人工智能可以帮助科学家发现引力波吗？

1. 人工智能可以帮助科学家发现引力波吗？

“你”能帮我们找到黑洞碰撞吗？科学家们在整个宇宙中寻找难以捉摸的引力波，或许能够用一种新工具来增强他们的发现：人工智能。引力波是时空中的涟漪，当一个大质量物体被加速或扰动时产生，例如当黑洞和中子星碰撞时。根据阿尔伯特·爱因斯坦的理论，它们的存在于 2015年得到证实，研究人员使用 LIGO（先进的激光干涉仪引力波天文台）发现了第一个引力波。现在，仅仅六年后，至少探测到了 50 次引力波事件。
     
 然而，虽然科学家们继续探测引力波，但有些人认为，通过使用人工智能 (AI)，研究人员可以更快地发现这些信号，因此更频繁。在一项新研究中，研究人员展示了如何使用超级计算机和人工智能技术实现这一点。“在这项研究中，我们利用人工智能和超级计算的综合力量来帮助解决及时和相关的大数据实验。我们现在正在使人工智能研究完全可重复，而不仅仅是确定人工智能是否可以为重大挑战提供新的解决方案， 美国能源部阿贡国家实验室的计算科学家 Eliu Huerta 与来自阿贡、芝加哥大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、NVIDIA 和 IBM 的合作者一起领导了这项研究。
     
 项新研究中，该团队开发了一个人工智能框架，他们希望可以将其用于快速、可扩展和可重复的引力波探测。该团队建议该框架可能比现有方法快得多，并且只需要一个相当基本且廉价的图形处理单元 (GPU) 来处理 LIGO 数据。以此为参考，此类 GPU 通常用于视频 游戏 系统。
     
 借助人工智能框架，该团队在不到 7 分钟的时间内处理了 2017 年一整月的 LIGO 数据，然后识别出由黑洞合并引起的所有四个引力波信号。科学家此前已经确定了相同的四个信号。这个项目展示了如何通过正确的工具，将人工智能方法自然地集成到科学家的工作流程中——让他们更快更好地完成工作——增强而不是取代人类的智能。

2. 量子力学对人类探测引力波能起到什么帮助？

1915年，伟大的爱因斯坦正式发表了他的广义相对论。对于人类来说，这是物理学进入一个全新时代的大门被敞开。


根据爱因斯坦的广义相对论，科学家们发现了一个完全不一样的物理世界，并且借此预言了很多物理现象，如黑洞、虫洞等等天体，以及水星的进动现象、天体的引力透镜效应等等。在所有爱因斯坦的预言中，最神奇的大概就是引力波了。
甚至在提出引力波的概念时，爱因斯坦本人也认为它太过于微弱，人类可能无法检测到它的存在。不过，随着人类科技的发展，我们的设备终于可以证明这个神奇的现象了。即便如此，科学家仍然需要利用几公里长的激光干涉仪阵列才能探测到它的蛛丝马迹。


（图片说明：激光干涉引力波天文台）
2016年2月11日，科学家利用激光干涉引力波天文台（简称：LIGO）首次探测到了双黑洞合并所产生的引力波现象，在广义相对论提出的101年后再一次证明了爱因斯坦的预言。自此以后，科学家们利用世界上最先的观测设备，又捕获到了多个引力波信号。可是，引力波的探测仍然非常困难，非要有强大而又巨大的观测设备不能观测。
最近，一支科学团队在《新物理学杂志》上发表了一篇论文，提出了一种新的引力波探测方法。令人意外的是，最新的这种探测方法并不需要那么巨大的设备，甚至在一张桌子上就能完成。因为这个方法虽然探测的是相对论的现象，但利用的原理却属于量子力学领域。


