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以下文章來源于科技導(dǎo)報(bào)，作者郭宗寬，黃慶國

2017年10月3日,瑞典諾貝爾委員會將2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予3位美國物理學(xué)家:Rainer Weis、Bary Clark Barish 和 Kip Stephen Thorne (圖1),以表彰他們?yōu)長IGO (Laserinterferometer gravitational-wave observatory) 探測器建設(shè) 以及引力波探測所作出的貢獻(xiàn) 。3位獲獎(jiǎng)?wù)咧?, Rainer Weiss 最早提出了用激光干涉儀探測引力波并作噪聲分析,為LIGO 探測器建設(shè)和觀測到引力波信號起到了決定性作用 , Barry Clark Barish 對 建 立 LIGO 作 出 了關(guān) 鍵 貢 獻(xiàn) , 而 Kip Stephen Thorne的貢獻(xiàn)則在于引力波探測和LIGO的理論方面。

圖１ 2017年度諾貝爾物理學(xué)獲獎(jiǎng)?wù)?（從左至右分別為
Rainer Weiss、 Barry Clark Barish和 Kip Stephen Thorne） 

Rainer Weiss, 美國物理學(xué)家 ,1932年9月29日出生于德國柏林 , 分別于1955年和1962年獲得麻省理工學(xué)院學(xué)士和博士學(xué)位 。1960—1962年任教于塔夫茲大學(xué) , 1962—1964年在普林斯頓大學(xué)從事博士后研究 , 1964年加入麻省理工學(xué)院 , 并于1973—2001年 擔(dān) 任 麻 省 理 工 學(xué) 院 教 授 , 目 前 為 美 國 麻 省 理 工 學(xué) 院 榮 譽(yù) 教授。Weiss一直致力于引力物理和天體物理的研究,曾任宇宙背景探測(cosmic－background explorer,COBE)科學(xué)探測團(tuán)隊(duì)主席。他發(fā)明了引力波探測中的核心技術(shù)———激光干涉測量技術(shù),對 LIGO 的設(shè)計(jì)、建造和項(xiàng)目立項(xiàng)起到關(guān)鍵作用。

Barry Clark Barish,美國物理學(xué)家,1936年1月27日出生于美 國 內(nèi) 布 拉 斯 加 州 , 1957 年 獲 得 物 理 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 , 1962 年 于 加 州大 學(xué) 伯 克 利 分 校 獲 博 士 學(xué) 位 , 1963 年 加 入 加 州 理 工 學(xué) 院 , 成 為 粒子 物 理 國 家 實(shí) 驗(yàn) 室 一 員 。 此 外 他 還 于 2005—2013 年 擔(dān) 任 國 際 線 性加 速 器 總 體 設(shè) 計(jì) 的 主 任 。 目 前 任 職 于 美 國 加 州 理 工 學(xué) 院 。 1994 年Barish 成 為 LIGO 合 作 組 的 項(xiàng) 目 負(fù) 責(zé) 人 , 并 領(lǐng) 導(dǎo) 了 LIGO項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金資助,1997年成為實(shí)驗(yàn)室主任。他還領(lǐng)導(dǎo)了Livingston和 Hanford兩個(gè)引力波天文臺的建設(shè),以及建立了 LIGO 國際科學(xué)合作,最終使引力波探測成為可能。

Kip StephenThorne,美國物理學(xué)家,1940年6月1日出生于美國猶他州 , 1962 年 于 加 州 理 工 學(xué) 院 獲 學(xué) 士 學(xué) 位 , 1965 年于普林斯頓大學(xué)獲博士學(xué)位 , 1967 年 回 到 加 州 理 工 學(xué) 院 任 副 教 授 , 1970年晉升為理論物理教授,成為加州理工學(xué)院最年輕的教授之一,目前 任 職 于 美 國 加 州 理 工 學(xué) 院 。 Thorne 主 要 研 究 相 對 論 性 天 體 物 理和引力物理學(xué),是 LIGO 項(xiàng)目立項(xiàng)的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一。他發(fā)展了從數(shù)據(jù)中甄別和發(fā)現(xiàn)引力波信號的分析技術(shù),為 LIGO 得以發(fā)現(xiàn)引力波和確定波源的物理特性奠定關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)。

