中國智慧助力“捕捉”引力波

　　參加引力波探測的技術人員檢查光學部件

　　十三億光年外，兩個黑洞“碰撞”

　　引力波探測巨型裝置

　　13億年前，兩個恒星量級黑洞相互碰撞，大約3倍于太陽質量的物質轉化為引力波，并以光的速度向外擴散。13億年后，這列“漣漪”在2015年9月14日掃過太陽系，被美國科學家利用激光干涉引力波天文臺首次捕捉到。這一重大成果直接印證了愛因斯坦100年前關于引力波的預測，打開了人類探索宇宙的新窗口。這一消息在上周公開發布后，全球科學界瞬間沸騰。

　　聆聽宇宙遠古的天籟之音

　　2月11日晚，中國公眾還處在猴年春節假期的歡樂氣氛中，曹軍威則早早打開了電腦，神情莊重地守著直播。他所在的清華大學研究團隊，是中國大陸唯一的激光干涉引力波天文臺（LIGO）科學合作組織（LSC）成員。作為參與者，他知道，一個震撼物理學界、天文學界乃至整個科學界的重磅消息即將發布。

　　北京時間23時30分，美國加州理工學院、麻省理工學院、LSC和美國國家科學基金會聯合舉行新聞發布會。加州理工學院LIGO項目執行主任戴維·賴茨以一種盡量穩重的姿態走上講臺，但神情難掩激動：“女士們，先生們，我們檢測到了引力波，我們確實檢測到了引力波。這是真的，我認為這是人類在科學上的登月壯舉。”

　　在一片嘈雜的背景噪音中，一聲“噗”的清脆聲響，如水滴落水，持續時間短暫得不到1秒，這正是現場播放的由引力波轉化成的宇宙之聲。

　　這是人類利用激光干涉引力波天文臺首次探測到引力波。2015年9月14日，LIGO項目組修建的利文斯頓激光干涉引力波天文臺記錄下這個非常明確的引力波信號。7毫秒后，另一個名為漢福德的天文臺記錄下相同信號。

　　為避免“烏龍事件”，科學家經過大量復雜的計算和分析后得出結論，這是在距地球13 億光年處的兩個黑洞相撞后產生的引力波。這兩個黑洞，一個質量相當于29個太陽質量，一個相當于36個太陽質量，它們不斷旋轉靠近，最終相撞，合并成一個相當于62個太陽質量的黑洞，而相當于3個太陽的質量轉化為引力波，并向外輻射，釋放的峰值能量比整個可見宇宙釋放的能量還要高出約50倍。

　　不過，雖然攜帶的能量很大，但引力波實際對物質產生的作用卻十分微弱。以這次被捕獲的引力波為例，其作用大概為一個氫原子的五百億分之一那么微小，尚不能挪動電荷。

　　有助于揭示宇宙“嬰兒期”的奧秘

　　雖然作用很微弱，但引力波對人類來說卻是意義非凡。美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌表示，射電、光學、伽馬射線等電磁波譜研究，研究的都是來自于光子攜帶的信息，引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時的物理過程。如果能探測到宇宙大爆炸時發出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

　　LIGO項目組發言人、路易斯安那州立大學物理學家加布里埃拉·岡薩雷斯形象地宣稱，人類從此長了“耳朵”，能“聽”到宇宙大爆炸，并“看”到整個宇宙中黑洞的形成。在她看來，人類此前的天文學發現都好似“眼睛”，而引力波攜帶的大量信息打開了認識宇宙的新方式。

　　1916年，廣義相對論的創立者愛因斯坦預測，引力起源于物質在時空中運動時質量對空間的扭曲；如果大質量物體運動，例如兩個黑洞碰撞，所產生的曲率變化會像波一樣向外傳播，導致時空壓縮、伸展，這個現象就是引力波。

　　打個比方，引力波就像在宇宙某個角落敲一面大鼓，其“震蕩”會以引力波的形式在宇宙間幾乎毫無阻力地傳播。但它對物質造成的形變非常微小，僅有亞原子量級，要探測到它，好比在一個喧鬧的聚會上辨別一首低吟的歌，這被世界公認為最難檢驗的尖端科技之一。

　　中國科學家深度參與貢獻獨特

　　中國科學家雖然不是此次“捕捉”引力波的主要貢獻者，但同樣是其中的參與者，并做了大量開創性的工作，貢獻了“中國智慧”。在公布的為此發現做出貢獻的人員名單中，數位中國科學家的名字赫然在列。

　　從2009年開始，清華大學信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威和他團隊里的另外 5 名研究人員就參與了 LSC 引力波暴和數據分析軟件兩個工作組的相關研究，側重提高引力波數據分析的速度和效率。

　　“29個太陽質量”、“36 個太陽質量”、“13億光年”……這串看似簡單的數據，背后是設在世界十幾個地點的大型集群計算機對信號的海量分析處理。

　　“LIGO 數據的采樣頻率達到每秒1.6萬次以上，采樣信道達上萬個，這需要先進的計算機處理技術做支撐。” 曹軍威說，他們的工作就是采用信息技術支撐這些軟件的正常運行，提高它們的運行效率，同時研究數據驅動的新型分析方法。6年來，他所在的團隊參與構建了引力波數據計算基礎平臺，把探測器GPU的信息處理速度從原有的 58 倍提升到了 120 倍以上。他們開發的數據分析軟件工具被LSC成員廣泛使用。