探測(cè)引力波背后的“中國(guó)力量”

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探測(cè)引力波背后的“中國(guó)力量”

2015年9月14日,利用“激光干涉引力波天文臺(tái)”探測(cè)到來自于兩個(gè)黑洞合并的引力波信號(hào)。

引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，如果能探測(cè)到宇宙大爆炸時(shí)發(fā)出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

北京時(shí)間2016年2月11日23: 40左右，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）負(fù)責(zé)人宣布，人類首次發(fā)現(xiàn)了引力波。在被預(yù)言將近百年、苦苦追尋幾十年之后，首個(gè)位于地球之外13億光年的引力波源GW150914被人類直接探測(cè)到，這標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的序幕正在拉開。

引力波究竟是什么

對(duì)于“波”，我們并不陌生，生活中時(shí)常會(huì)聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等等，引力波也是波的一種。

既然稱之為引力波，它必然與引力有關(guān)。所以，在更深一步了解引力波之前，我們需要了解一下人類對(duì)于引力的認(rèn)識(shí)過程。17世紀(jì)末的物理學(xué)家牛頓看到了下落的蘋果，意識(shí)物體之間普遍存在的一種力，稱之為“引力”，并且將其數(shù)學(xué)化，這就是我們熟知的萬有引力。萬有引力認(rèn)識(shí)的精髓是物體質(zhì)量的存在導(dǎo)致了引力，這在牛頓之后的兩百多年里被認(rèn)為是宇宙間的絕對(duì)真理。直到1905年狹義相對(duì)論發(fā)表，再到1915年廣義相對(duì)論的發(fā)表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對(duì)于引力的看法，引力是因?yàn)橘|(zhì)量對(duì)于時(shí)空造成了變形所導(dǎo)致，而非質(zhì)量之間的吸引。在愛因斯坦的描述中，有質(zhì)量的物體會(huì)使它周圍的時(shí)空發(fā)生扭曲，物體的質(zhì)量越大，時(shí)空就扭曲得越厲害。

這就意味著，我們時(shí)空可被當(dāng)做一種可以變形的介質(zhì)來認(rèn)識(shí)。所以引力波，簡(jiǎn)單來說，就是時(shí)空自身的波動(dòng)。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅是在時(shí)空之中傳播的，時(shí)空是它的媒介。

人們常說“星辰大海”，如果將時(shí)空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某個(gè)生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭，海水由此所產(chǎn)生的波動(dòng)就會(huì)向外傳播。與此類似，宇宙中某個(gè)天體的劇烈活動(dòng)，會(huì)對(duì)所在的時(shí)空產(chǎn)生擾動(dòng)，時(shí)空自身的波動(dòng)也會(huì)向遠(yuǎn)處傳播，如果足夠強(qiáng)，就能夠?yàn)榈厍蛏系奈覀兯兄?/p>

中國(guó)有何作為

此次LIGO探測(cè)器探測(cè)到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場(chǎng)引力風(fēng)暴，來自于一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)的合并。這也是人們首次直接發(fā)現(xiàn)雙黑洞，據(jù)悉，這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為26和39太陽質(zhì)量，屬于恒星級(jí)黑洞。

美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌介紹，一旦宇宙中某個(gè)地方產(chǎn)生了引力波信號(hào)，就好比大功率擴(kuò)音喇叭在宇宙的某個(gè)角落喊一嗓子，這種時(shí)空的“震蕩”會(huì)以引力波的形式在宇宙間幾乎毫無阻力的傳播。如果離地球足夠近，就可以用“引力波天線”接受這些訊號(hào)。就像地球上時(shí)不時(shí)發(fā)生地震一樣，只要我們有一個(gè)好的“地震儀”就能探測(cè)到這些微乎其微的震蕩。

科學(xué)家們針對(duì)不同頻率的引力波信號(hào)源，建造了不同的引力波接收器，LIGO科學(xué)合作組便是其中之一。“此次LIGO實(shí)驗(yàn)在它的工作頻段證實(shí)引力波的存在，也就是說，引力波在其他廣泛的頻段都應(yīng)該存在，如果在對(duì)應(yīng)這些引力波頻段的探測(cè)上建造領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)裝置，就會(huì)在未來的引力波科學(xué)大發(fā)現(xiàn)上占據(jù)先機(jī)。”蘇萌說。

實(shí)際上，早在上世紀(jì)70年代，中國(guó)科學(xué)家就開始了引力波研究，但由于種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。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，中國(guó)的引力波研究才再度開啟。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)。“國(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。”2006年回國(guó)后，曹軍威組織創(chuàng)建了清華LIGO工作組，由來自信研院、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。

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，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。”

在曹軍威看來，探測(cè)器的精度提升和數(shù)據(jù)分析處理相輔相成，最終成就了引力波探測(cè)的成功，這是全世界千余名研究人員共同努力的結(jié)果。

擁有新的宇宙感知力

科學(xué)家們花費(fèi)這么大的精力去尋找引力波有什么用？會(huì)不會(huì)像科幻電影里那樣為我們打開“蟲洞”、開啟時(shí)間旅行帶來可能性？

蘇萌說，科學(xué)上講，引力波的發(fā)現(xiàn)為我們打開了研究宇宙的全新窗口，射電、光學(xué)、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來自于光子攜帶的信息，引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時(shí)的物理過程。如果能探測(cè)到宇宙大爆炸時(shí)發(fā)出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

那它對(duì)普通人的生活會(huì)產(chǎn)生什么影響？科學(xué)家們表示，一個(gè)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，總會(huì)給人類社會(huì)帶來無法預(yù)估的發(fā)展。百年前電磁波剛被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，也沒有人知道會(huì)給人類帶來什么，但是現(xiàn)在不管是電視機(jī)還是移動(dòng)電話，都與電磁現(xiàn)象有關(guān)。

LIGO的發(fā)現(xiàn)讓我國(guó)科學(xué)家對(duì)中國(guó)引力波研究充滿期待。“目前在國(guó)際引力波探測(cè)領(lǐng)域，中國(guó)的影響幾乎為零，希望借此機(jī)會(huì)更大推動(dòng)國(guó)內(nèi)引力波研究的發(fā)展。”專家說。

專家認(rèn)為，中國(guó)作為一個(gè)大國(guó)，這個(gè)領(lǐng)域不能是空白。“我們必須抓緊，創(chuàng)新而不是跟蹤，作出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。原初引力波仍未測(cè)出，國(guó)際合作空間依然很大。”

“LIGO的發(fā)現(xiàn)證明了引力波的存在，我們可以滿懷信心地去尋找不同波段的引力波，就像不同波段的電磁波譜一樣。如果能夠探測(cè)到原初引力波將是下一個(gè)引力波領(lǐng)域、宇宙學(xué)、高能物理的重大突破。”蘇萌說。

（新華網(wǎng)2016.2.12等）