探测引力波背后的“中国力量”

2016-04-15本刊编辑部

新传奇 2016年7期

探测引力波背后的“中国力量”

2015年9月14日,利用“激光干涉引力波天文台”探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。

引力波携带着与电磁波截然不同的信息，如果能探测到宇宙大爆炸时发出的原初引力波，那将为我们揭示宇宙诞生之初的奥妙。

北京时间2016年2月11日23: 40左右，激光干涉引力波天文台（LIGO）负责人宣布，人类首次发现了引力波。在被预言将近百年、苦苦追寻几十年之后，首个位于地球之外13亿光年的引力波源GW150914被人类直接探测到，这标志着一个新时代的序幕正在拉开。

引力波究竟是什么

对于“波”，我们并不陌生，生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等等，引力波也是波的一种。

既然称之为引力波，它必然与引力有关。所以，在更深一步了解引力波之前，我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果，意识物体之间普遍存在的一种力，称之为“引力”，并且将其数学化，这就是我们熟知的万有引力。万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力，这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表，再到1915年广义相对论的发表，爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法，引力是因为质量对于时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。在爱因斯坦的描述中，有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲，物体的质量越大，时空就扭曲得越厉害。

这就意味着，我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波，简单来说，就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波（或者电磁波），它仅仅是在时空之中传播的，时空是它的媒介。

人们常说“星辰大海”，如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。

中国有何作为

此次LIGO探测器探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴，来自于一个双黑洞系统的合并。这也是人们首次直接发现双黑洞，据悉，这两个黑洞的质量分别为26和39太阳质量，属于恒星级黑洞。

美国麻省理工学院物理系研究员苏萌介绍，一旦宇宙中某个地方产生了引力波信号，就好比大功率扩音喇叭在宇宙的某个角落喊一嗓子，这种时空的“震荡”会以引力波的形式在宇宙间几乎毫无阻力的传播。如果离地球足够近，就可以用“引力波天线”接受这些讯号。就像地球上时不时发生地震一样，只要我们有一个好的“地震仪”就能探测到这些微乎其微的震荡。

科学家们针对不同频率的引力波信号源，建造了不同的引力波接收器，LIGO科学合作组便是其中之一。“此次LIGO实验在它的工作频段证实引力波的存在，也就是说，引力波在其他广泛的频段都应该存在，如果在对应这些引力波频段的探测上建造领先的实验装置，就会在未来的引力波科学大发现上占据先机。”苏萌说。

实际上，早在上世纪70年代，中国科学家就开始了引力波研究，但由于种种原因停滞了十几年，造成了人才断层。直到2008年，在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下，中国的引力波研究才再度开启。令人欣喜的是，尽管有着一段空白历史，但在这次至关重要的“捕获”中，中国科学家并未缺位。凭借高精度的数据分析能力，中国科学家“净化”了引力波探测中的干扰信号，与全世界顶尖科学家“协同作战”，共同开启了全新的天文时代。

清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威正是这支“净化之军”的负责人。2004- 2006年，在美国麻省理工学院空间研究中心工作的曹军威，便参与了引力波数据计算和分析的工作。在这期间，他时刻关注着LIGO（激光干涉引力波天文台）的工作动态。“国内研究团队不应该在这样的顶级研究领域落后。”2006年回国后，曹军威组织创建了清华LIGO工作组，由来自信研院、自动化系、计算机系和工程物理系的教师和学生组成。他们采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率，也逐渐得到了国际同行的认可。2009年，清华被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。

郭翔宇是清华计算机系高性能计算所的硕士研究生，也是清华LIGO工作组中一名普通科研人员。他每天的科研任务，就是“让引力波数据分析处理的过程更有效率”：“每周我们都要与西澳大利亚大学的项目组成员跨洋讨论，一年多来，我在先前的基础上，将探测器GPU的信息处理速度从原有的58倍提升到了120倍以上。”

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。