文章為《數(shù)位時(shí)代》獲授權(quán)轉(zhuǎn)載自編程派

美國(guó)科學(xué)家11日宣布，他們?nèi)ツ?月首次探測(cè)到重力波。這一發(fā)現(xiàn)印證了物理學(xué)大師愛因斯坦100年前的預(yù)言。宣布這一發(fā)現(xiàn)的，是鐳射干涉重力波天文臺(tái)（LIGO）的負(fù)責(zé)人。

這個(gè)機(jī)構(gòu)誕生于上世紀(jì)90年代，進(jìn)行重力波觀測(cè)已經(jīng)有近30年。那幺觀測(cè)到的重力波資料的量應(yīng)該很大，科學(xué)家如何對(duì)這些資料進(jìn)行分析？有沒有用到Python程式設(shè)計(jì)語言？

答案是肯定的。筆者在Github上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)專門用于分析重力波資料的Python套件：GWPY。據(jù)維護(hù)者介紹，GWPY的程式碼來自LIGO和另一個(gè)名叫Virgo的機(jī)構(gòu)，維護(hù)者將這兩個(gè)機(jī)構(gòu)科學(xué)家的Python程式碼整理，最終的產(chǎn)品就是GWPY這個(gè)使用者友好的Python套件。

在具體介紹GWPY之前，先給和筆者一樣不了解的人簡(jiǎn)單科普一下重力波和LIGO的相關(guān)知識(shí)。

上圖是兩個(gè)黑洞所產(chǎn)生的重力波的3-D模擬圖（NASA）。

首先，什幺是重力波？在物理學(xué)上，重力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，重力波被視為宇宙中的“時(shí)空漣漪”。

通常重力波的產(chǎn)生非常困難，地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進(jìn)，發(fā)出的重力波功率僅為200瓦，還不如家用電飯煲功率大。宇宙中大品質(zhì)天體的加速、碰撞和合併等事件才可以形成強(qiáng)大的重力波，但能產(chǎn)生這種較強(qiáng)重力波的波源距離地球都十分遙遠(yuǎn)，傳播到地球時(shí)變得非常微弱。

下面分享兩個(gè)優(yōu)秀的影片，很好地解釋了重力波及背后的原理。第一個(gè)來自LIGO，第二個(gè)則是比較通俗的漫畫式講解。

鐳射干涉重力波觀測(cè)站（ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）LIGO是加州理工學(xué)院（Caltech）和麻省理工學(xué)院（MIT）的合作實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在也有其他的大學(xué)參與。實(shí)驗(yàn)資金來源于美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)。LIGO是用來尋找宇宙中的重力波，從而可以驗(yàn)證黑洞的存在和檢驗(yàn)廣義相對(duì)論。

LIGO主要有兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，位于路易斯安那Livingston Parish的LIGO Livingston觀測(cè)點(diǎn)，和華盛頓 Hanford的LIGO Hanford觀測(cè)點(diǎn)。除此之外，在加州Passadena 的Caltech校園中還有LIGO 40m Prototype 。

影片：LIGO是如何探測(cè)重力波的？

接下來是本文的重頭戲。我們一起來學(xué)習(xí)如何GWPY分析重力波資料。下面的介紹及示例均來自GWPY的官方文件。

很簡(jiǎn)單，pip install gwpy就可以完成安裝。

不過安裝的過程可能會(huì)比較長(zhǎng)，因?yàn)間wpy使用的依賴套件比較多，套件括numpy、 scipy、 cycler、matplotlib、astropy等。

GWPY是一個(gè)物件導(dǎo)向程式設(shè)計(jì)的Python套件，也就是說，資料物件是這個(gè)套件的核心關(guān)注點(diǎn)。每一個(gè)資料物件都體現(xiàn)為一個(gè)類實(shí)例，套件含了其屬性和套件含的資料。

如果想創(chuàng)建一個(gè)新的類實(shí)例，建議使用標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建器（constructor）。舉個(gè)例子，我們可以使用一個(gè)資料陣列，生成一個(gè)TimeSeries物件：

我們知道，將重力波探測(cè)器收集的資料視覺化，對(duì)于理解重力波的特性、研究重力波信號(hào)來說非常有説明。gwpy.plotter模組中提供了一些plot類，可以直觀地展示相應(yīng)的資料類型。

文章: 2016-02-17 10:17:46-123.120.35.140

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