摘要：发表在《自然》杂志上的一项具有里程碑意义的研究为模拟宇宙中最极端的事件——黑洞和中子星的碰撞——建立了新的基准。这项研究由柏林洪堡大学的 Jan Plefka 教授和伦敦玛丽皇后大学的 Gustav Mogull 博士领导，他曾在洪堡大学和马克斯普朗克引力物理

发表在《自然》杂志上的一项具有里程碑意义的研究为模拟宇宙中最极端的事件——黑洞和中子星的碰撞——建立了新的基准。这项研究由柏林洪堡大学的 Jan Plefka 教授和伦敦玛丽皇后大学的 Gustav Mogull 博士领导，他曾在洪堡大学和马克斯普朗克引力物理研究所（阿尔伯特爱因斯坦研究所）工作，并与国际物理学家团队合作进行，为理解引力波至关重要的计算提供了前所未有的精度。

该团队使用受量子场论启发的尖端技术，计算了散射角、辐射能量和反冲等可观测物的后闵可夫斯基 （5PM） 的第五阶数。这项工作的一个开创性方面是在辐射能和反冲中出现 Calabi-Yau 三重周期——植根于弦论和代数几何的几何结构。这些结构曾经被认为是纯粹的数学结构，现在在描述现实世界的天体物理现象时找到了相关性。

随着 LIGO 等引力波天文台进入新的灵敏度阶段，以及 LISA 等下一代探测器的问世，这项研究满足了对具有超高精度的理论模型日益增长的需求。

Mogull 博士解释了其重要性：“虽然我们正在研究的两个黑洞通过引力相互作用和散射的物理过程在概念上很简单，但所需的数学和计算精度水平却是巨大的。

柏林洪堡大学博士生 Benjamin Sauer 补充道：“Calabi-Yau 几何图形的出现加深了我们对数学和物理之间相互作用的理解。这些见解将通过改进我们用于解释观测数据的模板来塑造引力波天文学的未来。

这种精度对于从椭圆束缚系统捕获信号尤为重要，其中的轨道更类似于高速散射事件，在这个领域中，关于缓慢移动的黑洞的传统假设不再适用。

引力波是由加速的大质量物体引起的时空涟漪，自 2015 年首次被发现以来，已经彻底改变了天体物理学。精确模拟这些波的能力增强了我们对宇宙现象的理解，包括黑洞在散射后的“踢”或反冲——这一过程对星系的形成和演化具有深远的影响。

也许最诱人的是，在这种情况下发现 Calabi-Yau 结构将天体物理学的宏观领域与量子力学的复杂数学联系起来。“这可能会从根本上改变物理学家处理这些功能的方式，”马克斯·普朗克引力物理研究所和柏林洪堡大学的团队成员 Uhre Jakobsen 博士说。“通过展示它们的物理相关性，我们可以专注于阐明自然界中真实过程的具体例子。”

该项目利用柏林 Zuse 研究所超过 300,000 个核心小时的高性能计算来求解控制黑洞相互作用的方程，展示了计算物理学在现代科学中不可或缺的作用。“这些计算资源的迅速可用性是项目成功的关键，”领导计算工作的博士生 Mathias Driesse 补充道。

Plefka 教授强调了这项工作的协作性质：“这一突破突显了跨学科努力如何克服曾经被认为无法克服的挑战。从数学理论到实际计算，这项研究体现了突破人类知识界限所需的协同作用。

这一突破不仅推动了引力波物理学领域的发展，而且弥合了抽象数学与可观测宇宙之间的差距，为即将到来的发现铺平了道路。这项合作将进一步扩大其工作范围，探索高阶计算并将新结果用于未来的引力波形模型。除了理论物理学之外，本研究中使用的计算工具（如 KIRA）也可用于对撞机物理学等领域。

这一成就是广泛的国际合作以及先进的数学和计算方法的结果。这项研究的基础是在柏林洪堡大学的 Plefka 小组中奠定的，在那里，世界线量子场论形式主义与 Gustav Mogull 博士一起开创。随着时间的推移，合作范围扩大到包括世界领先的专家，如从 CERN 搬到柏林洪堡大学并成为 KIRA 软件开发商的 Johann Usovitsch 博士，以及数学物理学家 Christoph Nega 博士（慕尼黑工业大学）和 Albrecht Klemm 教授（波恩大学），他们是 Calabi-Yau 流形的领先专家。

该项目通过 Plefka 教授的 ERC 高级资助 GraWFTy、RTG 2575 重新思考量子场论以及德国研究基金会 5582 的新研究单位（Plefka 和 Klemm 是该研究小组的首席研究员）获得了关键资金。该项目还得到了 Mogull 博士的皇家学会大学研究奖学金、世界线量子场论引力波的支持。

来源：人工智能学家