引力波是時(shí)空曲率像波一樣以光速在時(shí)空中傳播。1916 年愛因斯坦基于他所提出的廣義相對論預(yù)言引力波的存在。宇宙中一類典型的引力波波源是兩個(gè)相互環(huán)繞的致密天體。天體的質(zhì)量越大,它們的間距越小,那么引力越強(qiáng)。同樣地,越致密的兩個(gè)天體相互環(huán)繞對方的時(shí)候越可以以更短的距離靠近對方,從而產(chǎn)生更強(qiáng)的引力波。

1974年,美國科學(xué)家 Hulse和 Taylor用引力波導(dǎo)致能量損耗的機(jī)理來解釋所發(fā)現(xiàn)脈沖雙星的軌道在不斷減小,間接觀測到了引力 波 , 因此獲得了1993 年度 諾 貝 爾 物 理 學(xué) 獎(jiǎng) 。 自 愛 因 斯 坦 提 出 引力波后,歷經(jīng)百年的不懈努力,LIGO 終于于2015年9月14日首次 探 測 到 距 離 地 球 約 13 億 光 年 的 2 個(gè) 質(zhì) 量 分 別 約 為 36 和 29 倍 太陽質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波,并且引力波攜帶走約3倍太陽質(zhì)量的能量。這是人類首次證實(shí)存在恒星級雙黑洞系統(tǒng),也是人類首次直接探測到引力波。隨后 LIGO 又探測到另外兩次黑洞并合產(chǎn)生引力波事件。特別是,2017年8月17日,LIGO 和位于歐洲的 Virgo聯(lián)合觀測到兩個(gè)中子星并合產(chǎn)生的引力波事件,這是人類第5次直接探測到引力波,這一事件同時(shí)被很多其他天文觀測測量到并合產(chǎn)生的光學(xué)對應(yīng)體。

激光干涉引力波天文臺 (LIGO)項(xiàng)目在20世紀(jì)80年代由麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院共同提出,得到美國國家科學(xué)基金會(NSF) 的 資 金 支 持 , 開 展 LIGO 的 可 行 性 研 究 。19 94 年 ,LIGO 獲得 NSF 的 3.95 億 美 元 的 長 期 資 助 , 開 始 天 文 臺 建 設(shè) , 先 后 在 華 盛 頓的漢福德 (Hanford)和路易斯安那的利文斯頓 (Livingston)建造3臺臂長千米級別的干涉儀 (即第一代陸基激光干涉引力波探測器)。到2002年,LIGO 開始進(jìn)行引力波的搜索。隨著激光探測技術(shù)的不斷發(fā)展,2014年 LIGO 開始全面升級,升級后的激光干涉引力波天文臺被命名為 AdvancedLIGO (即第二代陸基激光干涉引力波探測器)。

2016年2月11日,美國國家科學(xué)基金會和歐洲引力天文臺正式宣布,升級后的激光干涉引力波天文臺于2015年9月14 日第一次直接觀測到了引力波 (該事件被命名為GW150914),驗(yàn)證了廣義相對論在100年前引力波的預(yù)言。Advanced LIGO 由2個(gè)相距3000km的獨(dú)立激光干涉儀組成,一個(gè)位于漢福德 (臂長4km),另一個(gè)位于利文斯頓 (臂長4km)。2016年2月17日,LIGO－India項(xiàng)目得到批準(zhǔn),該項(xiàng)目計(jì)劃將漢福德的臂長2km的探測器搬到印度,在印度建立一個(gè)新的引力波探測器,有助于準(zhǔn)確定位引力波波源的方向。

