“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(yù)言，到一代又一代科學(xué)家矢志不渝的求索，2月11日，當(dāng)“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(xué)官網(wǎng)

　　這更是一場全世界科學(xué)家的“并肩作戰(zhàn)”。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(xué)家從未放棄過自己的努力。這一次，當(dāng)我們在多達(dá)1004位作者的龐大署名中，發(fā)現(xiàn)3個屬于中國科學(xué)家的名字時，我們還應(yīng)記取另外一些閃耀在引力波“捕獲”之路上的中國科學(xué)家的身影。

　　引力波探測的中國足跡

　　早在20世紀(jì)70年代，中國科學(xué)家就開始了引力波研究。

　　中山大學(xué)是國內(nèi)引力波研究的先行者，該校相關(guān)負(fù)責(zé)人為記者還原了這段中國人向世界難題發(fā)起沖擊的歷史：“1969年，美國馬里蘭州立大學(xué)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(xué)界極大的注意。1973年，中國科學(xué)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(xué)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(diǎn)研究項目。”

　　老一輩科學(xué)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?yàn)樵谝Σㄑ芯糠矫娴呢暙I(xiàn)，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(jìn)展》的報告，這是中國的引力波研究第一次被國際社會所認(rèn)可。

　　兩個月后，中國引力與相對論天體物理學(xué)會在廣州成立，許多老一輩的著名科學(xué)家如錢三強(qiáng)、周培源參加了學(xué)會，學(xué)部委員北京大學(xué)胡寧教授為理事長，陳嘉言當(dāng)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(tǒng)開始實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行，測出和記錄了天線的熱噪聲，得出了理論靈敏度同實(shí)測靈敏度一致的結(jié)果。

　　1982年1月，陳嘉言應(yīng)邀到西澳大利亞大學(xué)訪問并作學(xué)術(shù)報告，受到當(dāng)?shù)厝A僑組織歡迎，記者采訪說，這是中國科學(xué)界首次到當(dāng)?shù)卦L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(fēng)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(xù)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(xué)所國家微重力實(shí)驗(yàn)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(xié)同作戰(zhàn)”的中國團(tuán)隊

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

　　清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威正是這支“凈化之軍”的負(fù)責(zé)人。2004-2006年，在美國麻省理工學(xué)院空間研究中心工作的曹軍威，便參與了引力波數(shù)據(jù)計算和分析的工作。在這期間，他時刻關(guān)注著LIGO（激光干涉引力波天文臺）的工作動態(tài)。“國內(nèi)研究團(tuán)隊不應(yīng)該在這樣的頂級研究領(lǐng)域落后。”2006年回國后，曹軍威組織創(chuàng)建了清華LIGO工作組，由來自信研院、自動化系、計算機(jī)系和工程物理系的教師和學(xué)生組成。他們采用先進(jìn)計算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率，也逐漸得到了國際同行的認(rèn)可。2009年，清華被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。

　　“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。”曹軍威介紹，LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高，達(dá)到每秒１.6萬次以上，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。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(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(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(yàn)，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(xué)供圖

　　郭翔宇是清華計算機(jī)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(wù)，就是“讓引力波數(shù)據(jù)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(xué)的項目組成員跨洋討論，一年多來，我在先前的基礎(chǔ)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(dǎo)的‘阿里實(shí)驗(yàn)計劃’和中山大學(xué)領(lǐng)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(xué)院高能物理研究所在其官方微博上發(fā)布了上述內(nèi)容。這意味著，在積極融入頂尖課題的世界協(xié)同作戰(zhàn)之余，中國科學(xué)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(zhèn)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(guān)研究人員的帶領(lǐng)下，持續(xù)長達(dá)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(qū)的廣闊覆蓋，有望填補(bǔ)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(xué)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(wù)的預(yù)先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實(shí)施方案和路線圖，并開展關(guān)鍵技術(shù)研究。中山大學(xué)相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，該計劃主要將分四階段實(shí)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(jié)束，我們非常需要中國科學(xué)家的努力。”LIGO數(shù)據(jù)分析專家、加州理工學(xué)院物理系教授艾倫·魏因施泰對中國科學(xué)家的努力充滿期待。

　　曹軍威始終認(rèn)為，作為最前沿、最頂尖的科學(xué)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(xié)作與“眾包”，而自己的團(tuán)隊正是這個“特大集成研究項目”中的一環(huán)。他總結(jié)了三個引力波探測的特點(diǎn)：投資規(guī)模大、多學(xué)科交叉、國際緊密合作：“這樣規(guī)模的科學(xué)探索遠(yuǎn)超出某個單一學(xué)科的范疇，也超出某一個研究小組、一個大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)，甚至一個國家的能力，必須是物理、天文、機(jī)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(lián)合攻關(guān)。”

　　中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼認(rèn)為：“引力波的發(fā)現(xiàn)，會進(jìn)一步刺激各國的研究進(jìn)度，世界各地的引力波研究計劃將很快推進(jìn)，中國本土研究的進(jìn)展也會加快。”

　　這進(jìn)步背后，除了對基礎(chǔ)科學(xué)投入的重視，還要有一種摒棄功利的、廣闊的人類意識。當(dāng)人類共同走進(jìn)“引力波”時代，這一激動人心的發(fā)現(xiàn)所帶給我們的啟示，對中國科學(xué)界似乎同樣極具價值。

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