天文學家震驚了 通過90TB數據還原140億年宇宙演化史-搜狐娱乐新闻

                                                            2019年07月06日 11:34 来源:搜狐娱乐新闻
                                                            编辑:1分彩官方注册

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                                                            【清华两博士被退学】

                                                            中科院近代物理所牽頭研究這一技術∟▽∵,以上是他們委託我們做的嬗變系統的可視化☆◇♂。這些粒子正在直接加速器上衝刺┊∵△,下方條狀圖顯示∴↑,一開始♂,粒子團變化巨大↑?⊙,在加速過程中慢慢趨向穩定♀▽〇。管道中☆∵?,紅色和藍色的椎體是不同的磁極⊿,這些磁極的強度與分佈♀,還有粒子的初始速度┊↑,都是可以調節的⊙△。

                                                            可以看到各個國家不同年度的GDP值和排序變化□□,美國遙遙領先♀。總體來說⌒,各個國家的GDP值都在增長∟,增長的快慢決定其排名的變化⊙∵。中國上下徘徊幾次后∟∵┊,從1990年開始就義無反顧往上竄▽▽↑,勢頭很猛☆π,直到2010年穩定在第二▽。

                                                            可以看到△,一開始粒子均勻分佈?,後來在引力的作用下﹡┊,逐漸成各種不同的小團⊿,大團直接吞噬小團↑♂〇,兩個相當的大團相互碰撞〇﹡π,合併最終形成一個超大的星系團⌒♂▽。

                                                            採用軌跡線的方法π∵,手動在他們感興趣的區域撒點⌒∴,就像我們在河裡撒一些泡沫以觀察河流的緩急∴⊙∵。我們可以清楚到看到粒子是怎麼運動的∵,在哪兒開始被吞噬□┊▽,正如科學家期待的那樣﹡△π,這裏確實有物質噴出?。

                                                            可視化是什麼□☆□?其實可視化離我們很近♂﹡,比如堪稱年度恐怖大片的支付寶賬單♂,年年刷爆朋友圈∵,大家可能都被嚇到過☆♂。這是因為可視化太直觀了⊿∵△,它們把數據轉化為形象的圖表△〇,讓人們一目了然、快速地獲取信息┊♂∟,可以追蹤自己的飲食和消費習慣π∴,於是人們看完就想剁手♂。

                                                            星系演化模擬圖天文學家還想看看這些大星系團是怎麼一步一步演化而來的◇。於是我們可以挑出天文學家感興趣的局部的區域▽◇?。

                                                            玫瑰圖這張圖很像盛開的玫瑰↑♀☆,它有一個美麗的名字——玫瑰圖▽π。故事發生在1855年?,克里米亞戰爭期間◇∟,英軍傷亡慘重♀,當時一個叫南丁格爾的戰地護士□,她通過搜集數據♂,發現很大部分死亡原因其實並非是「戰死沙場」☆∟,而是因為在戰場外感染了疾病♂∟,或是在戰場上受傷♀☆∴,卻沒有得到適當的護理⌒♀。於是她設計了這個玫瑰圖〇△⊙。

                                                            宇宙結構模擬上圖是這個數據的可視化結果☆,就是我們現在宇宙的樣子⌒π∴。這些星系經歷了140億年的穿行∟,形成現在的各種星系團結構┊△,這些星團之間有一些絲狀結構的連接在一起◇⊿,也許左下角飛過的小亮點就是我們的地球♂。

                                                            南丁格爾把這份結果呈現給軍隊和伊麗莎白女王π↑,促成了世界第一座戰地醫院的建立◇π∟。也正因為有了戰地醫院及時的醫治與護理∵,死亡率從42%減低到2.2%∟,可以說這張圖挽救了很多戰士的生命⊙,這也足以證明可視化對信息傳遞的重要性♂。

                                                            各國GDP數據當然還可以複雜一些☆。這是大家熟悉的excel數據表↑♂,它記錄的是世界銀行統計的各國GDP的歷史數據▽□↑。密密麻麻的幾頁∵∵〇,給我們一天的時間也很難發現裏面有什麼規律⊙□。那我們把它可視化出來看看▽∵☆。

                                                            我們還可以跟這個圖進行交互∴π?,如果很想看看法國和中國♂,我們就可以選中它們□┊♀,重點看它們的變化和相互關係↑↑┊,可以看到中國在哪一年超越了法國□π↑。

                                                            如果我們像剛才畫恐龍那樣把數據直接畫出來∵⊙﹡,問題又來了⊙∴,什麼也看不見⊙▽,所以我們需要研究新的可視化算法♂。「體繪製技術」可以幫我們穿透這團迷霧△⌒♂。通過這種方法可以清晰地看到它是一隻手▽,還可以透過皮膚♀♂,看到血管與骨骼∟◇。

