專訪 | 引力波探測：“世界級難題”背后的清華團隊－IT工程師數位筆記本

文章出處

文 | 十三

農歷大年初四晚上，一個看似“高冷”的基礎科學突破，在普通人中掀起了一波漣漪。

激光干涉引力波天文臺（LIGO）負責人David Reitze宣布，人類首次直接探測到了引力波。

作為中國大陸唯一LIGO科學合作組織成員，清華大學研究團隊在引力波的探測中作出貢獻，以高精度的數據分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號，加速了邁向星辰大海的征程。

這支參與解決“世界級難題”的神秘研究團隊，究竟有著怎樣的科研攻關歷程？研讀間為你獨家聚焦。

▲ 曹軍威，現任清華大學信息技術研究院研究員、天體物理中心兼職研究員，LIGO科學合作組織（LSC）理事會成員。

“技術的最新挑戰往往最先出現在重大科學前沿問題的探索過程中”，秉承著這份堅定的信念，2006年回國后，曹軍威馬上組織創建了清華大學LIGO工作組。這是一只跨學科的團隊，由來自信研院、自動化系、計算機系和工程物理系的教師和學生組成。曹軍威是負責人，研究團隊包括上文提到的都志輝副教授，以及另一位來自清華大學計算機系的王小鴿副教授。

曹軍威認為，數據分析最大的挑戰在于LIGO數據的采樣頻率特別高，達到每秒1萬6千次以上，采樣信道達上萬個，數據量大，需要先進的計算機處理技術做支撐，提高數據處理效率，這也是清華團隊的工作重點。

例如，引力波數據分析極為關鍵的一步是區分引力波信號和其他干擾信號。清華團隊將人工智能領域的核心“機器學習”方法用于加強引力波數據噪聲分析。

這樣，引力波信號探測的物理問題被轉化成了一個數據分析處理問題。曹軍威說，對數據本身關聯性的判斷正是機器學習的強項，也正是具有自動化和計算機學科背景的清華團隊所擅長的。

2009年，匈牙利布達佩斯，曹軍威這個名字一下進入到了公眾的視野，清華大學的LIGO工作團隊開始為人所知。

在那次LIGO（激光干涉引力波天文臺）和Virgo聯合工作會議上，曹軍威做了近20分鐘的大會報告，詳細介紹了清華大學信研院LIGO工作組的研究進展與計劃，并正式申請加入LIGO科學合作組織（LSC）。當時，與會的近200名LIGO和 Virgo科學合作組織成員聽取了報告，并在隨后舉行LSC理事會議上正式通過了清華大學的申請。

這意味著清華大學成為第一個來自中國的LIGO科學合作組織成員，在引力波探測數據分析方面，填補了中國在這一領域研究的空白，在世界一流科學合作組織中爭取到了一席之地。

近幾年來，清華大學研究團隊主要與麻省理工學院、加州理工學院和西澳大利亞大學等LSC成員合作開展工作，主要研究成果包括：GPU加速引力波暴數據分析和實現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據噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統誤差等。研究成果發表在物理評論D等期刊。

“科學探索的需求一直是計算機技術發展的驅動力之一。”在一次采訪中，曹軍威闡釋了參與LIGO項目的初衷，“我們參與LIGO項目也是希望從應用驅動的角度開展先進計算技術的研究工作，LIGO引力波數據雖然沒有高能物理方面的數據量大，但其處理要求非常高，對計算技術的挑戰非常大，我們參與其中可以掌握第一手的應用需求，有的放矢的開展計算機應用技術研究。”

從06年回國組建團隊，到09年正式加入LIGO科學合作組織，再到今天引力波的成功探測。

十年堅守，是這支清華團隊對“行勝于言”的最好踐行。

智慧眾包：好奇心不止，科學研究不止

引力波探測是一個世界性的大項目，集合和人類在物理、工程、數學、計算機方面最先進的理論、技術、和智慧。作為最前沿、最頂尖的科學探索之一，曹軍威對其曾總結過三個特點：

第一，投資規模大。曹軍威回到清華大學任教之前曾在美國麻省理工學院LIGO實驗室工作，LIGO天文臺的建設斥資6億多美元，每年的運行費用在3000萬美元以上，因此，類似這樣的研究對資源共享的需求很迫切。

第二，多學科交叉。這樣規模的科學探索遠超出某個單一學科的范疇，必須是物理、天文、機械、激光、精密儀器、信息等方方面面的專家共同參與。曹軍威曾經在LIGO實驗室的工作是利用先進計算技術，開發相應的軟件系統和工具，實現海量數據的跨域共享與分析。

第三，國際間合作緊密。這樣的挑戰往往超出某一個研究小組、一個大學或研究機構，甚至一個國家的能力，必須在全球范圍聯合攻關。LIGO科學合作組織是由美國和歐洲等90多個單位的1000余名研究人員組成，共同對LIGO天文臺每天產生的上萬億（TB）量級的數據進行共享和分析。

因此，引力波探測必定是一次全球智慧的協作與“眾包”，而清華大學研究團隊，正是這個“特大集成研究項目”中的一環。

據不完全統計，在LIGO的引力波探測的科研探索中，先后有一千多人參與。在這支隊伍中，有些人轉行去了硅谷，做了碼農、工程師，有些先驅早已溘然長逝，但他們的功績不可磨滅。正是他們對于科學技術極限不斷地突破與嘗試，不但印證了愛因斯坦的理論，還帶動了激光、材料、光學、工程、計算機等諸多學科前沿的發展，很多LIGO衍生出的技術，對半導體制造、能源、材料、大數據等諸多應用領域產生了深遠影響。

為了這次探測，從材料、鍍膜、隔震、激光、真空，再到超級計算機、數值相對論、快速信號處理、數據分析、快速空間定位、參數估計，每一步都包含了科研人員的辛勤與付出。在曹軍威看來，探測器的精度提升和數據分析處理相輔相成，最終成就了引力波探測的成功，這是全世界千余名研究人員共同努力的結果。

正如高新激光干涉儀引力波天文臺（Advanced LIGO）的項目領頭人,來自麻省理工的戴維·休梅克在LIGO科學合作組織（LSC）的官方新聞稿的結語中說的那樣，