天体物理学家用Codex模拟黑洞等离子体

黑洞周围的引力极其强大，一旦物质或光线进入足够近的区域，连光都无法逃脱。像Chi-kwan Chan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模拟的真实程度。

借助Codex，这位亚利桑那大学和斯图尔德天文台的研究员正在解决这个问题。

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：引力不是一种将物体拉在一起的力，而是质量与能量弯曲时空结构的结果。

Chan是国际事件视界望远镜（EHT）合作团队的成员，该团队在2019年发布了第一张黑洞图像。团队目前正在收集观测数据，以制作首个超大质量黑洞的视频，重点聚焦M87星系中心的那个。

但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过程的模拟程序。

由于光线无法逃逸黑洞，科学家转而研究黑洞周围称为事件视界的区域——一个物质无法跨越的边界。"这是一条不归路，"Chan说道。在这个边界之外旋转的物质会发出光线，天体物理学家可以观测、测量并模拟这些光线。

EHT在2019年发布的那张图像显示了一个黑洞的影子，嵌在事件视界附近发光的等离子体中。Chan协助开发了团队用于解释观测数据的模拟和计算工具。此后，Chan及其同事不断完善仪器和观测能力，团队正从静态图像迈向视频。

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

解决螺旋难题

对于Chan及其团队来说，最大的障碍之一是模拟黑洞周围的等离子体。等离子体由带电的电子和离子构成，是超高温物质。

在许多模拟中，科学家将等离子体简化为流体，使用已知方程模拟其在黑洞周围的运动。在电子和离子不断碰撞的较密集等离子体中，这种简化效果相当不错。

但在Chan和同事研究的超大质量黑洞附近，有些区域变得极其高温且稀薄，粒子之间很少相遇。"它们实际上不会相互碰撞，"Chan说。相反，粒子主要沿着磁场线螺旋运动。

为了正确模拟这种行为，研究人员需要追踪数万亿个电子和离子在黑洞周围快速旋转的轨迹。标准模拟必须计算每一个微小的转向，迫使计算机采用极小的时间步长。

结果，即使是世界上最快的超级计算机，大部分时间也耗费在计算这些微小的粒子运动上，而不是模拟科学家真正想研究的大尺度行为。

"几十年来，这限制了我们对黑洞等离子体模拟的真实程度，"Chan说。

用AI构建更好的数字孪生

Chan推测，新的数学技术可以绕过其中一些限制。基本思路是数学上改变模拟追踪粒子运动的方式，使计算机不再需要直接追踪每一个微小的螺旋。

"但手动探索所有数学可能性会耗费大量时间，"Chan说。于是他转向Codex，帮助推导候选算法并针对已知解进行测试。

Codex生成了许多潜在方法——并非全部正确。"但这没关系，"Chan说，"大多数科学想法都会失败。重要的是这些算法是可测试的。一旦找到可行的方法，它就有可能解锁以往无法进行的模拟。"

某些AI系统可以返回结果而不显示得出结果的步骤。但Chan的团队使用Codex提出并实现数值方案，让他们能够检查、测试并从物理上理解。

大语言模型仍然会出错，许多科学家对在研究中用AI持谨慎态度。但Chan认为，科学恰恰可能是当今AI系统的最佳用途之一，因为科学想法可以接受严格检验。

"我们不是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，"只有经过反复测试，我们才会接受。"

Chan将AI视为一种工具，可以帮助研究人员探索更多想法，更快地测试它们，在坚持验证和可重复性的基础上加速发现。

如果Chan用Codex测试的方法取得成功，新算法最终将能让科学家模拟黑洞周围数万亿个粒子。这将使研究人员能够研究几十年来无法触及的物理现象。

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原文链接：OpenAI Blog
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