                                                            我們為他們定製了這樣一個可視化的工具∟∵,幫助他們直觀地分析數據⊙∴,看看物質是怎麼進入黑洞﹡☆∟,以什麼樣的軌跡進入黑洞⌒⌒,有沒有物質噴射出來⌒▽,如何噴射出來∴。

                                                            當我們把它可視化出來的時候□,跟我們合作的天文學家震驚了▽♂⊿,這是他們第一次可以直觀地看到自己模擬的整個宇宙及其動態演化┊∟∴。

                                                            通過這樣的可視化♀∴,科學家從這裏可以看到霧霾是怎麼在風場和地理環境的影響下♀π,從北京傳輸到武漢的∟⊙∴。這對他們理解霧霾的傳輸過程很重要♂﹡,可以更好地揭示不同地區間霧霾發生的相互關係△。

                                                            星系演化模擬圖天文學家還需要進一步分析其中的一個小的星系團↑,想看看它們在這場大的演化運動中☆〇,怎麼由小小的幾個星系團合併♂☆。

                                                            我們要從高鐵尾部產生的海量流線里∟∴,幫助科學家找到最感興趣的尾部渦旋﹡,也就是大家看到視頻當中運動的曲線♀。在這個過程中⊙□,科學家通過可視化?π,可以看到不同參數情況下渦旋的大小變化∴〇∴,就可以輔助高鐵的設計優化▽∴∟。

                                                            未來的可視化會是什麼樣子呢π?可視化也許會脫離屏幕的限制⌒,真正走到我們面前⊙,或許你一個動作∵♂,一個眼神﹡,就可以進行可視化的互動┊▽⊿,就跟現在科幻電影里的場景一樣◇,我相信♀□♂,這一天很快就會到來⊙。

                                                            2013年歐洲XMM牛頓太空望遠鏡發現了黑洞會噴射重金屬流的現象∵♀。這些現象的背後的具體機制是個不解之謎◇,也是天文界的重大科學問題↑┊↑。

                                                            高鐵可視化最後說說大家都熟悉的高鐵⊿▽↑。其實∵◇﹡,高鐵投入生產之前?,科學家需要做很多工作﹡。比如∴﹡﹡,為了以最少能量獲取最高的速度↑⊿,我們需要讓尾部的渦旋儘可能地小〇∴,這樣行駛過程中的阻力更小⊿┊♂。

                                                            科學家可以直觀地看到這些數值調節以後的效果◇▽。目前π,該研究工作已成功結題▽,正轉化為國家大科學裝置?,準備開工建設□。

                                                            這就是可視化△,把隱藏在數據中的規律化作直觀的圖像△□,讓數據開口講故事∟。這裏用到的是最簡單的可視化元素——柱狀圖〇π。

                                                            這麼大的數據☆⊿▽,這麼複雜的故事◇┊,需要用到超級計算機和各種複雜的可視化算法♂,才能把它裏面隱藏的特徵信息形象的表達出來♀⌒。天文學家只能把它們畫成簡單能量譜的曲線﹡♂。

                                                            來源:科學大院「這裡有四組數據▽△,每組數據都不一樣□∵∟,當我們用通常的統計方法來看這些數據的時候∴,它們的方差、相關性系統值都完全一樣⌒□,看不出任何差別┊◇。但是◇▽,當我們用可視化方法把這些數據畫出來時⊙▽?,就能一眼發現它們的不同∴?♂,特別是第四組數據〇◇,它其實是一隻可愛的小恐龍△。」

                                                            圖中有四組數據□□♂,每組數據都不一樣□☆。當我們用通常的統計方法來看這個數據的時候發現?☆,它x軸的均值y軸均值♂♂,方差、相關性系統值都完全一樣∴,看不出任何差別▽?,很多特徵信息都丟失了⊙▽⊿。看來統計方法是不行了↑〇,那我們用更高級的可視化方法試一下♀。

                                                            各國進出口貿易額上圖展示了蘇格蘭與其它各國的進出口貿易額⌒。17年後♂△,他又再接再厲♂△,創造了世界第一個餅圖∟∟┊,曲線圖⌒π。土耳其帝國在各州土地面積這個餅圖展示了土耳其帝國當時在非洲、歐洲、亞洲所佔領的土地面積☆﹡∵。英國與北美進出口貿易差這個曲線圖展示的是英國與北美的進出口貿易差?⊿◇。雖然這些是200年前繪製的圖表△,但這些表現形式我們到現在還經常使用♂♂,可見這位普萊費爾的偉大?。

                                                            數據的表現形式——統計圖說到柱狀圖⊙△,我們不得不提一個重要的人物——威廉·普萊費爾♀┊⌒,他是蘇格蘭一位非常有名的政治經濟學家♂□,兩百多年前他就意識到一個現象:那些身居高位、業務繁忙的商人只需要關注一些統計結果⊙,根本不需要大費周折去研究具體細節♀。

