成功探測引力波背后的“中國力量”

　　專訪：成功探測引力波背后的“中國力量”——訪清華大學(xué)LIGO工作組負(fù)責(zé)人曹軍威

　　眾里尋它千百度。近一個世紀(jì)的求索后，人類終于聆聽到宇宙深處的聲音。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(tuán)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(fù)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(tuán)隊著重應(yīng)用先進(jìn)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(dá)到每秒1萬6千次以上，采樣信道達(dá)上萬個，數(shù)據(jù)量大，需要先進(jìn)的計算機(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(tuán)隊將人工智能領(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(jìn)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(qiáng)，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(jī)器學(xué)習(xí)的強(qiáng)項，也正是具有自動化和計算機(jī)學(xué)科背景的清華團(tuán)隊所擅長的。

　　“漫長的時間里L(fēng)IGO探測器并沒有達(dá)到設(shè)計精度，是探測不到真正的引力波信號的，可以認(rèn)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(rèn)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(jī)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(jī)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(jī)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(rèn)為，接下來中國亟需自主建設(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(qiáng)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(yuǎn)的未來一定不會實現(xiàn)，因為事實上確實有嚴(yán)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。

　　據(jù)曹軍威介紹，在這次引力波探測成功的消息發(fā)布過程中，世界各地LIGO科學(xué)合作組織中的華人學(xué)者也自發(fā)組成團(tuán)隊，夜以繼日把最新成果資料翻譯成中文，第一時間呈現(xiàn)給國內(nèi)讀者。在LIGO官方發(fā)布消息的12小時內(nèi)，多篇由一線研究者和學(xué)界專家撰寫的深入淺出的解讀性文章，通過互聯(lián)網(wǎng)、移動端密集發(fā)布，使得艱深的科學(xué)發(fā)現(xiàn)“飛入尋常百姓家”。

　　一名讀者在一篇科普文章下評論道：“多年以后，面對浩瀚星海，遠(yuǎn)航的星艦文明將會回想起2016年2月11日，人類公開宣布首次探測到引力波信號的那個遙遠(yuǎn)夜晚。”

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