追尋科學之美

劉榮　毛艷玲

“Biu”的一聲，奔波了13億光年，穿越無數(shù)星系來到地球的引力波信號，就這樣猝不及防地“闖”入了曹軍威的耳膜，讓他的心激蕩起層層漣漪。

多年前選擇先進計算技術(shù)作為研究方向時，曹軍威不曾想過，這項在不少“接地氣”領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)，有一天也能在引力波探測這樣“高冷”的科學領(lǐng)域發(fā)揮作用，而作為天文物理的“門外漢”，能夠參與并見證引力波被探測到的神圣時刻，這讓曹軍威覺得“至少比100年來的許多科學家都要幸運！”

有人說，生活不止眼前的茍且，還應(yīng)該有詩和遠方的田野。

對搞研究的人來說，科研也不只眼前的利益，還應(yīng)該有對未知的憧憬和追求。這是科研最扣人心弦的地方，也是曹軍威和他所在的清華大學引力波研究團隊，一直在追尋的科學之美！

時空的漣漪

北京時間2016年2月11日晚，激光干涉引力波天文臺（LIGO）科學合作組織，以及美國國家科學基金會向全世界宣布，人類首次探測到了引力波，全球科學界瞬間沸騰。在中國，曹軍威和他的團隊也因在這次探測任務(wù)中作出貢獻，躍入公眾的視線。

引力波是愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的一種以光速傳播的時空波動，就像石頭丟進水里產(chǎn)生的波紋一樣，被視作宇宙中的“時空漣漪”。這次探測到的引力波，是兩個分別為29倍太陽質(zhì)量和36倍太陽質(zhì)量的超恒星級黑洞合并產(chǎn)生的信號，已經(jīng)在宇宙中“旅行”了13億光年。

據(jù)了解，地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進，發(fā)出的引力波功率還不及家用電飯煲的功率大。宇宙中大質(zhì)量天體的加速、碰撞和合并等事件，才可以形成強大的引力波，但能產(chǎn)生如此強的引力波的波源又都距地球十分遙遠，傳到地球時已經(jīng)變得很微弱。因此，引力波探測有著常人無法想象的難度。

從愛因斯坦1916年預(yù)測出引力波，到2016年LIGO探測到引力波，整整跨越了一百年，全球眾多物理學家、天文學家為證明引力波的存在做出了無數(shù)努力。其中，從1974年開始，美國物理學家泰勒和同行用了30年時間對其發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星系統(tǒng)進行持續(xù)觀測，首次得到了引力波存在的間接證據(jù)。上世紀60年代，馬里蘭大學物理學家韋伯設(shè)計了一種共振型引力波探測器，雖然最后沒能找到引力波，但卻開創(chuàng)了引力波實驗科學的先河。上世紀70年代，美國麻省理工學院物理學家Rainer Weiss等人基于邁克爾遜干涉儀原理，提出并設(shè)計了引力波激光干涉探測方案。

但是，由于引力波探測對儀器的靈敏度要求極高，直到上世紀90年代，所需的相關(guān)技術(shù)條件才逐漸趨于成熟。1991年，加州理工學院與麻省理工學院在美國國家科學基金的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺（LIGO）”。

據(jù)悉，LIGO的主要部分是兩個互相垂直的干涉臂，臂長4000米。兩臂交會處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi)，然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點，并在那里發(fā)生干涉。若有引力波通過，便會引起時空變形，一臂的長度會略微伸長，而另一臂的長度則略微縮短，這樣就會造成光程差發(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會發(fā)生相應(yīng)變化。

通俗來說，這就像池塘中的水波，將漂浮物放置在水面上，當有波浪經(jīng)過，物體便會在水面上沉浮不定。LIGO安置的鏡面扮演的就是漂浮在引力波中的懸浮物，通過在干涉臂之間往返的激光，探測儀會記錄下鏡子間距離的輕微變化。