                                                            將這些數據可視化可以讓科學家直觀地看到上圖的畫面♂▽,這對科學家來說是非常關鍵的◇?,因為他們能清楚地看到洋流的速度、方向、溫度變化情況﹡。比如說圖中這些渦和流▽,它們的相互作用但對科學家來說意義重大〇⊙﹡。通過可視化我們甚至還可以觀測海洋污染﹡⊿?,比如石油泄漏∴﹡,潛水艇可以更加安全地航行┊。

                                                            這個是最大的星系團☆,是我們銀河系的一萬倍∵,我們可以清晰地看到它的內部層次┊,它通過140億年不斷吞噬合併其它星系而形成了現在這樣一個龐大的天體結構↑⌒☆。

                                                            洋流可視化我們都知道洋流對海洋航運﹡?π,氣候、地理環境都有很重要的影響∵▽。可是面對茫茫的大海♂,觀測資料很少↑☆,科學家迫切需要清楚地看到整個海洋的洋流情況◇?♂。直到有了衛星∴,有了超級計算機之後∟┊▽,我們才得到了更準確高精度的模擬數據?π◇。

                                                            我們把這些數據畫出來┊,就能一眼發現它們的不同⌒∟△,有九個點狀的、有X形的、有五角星形狀的⊿┊∵,特別是第四組是一隻可愛的恐龍∟∟。

                                                            如果想要研究這個問題⌒⊿♀,首先需要用計算機來模擬這個現象π。中科院上海天文台的科學家們想要進一步研究它的機理⊙⊙π。但是模擬的結果對不對﹡,模型算法合不合理⊙⊿,沒有標準去驗證∵。

                                                            可視化的實際應用宇宙演化模擬數據這是一個天文學家給我們的140億年宇宙演化的模擬數據⊿⊙♂,大概有90TB的數據量⊙,我們翻一年也翻不完∟∵。

                                                            声明:新浪网独家稿件↑△⊿,未经授权禁止转载┊□。 -->

                                                            很有意思∴∟,可視化通過圖像迅速吸收、消化數據並把特徵信息形象的傳遞給我們♂⊿。可是當數據越來越大∵⌒⊙,故事越來越複雜?♂∴,怎麼畫數據就是一個難題了﹡↑。

                                                            無論是柱狀圖餅圖還是曲線圖玫瑰圖♀◇,從本質上來說↑,都是統計結果的可視化┊。統計對分析當然很重要◇,但是光有統計是不夠的♀┊。

                                                            南丁格爾圖/玫瑰圖:戰爭死亡統計圖把圓分成12分⊿⌒,代表十二個月﹡┊。藍色面積表示死於感染的士兵⌒☆∟,紅色表示死於戰場的重傷♂∵,灰色表示其它原因∵□∴。很明顯☆⌒﹡,藍色區域的面積明顯遠大於其他區域∟⊙◇,這張圖一目了然地揭示了戰士死亡的真正原因〇∟◇。

                                                            我們可以看到∵﹡⊙,剛開始□,慢慢形成幾個小團π,然後合併?▽♂,之後幾度險些被衝散♀,最終有驚無險頑強地合併在一起♀。

                                                            中國局部地形圖我們經常遇到霧霾天↑⊿π,可能你們沒有從這個角度來看過霧霾∵⊙。這是中國局部地形圖□﹡,紅色代表北京◇,黃色代表武漢♂♀⌒,中間就是霧霾♂∵□,不同的顏色代表不同濃度☆◇♀,底層像河流一樣的代表大氣的風場π♂◇。

                                                            於是他設計出世界上第一個柱狀圖♀↑。世界上第一台計算機是1946年才問世﹡◇,所以這個柱狀圖是純手工繪製∵↑〇。

                                                            黑洞吸積盤流場可視化黑洞也是天文學家特別關心的問題⌒。我們都知道黑洞無限制吞噬吸收周圍的物質♂↑?,實際上在這個過程中也會產生高速的噴流﹡∵。

                                                            同時∵,對於粒子是怎麼進入黑洞☆□┊,他們內部也有不同的看法⊿。所以他們找到我們△,問我們有沒有什麼辦法讓他們直觀看看數據?,來驗證他們的方法∵〇⊙。

                                                            我們不僅幫助大氣學家來尋找霧霾來源〇▽,也在輔助物理學家去尋找清潔能源☆┊。核能就是一種清潔能源⊙,但是核廢料卻對環境有污染π,處理核廢料∴□,國際上最有效的方法♀﹡,就是利用ADS嬗變系統∵∴。它可以用核廢料發電♂,還能解決核輻射問題?♀┊。

                                                            有了可視化∵☆,天文學家不費吹灰之力□↑♀,就有了一台指哪打哪的望遠鏡┊△⊿,而且還可以穿越歷史⊿。當然要實現這些∵∴↑,我們突破了一系列關鍵技術♂↑,從數據組織與壓縮、并行與GPU加速繪製、色調映射、所見即所得的時序分析及特徵結構挖掘等一系列算法來做支撐∵☆♀。

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