“捕捉”引力波的中國力量

　　【探測引力波】

　　這是一場跨越百年的接力。

　　從愛因斯坦偉大的預言，到一代又一代科學家矢志不渝的求索，2月11日，當“引力波”這三個字，以核裂變般的速度引爆全球，全世界都在為這扇探索宇宙新窗口的開啟而歡欣鼓舞。

　　分別位于Livingston和Hanford的LIGO探測器以及它們分別探測到的引力波信號。圖片來源于清華大學官網

　　這更是一場全世界科學家的“并肩作戰”。百年來，引力波的身影總是顯得“虛無縹緲”，但在這個頂級世界難題的漫長求索中，中國科學家從未放棄過自己的努力。這一次，當我們在多達1004位作者的龐大署名中，發現3個屬于中國科學家的名字時，我們還應記取另外一些閃耀在引力波“捕獲”之路上的中國科學家的身影。

　　引力波探測的中國足跡

　　早在20世紀70年代，中國科學家就開始了引力波研究。

　　中山大學是國內引力波研究的先行者，該校相關負責人為記者還原了這段中國人向世界難題發起沖擊的歷史：“1969年，美國馬里蘭州立大學的約瑟夫·韋伯宣稱，他已探測到不排除為引力波的信號。這引起物理學界極大的注意。1973年，中國科學院的王祝翔、秦榮先等人前往廣州，商討中科院高能所和中山大學合作引力波符合探測研究的事宜，得到中大及物理系教授陳嘉言等人的大力支持。1976年，國家科委和教育部決定把這項研究定為國家重點研究項目。”

　　老一輩科學家的探索不久之后就收獲了碩果。

　　1979年7月，意大利，第二屆格拉斯曼廣義相對論國際會議。陳嘉言因為在引力波研究方面的貢獻，被聘為會議顧問委員會委員。在會上，陳嘉言作了《北京—廣州引力波探測進展》的報告，這是中國的引力波研究第一次被國際社會所認可。

　　兩個月后，中國引力與相對論天體物理學會在廣州成立，許多老一輩的著名科學家如錢三強、周培源參加了學會，學部委員北京大學胡寧教授為理事長，陳嘉言當選為副理事長。此后，中國引力波研究的捷報頻傳——

　　1980年初，常溫共振型引力波探測器完成組裝。

　　1981年6月，常溫引力波探測系統開始實驗性運行，測出和記錄了天線的熱噪聲，得出了理論靈敏度同實測靈敏度一致的結果。

　　1982年1月，陳嘉言應邀到西澳大利亞大學訪問并作學術報告，受到當地華僑組織歡迎，記者采訪說，這是中國科學界首次到當地訪問。

　　但遺憾也隨之而來。1982年4月9日，剛從上海出差回來的陳嘉言風塵仆仆，便投入了工作，不幸在真空罐中觸電殉職，終年四十六歲。在他離世后，由于人才隊伍接續等問題，中國的引力波研究停滯了十多年。直到2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下成立了空間引力波探測工作組，引力波的中國研究才再啟征程。

　　融入世界“協同作戰”的中國團隊

　　令人欣喜的是，盡管有著一段空白歷史，但在這次至關重要的“捕獲”中，中國科學家并未缺位。憑借高精度的數據分析能力，中國科學家“凈化”了引力波探測中的干擾信號，與全世界頂尖科學家“協同作戰”，共同開啟了全新的天文時代。

　　清華大學信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威正是這支“凈化之軍”的負責人。2004-2006年，在美國麻省理工學院空間研究中心工作的曹軍威，便參與了引力波數據計算和分析的工作。在這期間，他時刻關注著LIGO（激光干涉引力波天文臺）的工作動態。“國內研究團隊不應該在這樣的頂級研究領域落后。”2006年回國后，曹軍威組織創建了清華LIGO工作組，由來自信研院、自動化系、計算機系和工程物理系的教師和學生組成。他們采用先進計算技術提高引力波數據分析的速度和效率，也逐漸得到了國際同行的認可。2009年，清華被LIGO科學合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國大陸唯一的LSC成員。

　　“這次發現的確美妙和激動人心，但日常工作中的海量數據分析并不總是令人愉快。”曹軍威介紹，LIGO數據的采樣頻率特別高，達到每秒１.6萬次以上，采樣信道達上萬個，數據量大，需要先進的計算機處理技術做支撐。而對于這樣的海量處理，需要的是“坐穿板凳”的沉潛定力：“漫長的時間里，LIGO探測器并沒有達到設計精度，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驗，不斷提升儀器的精度，才有了今天的探測靈敏度。”

　　陳嘉言工作照。中山大學供圖

　　郭翔宇是清華計算機系高性能計算所的碩士研究生，也是清華LIGO工作組中一名普通科研人員。他每天的科研任務，就是“讓引力波數據分析處理的過程更有效率”：“每周我們都要與西澳大利亞大學的項目組成員跨洋討論，一年多來，我在先前的基礎上，將探測器GPU的信息處理速度從原有的58倍提升到了120倍以上。”

　　開啟中國本土的引力波探測

　　“你知道嗎？目前，我國主要有兩大引力波探測項目：中科院高能所主導的‘阿里實驗計劃’和中山大學領銜的‘天琴計劃’。一個是在地面上聆聽引力波的音符，一個是到太空去捕捉引力波的聲響。”2月13日下午，中國科學院高能物理研究所在其官方微博上發布了上述內容。這意味著，在積極融入頂尖課題的世界協同作戰之余，中國科學家也同時開啟了新一輪的本土沖擊。

　　來自科技部的消息顯示，致力于“在地面聆聽引力波音符”的中科院國家天文臺阿里觀測站位于西藏阿里獅泉河鎮以南海拔5100米的山脊，海拔高、云量少、水汽低、透明度高。其選址工作在國家天文臺相關研究人員的帶領下，持續長達10年，已成為天文臺選址工作的典范。建成后，其地理上的中緯度范圍、對天區的廣闊覆蓋，有望填補北半球觀測宇宙微波背景輻射的空白。

　　而立志“到太空去捕捉引力波的聲響”的“天琴計劃”則由中山大學于2015年7月23日牽頭啟動，主要是以引力波研究為中心，開展空間引力波探測計劃任務的預先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖，并開展關鍵技術研究。中山大學相關負責人介紹，該計劃主要將分四階段實施，大約需要二十年，投資150億元人民幣。

　　“探測到引力波只是剛剛開始，并非結束，我們非常需要中國科學家的努力。”LIGO數據分析專家、加州理工學院物理系教授艾倫·魏因施泰對中國科學家的努力充滿期待。

　　曹軍威始終認為，作為最前沿、最頂尖的科學探索之一，如引力波探測般的世界頂級課題必定是一次全球智慧的協作與“眾包”，而自己的團隊正是這個“特大集成研究項目”中的一環。他總結了三個引力波探測的特點：投資規模大、多學科交叉、國際緊密合作：“這樣規模的科學探索遠超出某個單一學科的范疇，也超出某一個研究小組、一個大學或研究機構，甚至一個國家的能力，必須是物理、天文、機械、激光、精密儀器、信息等方方面面的專家共同參與，在全球范圍聯合攻關。”

　　中山大學天文與空間科學研究院院長李淼認為：“引力波的發現，會進一步刺激各國的研究進度，世界各地的引力波研究計劃將很快推進，中國本土研究的進展也會加快。”

　　這進步背后，除了對基礎科學投入的重視，還要有一種摒棄功利的、廣闊的人類意識。當人類共同走進“引力波”時代，這一激動人心的發現所帶給我們的啟示，對中國科學界似乎同樣極具價值。

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