用激光干涉儀探測引力波的原理非常簡單,每個(gè)干涉儀由L型的2個(gè)臂組成,當(dāng)引力波經(jīng)過時(shí),2個(gè)臂長差隨時(shí)間發(fā)生細(xì)微變化,該細(xì)微變化反映在激光干涉條紋上。如圖2所示,分光鏡 (beam－spliter)將入射光分成互相垂直的兩束,分別沿干涉儀的2個(gè)臂傳播,被臂端的反射鏡反射后,再回到分光鏡,進(jìn)入光電探測器(photodetector)。當(dāng)干涉儀兩臂相等時(shí),輸出是相消干涉;當(dāng)干涉儀的2個(gè)臂長差隨引力波的周期和強(qiáng)度變化時(shí),激光束的位相也將受到相應(yīng)調(diào)制。

但由于引力波信號非常微弱,實(shí)際的引力波探測要求復(fù)雜和精密的光學(xué)技術(shù),因此經(jīng)歷了百余年科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,才得以直接探測到。例如,升級后的 LIGO 觀測到的 GW150914引力波事件,應(yīng)變 (strain)大小為10-21,對于臂長為4km的干涉儀,引起的臂長差為10-18 m,相當(dāng)于原子核直徑的萬分之一。AdvancedLIGO 采用了FP (Fbry－Perot)腔技術(shù),干涉儀的每個(gè)臂用FP腔代替,光束在腔內(nèi)被折疊了很多個(gè)來回,相當(dāng)于增加了臂長,實(shí)現(xiàn)相位差的積累,從而增加引力波信號的探測靈敏度。另外,采用了相位鎖定探測技術(shù),去除激光強(qiáng)度波動噪聲。引力波的可探測靈敏度與激光的功率成正比,但功率的增加又引起光學(xué)元件熱形變、熱透鏡效應(yīng)、模式畸變等不穩(wěn)定性,特別是輻射壓力噪聲。

圖2 激光干涉引力波探測器示意

目前對干涉儀的噪聲主要來自地面振動噪聲、熱噪聲和量子噪聲。前兩者來自背景干擾,可以采用有效辦法避免和補(bǔ)償;而量子噪聲是由量子漲落帶來的不確定性。當(dāng)干涉儀兩臂相等時(shí),輸出相消干涉。但量子效應(yīng)實(shí)際的光場并不為0,而是存在一個(gè)微小的量子漲落。當(dāng)引力波經(jīng)過時(shí),這個(gè)微小的漲落會干擾引力波信號的探測。在高頻段主要來自光場的相位漲落 (稱為散粒噪聲),在低頻段主要來自光場的振幅漲落作用在鏡子上的隨機(jī)輻射壓力 (輻射壓力噪聲)。由于未來引力波干涉儀的噪聲將完全由量子噪聲主導(dǎo),因此超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限是提高未來所有陸基引力波探測器靈敏度的最重要的問題。研究表明光壓縮態(tài)技術(shù),可數(shù)量級地提高干涉儀的可探測靈敏度。

引力波數(shù)據(jù)分析是從觀測數(shù)據(jù)中尋找引力波信號。引力波探測器測到的應(yīng) 變強(qiáng) 度 為 10-19 (圖 3 是在漢福德和利文斯頓上觀測到的包含 GW150914引力波信號的數(shù)據(jù)片段),而在探測器可觀測頻率范圍內(nèi)典型的雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號為10-21,也就是說,在時(shí)域上噪聲完全淹沒了信號?；趦x器噪聲的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和數(shù)值相對論的理論建模,通過匹配濾波技術(shù)可以把埋在噪聲下的引力波信號挖出來。匹配濾波方法首先搜集一段時(shí)域數(shù)據(jù),然后通過傅里葉變換將信號轉(zhuǎn)換到頻域,在頻域數(shù)據(jù)中找尋引力波信號?？梢哉f,人類首次引力波探測 GW150914是實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步和理論研究突破結(jié)合的產(chǎn)物。

圖3 漢福德 (H1)和利文斯頓 (L1)的觀測數(shù)據(jù)

