清華大學LIGO工作組，引力波研究背后的師與生

十三

沒錯，恰如麻省理工學院校長L. Rafael Reif指出的，LIGO一直以來是數千大學生和數百博士生艱苦的訓練場，這項研究吸引了全世界上千名科學家以及高校大學生參與其中。作為中國大陸唯一LIGO科學合作組織成員，清華大學研究團隊以高精度的數據分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號，在引力波的探測中作出了貢獻。

曹軍威老師的團隊

清華團隊開始參與LIGO的相關工作，始于曹軍威。曹軍威，現任清華大學信息技術研究院研究員、天體物理中心兼職研究員，LIGO科學合作組織（LSC）理事會成員。

2004～2006年，在美國麻省理工學院空間研究中心工作的曹軍威，便參與了引力波數據計算和分析的工作。在美國工作的兩年多時間中，曹軍威時刻關注著LIGO的工作動態。當時，美國提出“新一輪的基礎架構化”將以信息技術為引擎，主要指基于分布計算機、信息和通信技術的基礎架構，稱為信息基礎架構（Cyber- infrastructure），認為其對于知識經濟的重要性可以與傳統基礎架構對工業經濟的支撐作用相比擬。曹軍威覺得，國內的研究團隊也不應該在這個領域落后。

“技術的最新挑戰往往最先出現在重大科學前沿問題的探索過程中”，信念已定，2006年回國后，曹軍威馬上組織創建了清華大學LIGO工作組。這是一支跨學科的團隊，由來自清華大學信研院、自動化系、計算機系和工程物理系的教師和學生組成。曹軍威是負責人，研究團隊包括都志輝副教授，以及另一位來自清華大學計算機系的王小鴿副教授。

曹軍威認為，數據分析最大的挑戰在于LIGO數據的采樣頻率特別高，達到每秒1萬6千次以上，采樣信道達上萬個，數據量大，需要先進的計算機處理技術做支撐，提高數據處理效率，這也是清華團隊的工作重點。

例如，引力波數據分析極為關鍵的一步是區分引力波信號和其他干擾信號。清華團隊將人工智能領域的核心“機器學習”方法用于加強引力波數據噪聲分析。

這樣，引力波信號探測的物理問題被轉化成了一個數據分析處理問題。曹軍威說，對數據本身關聯性的判斷正是機器學習的強項，也正是具有自動化和計算機學科背景的清華團隊所擅長的。

2009年，在匈牙利布達佩斯，LIGO（激光干涉引力波天文臺）和Virgo聯合工作會議上，曹軍威做了近20分鐘的大會報告，詳細介紹了清華大學信研院LIGO工作組的研究進展與計劃，并正式申請加入LIGO科學合作組織（LSC）。當時，與會的近200名LIGO和Virgo科學合作組織成員聽取了報告，并在隨后舉行LSC理事會議上正式通過了清華大學的申請。

這意味著清華大學成為第一個來自中國的LIGO科學合作組織成員，在引力波探測數據分析方面，填補了中國在這一領域研究的空白，在世界一流科學合作組織中爭取到了一席之地。

近幾年來，清華大學研究團隊主要與麻省理工學院、加州理工學院和西澳大利亞大學等LSC成員合作開展工作，主要研究成果包括：GPU加速引力波暴數據分析和實現低延遲實時致密雙星并合信號的搜尋；采用機器學習方法加強引力波數據噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統誤差等。

“科學探索的需求一直是計算機技術發展的驅動力之一?！痹谝淮尾稍L中，曹軍威闡釋了參與LIGO項目的初衷，“我們參與LIGO項目也是希望從應用驅動的角度開展先進計算技術的研究工作，LIGO引力波數據雖然沒有高能物理方面的數據量大，但其處理要求非常高，對計算技術的挑戰非常大，我們參與其中可以掌握第一手的應用需求，有的放矢的開展計算機應用技術研究?！?/p>

引力波探測是一個世界性的大項目，集合和人類在物理、工程、數學、計算機方面最先進的理論、技術、和智慧。作為最前沿、最頂尖的科學探索之一，曹軍威對其曾總結過三個特點：

第一，投資規模大。曹軍威回到清華大學任教之前曾在美國麻省理工學院LIGO實驗室工作，LIGO天文臺的建設斥資6億多美元，每年的運行費用在3000萬美元以上，因此，類似這樣的研究對資源共享的需求很迫切。

第二，多學科交叉。這樣規模的科學探索遠超出某個單一學科的范疇，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。曹軍威曾經在LIGO實驗室的工作是利用先進計算技術，開發相應的軟件系統和工具，實現海量數據的跨域共享與分析。

