GWPY:發現重力波的機構使用的Python套件
GWPY:發現重力波的機構使用的Python套件
2016.02.16 | 科技

圖說明

文章為《數位時代》獲授權轉載自編程派

美國科學家11日宣佈,他們去年9月首次探測到重力波。這一發現印證了物理學大師愛因斯坦100年前的預言。宣佈這一發現的,是鐳射干涉重力波天文臺(LIGO)的負責人。

這個機構誕生於上世紀90年代,進行重力波觀測已經有近30年。那麼觀測到的重力波資料的量應該很大,科學家如何對這些資料進行分析?有沒有用到Python程式設計語言?

答案是肯定的。筆者在Github上發現了一個專門用於分析重力波資料的Python套件:GWPY。據維護者介紹,GWPY的程式碼來自LIGO和另一個名叫Virgo的機構,維護者將這兩個機構科學家的Python程式碼整理,最終的產品就是GWPY這個使用者友好的Python套件。

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

什麼是重力波?

圖說明

上圖是兩個黑洞所產生的重力波的3-D模擬圖(NASA)。

首先,什麼是重力波?在物理學上,重力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動,如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣,重力波被視為宇宙中的「時空漣漪」。

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

下面分享兩個優秀的影片,很好地解釋了重力波及背後的原理。第一個來自LIGO,第二個則是比較通俗的漫畫式講解。

###LIGO科學家的解釋:
http://v.qq.com/boke/page/g/0/0/g0184mxwie0.html

###漫畫式通俗解釋:
http://v.qq.com/page/j/x/u/j0184qlilxu.html

LIGO是什麼?

鐳射干涉重力波觀測站( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)LIGO是加州理工學院(Caltech)和麻省理工學院(MIT)的合作實驗室,現在也有其他的大學參與。實驗資金來源於美國國家科學基金會。LIGO是用來尋找宇宙中的重力波,從而可以驗證黑洞的存在和檢驗廣義相對論。

圖說明

LIGO主要有兩個觀測點,位於路易斯安那Livingston Parish的LIGO Livingston觀測點,和華盛頓 Hanford的LIGO Hanford觀測點。除此之外,在加州Passadena 的Caltech校園中還有LIGO 40m Prototype 。

LIGO是如何探測重力波的?

影片:LIGO是如何探測重力波的?

GWPY:LIGO用它分析重力波資料?

圖說明

接下來是本文的重頭戲。我們一起來學習如何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。

安裝

很簡單,pip install gwpy就可以完成安裝。

不過安裝的過程可能會比較長,因為gwpy使用的依賴套件比較多,套件括numpy、 scipy、 cycler、matplotlib、astropy等。

物件導向程式設計

GWPY是一個物件導向程式設計的Python套件,也就是說,資料物件是這個套件的核心關注點。每一個資料物件都體現為一個類實例,套件含了其屬性和套件含的資料。

如果想創建一個新的類實例,建議使用標準的構建器(constructor)。舉個例子,我們可以使用一個資料陣列,生成一個TimeSeries物件:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
mydata = TimeSeries([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],sample_rate=1, epoch=0)

或者從線上資料伺服器上下載:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
mydata = TimeSeries.fetch('H1:LDAS-STRAIN', 964656015, 964656615)

核心資料物件

據介紹,GWPY提供了4種核心資料物件,分別代表重力波探測器所產生的四種標準資料:

• TimeSeries(時間序列資料)
• Spectrum(光譜數據)
• Spectrogram(光譜圖)
• DataQualityFlag

重力波數據視覺化

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

GWPY的核心資料物件裡,大部分都內置有一個plot()方法,可以讓研究人員快速對某個資料集進行視覺化展示。舉個例子:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
data = TimeSeries.fetch('H1:LDAS-STRAIN', 968654552, 968654562)
plot = data.plot()
plot.show()

圖說明

GWPY:利用公開的LIGO資料進行繪圖

我們接下來利用LIGO公開的一些重力波時間序列資料進行繪圖。我們可以直接線上載入這些資料。首先導入我們需要的模組:

from urllib2 import urlopen
from numpy import asarray
from gwpy.timeseries import TimeSeries

