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“清华数据尺”加速量出引力波

发布时间:2016-02-29 点击:

引力波,是从浩瀚的宇宙深处传来的“天籁之音”——虽然爱因斯坦百年前就预言它的存在,我们也可能早已无数次与之相遇。但囿于技术,我们对它几乎一无所知。直到去年9月14日,位于美国的两组4公里长的探测器捕捉到了0.2秒的信号,之后经过计算确认,引力波被证实。人类将建立认知宇宙的“第六感”。

  在发现引力波的激光干涉引力波天文台(LIGO)科学家群体中,有一支来自中国大陆的团队作出了贡献。他们是清华大学曹军威、都志辉、王小鸽三位科学家以及带领的研究生,他们设计了高速计算系统用于引力波的数据分析、噪声分析和信号搜寻。通俗地讲,就是为引力波数据分析提供了一把能高速运转、快速比对确认的“数据尺”。

回国组建引力波研究团队

  LIGO的研究工作由LIGO科学合作组织(LSC)完成,曹军威是LSC理事会成员,也是清华团队的负责人。他本科、硕士研究生均毕业于清华大学,之后出国深造,先后在英国、德国和美国从事研究工作。

  其实早在2004年,曹军威就加入了LIGO的引力波研究。“当时美国LIGO天文台的研究数据量比较大,他们迫切需要科学家能把这些数据有效管理并利用起来,正好我研究的是管理数据的计算机网格技术。”曹军威说。当年7月,他加入美国麻省理工学院LIGO实验室,成为一名研究科学家。

  在美国工作期间曹军威深刻了解了引力波探测的重大意义,同时也发现中国还没有任何单位加入其中,如果回国组建团队,或许能有更大的贡献。2006年底,他全职回到清华大学任教。“探索浩瀚的太空,研究引力波是一项全球科学家都渴望加入的事业,我不想让中国的高校和科学家被阻在门外。”他说。

  回到清华的曹军威做的第一件事,就是组建一支引力波研究团队,他向计算机系副教授都志辉、王小鸽发出了邀请。都志辉是做并行计算研究的,这种算法最大的作用就是加速,他曾经跟机械系团队合作,把一个汽车铸件的仿真计算从过去的1个星期缩短为3个小时。“引力波计算需要用到大量数据分析,高性能运算有用武之地。”都志辉对记者说。他坦言,2007年初加入这项研究时还有一些兴奋,“从科学意义上说,这是一件非常有价值的事情,我们都期待能有所突破。”

计算机专家“恶补”天文

  自从百年前爱因斯坦的广义相对论提出了引力波后,国外科学家对于引力波的研究就未曾停止。2007年才起步的清华团队无疑面临巨大考验。“引力波的研究背景主要在天文物理领域,我们都是搞计算机的,知识上就存在跨度。”曹军威说。

  都志辉也对记者坦言,对引力波知之甚少,入门困难,“比如我们只知道黑洞大概是怎么回事,但怎样合并,合并过程中又怎样产生引力波,功率如何,这些就不清楚了。”他说。

  他们没有气馁,请来了学校天体物理中心的老师讲课,根据研究的需要“恶补”天文学知识。老师学,老师所带领的研究生也学,一边学一边投入研究。每天清晨不到8点,清华东主楼八层的实验室,师生一天的研究就已经开始了:做实验、例会讨论、阅读文献资料、修改实验设计……忙碌起来,一天转瞬即逝,走出主楼时,经常已经是月满星空。

  2008年,都志辉前往美国佐治亚理工学院访学。在此期间他专门前往麻省理工学院的LIGO实验室,了解引力波的最新进展。曹军威更是每年都需要几次往返中美,向国外科学家介绍清华团队的研究情况。终于,清华团队的研究得到了认可。

  2009年LSC接受清华大学为正式成员。这是目前中国大陆唯一一个LSC成员。“交流的渠道更加通畅,研究合作更加深入,对引力波的发现确认起重要推动作用。”曹军威谈及这次“入伙儿”的意义时说。

研发高速系统“量出”引力波

  引力波的探测是世界上“最精密”的实验之一。要捕捉两个黑洞合并产生的引力波信息,就好比在1公里的长度上找到比肉眼难见的原子核半径还要小1万倍的空间变化。这种变化还夹杂着大量的辐射波、噪音等干扰信息。光是数据采样频率就达到每秒1.6万次以上。

  曹军威说,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比对。在都志辉看来,这种对庞大数据处理和计算分析甄别就好比用一把尺子去反复地量、比对,找出真正的引力波。

  在一次学术交流会上,都志辉见到了同样从事引力波研究的西澳大利亚大学温琳清教授,开启建设了整个引力波研究的重要系统——高灵敏度引力波数据流水线,这是一套GPU计算机处理系统。

  在合作过程中,都志辉和学生每年都会赶赴外方学校所在的澳大利亚珀斯。都志辉坦言,由于精力都用在了研究上,悉尼歌剧院、大堡礁、黄金海岸这些耳熟能详的澳洲经典地标,他一个都没去过,“看以后有没有时间吧。”他笑道。

  北京时间2015年9月14日17时51分,相距3000公里的两组4公里长的探测器发现了引力波信号,信号在两组探测器之间传递只用了7毫秒,累计持续时间也不过0.2秒,但被成功锁定并确认。爱因斯坦的预言成真。“人类开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口,意义深远。”曹军威说。

中国亟须建设引力波天文台

  记者了解到,全世界整个引力波研究的科学家涉及天文、物理、机械、激光、精密仪器等诸多领域。据不完全统计,先后有1000多人参与,有的先驱早已经溘然长逝。“这是全世界科学家集体智慧的成果。衍生出的技术对于诸多应用领域产生了深远影响。”曹军威说。

  曹军威、都志辉告诉记者,虽然这次发现取得了重大突破,但是包括他们在内的全球科学家对于引力波的研究并没有停止,“我们还会进一步加强研究,提高数据处理系统的运算速度和效率,这方面没有止境。”都志辉说。

  两人坦言,虽然国际上引力波科学研究和观测工作开展的如火如荼,但中国在这方面的基础还相对薄弱,随着国际上引力波直接观测的成功和引力波天文学时代的开启,中国亟须自主建设引力波天文台,要脚踏实地从培养人才入手;要有开放合作的心态,充分借鉴国际上已有的研究和实验成果;要大力加强科学目标引领下的跨领域合作,才有可能带动一系列的技术创新和科学发现,进一步推动我国引力波科学研究的发展。

    来源:清华新闻网

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