為了排除干擾因素，減少不確定性的誤差，LIGO在美國路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓州的漢福德安置了兩臺完全相同的探測器，彼此相距3000公里，只有當兩個探測器同時檢測到相同的信號，才有可能是引力波。LIGO于1999年初建成，2002年開始運行，并于2007年和2015年進行了兩次升級改造，靈敏度提高了10倍。此次的引力波信號就是由激光干涉引力波天文臺捕捉到的。

曹軍威透露，這個信號發(fā)生在13億光年前，最終來到地球其實只有不到1秒的時間。而在這不到1秒之前的一個禮拜，他們才剛完成兩個天文臺的完善工作，使其剛好可以達到能探測到引力波的精度。曹軍威覺得這就像上天注定般，實在是太神奇、太美妙了！

數(shù)據(jù)分析的貢獻

據(jù)了解，LIGO是目前全世界最大、靈敏度最高的引力波探測器，它從2003年就開始了引力波的相關(guān)數(shù)據(jù)收集。業(yè)內(nèi)對這項研究有一個形象的比喻：捕捉兩個黑洞合并產(chǎn)生的引力波，相當于在1公里的長度上找到比肉眼難見的原子核半徑還要小1萬倍的空間變化，并且這其中還摻雜著大量輻射波、噪音等干擾信息。

LIGO的引力波數(shù)據(jù)采樣頻率非常高，每秒鐘達到16000次以上，并且兩個天文臺加起來有上萬個采樣信道。它們獲取到的數(shù)據(jù)既包括激光干涉儀引力波探測器輸出的數(shù)據(jù)，還包括各種獨立的對探測器的環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)控的探測器和記錄儀，如溫度、氣壓、風力等監(jiān)測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)龐大、繁雜，需要強大的計算機資源與先進算法，才能有效處理如此巨大的數(shù)據(jù)量。

曹軍威當時在美國從事計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)研究，在數(shù)據(jù)管理方面十分有優(yōu)勢。2004年7月，他加入美國麻省理工學院LIGO實驗室，開始了這次引力波探測之旅。隨著研究的深入，曹軍威逐漸了解了引力波探測的重要性，也意識到一個重要問題——這么有價值、意義非凡的研究，竟然沒有來自中國的隊伍參與，他萌生了回國組建研究團隊的念頭。

2006年，曹軍威回到母校清華大學，聯(lián)合計算機系的兩名教師，成立清華大學引力波研究團隊。2009年，這支隊伍正式被LIGO科學合作組織接受，成為中國大陸唯一的LIGO科學合作組織成員。

曹軍威團隊的主要任務(wù)，是利用計算機自動化手段優(yōu)化算法，以提高探測數(shù)據(jù)分析的精度和效率，并借助高速計算系統(tǒng)完成引力波數(shù)據(jù)分析、噪聲分析和信號處理等工作。用一句話來解釋，就是采用先進信息技術(shù)，實現(xiàn)引力波數(shù)據(jù)處理工作的高速運轉(zhuǎn)和快速比對。

據(jù)曹軍威介紹，這次探測到的引力波信號，實際上發(fā)生在2015年9月14日5點51分，3分鐘后LIGO天文臺的在線程序流水線探測到了這個信號。這個流水線叫Coherent Waveburst，即cWB流水線。這個過程中，曹軍威團隊的主要任務(wù)就是從計算機自動化角度出發(fā)，找到可以大幅提升cWB運行效率的路徑，采用GPU技術(shù)加速cWB運行速度，將其效率提高10倍甚至更高。

在有模型比對的流水線，如CBC流水線的工作中，曹軍威和團隊聯(lián)合西澳大利亞大學，也采用GPU技術(shù)對CBC進行了加速，將其處理速度提高了50多倍，目前為止已經(jīng)能夠達到120多倍。最后的分析結(jié)果表明，這個信號信噪比達到了23以上，標準希格碼值達到了5以上，這在天文發(fā)現(xiàn)中就被認為是一個新發(fā)現(xiàn)。

