“捕捉”引力波的中國(guó)力量

　　【探測(cè)引力波】

　　這是一場(chǎng)跨越百年的接力。

　　從愛(ài)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(gè)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(kāi)啟而歡欣鼓舞。

　　分別位于Livingston和Hanford的LIGO探測(cè)器以及它們分別探測(cè)到的引力波信號(hào)。圖片來(lái)源于清華大學(xué)官網(wǎng)

　　這更是一場(chǎng)全世界科學(xué)家的“并肩作戰(zhàn)”。百年來(lái)，引力波的身影總是顯得“虛無(wú)縹緲”，但在這個(gè)頂級(jí)世界難題的漫長(zhǎng)求索中，中國(guó)科學(xué)家從未放棄過(guò)自己的努力。這一次，當(dāng)我們?cè)诙噙_(dá)1004位作者的龐大署名中，發(fā)現(xiàn)3個(gè)屬于中國(guó)科學(xué)家的名字時(shí)，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(guó)科學(xué)家的身影。

　　引力波探測(cè)的中國(guó)足跡

　　早在20世紀(jì)70年代，中國(guó)科學(xué)家就開(kāi)始了引力波研究。

　　中山大學(xué)是國(guó)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(guó)人向世界難題發(fā)起沖擊的歷史：“1969年，美國(guó)馬里蘭州立大學(xué)的約瑟夫·韋伯宣稱，他已探測(cè)到不排除為引力波的信號(hào)。這引起物理學(xué)界極大的注意。1973年，中國(guó)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(cè)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(guó)家科委和教育部決定把這項(xiàng)研究定為國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目?！?/p>

　　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(duì)論國(guó)際會(huì)議。陳嘉言因?yàn)樵谝Σㄑ芯糠矫娴呢暙I(xiàn)，被聘為會(huì)議顧問(wèn)委員會(huì)委員。在會(huì)上，陳嘉言作了《北京—廣州引力波探測(cè)進(jìn)展》的報(bào)告，這是中國(guó)的引力波研究第一次被國(guó)際社會(huì)所認(rèn)可。

　　兩個(gè)月后，中國(guó)引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)在廣州成立，許多老一輩的著名科學(xué)家如錢(qián)三強(qiáng)、周培源參加了學(xué)會(huì)，學(xué)部委員北京大學(xué)胡寧教授為理事長(zhǎng)，陳嘉言當(dāng)選為副理事長(zhǎng)。此后，中國(guó)引力波研究的捷報(bào)頻傳——

　　1980年初，常溫共振型引力波探測(cè)器完成組裝。

　　1981年6月，常溫引力波探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行，測(cè)出和記錄了天線的熱噪聲，得出了理論靈敏度同實(shí)測(cè)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(wèn)并作學(xué)術(shù)報(bào)告，受到當(dāng)?shù)厝A僑組織歡迎，記者采訪說(shuō)，這是中國(guó)科學(xué)界首次到當(dāng)?shù)卦L問(wèn)。

　　但遺憾也隨之而來(lái)。1982年4月9日，剛從上海出差回來(lái)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(duì)伍接續(xù)等問(wèn)題，中國(guó)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(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士的推動(dòng)下成立了空間引力波探測(cè)工作組，引力波的中國(guó)研究才再啟征程。

　　融入世界“協(xié)同作戰(zhàn)”的中國(guó)團(tuán)隊(duì)

　　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(guó)科學(xué)家并未缺位。憑借高精度的數(shù)據(jù)分析能力，中國(guó)科學(xué)家“凈化”了引力波探測(cè)中的干擾信號(hào)，與全世界頂尖科學(xué)家“協(xié)同作戰(zhàn)”，共同開(kāi)啟了全新的天文時(shí)代。

　　清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會(huì)成員曹軍威正是這支“凈化之軍”的負(fù)責(zé)人。2004-2006年，在美國(guó)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(jì)算和分析的工作。在這期間，他時(shí)刻關(guān)注著LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）的工作動(dòng)態(tài)?！皣?guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)不應(yīng)該在這樣的頂級(jí)研究領(lǐng)域落后?！?006年回國(guó)后，曹軍威組織創(chuàng)建了清華LIGO工作組，由來(lái)自信研院、自動(dòng)化系、計(jì)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(jì)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(guó)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(guó)大陸唯一的LSC成員。

　　“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?！辈苘娡榻B，LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高，達(dá)到每秒１.6萬(wàn)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。而對(duì)于這樣的海量處理，需要的是“坐穿板凳”的沉潛定力：“漫長(zhǎng)的時(shí)間里，LIGO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?！?/p>

　　陳嘉言工作照。中山大學(xué)供圖

　　郭翔宇是清華計(jì)算機(jī)系高性能計(jì)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(guò)程更有效率”：“每周我們都要與西澳大利亞大學(xué)的項(xiàng)目組成員跨洋討論，一年多來(lái)，我在先前的基礎(chǔ)上，將探測(cè)器GPU的信息處理速度從原有的58倍提升到了120倍以上?！?/p>

　　開(kāi)啟中國(guó)本土的引力波探測(cè)

　　“你知道嗎？目前，我國(guó)主要有兩大引力波探測(cè)項(xiàng)目：中科院高能所主導(dǎo)的‘阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃’和中山大學(xué)領(lǐng)銜的‘天琴計(jì)劃’。一個(gè)是在地面上聆聽(tīng)引力波的音符，一個(gè)是到太空去捕捉引力波的聲響?！?月13日下午，中國(guó)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(guó)科學(xué)家也同時(shí)開(kāi)啟了新一輪的本土沖擊。

　　來(lái)自科技部的消息顯示，致力于“在地面聆聽(tīng)引力波音符”的中科院國(guó)家天文臺(tái)阿里觀測(cè)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(guó)家天文臺(tái)相關(guān)研究人員的帶領(lǐng)下，持續(xù)長(zhǎng)達(dá)10年，已成為天文臺(tái)選址工作的典范。建成后，其地理上的中緯度范圍、對(duì)天區(qū)的廣闊覆蓋，有望填補(bǔ)北半球觀測(cè)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(jì)劃”則由中山大學(xué)于2015年7月23日牽頭啟動(dòng)，主要是以引力波研究為中心，開(kāi)展空間引力波探測(cè)計(jì)劃任務(wù)的預(yù)先研究，制定中國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施方案和路線圖，并開(kāi)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(jì)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(cè)到引力波只是剛剛開(kāi)始，并非結(jié)束，我們非常需要中國(guó)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(duì)中國(guó)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(cè)般的世界頂級(jí)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(duì)正是這個(gè)“特大集成研究項(xiàng)目”中的一環(huán)。他總結(jié)了三個(gè)引力波探測(cè)的特點(diǎn)：投資規(guī)模大、多學(xué)科交叉、國(guó)際緊密合作：“這樣規(guī)模的科學(xué)探索遠(yuǎn)超出某個(gè)單一學(xué)科的范疇，也超出某一個(gè)研究小組、一個(gè)大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)，甚至一個(gè)國(guó)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)?！?/p>

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

　　這進(jìn)步背后，除了對(duì)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(shí)。當(dāng)人類共同走進(jìn)“引力波”時(shí)代，這一激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)所帶給我們的啟示，對(duì)中國(guó)科學(xué)界似乎同樣極具價(jià)值。

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