然後,下載資料,保存為文本字串:

data = urlopen('http://www.ligo.org/science/GW100916/L-strain_hp30-968654552-10.txt').read()

現在,我們可以對文本進行解析,補充必要的中繼資料之後,就可以生成一個TimeSeries:

ts = TimeSeries(asarray(data.splitlines(), dtype=float),
                 epoch=968654552, sample_rate=16384, unit='strain')

最後,我們就可以繪圖了:

plot = ts.plot()
plot.set_title('LIGO Livingston Observatory data for GW100916')
plot.set_ylabel('Gravitational-wave strain amplitude')
plot.show()

圖說明

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台灣數位安全發展協會揭打詐盲點:截圖難當證據,AI加b-JADE讓數位足跡可驗證
台灣數位安全發展協會揭打詐盲點:截圖難當證據,AI加b-JADE讓數位足跡可驗證

重點一:數位詐騙生命週期極短,打完一波就轉移陣地,「下架」只處理了眼前的內容,處理不了事後追查。

重點二:台灣數位安全發展協會以AI蒐集、分類詐騙廣告,九成以上工作可由AI完成,最終判斷仍保留人工背書。

重點三:透過司法聯盟鏈b-JADE,只把資料的「數位指紋」上鏈存證,原始資料另行保存,目標是降低被害人的訴訟舉證成本。

一則可疑的投資廣告被檢舉、下架,帳號也停權了,多數人以為事情就此結束。真正麻煩的是,廣告消失的那一刻,追查詐騙集團的線索也可能跟著消失。

為了補上這個缺口,台灣數位安全發展協會正與司法聯盟鏈「b-JADE」合作,替詐騙相關資料做存證。b-JADE是一套以區塊鏈為基礎的司法存證機制,只有通過程序認證的單位才能提供上鏈服務;資料一旦上鏈,任何改動都會留下痕跡。白話說,就是替數位證據貼上「封條」,讓證據從蒐集到進入法庭,都能驗證有沒有被動過手腳。

詐騙廣告下架,為什麼還不夠?

原因在於數位詐騙的生命週期太短,下架只能處理眼前的內容。台灣數位安全發展協會理事長劉彥伯指出,傳統電話詐騙一套劇本可以拉長到半年、甚至一年;數位詐騙則像打游擊,一波結束就移往下一個平台,從廣告、社群到另一個App,一路跨平台引導被害人。

更大的問題是證據跟著斷線。被害人發現受騙時,可能已是半年後,手上通常只留得住最末端的匯款與聯絡紀錄,最初看過哪則廣告、點進哪個網站,早已消失。等到一、兩年後警方抓到詐騙集團,對方就能在法庭上反問「你怎麼證明我投過這則廣告?」劉彥伯以假設情境說明,一個集團原本可能詐騙了30億元,最後因證據不足,認定金額只剩幾千萬甚至幾百萬元。

不過,詐騙活動都會留下數位足跡,包括投放帳號、代理商、投放時間、運作國家與網址註冊紀錄,只要事先保存,日後調閱就「有憑有據」。

台灣數位安全發展協會
台灣數位安全發展協會理事長劉彥伯
圖/ 數位時代

AI都這麼強了,為什麼還要先做資料治理?

台灣數位安全發展協會的核心主張是:好的資料分析,從好的資料治理開始。所謂資料治理,就是把散落在各平台、格式不一的碎片資料,整理成來源清楚、格式一致、可以互相比對的資料。協會先確認每筆公開資料的來源、時間、權限、版本與隱私,再標上事件分類、風險評估、曝光平台、投放者與網址等標籤,才能找出彼此關聯、還原詐騙網絡。

根據協會的實證簡報,系統在一段監測期間內掃描309.5萬則廣告,通報62.8萬則(約占20%),投放當日偵測率達99.21%。劉彥伯也提到,協會與資安院、數位發展部在打詐通報查詢網的合作中,判斷率接近百分之百。

