人工智能能成為科學(xué)家發(fā)現(xiàn)引力波的利器嗎？

嘿，HAL，你能幫我們找到黑洞撞擊嗎？

數(shù)值相對(duì)論模擬的科學(xué)可視化描述了兩個(gè)黑洞碰撞一致和雙黑洞合并GW170814星是一致的。（圖片來源：阿貢領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算機(jī)設(shè)施，可視化與數(shù)據(jù)分析小組[Janet Knowles, Joseph Insley, Victor Mateevitsi, Silvio Rizzi]）

科學(xué)家們?cè)谌钪嫠褜ば污欕y覓的引力波，新的工具：人工智能或許會(huì)增強(qiáng)他們?cè)谶@項(xiàng)工作中的發(fā)現(xiàn)。

引力波是時(shí)空波紋，產(chǎn)生于大質(zhì)量物體加速或受到干擾時(shí)，例如一個(gè)黑洞和一顆中子星相撞。通過阿爾伯特·愛因斯坦的理論，研究者們?cè)?015年第一次通過LIGO (高級(jí)激光干涉儀引力波天文臺(tái))發(fā)現(xiàn)了引力波，從而證實(shí)了其真實(shí)存在。六年后的現(xiàn)在我們已經(jīng)探測(cè)到了至少50條引力波。

但是在繼續(xù)探測(cè)引力波時(shí)，一些科學(xué)家認(rèn)為如果使用AI技術(shù)，他們能更快速的注意到引力波信號(hào)，因此也會(huì)更加頻繁地發(fā)現(xiàn)引力波。在一項(xiàng)新的研究中，研究者們展示了使用超級(jí)計(jì)算機(jī)和AI技術(shù)是如何使其成為可能的。

“在這項(xiàng)研究中，我們將AI和超級(jí)計(jì)算機(jī)的力量合在一起，來幫忙解決及時(shí)的相關(guān)的大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，我們現(xiàn)在不僅是確認(rèn)AI是否能為巨大的挑戰(zhàn)提供新的解決方案，而且已經(jīng)能讓AI研究完全可再生。”艾琉·赫爾塔，能源部美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和來自阿貢、芝加哥大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校、NVIDIA和IBM的合作方一起主導(dǎo)了這項(xiàng)研究，并在一份研究報(bào)告中做了以上表述。

在這項(xiàng)新的研究里，小組發(fā)展出一份AI框架，希望將其應(yīng)用于更快速，更具規(guī)模及可再生的引力波探測(cè)中。根據(jù)同一份報(bào)告，該小組認(rèn)為這一框架比現(xiàn)有的方法更快捷，而且僅需最基礎(chǔ)且便宜的GPU來處理LIGO數(shù)據(jù)。作為參考：這種GPU通常用于視頻游戲系統(tǒng)。

有了AI框架，小組處理LIGO 2017年一整個(gè)月的數(shù)據(jù)只用了不到七分鐘，還識(shí)別出全部四種由黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)。還是同一份報(bào)告，這四種信號(hào)早就已經(jīng)被科學(xué)家定義過了。

“作為一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家，這個(gè)項(xiàng)目最讓我激動(dòng)的地方在于只要用對(duì)工具，AI方法可以非常自然地成為科學(xué)工作的一部分，讓他們的工作完成的更快更好。增強(qiáng)而非取代人類智慧。”伊恩·福斯特，阿貢數(shù)據(jù)科學(xué)與學(xué)習(xí)分部總監(jiān)在同一報(bào)告中發(fā)表以上論述。

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黑洞是宇宙中一處超級(jí)隱蔽區(qū)。任何粒子或電磁射線，光線都無法逃逸，廣義相對(duì)論證明了足夠的致密質(zhì)量是可以扭曲時(shí)空從而形成黑洞的。無法逃逸的邊界稱為事界。盡管它對(duì)穿越其的物體的命運(yùn)和環(huán)境會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，但是根據(jù)廣義相對(duì)論，它尚無固定可探測(cè)的特點(diǎn)，在很多方面黑洞看上去就像一個(gè)理想黑體，不會(huì)反射任何光線。

此外，彎曲時(shí)空中量子場(chǎng)理論預(yù)測(cè)事界會(huì)發(fā)射霍金射線，它的光譜和質(zhì)量與溫度成反比的黑體相同。對(duì)于星球黑洞來說，這一溫度大約是1/10億開爾文，這使得黑洞基本上不可能直接被觀測(cè)到。

在廣義相對(duì)論里，引力波是時(shí)空的漣漪。當(dāng)投擲石頭到池塘里時(shí)，會(huì)在池塘表面產(chǎn)生漣漪，從石頭入水的位置向外傳播。當(dāng)帶質(zhì)量物體呈加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)在時(shí)空產(chǎn)生漣漪，從帶質(zhì)量物體位置向外傳播，這種時(shí)空的漣漪就是引力波[1][2]。由于廣義相對(duì)論限制了引力相互作用的傳播速度為光速，因此兩個(gè)宇宙物體間萬有引力的感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生引力波的現(xiàn)象，我們可以想像在平面上放置一顆重球移動(dòng)后，造成平面的時(shí)空扭曲波擴(kuò)散出去要一段時(shí)間，之后才會(huì)對(duì)遠(yuǎn)方的另一顆球產(chǎn)生影響。相反地說，牛頓重力理論中的相互作用是以無限的速度傳播，所以在這一理論下并不存在引力波[3]。