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(shù)據(jù)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(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理事會成員曹軍威是清華大學(xué)LIGO工作組負責(zé)人。

　　“這次發(fā)現(xiàn)的確美妙和激動人心,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訪時說。這一研究團隊著重應(yīng)用先進計算技術(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“虛無縹緲”的引力波,研究者們苦練“內(nèi)功”。曹軍威說,最大的挑戰(zhàn)在于LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高,達到每秒1萬6千次以上,采樣信道達上萬個,數(shù)據(jù)量大,需要先進的計算機處理技術(shù)做支撐,提高數(shù)據(jù)處理效率,這也是清華團隊的工作重點。

　　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(xí)”方法用于加強引力波數(shù)據(jù)噪聲分析。對引力波信號的提取有一個非常直觀的做法,就是將引力波信道的事件和其他環(huán)境信道的事件進行比對,如果引力波信道的某類事件跟某些環(huán)境信道的事件耦合性比較強,就可以據(jù)此“否決”引力波信道的事件。

　　這樣,引力波信號探測的物理問題被轉(zhuǎn)化成了一個數(shù)據(jù)分析處理問題。曹軍威說,對數(shù)據(jù)本身關(guān)聯(lián)性的判斷正是機器學(xué)習(xí)的強項,也正是具有自動化和計算機學(xué)科背景的清華團隊所擅長的。

　　“漫長的時間里L(fēng)IGO探測器并沒有達到設(shè)計精度,是探測不到真正的引力波信號的,可以認為實際大家在處理的全都是噪聲,可就是在對這些噪聲的一點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。

　　一個典型的引力波應(yīng)變大約在質(zhì)子直徑的萬分之一,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,探測器的精度提升和數(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,就是證實了愛因斯坦廣義相對論的一個重要預(yù)言;從天文學(xué)的角度,是開啟了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口,開創(chuàng)了引力波天文學(xué)的新時代。

　　引力波的探測和數(shù)據(jù)分析還需要多學(xué)科背景的研究者聯(lián)合工作,這也帶動了光學(xué)、工程、計算機等多學(xué)科的前沿發(fā)展。曹軍威說:“科學(xué)探索的需求一直是計算機技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力之一。LIGO項目對數(shù)據(jù)處理要求極高,對計算技術(shù)挑戰(zhàn)很大,清華參與LIGO項目也是希望掌握第一手的應(yīng)用需求,有的放矢地開展計算機應(yīng)用研究。”

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

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

　　“科學(xué)的發(fā)展往往很有趣,有人總結(jié)過,如果某個科學(xué)家預(yù)言某種事情一定做不成,事實往往會證明預(yù)言的錯誤,所以我們不敢說時空穿越和星際通信在遙遠的未來一定不會實現(xiàn),因為事實上確實有嚴肅的科研工作者在研究這些問題,”曹軍威說。

　　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,任何人與生俱來就會有的好奇心,驅(qū)使大家有興趣去琢磨一下,雖然大多數(shù)人不會以此為職業(yè),”曹軍威說。

　　1916年6月：愛因斯坦預(yù)測了宇宙中的漣漪

　　根據(jù)廣義相對論，引力是質(zhì)量巨大物體周圍時空的扭曲。在創(chuàng)立廣義相對論時愛因斯坦認為，時空會產(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存在，愛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(xiàn)。