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成功探测引力波背后的“中国力量”

[作者：佚名来源：新华网时间：2016-2-14 【我来说两句大中小】

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<a href="#p=BFKGRPM00AI20009" hidefocus="true"><img data-id="9703" src="http://www.txwb.com/Article/UploadFiles/201602/2016021419102725.jpg" alt="1916年6月：爱因斯坦预测了宇宙中的涟漪" /></a>
<h2>1916年6月：爱因斯坦预测了宇宙中的涟漪</h2>
<p>根据广义相对论，引力是质量巨大物体周围时空的扭曲。在创立广义相对论时爱因斯坦认为，时空会产生涟漪并产生“引力波”，以光速从物体向外扩张。很多科学家怀疑这种波是否真实存在，爱因斯坦本人也多次摇摆。</p>
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<h2>1969年6月：首次宣称发现引力波</h2>
<p>马里兰大学帕克分校的物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）认为引力波是真实存在的。1969年他宣布用自己发明的探测装置：一个长2米和直径1米的铝制圆筒，发现了引力波。他称在引力波撞击圆筒时发出了“声响”。但他的实验结果从未被再现过，最终所有人都不认同这种结论。但他的工作吸引很多人去研究引力波。</p>
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<h2>1974年：中子星带来新进展</h2>
<p>马萨诸塞州大学艾姆赫斯特学院教授约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和他的学生拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse），在1974年首次发现了脉冲双星PSR B1913+16，这个星体由2个在近距离轨道里相互缠绕的中子星组成，而且以爱因斯坦预测的速度螺旋式向内靠拢——似乎引力波带走了能量。此次发现被认为是引力波存在的间接观测证据，但给赫尔斯和泰勒带来了1993年的诺贝尔物理学奖。</p>
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<h2>1990年：进入LIGO</h2>
<p>麻省理工学院和加州理工学院的科学家提出建设大型探测装置，使用激光干涉技术寻找引力波，很多研究者强烈反对此项目，他们担心花了很多钱没有任何发现，又影响了其他研究的资金投入。但美国国家科学基金会（NSF）在1990年批准建设LIGO，1992年选择实验的2个地点：华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿。这些设施在1999年完工并在2001年开始收集数据。2010年2个天文台暂时关闭进行升级。</p>
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<h2>2014年4月：声称发现原点波</h2>
<p>2014年有关引力波的证据又出现了，BICEP2南极站研究人员称，他们发现了B modes——他们认为是宇宙大爆炸时产生的“原点”引力波产生的微弱微波信号。但后来发现他们的分析是错误的：检测到的信号是我们银河系星际尘埃产生的。</p>
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<h2>2015年9月：先进LIGO</h2>
<p>去年9月经过大幅升级的LIGO进行了首次观测，可在大得多范围的空间搜索引力波。2016年1月先进LIGO完成了首个探测期。</p>
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<h2>2016年2月：LIGO宣布成功发现引力波</h2>
<p>2月11日在华盛顿特区举行的<a class="channel_keylink" href="http://wb.txwb.com/Special/wbnews2011/" target="_blank">新闻</a>发布会上，LIGO团队的科学家们宣布，他们首次直接探测到了引力波的存在。</p>
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清华大学科研团队以高精度的数据分析能力帮助“净化”干扰信号

据新华社北京2月13日电(记者彭茜)众里寻它千百度。近一个世纪的求索后,人类终于聆听到宇宙深处的声音。美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)成功探测到引力波,背后有十多个国家、千余名研究人员的艰辛付出。

其中,中国清华大学的科研团队以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号,加速了迈向星辰大海的征程。

“数海寻珠”助力搜索

2009年,清华大学被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。清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威是清华大学LIGO工作组负责人。

“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,”曹军威日前接受新华社记者专访时说。这一研究团队着重应用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,参与了LSC引力波暴和数据分析软件等相关研究。

为了捕捉“虚无缥缈”的引力波,研究者们苦练“内功”。曹军威说,最大的挑战在于LIGO数据的采样频率特别高,达到每秒1万6千次以上,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,提高数据处理效率,这也是清华团队的工作重点。

例如,引力波数据分析极为关键的一步是区分引力波信号和其他干扰信号。清华团队将人工智能领域的核心“机器学习”方法用于加强引力波数据噪声分析。对引力波信号的提取有一个非常直观的做法,就是将引力波信道的事件和其他环境信道的事件进行比对,如果引力波信道的某类事件跟某些环境信道的事件耦合性比较强,就可以据此“否决”引力波信道的事件。

这样,引力波信号探测的物理问题被转化成了一个数据分析处理问题。曹军威说,对数据本身关联性的判断正是机器学习的强项,也正是具有自动化和计算机学科背景的清华团队所擅长的。

“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,”他说。

一个典型的引力波应变大约在质子直径的万分之一,具有极高灵敏度的LIGO探测器才能够测量出如此微小的变化。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。

“高冷科研”彰显魅力

曹军威认为,引力波被直接探测具有双重意义:从物理学的角度,就是证实了爱因斯坦广义相对论的一个重要预言；从天文学的角度,是开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口,开创了引力波天文学的新时代。

