“捕捉”引力波的中國力量

鄧暉　吳春燕　朱天牧

這是一場跨越百年的接力。

從愛因斯坦偉大的預(yù)言，到一代又一代科學(xué)家矢志不渝的求索，2016年2月11日，當(dāng)“引力波”這三個字，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啟而歡欣鼓舞。

這更是一場全世界科學(xué)家的“并肩作戰(zhàn)”。百年來，引力波的身影雖然總是顯得“虛無縹緲”，但在這個項級世界難題的漫長求索中，中國科學(xué)家從未放棄過自己的努力。這一次，當(dāng)我們在多達1004位作者的龐大署名中，發(fā)現(xiàn)3個屬于中國科學(xué)家的名字時，我們還應(yīng)記取另外一些閃耀在引力波“捕獲”之路上的中國科學(xué)家的身影。

引力波探測的中國足跡

早在20世紀70年代，中國科學(xué)家就開始了引力波研究。

中山大學(xué)是國內(nèi)引力波研究的先行者，該校相關(guān)負責(zé)人還原了這段中國人向世界難題發(fā)起>中擊的歷史：“1969年，美國馬里蘭州立大學(xué)的約瑟夫·韋伯宣稱，他已探測到不排除為引力波的信號。這引起物理學(xué)界極大的注意。1973年，中國科學(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，國家科委和教育部決定把這項研究定為國家重點研究項目?！?/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，意大利召開第二屆格拉斯曼廣義相對論國際會議。陳嘉言因為在引力波研究方面的貢獻，被聘為會議顧問委員會委員。在會上，陳嘉言作了《北京一廣州引力波探測進展》的報告，這是中國的引力波研究第一次被國際社會認可。

兩個月后，中國引力與相對論天體物理學(xué)會在廣州成立，許多老一輩的著名科學(xué)家如錢三強、周培源參加了學(xué)會，學(xué)部委員北京大學(xué)胡寧教授為理事長，陳嘉言當(dāng)選為副理事長。此后，中國引力波研究的捷報頻傳——

1980年年初，常溫共振型引力波探測器完成組裝。

1981年6月，常溫引力波探測系統(tǒng)開始實驗性運行，測出和記錄了天線的熱噪聲，得出了理論靈敏度同實測靈敏度一致的結(jié)果。

1982年1月，陳嘉言應(yīng)邀到西澳大利亞大學(xué)訪問并作學(xué)術(shù)報告，受到當(dāng)?shù)厝A僑組織歡迎，這是中國科學(xué)界首次到當(dāng)?shù)卦L問。

但遺憾也隨之而來。1982年4月9日，剛從上海出差回來的陳嘉言風(fēng)塵仆仆，便投入了工作，不幸在真空罐中觸電殉職，終年46歲。在他離世后，由于人才隊伍接續(xù)等問題，中國的引力波研究停滯了10多年。直到2008年，在中科院力學(xué)所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下成立了空間引力波探測工作組，引力波的中國研究才再啟征程。

融入世界“協(xié)同作戰(zhàn)”的中國團隊

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

清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威正是這支“凈化之軍”的負責(zé)人。2004～2006年，在美國麻省理工學(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)計算和分析的工作。在這期間，他時刻關(guān)注著LIGO（激光干涉引力波天文臺）的工作動態(tài)?！皣鴥?nèi)研究團隊不應(yīng)該在這樣的頂級研究領(lǐng)域落后?！?006年回國后，曹軍威組織創(chuàng)建了清華LIGO工作組，由來自信研院、自動化系、計算機系和工程物理系的教師和學(xué)生組成。他們采用先進計算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率，也逐漸得到了國際同行的認可。2009年，清華被LIGO科學(xué)合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國大陸唯一的LSC成員。

“這次發(fā)現(xiàn)的確美妙和激動人心，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，達到每秒1.6萬次以上，采樣信道達上萬個，數(shù)據(jù)量大，需要先進的計算機處理技術(shù)做支撐。而對于這樣的海量處理，需要的是“坐穿板凳”的沉潛定力：“漫長的時間里，LIGO探測器并沒有達到設(shè)計精度，是探測不到真正的引力波信號的，可以認為實際大家在處理的全都是噪聲，可就是在對這些噪聲的一點一滴的處理中不斷積累經(jīng)驗，不斷提升儀器的精度，才有了今天的探測靈敏度?！?/p>

郭翔宇是清華計算機系高性能計算所的碩士研究生，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)分析處理的過程更有效率”：“每周我們都要與西澳大利亞大學(xué)的項目組成員跨洋討論，一年多來，我在先前的基礎(chǔ)上，將探測器GPU的信息處理速度從原有的58倍提升到了120倍以上。”

開啟中國本土的引力波探測

“你知道嗎？目前，我國主要有兩大引力波探測項目：中科院高能所主導(dǎo)的‘阿里實驗計劃和中山大學(xué)領(lǐng)銜的‘天琴計劃。一個是在地面上聆聽引力波的音符，一個是到太空去捕捉引力波的聲響?！?月13日下午，中國科學(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，中國科學(xué)家也同時開啟了新一輪的本土>中擊。

來自科技部的消息顯示，致力于“在地面聆聽引力波音符”的中科院國家天文臺阿里觀測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。其選址工作在國家天文臺相關(guān)研究人員的帶領(lǐng)下，持續(xù)長達10年，已成為天文臺選址工作的典范。建成后，其地理上的中緯度范圍、對天區(qū)的廣闊覆蓋，有望填補北半球觀測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“天琴計劃”則由中山大學(xué)于2015年7月23日牽頭啟動，主要是以引力波研究為中心，開展空間引力波探測計劃任務(wù)的預(yù)先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖，并開展關(guān)鍵技術(shù)研究。中山大學(xué)相關(guān)負責(zé)人介紹，該計劃主要將分四階段實施，大約需要20年，投資150億元人民幣。

“探測到引力波只是剛剛開始，并非結(jié)束，我們非常需要中國科學(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·魏因施泰對中國科學(xué)家的努力充滿期待。

曹軍威始終認為，作為最前沿、最頂尖的科學(xué)探索之一，如引力波探測般的世界頂級課題必定是一次全球智慧的協(xié)作與“眾包”，而自己的團隊正是這個“特大集成研究項目”中的一環(huán)。他總結(jié)了三個引力波探測的特點：投資規(guī)模大、多學(xué)科交叉、國際緊密合作：“這樣規(guī)模的科學(xué)探索遠超出某個單一學(xué)科的范疇，也超出某一個研究小組、一個大學(xué)或研究機構(gòu)，甚至一個國家的能力，必須是物理、天文、機械、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)研究院院長李淼認為：“引力波的發(fā)現(xiàn)，會進一步刺激各國的研究進度，世界各地的引力波研究計劃將很快推進，中國本土研究的進展也會加快?！?/p>

進步的背后，除了對基礎(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。當(dāng)人類共同走進“引力波”時代，這一激動人心的發(fā)現(xiàn)所帶給我們的啟示，對中國科學(xué)界似乎同樣極具價值。