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探测引力波:“捕捉”引力波的中国力量

2016-2-18 17:05:22科普中国 【字体:

探测引力波:“捕捉”引力波的中国力量

分别位于Livingston和Hanford的LIGO探测器以及它们分别探测到的引力波信号。图片来源于清华大学官网

 

探测引力波:“捕捉”引力波的中国力量

陈嘉言工作照。中山大学供图

这是一场跨越百年的接力。

从爱因斯坦伟大的预言,到一代又一代科学家矢志不渝的求索,2月11日,当“引力波”这三个字,以核裂变般的速度引爆全球,全世界都在为这扇探索宇宙新窗口的开启而欢欣鼓舞。

这更是一场全世界科学家的“并肩作战”。百年来,引力波的身影总是显得“虚无缥缈”,但在这个顶级世界难题的漫长求索中,中国科学家从未放弃过自己的努力。这一次,当我们在多达1004位作者的庞大署名中,发现3个属于中国科学家的名字时,我们还应记取另外一些闪耀在引力波“捕获”之路上的中国科学家的身影。

 

引力波探测的中国足迹

早在20世纪70年代,中国科学家就开始了引力波研究。

中山大学是国内引力波研究的先行者,该校相关负责人为记者还原了这段中国人向世界难题发起冲击的历史:“1969年,美国马里兰州立大学的约瑟夫·韦伯宣称,他已探测到不排除为引力波的信号。这引起物理学界极大的注意。1973年,中国科学院的王祝翔、秦荣先等人前往广州,商讨中科院高能所和中山大学合作引力波符合探测研究的事宜,得到中大及物理系教授陈嘉言等人的大力支持。1976年,国家科委和教育部决定把这项研究定为国家重点研究项目。”

老一辈科学家的探索不久之后就收获了硕果。

1979年7月,意大利,第二届格拉斯曼广义相对论国际会议。陈嘉言因为在引力波研究方面的贡献,被聘为会议顾问委员会委员。在会上,陈嘉言作了《北京—广州引力波探测进展》的报告,这是中国的引力波研究第一次被国际社会所认可。

两个月后,中国引力与相对论天体物理学会在广州成立,许多老一辈的著名科学家如钱三强、周培源参加了学会,学部委员北京大学胡宁教授为理事长,陈嘉言当选为副理事长。此后,中国引力波研究的捷报频传——

1980年初,常温共振型引力波探测器完成组装。

1981年6月,常温引力波探测系统开始实验性运行,测出和记录了天线的热噪声,得出了理论灵敏度同实测灵敏度一致的结果。

1982年1月,陈嘉言应邀到西澳大利亚大学访问并作学术报告,受到当地华侨组织欢迎,记者采访说,这是中国科学界首次到当地访问。

但遗憾也随之而来。1982年4月9日,刚从上海出差回来的陈嘉言风尘仆仆,便投入了工作,不幸在真空罐中触电殉职,终年四十六岁。在他离世后,由于人才队伍接续等问题,中国的引力波研究停滞了十多年。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成立了空间引力波探测工作组,引力波的中国研究才再启征程。

 

融入世界“协同作战”的中国团队

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。

“这次发现的确美妙和激动人心,但日常工作中的海量数据分析并不总是令人愉快。”曹军威介绍,LIGO数据的采样频率特别高,达到每秒1.6万次以上,采样信道达上万个,数据量大,需要先进的计算机处理技术做支撑。而对于这样的海量处理,需要的是“坐穿板凳”的沉潜定力:“漫长的时间里,LIGO探测器并没有达到设计精度,是探测不到真正的引力波信号的,可以认为实际大家在处理的全都是噪声,可就是在对这些噪声的一点一滴的处理中不断积累经验,不断提升仪器的精度,才有了今天的探测灵敏度。”

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。”

 

开启中国本土的引力波探测

“你知道吗?目前,我国主要有两大引力波探测项目:中科院高能所主导的‘阿里实验计划’和中山大学领衔的‘天琴计划’。一个是在地面上聆引力波的音符,一个是到太空去捕捉引力波的声响。”2月13日下午,中国科学院高能物理研究所在其官方微博上发布了上述内容。这意味着,在积极融入顶尖课题的世界协同作战之余,中国科学家也同时开启了新一轮的本土冲击。

来自科技部的消息显示,致力于“在地面聆引力波音符”的中科院国家天文台阿里观测站位于西藏阿里狮泉河镇以南海拔5100米的山脊,海拔高、云量少、水汽低、透明度高。其选址工作在国家天文台相关研究人员的带领下,持续长达10年,已成为天文台选址工作的典范。建成后,其地理上的中纬度范围、对天区的广阔覆盖,有望填补北半球观测宇宙微波背景辐射的空白。

而立志“到太空去捕捉引力波的声响”的“天琴计划”则由中山大学于2015年7月23日牵头启动,主要是以引力波研究为中心,开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。中山大学相关负责人介绍,该计划主要将分四阶段实施,大约需要二十年,投资150亿元人民币。

“探测到引力波只是刚刚开始,并非结束,我们非常需要中国科学家的努力。”LIGO数据分析专家、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰对中国科学家的努力充满期待。

曹军威始终认为,作为最前沿、最顶尖的科学探索之一,如引力波探测般的世界顶级课题必定是一次全球智慧的协作与“众包”,而自己的团队正是这个“特大集成研究项目”中的一环。他总结了三个引力波探测的特点:投资规模大、多学科交叉、国际紧密合作:“这样规模的科学探索远超出某个单一学科的范畴,也超出某一个研究小组、一个大学或研究机构,甚至一个国家的能力,必须是物理、天文、机械、激光、精密仪器、信息等方方面面的专家共同参与,在全球范围联合攻关。”

中山大学天文与空间科学研究院院长李淼认为:“引力波的发现,会进一步刺激各国的研究进度,世界各地的引力波研究计划将很快推进,中国本土研究的进展也会加快。”

这进步背后,除了对基础科学投入的重视,还要有一种摒弃功利的、广阔的人类意识。当人类共同走进“引力波”时代,这一激动人心的发现所带给我们的启示,对中国科学界似乎同样极具价值。



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