How an astrophysicist uses Codex to help simulate black holes

标题：一位天体物理学家如何使用 Codex 来帮助模拟黑洞

URL 来源：https://openai.com/index/using-codex-to-simulate-black-holes

Markdown 内容： 黑洞周围的引力极其强大，以至于一旦接近黑洞，就连光也无法逃脱。天体物理学家如陈启坤（Chi-kwan Chan）通过计算机模拟和观测来研究黑洞。但目前的算法和计算能力限制了这些模拟的逼真程度。

借助 Codex，陈启坤——亚利桑那大学和斯图尔德天文台的研究人员——正在解决这个问题。

陈启坤表示，黑洞是检验爱因斯坦广义相对论的最佳场所之一。目前，广义相对论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，而是质量和能量弯曲时空结构的结果。

陈启坤是国际事件视界望远镜（EHT）合作项目的一员，该项目于 2019 年发布了首张黑洞图像。目前，该团队正在收集观测数据，以制作首部超大质量黑洞的视频，重点关注位于 M87 星系中心的黑洞。

但将观测结果转化为科学理解需要大量的数据处理、大规模的计算流程以及能够模拟宇宙中最极端物理现象的模拟工具。

由于光无法逃离黑洞，科学家们转而研究黑洞周围称为事件视界的区域，这是物质无法逃逸的边界。“这是一个无法返回的表面，”陈启坤说。在这一边界外盘旋的物质会发出天体物理学家可以观测、测量和模拟的光。

EHT 在 2019 年发布的图像显示，黑洞的阴影嵌在事件视界附近的发光等离子体中。陈启坤帮助开发了团队用于解释观测结果的模拟和计算工具。自那以后，陈启坤和他的同事们继续改进他们的仪器和观测能力，因为团队正从静态图像转向视频。

由超级计算机模拟生成的短片展示了银河系中心黑洞周围等离子体的运动情况。

来源： EHT 理论工作组 / CK Chan

解决一个螺旋问题

陈启坤和他的团队面临的最大障碍之一是模拟黑洞周围的等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成的高温物质。

在许多模拟中，科学家通过将等离子体视为流体来简化它，使用已知的方程来模拟它围绕黑洞的运动。这种方法在等离子体密度较高、电子和离子不断相互碰撞的区域效果较好。

但在陈启坤和他的同事研究的超大质量黑洞附近，某些区域变得如此热和稀薄，以至于粒子很少相互接触。“它们实际上并不会相互碰撞，”他说。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，它们在黑洞周围快速螺旋运动。标准模拟必须计算每一个微小的转弯，迫使计算机使用极小的时间步长。

结果是，即使世界上最快的超级计算机，也会花费大部分时间计算这些微小的粒子运动，而不是模拟科学家真正想研究的宏观行为。

“几十年来，这一直限制了我们模拟黑洞等离子体的现实程度，”陈说。

使用人工智能构建更好的数字孪生

陈认为，新的数学技术可能有助于克服其中一些限制。基本的想法是，从数学上改变模拟追踪粒子运动的方式，这样计算机就不需要直接跟踪每一个微小的螺旋。

“但手动探索所有数学可能性将需要大量时间，”陈说。因此，他转向 Codex，以帮助推导候选算法并将其与已知解决方案进行测试。

Codex 生成了许多潜在的方法——并非所有方法都是正确的。“但这没关系，”陈说。“大多数科学想法都会失败。重要的是这些算法是可测试的。一旦找到一个有效的算法，它就有可能解锁以前无法实现的模拟。”

一些人工智能系统可以返回结果，而不会展示它们用来得出结论的步骤。但陈的团队使用 Codex 来提出和实现他们可以检查、测试并物理理解的数值方案。

大型语言模型仍然会犯错误，许多科学家对在研究中使用人工智能仍持谨慎态度。但陈认为，科学可能是当今人工智能系统的最佳应用领域之一，因为科学想法可以被严格测试。

“我们不会因为一个想法来自爱因斯坦、一个聪明的学生或一个人工智能模型就接受它，”他说。“我们只在经过反复测试后才接受它。”

陈认为人工智能是一种工具，可以帮助研究人员探索更多想法，更快地进行测试，并在保持验证和可重复性的基础上加速发现。

如果陈使用 Codex 测试的方法取得成功，这些新算法最终可能使科学家能够模拟黑洞周围的数万亿个粒子。这将使研究人员能够研究几十年来一直无法触及的物理现象。