成功探测引力波背后的“中国力量”

2月11日，在美国首都华盛顿举行的新闻发布会上，美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）执行主任戴维·赖茨宣布科学家们已经探测到引力波。

美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的研究人员当天宣布，他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，它的发现是物理学界里程碑式的重大成果。

众里寻它千百度。近一个世纪的求索后，人类终于聆听到宇宙深处的声音。美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）成功探测到引力波，背后有十多个国家、千余名研究人员的艰辛付出。

其中，中国清华大学的科研团队以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号，加速了迈向星辰大海的征程。

“数海寻珠”助力搜索

2009年，清华大学被LIGO科学合作组织（LSC）接受为正式成员，也是目前中国大陆唯一的LSC成员。清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威是清华大学LIGO工作组负责人。

“这次发现的确美妙和激动人心，但日常工作中的海量数据分析并不总是令人愉快，”曹军威日前接受新华社记者专访时说。这一研究团队着重应用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率，参与了LSC引力波暴和数据分析软件等相关研究。

为了捕捉“虚无缥缈”的引力波，研究者们苦练“内功”。曹军威说，最大的挑战在于LIGO数据的采样频率特别高，达到每秒1万6千次以上，采样信道达上万个，数据量大，需要先进的计算机处理技术做支撑，提高数据处理效率，这也是清华团队的工作重点。

引力波数据分析极为关键的一步是区分引力波信号和其他干扰信号。清华团队将人工智能领域的核心“机器学习”方法用于加强引力波数据噪声分析。对引力波信号的提取有一个非常直观的做法，就是将引力波信道的事件和其他环境信道的事件进行比对，如果引力波信道的某类事件跟某些环境信道的事件耦合性比较强，就可以据此“否决”引力波信道的事件。

这样，引力波信号探测的物理问题被转化成了一个数据分析处理问题。曹军威说，对数据本身关联性的判断正是机器学习的强项，也正是具有自动化和计算机学科背景的清华团队所擅长的。

“漫长的时间里LIGO探测器并没有达到设计精度，是探测不到真正的引力波信号的，可以认为实际大家在处理的全都是噪声，可就是在对这些噪声的一点一滴的处理中不断积累经验，不断提升仪器的精度，才有了今天的探测灵敏度。”他说。

一个典型的引力波应变大约在质子直径的万分之一，具有极高灵敏度的LIGO探测器才能够测量出如此微小的变化。在曹军威看来，探测器的精度提升和数据分析处理相辅相成，最终成就了引力波探测的成功，这是全世界千余名研究人员共同努力的结果。

“高冷科研”彰显魅力

曹军威认为，引力波被直接探测具有双重意义：从物理学的角度，就是证实了爱因斯坦广义相对论的一个重要预言；从天文学的角度，是开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口，开创了引力波天文学的新时代。

引力波的探测和数据分析还需要多学科背景的研究者联合工作，这也带动了光学、工程、计算机等多学科的前沿发展。曹军威说：“科学探索的需求一直是计算机技术发展的驱动力之一。LIGO项目对数据处理要求极高，对计算技术挑战很大，清华参与LIGO项目也是希望掌握第一手的应用需求，有的放矢地开展计算机应用研究。”

国际上引力波科学研究和观测工作如火如荼，而中国在这方面基础相对薄弱，目前还没有自主建设的引力波天文台。曹军威认为，接下来中国亟需自主建设引力波天文台，既要脚踏实地培养人才，又要有开放合作的心态，充分借鉴国际上已有研究和实验成果，并大力加强跨领域合作。

不过，把引力波的发现用于科幻迷们期待已久的时空穿越和星际通信，还需漫长的等待。

“科学的发展往往很有趣，有人总结过，如果某个科学家预言某种事情一定做不成，事实往往会证明预言的错误，所以我们不敢说时空穿越和星际通信在遥远的未来一定不会实现，因为事实上确实有严肃的科研工作者在研究这些问题。”曹军威说。

这一看似“高冷”的基础科学突破，在普通人中也掀起涟漪。“这就是基础科学研究的魅力所在，任何人与生俱来就会有的好奇心，驱使大家有兴趣去琢磨一下，虽然大多数人不会以此为职业。”曹军威说。

据曹军威介绍，在这次引力波探测成功的消息发布过程中，世界各地LIGO科学合作组织中的华人学者也自发组成团队，夜以继日把最新成果资料翻译成中文，第一时间呈现给国内读者。在LIGO官方发布消息的12小时内，多篇由一线研究者和学界专家撰写的深入浅出的解读性文章，通过互联网、移动端密集发布，使得艰深的科学发现“飞入寻常百姓家”。

一名读者在一篇科普文章下评论道：“多年以后，面对浩瀚星海，远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日，人类公开宣布首次探测到引力波信号的那个遥远夜晚。”

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