黑洞周围的引力极其强大,任何物质一旦靠近到一定距离,就连光也无法逃脱。像陈志均这样的天体物理学家通过计算机模拟和观测来研究黑洞,但当前的算法和计算能力限制了这些模拟的真实性。

作为亚利桑那大学和斯图尔德天文台的研究员,陈志均正借助 Codex 攻克这一难题。

他表示,黑洞是检验爱因斯坦广义相对论的最佳场所之一。该理论目前是我们对引力的最佳解释:引力并非将物体拉拢的力,而是质量与能量弯曲时空结构的结果。

陈志均是国际事件视界望远镜(EHT)合作项目的成员,该项目于2019年发布了首张黑洞图像。该团队目前正在收集观测数据,旨在制作首部超大质量黑洞视频,重点关注M87星系中心的那个黑洞。

然而,将观测转化为科学理解需要海量数据处理、大规模计算工作流以及能够模拟宇宙中最极端物理现象的仿真程序。

由于光无法逃离黑洞,科学家转而研究其周围被称为事件视界的区域——这是一个物质无法逃逸的边界。“这是一道有去无回的表面,”陈志均说。在边界外旋转的物质会发出光线,天体物理学家可以观测、测量并模拟这些光。

EHT于2019年发布的图像显示,黑洞的阴影嵌在事件视界附近炽热的等离子体中。陈志均协助开发了团队用于解读观测数据的模拟和计算工具。此后,随着团队从静态图像转向视频研究,陈志均和同事们持续改进仪器和观测能力。

一段由超级计算机模拟生成的短视频,展示了银河系中心黑洞周围等离子体的运动。

图片来源: EHT理论工作组 / CK Chan

应对螺旋难题

陈志均团队面临的最大障碍之一是模拟黑洞周围的等离子体。等离子体是由带电电子和离子组成的超高温物质。

在许多模拟中,科学家将等离子体简化为流体,利用经典方程模拟其绕黑洞的运动。这种方法在密度较高、电子与离子频繁碰撞的等离子体中效果尚可。

但在陈志均团队研究的超大质量黑洞附近,某些区域温度极高且物质稀薄,粒子几乎不会相遇。“它们实际上不会相互碰撞,”他说。相反,粒子主要沿磁力线螺旋运动。

要正确模拟这种行为,研究人员需要追踪数万亿个电子和离子绕黑洞快速螺旋运动的轨迹。标准模拟必须计算每个微小转弯,迫使计算机采用极短的时间步长。

结果,即便是全球最快的超级计算机,大部分时间也耗费在计算这些微观粒子运动上,而非模拟科学家真正想研究的宏观行为。

“几十年来,这限制了我们对黑洞等离子体模拟的真实性,”陈志均说。

用AI构建更优的数字孪生

陈志均推测,新的数学技术或许能突破部分限制。基本思路是通过数学变换改变模拟追踪粒子运动的方式,使计算机无需直接追踪每个微小螺旋。

“但手动探索所有数学可能性将耗费大量时间,”陈志均说。于是他借助 Codex 推导候选算法,并用已知解进行验证。

Codex 生成了许多潜在方案——并非全部正确。“但这没关系,”他说,“大多数科学想法都会失败。关键在于这些算法是可检验的。一旦找到有效方案,就可能解锁此前无法实现的模拟。”

某些AI系统能直接返回结果,却不展示推导步骤。但陈志均的团队利用 Codex 提出并实现数值方案,以便他们从物理角度检查、测试和理解。

大型语言模型仍会出错,许多科学家对在研究中应用AI持谨慎态度。但陈志均认为,科学恰恰可能是当今AI系统的最佳应用场景之一,因为科学思想可以严格检验。

“我们不会因为某个想法来自爱因斯坦、优秀学生或AI模型就接受它,”他说,“只有经过反复验证后才会接受。”

陈志均将AI视为一种工具,能帮助研究人员探索更多想法、加速测试,并在坚持验证与可重复性的前提下推动发现。

如果陈志均用 Codex 测试的方法成功,新算法最终将让科学家模拟黑洞周围数万亿个粒子。这将使研究人员得以研究数十年来难以触及的物理现象。

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