成功探測(cè)引力波背后的“中國(guó)力量”

　　專訪：成功探測(cè)引力波背后的“中國(guó)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(gè)世紀(jì)的求索后，人類終于聆聽(tīng)到宇宙深處的聲音。美國(guó)“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)成功探測(cè)到引力波，背后有十多個(gè)國(guó)家、千余名研究人員的艱辛付出。

　　其中，中國(guó)清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)以高精度的數(shù)據(jù)分析能力幫助“凈化”了引力波探測(cè)中的干擾信號(hào)，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(guó)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(huì)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(dòng)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(shí)說(shuō)。這一研究團(tuán)隊(duì)著重應(yīng)用先進(jìn)計(jì)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(wú)縹緲”的引力波，研究者們苦練“內(nèi)功”。曹軍威說(shuō)，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(wàn)6千次以上，采樣信道達(dá)上萬(wàn)個(gè)，數(shù)據(jù)量大，需要先進(jìn)的計(jì)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(duì)的工作重點(diǎn)。

　　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(hào)和其他干擾信號(hào)。清華團(tuán)隊(duì)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(duì)引力波信號(hào)的提取有一個(gè)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(duì)，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(hào)探測(cè)的物理問(wèn)題被轉(zhuǎn)化成了一個(gè)數(shù)據(jù)分析處理問(wèn)題。曹軍威說(shuō)，對(duì)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(xiàng)，也正是具有自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)學(xué)科背景的清華團(tuán)隊(duì)所擅長(zhǎng)的。

　　“漫長(zhǎng)的時(shí)間里L(fēng)IGO探測(cè)器并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)精度，是探測(cè)不到真正的引力波信號(hào)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(duì)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(cè)靈敏度，”他說(shuō)。

　　一個(gè)典型的引力波應(yīng)變大約在質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一，具有極高靈敏度的LIGO探測(cè)器才能夠測(cè)量出如此微小的變化。在曹軍威看來(lái)，探測(cè)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(cè)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(cè)具有雙重意義：從物理學(xué)的角度，就是證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言；從天文學(xué)的角度，是開(kāi)啟了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口，開(kāi)創(chuàng)了引力波天文學(xué)的新時(shí)代。

　　引力波的探測(cè)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(dòng)了光學(xué)、工程、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的前沿發(fā)展。曹軍威說(shuō)：“科學(xué)探索的需求一直是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一。LIGO項(xiàng)目對(duì)數(shù)據(jù)處理要求極高，對(duì)計(jì)算技術(shù)挑戰(zhàn)很大，清華參與LIGO項(xiàng)目也是希望掌握第一手的應(yīng)用需求，有的放矢地開(kāi)展計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究?！?/p>

　　國(guó)際上引力波科學(xué)研究和觀測(cè)工作如火如荼，而中國(guó)在這方面基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，目前還沒(méi)有自主建設(shè)的引力波天文臺(tái)。曹軍威認(rèn)為，接下來(lái)中國(guó)亟需自主建設(shè)引力波天文臺(tái)，既要腳踏實(shí)地培養(yǎng)人才，又要有開(kāi)放合作的心態(tài)，充分借鑒國(guó)際上已有研究和實(shí)驗(yàn)成果，并大力加強(qiáng)跨領(lǐng)域合作。

　　不過(guò)，把引力波的發(fā)現(xiàn)用于科幻迷們期待已久的時(shí)空穿越和星際通信，還需漫長(zhǎng)的等待。

　　“科學(xué)的發(fā)展往往很有趣，有人總結(jié)過(guò)，如果某個(gè)科學(xué)家預(yù)言某種事情一定做不成，事實(shí)往往會(huì)證明預(yù)言的錯(cuò)誤，所以我們不敢說(shuō)時(shí)空穿越和星際通信在遙遠(yuǎn)的未來(lái)一定不會(huì)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槭聦?shí)上確實(shí)有嚴(yán)肅的科研工作者在研究這些問(wèn)題，”曹軍威說(shuō)。

　　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(lái)就會(huì)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(huì)以此為職業(yè)，”曹軍威說(shuō)。

　　據(jù)曹軍威介紹，在這次引力波探測(cè)成功的消息發(fā)布過(guò)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(duì)，夜以繼日把最新成果資料翻譯成中文，第一時(shí)間呈現(xiàn)給國(guó)內(nèi)讀者。在LIGO官方發(fā)布消息的12小時(shí)內(nèi)，多篇由一線研究者和學(xué)界專家撰寫(xiě)的深入淺出的解讀性文章，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)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(píng)論道：“多年以后，面對(duì)浩瀚星海，遠(yuǎn)航的星艦文明將會(huì)回想起2016年2月11日，人類公開(kāi)宣布首次探測(cè)到引力波信號(hào)的那個(gè)遙遠(yuǎn)夜晚。”

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