第三，國際間合作緊密。這樣的挑戰往往超出某一個研究小組、一個大學或研究機構，甚至一個國家的能力，必須在全球范圍聯合攻關。LIGO科學合作組織由美國和歐洲等90多個單位的1000余名研究人員組成，共同對LIGO天文臺每天產生的上萬億（TB）量級的數據進行共享和分析。

因此，引力波探測必定是一次全球智慧的協作與“眾包”，而清華大學研究團隊，正是這個“特大集成研究項目”中的一環。

據不完全統計，在LIGO的引力波探測的科研探索中，先后有一千多人參與。在這支隊伍中，有些人轉行去了硅谷，做了碼農、工程師，有些先驅早已溘然長逝，但他們的功績不可磨滅。正是他們對于科學技術極限不斷地突破與嘗試，不但印證了愛因斯坦的理論，還帶動了激光、材料、光學、工程、計算機等諸多學科前沿的發展，很多LIGO衍生出的技術，對半導體制造、能源、材料、大數據等諸多應用領域產生了深遠影響。

為了這次探測，從材料、鍍膜、隔震、激光、真空，再到超級計算機、數值相對論、快速信號處理、數據分析、快速空間定位、參數估計，每一步都包含了科研人員的辛勤與付出。在曹軍威看來，探測器的精度提升和數據分析處理相輔相成，最終成就了引力波探測的成功，這是全世界千余名研究人員共同努力的結果。

一名清華理工男的科研日常

郭翔宇，清華大學計算機系高性能計算所2013級碩士研究生，同時也是清華LIGO工作組中一名普通的學生科研人員。2013年，剛剛碩士研究生入學的郭翔宇，就跟隨其導師都志輝副教授，承擔起了LIGO“引力波探測項目”中數據處理的相關科研工作。

每天清晨，還不到8點，郭翔宇一如平常地走進東主樓8層的實驗室，經歷著一個典型清華理工男的日?！鰧嶒?、例會討論、閱讀文獻資料、修改實驗設計、攻克大大小小的Deadline。

郭翔宇每天的科研任務，簡單來說，就是讓引力波數據分析處理的過程變得更有效率，利用盡量少的計算資源，分離并辨別出可能是引力波的成分。這需要通過優化GPU（計算機圖形處理器）加速引力波數據處理的過程，將引力波的信號搜尋做到接近實時化。

“我一直對GPU加速的相關技術感興趣，沒想到剛一入學就承擔了如此重大的科研項目”回想起加入LIGO科研工作，郭翔宇仍十分感慨。

“對我來說，這是個嶄新且陌生的領域，需要接觸物理、天文學等跨學科的知識，不斷學習計算機GPU加速方面的相關知識、閱讀相關論文，重復不斷地做實驗驗證。這都完全需要依照導師的要求進行自學。”

“之前的學長將GPU的信息處理速度加速了58倍后，整個科研遭遇到了一些瓶頸”， 對于GPU的加速，前后有過六七個人參與到這項科研攻關中。導師都志輝老師也都親力親為，甚至經常和同學們一起熬夜到凌晨、共同解決難題。

與此同時，作為一個世界性的科研項目，郭翔宇所在的團隊需要不斷地進行國際交流。他和導師每周都要與西澳大利亞大學的項目組成員跨洋討論，還遠赴澳大利亞進行了3個月高強度的學術攻關。同時，參加“LIGO?清華討論會”，與意大利的VIRGO引力波探測工作展開密切合作，不定期地與西方發達國家的物理界、數據處理等相關領域的專家學者進行交流。

2015年4月13日，清華大學FIT樓召開的“2015北京引力波研討會”上，郭翔宇作為其中一員與西澳大利亞大學的教授們展開交流。該研討會從2013年開始，由清華大學LIGO工作組每年定期主辦一次。

“導師每天都和我們在一個辦公室，有什么問題就可以直接上去問，他都會非常耐心地給予解答。”而每周例行的“跨洋例會”，針對上一周遇到的問題，都志輝老師和西澳大利亞大學的溫琳清作為“雙導師”，都會給出一些方法，指導郭翔宇進行進一步的研究，修改實驗設計。

“一年多來，我在先前的基礎上，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?！?/p>

“引力波探測成功消息公布的那一刻，我也非常激動。導師和團隊成員都通過郵件進行的相互慶祝后，還是繼續投入到下一步的研究中。”郭翔宇坦言，“沒想到引力波可以在新年刷屏，不過作為這個團隊的一分子，真的很有成就感?！?/p>

親身參與“世界級的科研難題攻關”是怎樣一種體驗？在郭翔宇看來，正是這次寶貴的經歷，激發了他對科學研究的興趣，培養了科學研究的方法，參悟到了科學研究的本質。

（本文來自清華大學研究生公號對相關師生的專訪）