探測引力波這事兒，居然跟中國有關(guān)系

　　美國“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)成功探測到引力波,背后有十多個(gè)國家、千余名研究人員的艱辛付出。其中,中國清華大學(xué)的科研團隊以高精度的數據分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號,加速了邁向星辰大海的征程。

　　“數海尋珠”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工作組負責人。

　　“這次發(fā)現的確美妙和激動(dòng)人心,但日常工作中的海量數據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(fǎng)時(shí)說(shuō)。這一研究團隊著(zhù)重應用先進(jìn)計算技術(shù)提高引力波數據分析的速度和效率,參與了LSC引力波暴和數據分析軟件等相關(guān)研究。

　　為了捕捉“虛無(wú)縹緲”的引力波,研究者們苦練“內功”。曹軍威說(shuō),最大的挑戰在于LIGO數據的采樣頻率特別高,達到每秒1萬(wàn)6千次以上,采樣信道達上萬(wàn)個(gè),數據量大,需要先進(jìn)的計算機處理技術(shù)做支撐,提高數據處理效率,這也是清華團隊的工作重點(diǎn)。

　　例如,引力波數據分析極為關(guān)鍵的一步是區分引力波信號和其他干擾信號。清華團隊將人工智能領(lǐng)域的核心“機器學(xué)習”方法用于加強引力波數據噪聲分析。對引力波信號的提取有一個(gè)非常直觀(guān)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,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,就可以據此“否決”引力波信道的事件。

　　這樣,引力波信號探測的物理問(wèn)題被轉化成了一個(gè)數據分析處理問(wèn)題。曹軍威說(shuō),對數據本身關(guān)聯(lián)性的判斷正是機器學(xué)習的強項,也正是具有自動(dòng)化和計算機學(xué)科背景的清華團隊所擅長(cháng)的。

　　“漫長(cháng)的時(shí)間里L(fēng)IGO探測器并沒(méi)有達到設計精度,是探測不到真正的引力波信號的,可以認為實(shí)際大家在處理的全都是噪聲,可就是在對這些噪聲的一點(diǎn)一滴的處理中不斷積累經(jīng)驗,不斷提升儀器的精度,才有了今天的探測靈敏度,”他說(shuō)。

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

　　“高冷科研”彰顯魅力

　　曹軍威認為,引力波被直接探測具有雙重意義:從物理學(xué)的角度,就是證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對論的一個(gè)重要預言;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。

　　引力波的探測和數據分析還需要多學(xué)科背景的研究者聯(lián)合工作,這也帶動(dòng)了光學(xué)、工程、計算機等多學(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算機技術(shù)發(fā)展的驅動(dòng)力之一。LIGO項目對數據處理要求極高,對計算技術(shù)挑戰很大,清華參與LIGO項目也是希望掌握第一手的應用需求,有的放矢地開(kāi)展計算機應用研究?！?/p>

　　國際上引力波科學(xué)研究和觀(guān)測工作如火如荼,而中國在這方面基礎相對薄弱,目前還沒(méi)有自主建設的引力波天文臺。曹軍威認為,接下來(lái)中國急需自主建設引力波天文臺,既要腳踏實(shí)地培養人才,又要有開(kāi)放合作的心態(tài),充分借鑒國際上已有研究和實(shí)驗成果,并大力加強跨領(lǐng)域合作。

　　不過(guò),把引力波的發(fā)現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(cháng)的等待。

　　“科學(xué)的發(fā)展往往很有趣,有人總結過(guò),如果某個(gè)科學(xué)家預言某種事情一定做不成,事實(shí)往往會(huì )證明預言的錯誤,所以我們不敢說(shuō)時(shí)空穿越和星際通信在遙遠的未來(lái)一定不會(huì )實(shí)現,因為事實(shí)上確實(shí)有嚴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”的基礎科學(xué)突破,在普通人中也掀起漣漪?！斑@就是基礎科學(xué)研究的魅力所在,任何人與生俱來(lái)就會(huì )有的好奇心,驅使大家有興趣去琢磨一下,雖然大多數人不會(huì )以此為職業(yè),”曹軍威說(shuō)。

　　1916年6月：愛(ài)因斯坦預測了宇宙中的漣漪

　　根據廣義相對論，引力是質(zhì)量巨大物體周?chē)鷷r(shí)空的扭曲。在創(chuàng )立廣義相對論時(shí)愛(ài)因斯坦認為，時(shí)空會(huì )產(chǎn)生漣漪并產(chǎn)生“引力波”，以光速從物體向外擴張。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(guān)測站(LIGO)聯(lián)合創(chuàng )辦人基普索恩(Kip Thorne)于華盛頓國家新聞社向全世界宣布引力波的發(fā)現。