如何用大數據檢驗引力與時空理論的正確性

宇宙，它讓所有天文學家為之興奮。因為這里有一顆藍色的星球，它被銀河包裹著。不過我們還沒能了解完整的宇宙，也沒能掌握宇宙運行的所有規律，這對我們來說是很遺憾的。就像之前費曼所說的，我們沒辦法參與其中，但可以盡可能地凝視它，找到一些規律。現在，我們所能做的就是盡可能使用強大的射電望遠鏡凝視宇宙，盡可能地提出問題，盡可能地找到答案。

我們提出的這些問題，現在依舊在不斷探索當中，很多時候都是關于重力等外力問題。大家知道重力，我們每次摔倒的時候都有重力的原因。重力環繞在地球的周圍，但實際上這個萬有引力存在于所有天體中，比如黑洞，正是這樣，愛因斯坦提出了廣義相對論。直到今天，相對論依舊是對萬有引力最好的描述，雖然不一定是對的。幾周前，我們人類有能力拍攝了一張真正的黑洞照片，但是大家可以看到，這張照片并不能像仿真一樣得到一個答案。但是，它對于我們對這個引力的預測是基本相似的：包含了6個太陽的質量，所以黑洞的發現與廣義相對論是基本相似的。

生活中也能產生引力波

引力貫穿在我們所有物理概念中，包括廣義相對論。實際上它稍微有些不一樣，因為引力在相對論中，它是由時空形成的理論。移動質量，加速它們，在空間與時間中間形成一個中心，進而形成了一個波，這就是所謂的引力波，速度越快引力波越強。

在太陽系中我們有地球、月球，月球繞著地球公轉，而在太陽和月球之間是沒有直接的公轉。100多年前，愛因斯坦發表了他的理論，可是現在的我們怎樣去驗證它呢？最后得到的一個結果就是：如果我們提高一對相互運行的質量，這種情況以系統的方式發生，當能量從系統中帶走，軌道縮小，這兩個質量會最終碰撞和合并。

實際上，很難像上述這樣去驗證相對論，因為重力是相對弱的，特別是和電力對比。這就是為什么你摔倒的時候頭上會受傷——地面分子中的力比重力要強得多。大家可以想象一下，如果一個站在體育場上的運動員，他通過自身質量旋轉來制造引力波。假如說這個運動員100公斤，他以每次2倍的質量旋轉，也會產生引力波，不過這個引力波的能量非常小，所以在體育場觀看運動員比賽是完全沒有危險的。顯然，在我們日常生活中不太可能產生強能量的引力波，而只有巨大的物體，像恒星、星星才能做到。

愛因斯坦給出了一個正確的答案，他說科學家在理解世界的過程中會得到回報，而不僅限于發現其應用場所的可能性。大家知道，量子力學是由愛因斯坦的同事發現的，在剛剛發現的時候它還只是一個模糊的理論，并沒有可應用的地方，而今天我們可以做到這么多，還在這里召開這樣一個會議，所有一切都是因為量子力學，現在社會當中遇到的一些東西都是基于量子力學這個理論。可以說量子力學是今天數字世界的關鍵。

位置引起的時間差

我們都知道，鐘表在重力場中會走得慢一些。當年有兩個科學家，他們做了一個實驗，他們拿兩個一模一樣的原子鐘表，一個放在地球上，一個放在飛機上，他們發現地球上的鐘表走得會比飛機上的鐘表要慢一些。究其原因，是放在飛機上的鐘表所處位置比較高，受到的重力場的影響相對較小。

另一個實驗是：把兩個一模一樣的鐘表放在埃菲爾鐵塔上，一個放在塔頂，一個放在塔底。結果兩個鐘表走的時間都不一樣。為什么？因為這一年中地球距離太陽的位置持續發展變化，冬天的時候距離太陽近一點，然后所有的鐘表就會走得慢一點;而在夏天的時候，會距離太陽更遠一點，我們的鐘表走得快一點。這樣一個差幅在1.7毫秒左右，地球上的人是感覺不到的，只有當你在地外有一個鐘表你才能感受得到。

其實，我們很多人每天都在做這樣的調整。例如你們使用的GPS導航，GPS導航是基于衛星的，而衛星繞地旋轉，衛星上的鐘表會比地球上的鐘表走得稍微快一點。GPS定位是利用不同衛星根據時間點做精準定位。如果不知道衛星上的表比地球上的表走得快一點而不做調整的話，這個差異每天可能達到46秒，意味著地面上的定位差異會高達12公里，所以說廣義相對論跟我們日常生活息息相關。

會爆炸的脈沖星

霍金認為黑洞是會產生輻射的，由于輻射會喪失能量，非常小的黑洞會因喪失能量而蒸發。還有一個科學家曾預言，在特殊情況下會觀測到比較短的無限脈沖。

實際上，脈沖星是會爆炸的，比如超新星。1000多年前有一場爆炸，有兩個恒星，左上角是恒星，右下是脈沖星。脈沖星它就像脈沖一樣不停閃，并不是真的在閃，而是在飛快地旋轉，所以叫脈沖星。同時也會散發輻射，各種各樣的光束沿著軸發射光束。大多數的脈沖星都只能通過射電望遠鏡看到，而且旋轉速度非常決。

1974年我們找到了第一個跟恒星旋轉相連的脈沖星，這樣一個雙星系統每天以1毫秒速度縮小。我們剛剛談到引力波和雙星系統，當軌道縮小的時候，就使整個系統失能。這些脈沖星它們是非常精準的鐘表，它們的密度非常高。在這里給大家舉一個例子，把脈沖星跟貴陽做一個對比，差不多一樣大的。但是質量大概可以達到2個太陽系那么大，通常質量比太陽高出40%，狀態非常非常穩定。

大數據的挑戰

再說說FAST射電望遠鏡。一個接收器，可以同時看19個位置相鄰的脈沖星。這也就是你們收集的數據是我們的19倍，數據量非常大，基本每天會產生144TB的數據，要是儲存起來需要非常大的儲存容量。可以做很多的事情，比如說在南非我們有各種各樣的望遠鏡、列陣望遠鏡，我的研究所為這個64道陣列提供接收器。另外在利用這樣的陣列，我們可以使用1000個光束掃描天空，這個是黑洞的照片，其實是由這一組望遠鏡做的。每一周大概可以產生20PB級的數據。你加越多的望遠鏡，最終數據質量越好，我們希望未來增加更多的望遠鏡。

所以SKA每天會面臨巨大的數據挑戰，需要全部的數據算計才能處理。在這里，這個脈沖星轉的速度非常快，產生的數據量非常多，我們可以去做動態分析，現在我們在線計算，而不像過去一樣做離線計算。過去我們很多博士生幫我做計算、做處理。現在不能了，因為數據量太大，10年以前我們開始研發算法和機器學習，現在有了一些成果。但是這些算法必須非常可靠，所以我們需要繼續提升我們的人工智能水平。

基礎研究，它其實是一種技術的驅動因素。對于天文學來說更是如此。就算我們不能很快把這些基礎研究成果應用起來，但是到未來肯定是有用的。現如今，不管是數據的生成、數據的傳輸還是數據的體量，對我們來說都是一個挑戰。

同時，公眾參與進來也很重要。公眾喜歡天文，天文可以幫助他們更好理解宇宙;公眾參與進來，也對我們的研究有很大幫助。就像黑洞照片發布的第二天，整個媒體界都轟動了，這就顯示出公眾對天文非常感興趣，這也是天文學的機遇所在，我們應該去接觸公眾、觸及公眾，讓公眾幫助我們，幫助我們解決問題。（編輯/任偉）