探測(cè)引力波這事兒，居然跟中國(guó)有關(guān)系

　　美國(guó)“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)成功探測(cè)到引力波,背后有十多個(gè)國(guó)家、千余名研究人員的艱辛付出。其中,中國(guó)清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)以高精度的數(shù)據(jù)分析能力幫助“凈化”了引力波探測(cè)中的干擾信號(hào),加速了邁向星辰大海的征程。

　　“數(shù)海尋珠”助力搜索

　　2009年,清華大學(xué)被LIGO科學(xué)合作組織(LSC)接受為正式成員,也是目前中國(guó)大陸唯一的LSC成員。清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會(huì)成員曹軍威是清華大學(xué)LIGO工作組負(fù)責(zé)人。

　　“這次發(fā)現(xiàn)的確美妙和激動(dòng)人心,但日常工作中的海量數(shù)據(jù)分析并不總是令人愉快,”曹軍威日前接受新華社記者專(zhuān)訪時(shí)說(shuō)。這一研究團(tuán)隊(duì)著重應(yīng)用先進(jìn)計(jì)算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率,參與了LSC引力波暴和數(shù)據(jù)分析軟件等相關(guān)研究。

　　為了捕捉“虛無(wú)縹緲”的引力波,研究者們苦練“內(nèi)功”。曹軍威說(shuō),最大的挑戰(zhàn)在于LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高,達(dá)到每秒1萬(wàn)6千次以上,采樣信道達(dá)上萬(wàn)個(gè),數(shù)據(jù)量大,需要先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)做支撐,提高數(shù)據(jù)處理效率,這也是清華團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)。

　　例如,引力波數(shù)據(jù)分析極為關(guān)鍵的一步是區(qū)分引力波信號(hào)和其他干擾信號(hào)。清華團(tuán)隊(duì)將人工智能領(lǐng)域的核心“機(jī)器學(xué)習(xí)”方法用于加強(qiáng)引力波數(shù)據(jù)噪聲分析。對(duì)引力波信號(hào)的提取有一個(gè)非常直觀的做法,就是將引力波信道的事件和其他環(huán)境信道的事件進(jìn)行比對(duì),如果引力波信道的某類(lèi)事件跟某些環(huán)境信道的事件耦合性比較強(qiáng),就可以據(jù)此“否決”引力波信道的事件。

　　這樣,引力波信號(hào)探測(cè)的物理問(wèn)題被轉(zhuǎn)化成了一個(gè)數(shù)據(jù)分析處理問(wèn)題。曹軍威說(shuō),對(duì)數(shù)據(jù)本身關(guān)聯(lián)性的判斷正是機(jī)器學(xué)習(xí)的強(qiáng)項(xiàng),也正是具有自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)學(xué)科背景的清華團(tuán)隊(duì)所擅長(zhǎng)的。

　　“漫長(zhǎng)的時(shí)間里L(fēng)IGO探測(cè)器并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)精度,是探測(cè)不到真正的引力波信號(hào)的,可以認(rèn)為實(shí)際大家在處理的全都是噪聲,可就是在對(duì)這些噪聲的一點(diǎn)一滴的處理中不斷積累經(jīng)驗(yàn),不斷提升儀器的精度,才有了今天的探測(cè)靈敏度,”他說(shuō)。

　　一個(gè)典型的引力波應(yīng)變大約在質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一,具有極高靈敏度的LIGO探測(cè)器才能夠測(cè)量出如此微小的變化。在曹軍威看來(lái),探測(cè)器的精度提升和數(shù)據(jù)分析處理相輔相成,最終成就了引力波探測(cè)的成功,這是全世界千余名研究人員共同努力的結(jié)果。

　　“高冷科研”彰顯魅力

　　曹軍威認(rèn)為,引力波被直接探測(cè)具有雙重意義:從物理學(xué)的角度,就是證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言;從天文學(xué)的角度,是開(kāi)啟了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口,開(kāi)創(chuàng)了引力波天文學(xué)的新時(shí)代。

　　引力波的探測(cè)和數(shù)據(jù)分析還需要多學(xué)科背景的研究者聯(lián)合工作,這也帶動(dòng)了光學(xué)、工程、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的前沿發(fā)展。曹軍威說(shuō):“科學(xué)探索的需求一直是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一。LIGO項(xiàng)目對(duì)數(shù)據(jù)處理要求極高,對(duì)計(jì)算技術(shù)挑戰(zhàn)很大,清華參與LIGO項(xiàng)目也是希望掌握第一手的應(yīng)用需求,有的放矢地開(kāi)展計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究?！?/p>

　　國(guó)際上引力波科學(xué)研究和觀測(cè)工作如火如荼,而中國(guó)在這方面基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,目前還沒(méi)有自主建設(shè)的引力波天文臺(tái)。曹軍威認(rèn)為,接下來(lái)中國(guó)急需自主建設(shè)引力波天文臺(tái),既要腳踏實(shí)地培養(yǎng)人才,又要有開(kāi)放合作的心態(tài),充分借鑒國(guó)際上已有研究和實(shí)驗(yàn)成果,并大力加強(qiáng)跨領(lǐng)域合作。

　　不過(guò),把引力波的發(fā)現(xiàn)用于科幻迷們期待已久的時(shí)空穿越和星際通信,還需漫長(zhǎng)的等待。

　　“科學(xué)的發(fā)展往往很有趣,有人總結(jié)過(guò),如果某個(gè)科學(xué)家預(yù)言某種事情一定做不成,事實(shí)往往會(huì)證明預(yù)言的錯(cuò)誤,所以我們不敢說(shuō)時(shí)空穿越和星際通信在遙遠(yuǎn)的未來(lái)一定不會(huì)實(shí)現(xiàn),因?yàn)槭聦?shí)上確實(shí)有嚴(yán)肅的科研工作者在研究這些問(wèn)題,”曹軍威說(shuō)。

　　這一看似“高冷”的基礎(chǔ)科學(xué)突破,在普通人中也掀起漣漪。“這就是基礎(chǔ)科學(xué)研究的魅力所在,任何人與生俱來(lái)就會(huì)有的好奇心,驅(qū)使大家有興趣去琢磨一下,雖然大多數(shù)人不會(huì)以此為職業(yè),”曹軍威說(shuō)。

　　1916年6月：愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)了宇宙中的漣漪

　　根據(jù)廣義相對(duì)論，引力是質(zhì)量巨大物體周?chē)鷷r(shí)空的扭曲。在創(chuàng)立廣義相對(duì)論時(shí)愛(ài)因斯坦認(rèn)為，時(shí)空會(huì)產(chǎn)生漣漪并產(chǎn)生“引力波”，以光速?gòu)奈矬w向外擴(kuò)張。很多科學(xué)家懷疑這種波是否真實(shí)存在，愛(ài)因斯坦本人也多次搖擺。

　　2016年2月11日，加州激光干涉引力波觀測(cè)站(LIGO)聯(lián)合創(chuàng)辦人基普索恩(Kip Thorne)于華盛頓國(guó)家新聞社向全世界宣布引力波的發(fā)現(xiàn)。