中國(guó)智慧助力“捕捉”引力波

　　參加引力波探測(cè)的技術(shù)人員檢查光學(xué)部件

　　十三億光年外，兩個(gè)黑洞“碰撞”

　　引力波探測(cè)巨型裝置

　　13億年前，兩個(gè)恒星量級(jí)黑洞相互碰撞，大約3倍于太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為引力波，并以光的速度向外擴(kuò)散。13億年后，這列“漣漪”在2015年9月14日掃過(guò)太陽(yáng)系，被美國(guó)科學(xué)家利用激光干涉引力波天文臺(tái)首次捕捉到。這一重大成果直接印證了愛(ài)因斯坦100年前關(guān)于引力波的預(yù)測(cè)，打開(kāi)了人類探索宇宙的新窗口。這一消息在上周公開(kāi)發(fā)布后，全球科學(xué)界瞬間沸騰。

　　聆聽(tīng)宇宙遠(yuǎn)古的天籟之音

　　2月11日晚，中國(guó)公眾還處在猴年春節(jié)假期的歡樂(lè)氣氛中，曹軍威則早早打開(kāi)了電腦，神情莊重地守著直播。他所在的清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，是中國(guó)大陸唯一的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）科學(xué)合作組織（LSC）成員。作為參與者，他知道，一個(gè)震撼物理學(xué)界、天文學(xué)界乃至整個(gè)科學(xué)界的重磅消息即將發(fā)布。

　　北京時(shí)間23時(shí)30分，美國(guó)加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、LSC和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)聯(lián)合舉行新聞發(fā)布會(huì)。加州理工學(xué)院LIGO項(xiàng)目執(zhí)行主任戴維·賴茨以一種盡量穩(wěn)重的姿態(tài)走上講臺(tái)，但神情難掩激動(dòng)：“女士們，先生們，我們檢測(cè)到了引力波，我們確實(shí)檢測(cè)到了引力波。這是真的，我認(rèn)為這是人類在科學(xué)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(xù)時(shí)間短暫得不到1秒，這正是現(xiàn)場(chǎng)播放的由引力波轉(zhuǎn)化成的宇宙之聲。

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

　　為避免“烏龍事件”，科學(xué)家經(jīng)過(guò)大量復(fù)雜的計(jì)算和分析后得出結(jié)論，這是在距地球13 億光年處的兩個(gè)黑洞相撞后產(chǎn)生的引力波。這兩個(gè)黑洞，一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于29個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，一個(gè)相當(dāng)于36個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，它們不斷旋轉(zhuǎn)靠近，最終相撞，合并成一個(gè)相當(dāng)于62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，而相當(dāng)于3個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波，并向外輻射，釋放的峰值能量比整個(gè)可見(jiàn)宇宙釋放的能量還要高出約50倍。

　　不過(guò)，雖然攜帶的能量很大，但引力波實(shí)際對(duì)物質(zhì)產(chǎn)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(gè)氫原子的五百億分之一那么微小，尚不能挪動(dòng)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(duì)人類來(lái)說(shuō)卻是意義非凡。美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌表示，射電、光學(xué)、伽馬射線等電磁波譜研究，研究的都是來(lái)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(shí)的物理過(guò)程。如果能探測(cè)到宇宙大爆炸時(shí)發(fā)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(xiàng)目組發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)物理學(xué)家加布里埃拉·岡薩雷斯形象地宣稱，人類從此長(zhǎng)了“耳朵”，能“聽(tīng)”到宇宙大爆炸，并“看”到整個(gè)宇宙中黑洞的形成。在她看來(lái)，人類此前的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)都好似“眼睛”，而引力波攜帶的大量信息打開(kāi)了認(rèn)識(shí)宇宙的新方式。

　　1916年，廣義相對(duì)論的創(chuàng)立者愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)，引力起源于物質(zhì)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量對(duì)空間的扭曲；如果大質(zhì)量物體運(yùn)動(dòng)，例如兩個(gè)黑洞碰撞，所產(chǎn)生的曲率變化會(huì)像波一樣向外傳播，導(dǎo)致時(shí)空壓縮、伸展，這個(gè)現(xiàn)象就是引力波。

　　打個(gè)比方，引力波就像在宇宙某個(gè)角落敲一面大鼓，其“震蕩”會(huì)以引力波的形式在宇宙間幾乎毫無(wú)阻力地傳播。但它對(duì)物質(zhì)造成的形變非常微小，僅有亞原子量級(jí)，要探測(cè)到它，好比在一個(gè)喧鬧的聚會(huì)上辨別一首低吟的歌，這被世界公認(rèn)為最難檢驗(yàn)的尖端科技之一。

　　中國(guó)科學(xué)家深度參與貢獻(xiàn)獨(dú)特

　　中國(guó)科學(xué)家雖然不是此次“捕捉”引力波的主要貢獻(xiàn)者，但同樣是其中的參與者，并做了大量開(kāi)創(chuàng)性的工作，貢獻(xiàn)了“中國(guó)智慧”。在公布的為此發(fā)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)的人員名單中，數(shù)位中國(guó)科學(xué)家的名字赫然在列。

　　從2009年開(kāi)始，清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會(huì)成員曹軍威和他團(tuán)隊(duì)里的另外 5 名研究人員就參與了 LSC 引力波暴和數(shù)據(jù)分析軟件兩個(gè)工作組的相關(guān)研究，側(cè)重提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率。

　　“29個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量”、“36 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量”、“13億光年”……這串看似簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，背后是設(shè)在世界十幾個(gè)地點(diǎn)的大型集群計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)的海量分析處理。

　　“LIGO 數(shù)據(jù)的采樣頻率達(dá)到每秒1.6萬(wàn)次以上，采樣信道達(dá)上萬(wàn)個(gè)，這需要先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)做支撐。” 曹軍威說(shuō)，他們的工作就是采用信息技術(shù)支撐這些軟件的正常運(yùn)行，提高它們的運(yùn)行效率，同時(shí)研究數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新型分析方法。6年來(lái)，他所在的團(tuán)隊(duì)參與構(gòu)建了引力波數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)，把探測(cè)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(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件工具被LSC成員廣泛使用。