引力波的探测和数据分析还需要多学科背景的研究者联合工作,这也带动了光学、工程、计算机等多学科的前沿发展。曹军威说:“科学探索的需求一直是计算机技术发展的驱动力之一。LIGO项目对数据处理要求极高,对计算技术挑战很大,清华参与LIGO项目也是希望掌握第一手的应用需求,有的放矢地开展计算机应用研究。”

国际上引力波科学研究和观测工作如火如荼,而中国在这方面基础相对薄弱,目前还没有自主建设的引力波天文台。曹军威认为,接下来中国急需自主建设引力波天文台,既要脚踏实地培养人才,又要有开放合作的心态,充分借鉴国际上已有研究和实验成果,并大力加强跨领域合作。

不过,把引力波的发现用于科幻迷们期待已久的时空穿越和星际通信,还需漫长的等待。

“科学的发展往往很有趣,有人总结过,如果某个科学家预言某种事情一定做不成,事实往往会证明预言的错误,所以我们不敢说时空穿越和星际通信在遥远的未来一定不会实现,因为事实上确实有严肃的科研工作者在研究这些问题,”曹军威说。

这一看似“高冷”的基础科学突破,在普通人中也掀起涟漪。“这就是基础科学研究的魅力所在,任何人与生俱来就会有的好奇心,驱使大家有兴趣去琢磨一下,虽然大多数人不会以此为职业,”曹军威说。

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<a href="#p=BFKG78LA0AI20009" hidefocus="true"><img data-id="9702" src="http://img3.cache.netease.com/photo/0009/2016-02-12/s_BFKG78LA0AI20009.png" alt="2016年2月11日，加州激光干涉引力波观测站（LIGO）联合创办人基普索恩（Kip Thorne）于华盛顿国家新闻社向全世界宣布引力波的发现。" /></a>
<h2>2016年2月11日，加州激光干涉引力波观测站（LIGO）联合创办人基普索恩（Kip Thorne）于华盛顿国家<a class="channel_keylink" href="http://wb.txwb.com/Special/wbnews2011/" target="_blank">新闻</a>社向全世界宣布引力波的发现。</h2>
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<h2>该引力波是由于两个黑洞融合所产生，第一次证明了一个世纪前爱因斯坦所提出的时空结构涟漪假说的真实存在。这一发现的宣布，让全球的天文爱好者为之振奋，并将其比作同伽里略开启太空观测一样的另一座科学里程碑。</h2>
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<h2>一个世纪前，著名物学家艾伯特爱因斯坦预言宇宙空间存在一种时空涟漪产生的引力波，但是由于当时缺少必要的研究条件，以至于一直没能获得真实的数据来支持这个论点。不过一个世纪后的今天，科学家们终于在加州激光干涉引力波观测站（LIGPO）证实了引力波的真实存在。</h2>
<p>除此之外，科学家们还对引力波的发出源进行了探索，证明是130万年前两个巨大的黑洞猛烈撞击并融合所产生的。回到1915年前后，德国物学家爱因斯坦否定了科学界普遍认同的宇宙是静态的这一假定。相反的，他认为宇宙空间会由于周围产生的能量而不断弯折扭曲。这一假说属于爱因斯坦广义相对论中的一部分，其中阐述了，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。</p>
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<h2>该图为激光干涉引力波观测站（LIGO）实验室中所使用的光学器具。这两部坐落在美国新泽西州利文斯顿和华盛顿州汉福德的，完全相同的检测器可以在引力波穿过后检测到细微的波动。科学家们利用该仪器第一次真实检测到了引力波的存在，证实了爱因斯坦的百年假说，是人类太空探索史中又一座里程碑发现。</h2>
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<h2>该图为激光干涉引力波观测站（LIGO）实验室中所使用的光学器具。这两部坐落在美国新泽西州利文斯顿和华盛顿州汉福德的，完全相同的检测器可以在引力波穿过后检测到细微的波动。科学家们利用该仪器第一次真实检测到了引力波的存在，证实了爱因斯坦的百年假说，是人类太空探索史中又一座里程碑发现。</h2>
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<h2>该图为激光干涉引力波观测站（LIGO）实验室中所使用的光学器具。这两部坐落在美国新泽西州利文斯顿和华盛顿州汉福德的，完全相同的检测器可以在引力波穿过后检测到细微的波动。科学家们利用该仪器第一次真实检测到了引力波的存在，证实了爱因斯坦的百年假说，是人类太空探索史中又一座里程碑发现。</h2>
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<h2>该图为激光干涉引力波观测站（LIGO）实验室中所使用的光学器具。这两部坐落在美国新泽西州利文斯顿和华盛顿州汉福德的，完全相同的检测器可以在引力波穿过后检测到细微的波动。科学家们利用该仪器第一次真实检测到了引力波的存在，证实了爱因斯坦的百年假说，是人类太空探索史中又一座里程碑发现。</h2>
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<h2>该图为位于美国华盛顿州汉福德激光干涉引力波观测站（LIGO）的航拍图。</h2>
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<h2>该图为位于美国华盛顿州汉福德激光干涉引力波观测站（LIGO）的航拍图。</h2>
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