他们设计的“探测器”，其实是一块钻石。和普通钻石不同的是，他们会利用一个氮原子来替代其中的一个碳原子。这样一来，这块钻石就比原先的状态要多包含一个电子。而这个电子，就是探测引力波的关键。
我们知道，电子属于费米子，拥有着半整数的自旋。这意味着，它的自旋可以处于叠加态。如果通过激光照射这块钻石，那么这个多余的电子就可以处于可能向上也可能向下的叠加态。也就是说，只有对它进行测量的时候才知道它到底向上还是向下。
叠加态最好的例子就是薛定谔的猫，但是很多人自以为懂得叠加态，实则对它有着巨大的误解。薛定谔的猫在提出时原本是为了反驳叠加态的，而且所谓叠加态的猫并非既死又活，而是处于另一个状态。科学家比喻说，叠加态就像是一枚不断旋转的硬币，只有你把它按住，才知道它是正面朝上还是背面朝上。但是，在按住它之前，正面和背面都不是朝上的。


（图片说明：引力波可以改变量子领域的叠加态）
对于电子的自旋来说，也是一样的。当它处于叠加态时，它并非既向上又向下，而是要测量才能知道。
该团队指出：我们可以将这块钻石放置于磁场中，利用磁场改变其叠加态，使得两个不同的自旋状态发生偏移，其中一种偏向北极，另外一种偏向南极。在这种情况下，当引力波穿过这块钻石的时候，不同的自旋状态会受到不同的影响。通过检测其中的差异，就可以检测到引力波。
还是用那个硬币的比喻，如果我们正常来旋转硬币的话，如果测量次数足够多，就会发现正面和背面朝上的次数基本上是各占一半。但是，如果有引力波的加入，就好像硬币变成了一侧重一侧轻的情况，自然是轻的那侧朝上概率更高。


更重要的是，这个“仪器”真的非常小，它只需要重量为10^-17 kg的纳米级金刚石晶体即可。不过，这绝不意味着它的复杂程度低。实际上，即使是利用这个方法，引力波的探测难度依然非常高。
据介绍，这个探测方法对实验室的要求非常高。首先，我们需要屏蔽外界的电磁干扰，否则就得不到想要的结果。另外，这也要求这块实验需要在自由落体的状态下进行，所以要么给它安排一个特定的轨道，要么就设置一个比较长的动力轴。
尽管他们已经从理论上证明了这个方法的可行性，但是目前它有待于实践的证明。该团队的研究人员、论文通讯作者Ryan J Marshman表示，他们接下来就准备联系实验人员。鉴于实验的难度，他们预计这个大胆的想法可能需要几十年才能实现。


即便如此，这个尝试也是值得进行的，它不仅仅可以节省大量的空间，并且能够提供前所未有的引力波探测精度。与此同时，它还能够做到LIGO力所不能及的一些方面的工作。
对于科学家来说，引力波是一项伟大的工具，可以让我们探测到宇宙中一些最极端的现象。即使是黑洞这样的天体，虽然我们无法真的看见它，但是通过双黑洞合并过程中产生的引力波，我们也可以了解一些关于这种神秘天体的性质。同样的，对于中子星，我们也有很多的未知。但是，在双中子星合并过程中产生的引力波，我们可以了解到中子星破碎瞬间发生了什么，了解到平时绝不可能直接观测的中子星核心。


尽管功能强大，但是引力波这个“宇宙工具”本身又需要强大的工具才能探测。不过，这样的努力是必须的，这是我们了解这个宇宙的一条重要途径。爱因斯坦已经给我们指明了方向，我们还需要通过自己的脚步，才能够到达那个伟大的目的地——宇宙。

3. 人类终于检测到引力波这对科技发展有什么意义？

引力波的被检测到，是发生巨烈天文事件然后分柝认证的，并不是直接观察到，即非人类可见的物理表现，而非物理现象，既然引力具有波表现，那么，人类对于引力波的探索是非不必再非从宏观宇宙中去研究，是非可以以地球引力和磁场进行探索的矢量。从潮汛变化，气候形成，大气流动，地震和大陆板块运动的规律，不同地区的引力表现状况，等等诸多方面去探讨引力在波动中的可能造成的影响，即可论证引力波对地球的影响。也许掌握了引力波的原理，人类也许就能摆脱对能源的依赖，实现对能量的掌控和运用。