夜于10：1的情形，可能须要超算一直算几年，这显然是不切实际的。
那么质量频年夜于10：1的两个黑洞合并，真的就无法探测它们的引力波了吗？
实在还有一个方法——简化打算。
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打算过程。
他们乃至真的做了个Python工具包，而且从研究结果来看，已经成功仿照了质量比为3：1的黑洞合并过程。
其打算结果与用超算仿照的结果，准确度相差不到1%。
一行命令仿照黑洞合并这款仿照黑洞合并的可视化工具叫做binaryBHexp。
安装过程非常大略，前面已经说过。它的利用方法也很大略。
由于黑洞合并只取决于以下几个物理量：质量、自转角动量、公转速率。
将这些数值输入到命令中：
binaryBHexp--q2--chiA0.20.7-0.1--chiB0.20.60.1
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率（均已归一化）。
不同的参数会产生截然不同的黑洞合并征象。
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--q1.34--chiA0.62-0.270.34--chiB-0.620.270.34
地面上的LIGO已经无法知足物理学家们的需求了。
在地球上，用于丈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。
这便是欧洲空间局ESA和NASA设想的天基引力波探测操持LISA，估量在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宜，比如质量比超过100万的情形。
由于星系中心可能存在着10亿个太阳质量的巨大黑洞，当它把普通黑洞吸入个中时，就会产生这类超大质量比的合并事宜。
另一边，物理学家们正在开展着数值打算的准备。
Scott Field和Gaurav Khanna教授估量今年夏天将更大质量比的打算模型揭橥在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/
— 完 —
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