能夠參與如此意義非凡的工作，對曹軍威和他的團隊而言，是對他們能力和專業(yè)的肯定和認可，見證引力波被探測到的那一刻，心情自然是無比的激動。但在這之前，探測器的靈敏度還不足以達到能夠探測引力波時，他們所做的則是漫長又枯燥的噪聲分析。

曹軍威說，區(qū)分引力波信號和其他干擾信號是引力波數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵。很多時候，一架飛機飛過或者一列火車開過，都會影響到探測器的動作。而他們的任務(wù)就是通過分析這些噪聲的來源，不斷改進和提高探測器的靈敏度。

為此，他們采用了人工智能領(lǐng)域的核心方法——機器學習法，對大量的噪聲數(shù)據(jù)進行比對和關(guān)聯(lián)分析，分析各個不同信道數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)?！叭绻硞€信道事件跟引力波信道事件的耦合性較強，就可據(jù)此‘否決引力波信道事件?！辈苘娡硎?，這就相當于將引力波信號探測由一個物理問題轉(zhuǎn)化成了數(shù)據(jù)分析處理問題，而對數(shù)據(jù)本身關(guān)聯(lián)性的判斷正是機器學習法的強項，也是他們團隊的專長。

曹軍威還帶領(lǐng)團隊參與了引力波數(shù)據(jù)計算基礎(chǔ)平臺的構(gòu)建，采用網(wǎng)絡(luò)、工作流和云計算等先進計算技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化方法，開發(fā)出數(shù)據(jù)分析軟件工具，被來自全球90多家科研院所的900余位LIGO科學合作組織成員廣泛使用。

整個過程中，曹軍威和團隊取得了“GPU加速引力波暴數(shù)據(jù)分析和實現(xiàn)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(shù)據(jù)噪聲的分析”及“進行實時引力波暴搜索以支持多信使天文學”等多項成果，并作為LIGO科學合作組織成員，在《自然.》、《物理評論》、《天體物理》等知名雜志、期刊上發(fā)表了數(shù)十篇論文，單篇最高引用900余次。

這些成果和貢獻，為成功探測引力波提供了數(shù)據(jù)處理支撐，也使我國在引力波重大國際前沿研究突破中占據(jù)了一席之地，曹軍威和團隊也因此被譽為是成功探測引力波背后的“中國力量”。

科研的意義

科學探索的需求一直是計算機技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力之一。引力波探測除了天文物理學上的意義外，對曹軍威來說，參與這樣一個對數(shù)據(jù)處理要求極高，對計算技術(shù)挑戰(zhàn)極大的項目，可以有更多機會掌握第一手應(yīng)用需求，以便后續(xù)更好地開展計算機應(yīng)用研究。

就如一位業(yè)內(nèi)人士所說，研究引力波數(shù)據(jù)分析技術(shù)盡管沒有直接商業(yè)價值，但后續(xù)卻可以考慮將這些數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域，比如引力波數(shù)據(jù)分析，就可以遷移到光譜數(shù)據(jù)分析、FAST探測數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。而曹軍威團隊探索人工智能領(lǐng)域的技術(shù)在引力波數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用，發(fā)展新的算法，無疑也會促進人工智能研究領(lǐng)域的發(fā)展。

雖然這一切現(xiàn)在看來還只是設(shè)想，可就像引力波一樣，100年前，它也只是愛因斯坦的一個預(yù)言，但今天隨著科技的發(fā)展，我們證實了它的存在，把不可能變成了可能。

人類是渺小的，科學的海洋是浩瀚無窮的，但從古至今，人類一直以渺小之軀一步步在科學的海洋里撥開黑暗尋找光明，這個過程艱苦卻浪漫。清華大學一位科研人員說過，你的發(fā)現(xiàn)留在歷史上，作為你的一個標志一直傳下去，某種意義上是一種永生。這是一種科研境界，也是曹軍威和團隊向往和追尋的科學之美！