那還需要人嗎?答案是需要。現行法律仍要求有人為判斷結果背書負責,加上詐騙劇本會隨被害人的回應即時調整,因此協會讓AI處理九成多的工作,最後由人做判斷。

截圖不能當證據?b-JADE如何替詐騙證據貼上「封條」

在AI改圖越來越容易的今天,單純截圖很難在法庭上證明自己沒被竄改過。劉彥伯的比喻是:截圖比較像「我那天真的看過,還拍了一張照片」;可信存證則是把證物放進有封條、有時間、有編號、有保管紀錄的證物袋,「重點不是有沒有留下東西,而是未來能不能驗證這是不是當時那一份」。

這也是b-JADE派上用場的地方,但並不是把所有資料都放上區塊鏈。協會把原始資料與AI分析結果,保存在權限受管控的系統裡,只把每份資料的「數位指紋」交給b-JADE存證。數位指紋的特性是,內容只要有任何改動,指紋就會完全不同,因此能證明資料沒被動過;需要時,再經授權調閱原始資料,兼顧隱私與驗證。依b-JADE規範盤點,協會既有流程已符合19項要求,其餘7項缺口也逐步補強,例如存證時間改採具公信力的標準時間來源,不再依賴電腦本機。

防詐能從事後追查走向事前預警嗎?

可以,協會正把存證從被害人受騙後,往前推到「主動式上鏈」:AI判定高風險的內容,先一步蒐集存證,不必等到有人受害。

小農是第一個場景。許多消費者在網路上支持小農,錢最後卻流進冒名的詐騙集團。協會因此與農業部合作推出「農本人」系統,讓小農自行登錄銷售管道與社群帳號形成白名單,再結合AI蒐集的黑名單,一旦遭冒名就能第一時間發現並報案。這套模式未來也可延伸至網路霸凌、性私密影像等案件。

制度面也在加速。2026年8月,司法聯盟已開設認證專班,邀集司法院、法務部、高檢署、調查局與警政署相關人員受訓,相關存證應用預計明年正式推出,時程仍待聯盟拍板。

劉彥伯坦言,目前從蒐集、分案到下架的流程仍然冗長,技術正好能在保留人為背書的前提下縮短流程。他在《數位關鍵字》節目尾聲留給聽眾的一句話是:「數位安全不只是技術工具,也涉及資料的可信、法遵治理與跨領域合作。」當AI幫人更快找到線索,經得起驗證的資料,將讓每一位被害人在法庭上多一分底氣。

台灣數位安全發展協會
台灣數位安全發展協會理事長劉彥伯認為,可信存證的重點不是留下東西,而是未來能被驗證。
圖/ 數位時代

常見問答
Q1:詐騙廣告被下架後,還能當作證據嗎?
A:若事前沒有保存,下架後就很難追溯。台灣數位安全發展協會建議在內容消失前,保存投放帳號、代理商、投放時間、運作國家與網址等數位足跡,日後才能據以向平台請求調閱。

Q2:手機截圖可以當作詐騙證據嗎?
A:截圖只能證明「看過」,難以證明未被竄改。在AI改圖越來越容易的情況下,透過數位指紋與具公信力的時間紀錄進行可信存證,才能在日後驗證資料是否為當時的原始版本。

Q3:什麼是b-JADE司法聯盟鏈?
A:b-JADE是以區塊鏈為基礎的司法存證機制,只有通過程序認證的單位才能提供上鏈服務。台灣數位安全發展協會的做法是只將資料的數位指紋上鏈,原始資料另行保存在權限受管控的系統,兼顧隱私與驗證,目標是降低訴訟舉證成本。

Q4:AI可以完全取代人工判斷詐騙嗎?
A:目前不行。依台灣數位安全發展協會的做法,九成以上的蒐集與分類工作可由AI完成,但現行法律仍要求由人做最終判斷,並為結果背書負責。

Q5:小農要如何預防被冒名詐騙?
A:可登錄台灣數位安全發展協會與農業部合作的「農本人」系統,自行提交銷售管道、粉絲專頁與LINE帳號建立白名單,搭配AI主動蒐集的黑名單,遭冒名時能第一時間發現並報案。

完整對談請收聽《數位時代》Podcast《數位關鍵字》EP264。

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