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(jìn)計(jì)算技術(shù)作為研究方向時(shí)，曹軍威不曾想過，這項(xiàng)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(xué)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(shí)刻，這讓曹軍威覺得“至少比100年來的許多科學(xué)家都要幸運(yùn)！”

有人說，生活不止眼前的茍且，還應(yīng)該有詩和遠(yuǎn)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(xué)引力波研究團(tuán)隊(duì)，一直在追尋的科學(xué)之美！

時(shí)空的漣漪

北京時(shí)間2016年2月11日晚，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）科學(xué)合作組織，以及美國國家科學(xué)基金會(huì)向全世界宣布，人類首次探測到了引力波，全球科學(xué)界瞬間沸騰。在中國，曹軍威和他的團(tuán)隊(duì)也因在這次探測任務(wù)中作出貢獻(xiàn)，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(shí)空波動(dòng)，就像石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，被視作宇宙中的“時(shí)空漣漪”。這次探測到的引力波，是兩個(gè)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(jìn)，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(qiáng)大的引力波，但能產(chǎn)生如此強(qiáng)的引力波的波源又都距地球十分遙遠(yuǎn)，傳到地球時(shí)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(xué)家、天文學(xué)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(xué)家泰勒和同行用了30年時(shí)間對其發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星系統(tǒng)進(jìn)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(jì)60年代，馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家韋伯設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)科學(xué)的先河。上世紀(jì)70年代，美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家Rainer Weiss等人基于邁克爾遜干涉儀原理，提出并設(shè)計(jì)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(jì)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(xué)院與麻省理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）”。

據(jù)悉，LIGO的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂，臂長4000米。兩臂交會(huì)處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)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(diǎn)，并在那里發(fā)生干涉。若有引力波通過，便會(huì)引起時(shí)空變形，一臂的長度會(huì)略微伸長，而另一臂的長度則略微縮短，這樣就會(huì)造成光程差發(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會(huì)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(dāng)有波浪經(jīng)過，物體便會(huì)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(huì)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(tái)完全相同的探測器，彼此相距3000公里，只有當(dāng)兩個(gè)探測器同時(shí)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(yùn)行，并于2007年和2015年進(jìn)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(tái)捕捉到的。

曹軍威透露，這個(gè)信號發(fā)生在13億光年前，最終來到地球其實(shí)只有不到1秒的時(shí)間。而在這不到1秒之前的一個(gè)禮拜，他們才剛完成兩個(gè)天文臺(tái)的完善工作，使其剛好可以達(dá)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(shí)在是太神奇、太美妙了！

數(shù)據(jù)分析的貢獻(xiàn)

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(xiàng)研究有一個(gè)形象的比喻：捕捉兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波，相當(dāng)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(dá)到16000次以上，并且兩個(gè)天文臺(tái)加起來有上萬個(gè)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(dú)立的對探測器的環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的探測器和記錄儀，如溫度、氣壓、風(fēng)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)龐大、繁雜，需要強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)資源與先進(jìn)算法，才能有效處理如此巨大的數(shù)據(jù)量。

曹軍威當(dāng)時(shí)在美國從事計(jì)算機(jī)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(xué)院LIGO實(shí)驗(yàn)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(shí)到一個(gè)重要問題——這么有價(jià)值、意義非凡的研究，竟然沒有來自中國的隊(duì)伍參與，他萌生了回國組建研究團(tuán)隊(duì)的念頭。

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

曹軍威團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)，是利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(jì)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(jìn)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)引力波數(shù)據(jù)處理工作的高速運(yùn)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(shí)際上發(fā)生在2015年9月14日5點(diǎn)51分，3分鐘后LIGO天文臺(tái)的在線程序流水線探測到了這個(gè)信號。這個(gè)流水線叫Coherent Waveburst，即cWB流水線。這個(gè)過程中，曹軍威團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)就是從計(jì)算機(jī)自動(dòng)化角度出發(fā)，找到可以大幅提升cWB運(yùn)行效率的路徑，采用GPU技術(shù)加速cWB運(yùn)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合西澳大利亞大學(xué)，也采用GPU技術(shù)對CBC進(jìn)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(dá)到120多倍。最后的分析結(jié)果表明，這個(gè)信號信噪比達(dá)到了23以上，標(biāo)準(zhǔn)希格碼值達(dá)到了5以上，這在天文發(fā)現(xiàn)中就被認(rèn)為是一個(gè)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(tuán)隊(duì)而言，是對他們能力和專業(yè)的肯定和認(rèn)可，見證引力波被探測到的那一刻，心情自然是無比的激動(dòng)。但在這之前，探測器的靈敏度還不足以達(dá)到能夠探測引力波時(shí)，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(shí)候，一架飛機(jī)飛過或者一列火車開過，都會(huì)影響到探測器的動(dòng)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(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)法，對大量的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和關(guān)聯(lián)分析，分析各個(gè)不同信道數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)?！叭绻硞€(gè)信道事件跟引力波信道事件的耦合性較強(qiáng)，就可據(jù)此‘否決引力波信道事件?！辈苘娡硎荆@就相當(dāng)于將引力波信號探測由一個(gè)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(jī)器學(xué)習(xí)法的強(qiáng)項(xiàng)，也是他們團(tuán)隊(duì)的專長。

曹軍威還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)參與了引力波數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)的構(gòu)建，采用網(wǎng)絡(luò)、工作流和云計(jì)算等先進(jìn)計(jì)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(xué)合作組織成員廣泛使用。

整個(gè)過程中，曹軍威和團(tuán)隊(duì)取得了“GPU加速引力波暴數(shù)據(jù)分析和實(shí)現(xiàn)低延遲實(shí)時(shí)致密雙星并合信號的搜尋”、“采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法加強(qiáng)引力波數(shù)據(jù)噪聲的分析”及“進(jìn)行實(shí)時(shí)引力波暴搜索以支持多信使天文學(xué)”等多項(xiàng)成果，并作為LIGO科學(xué)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(xiàn)，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(tuán)隊(duì)也因此被譽(yù)為是成功探測引力波背后的“中國力量”。

科研的意義

科學(xué)探索的需求一直是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一。引力波探測除了天文物理學(xué)上的意義外，對曹軍威來說，參與這樣一個(gè)對數(shù)據(jù)處理要求極高，對計(jì)算技術(shù)挑戰(zhàn)極大的項(xiàng)目，可以有更多機(jī)會(huì)掌握第一手應(yīng)用需求，以便后續(xù)更好地開展計(jì)算機(jī)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(jià)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(tuán)隊(duì)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(huì)促進(jìn)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(gè)預(yù)言，但今天隨著科技的發(fā)展，我們證實(shí)了它的存在，把不可能變成了可能。

人類是渺小的，科學(xué)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(xué)的海洋里撥開黑暗尋找光明，這個(gè)過程艱苦卻浪漫。清華大學(xué)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(gè)標(biāo)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(tuán)隊(duì)向往和追尋的科學(xué)之美！