作者:Christopher J. Moore 来源:《交叉科学》 发布时间:2021/6/17 10:18:31
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当测试广义相对论时,微小建模误差能快速累积

 

英国伯明翰大学研究人员表示,当物理学家将多个引力波事件(如黑洞碰撞)结合起来测试爱因斯坦广义相对论时,小的建模误差积累可能会比之前预期的得更快。相关论文6月16日刊登于Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience(《交叉科学》)。研究结果表明,如果一个目录中有10到30个事件,而信噪比为20(这对于此类测试中使用的事件来说很典型),就可能产生偏离广义相对论的误导,错误地指向根本不存在的新物理现象。因为这接近于目前用来评估爱因斯坦理论的目录的大小,作者认为物理学家在进行这样的实验时应该谨慎。

“用引力波事件目录来检验广义相对论是一个非常新的研究领域。”该论文第一作者、英国伯明翰大学物理与天文学院和引力波天文研究所讲师Christopher J. Moore说,“这是首个详细研究理论模型误差在这种新测试中重要性的研究之一。众所周知,当你试图测试一个理论时,需要仔细处理模型中的错误,但当开始在目录中组合事件时,我们惊讶于小模型错误可以如此迅速地累积。”

1916年,爱因斯坦发表了广义相对论,该理论解释了巨大的天体如何扭曲相互连接的时空结构,从而产生重力。该理论预测,剧烈的外太空事件,如黑洞碰撞,会严重扰乱时空,从而产生被称为引力波的涟漪,这种涟漪以光速在空间中传播。像LIGO和Virgo这样的仪器已经探测到来自数十个合并黑洞的引力波信号,研究人员一直用这些信号验证广义相对论。到目前为止,该理论一直能被证实。为了进一步推进这一理论,物理学家们现在正在多个引力波事件组合目录上测试它。

“当我开始对引力波研究感兴趣时,其中一个主要吸引人的地方是可以对广义相对论进行新的、更严格的测试。”论文作者之一、伯明翰大学物理与天文学院和引力波天文研究所博士生Riccardo Buscicchio说,“这个理论非常棒,而且已经通过了一系列令人印象深刻的测试。但我们从物理的其他领域知道,它不可能完全正确。试图找出它到底错在哪里是物理学中最重要的问题之一。”

然而,虽然更大的引力波目录可以让科学家在不久的将来更接近答案,但它们也放大了出错的可能性。由于波形模型不可避免地涉及一些近似、简化和建模错误,对于单个事件具有高度准确性的模型在应用于大型事件目录时可能被证明具有误导性。

为了确定波形误差是如何随着目录规模的增加而增加的,Moore和同事使用简化的、线性模拟目录执行大量测试计算,其中包括绘制每个引力波事件的信噪比、失配和模型误差校准角度。研究人员发现,建模错误累积的速率取决于建模错误在许多不同的目录事件中是否趋于平均、每个事件的偏差值是否相同,以及波形建模误差在各事件中的分布情况。

Moore说:“下一步,我们将找到针对这些特定情况的方法,使用更现实但计算成本更高的模型。如果要对测试结果有信心,我们必须首先尽可能好地理解模型中的错误。”(来源:科学网 唐一尘)

相关论文信息:http://dx.doi.org/10.1016/j.isci.2021.102577

 
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