從各個(gè)引力波探測器傳送過來的數(shù)據(jù),在進(jìn)行匹配濾波之前,首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。除了干涉數(shù)據(jù),同時(shí)也記錄了全球定位系統(tǒng) (GPS)時(shí)間、探測器的狀態(tài)信息和環(huán)境條件,如溫度、氣壓、地震、聲響、電場、磁場等,多達(dá)幾百個(gè)數(shù)據(jù)通道。預(yù)處理主要根據(jù)記錄的輔助數(shù)據(jù)標(biāo)識出由于儀器等原因不可使用的干涉數(shù)據(jù),得到片段的科學(xué)數(shù)據(jù)。匹配濾波就是要從這些科學(xué)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱藏的引力波信號,然后根據(jù)多個(gè)探測儀的結(jié)果對引力波的方位進(jìn)行定位。

快速識別引力波信號具有十分重要的科學(xué)意義,只有快速識別才可以向電磁望遠(yuǎn)鏡發(fā)出預(yù)警,及時(shí)探測致密雙星并合事件產(chǎn)生的電磁信號,從而對于全面了解引力波源所發(fā)生的天體物理過程。因此,數(shù)據(jù)分析面臨2方面的挑戰(zhàn):1)提高發(fā)現(xiàn)引力波信號的準(zhǔn)確度,既不能漏掉引力波信號,也不能把噪聲誤報(bào)為信號。2)提高發(fā)現(xiàn)引力波信號的速度,必須在雙星合并時(shí)甚至在雙星合并之前給出可靠的引力波信號警示與精確的引力波方位,從而為同時(shí)觀測電磁對應(yīng)體在時(shí)間上提供保證。目前有很多不同的實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)處理流水線來處理引力波數(shù)據(jù),如SPIR (summedparalelinfiniteimpulse－response)流水線、CWB (coherentwaveburst)流水線、PyCBC和GstLAL 流 水 線 。SPIR 流 水 線 是 一 種 運(yùn) 用 無 限 沖 擊 響 應(yīng) 技 術(shù) 的 時(shí) 域引力波搜索方式,CWB流水線是同時(shí)對多個(gè)觀測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析,然后對得到的小波系數(shù)進(jìn)行聚類來發(fā)現(xiàn)引力波信號。

匹配濾波分析依賴于引力波波形庫。基于數(shù)值相對論所建立起來的有效單體數(shù)值相對論模型在 GW150914的數(shù)據(jù)處理中已發(fā)揮了巨大的威力。數(shù)值相對論就是在計(jì)算機(jī)上數(shù)值求解引力波源對應(yīng)愛因斯坦方程。在數(shù)值相對論發(fā)展的早期,數(shù)值相對論學(xué)家在很長時(shí)間里被穩(wěn)定性問題困擾。計(jì)算不穩(wěn)定表現(xiàn)為在計(jì)算過程中微小誤差迅速指數(shù)地增加,導(dǎo)致程序中非數(shù)的發(fā)生。直到2005年,Pretori－us宣布數(shù)值相對論的穩(wěn)定性問題被成功突破,并給出雙黑洞整個(gè)并合過程的數(shù)值計(jì)算。之后,數(shù)值相對論學(xué)家們把關(guān)注的重心轉(zhuǎn)移到雙黑洞波源引力波數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率問題上。

2009年LIGO科學(xué)合作組織 (LSC)接受清華大學(xué)為中國大陸唯一成員。清華大學(xué)LSC研究團(tuán)隊(duì)由清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員 、 LSC 理事會成員曹軍 威負(fù)責(zé) , 研究團(tuán)隊(duì)還包括清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系副教授都志輝和王小鴿等成員。研究團(tuán)隊(duì)著重采用先進(jìn)計(jì)算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率,參與了LSC引力波暴和數(shù)據(jù)分析軟件等工作組相關(guān)研究。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)主要與麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院、西澳大利亞大學(xué)、格拉斯哥大學(xué)等 LSC 成員合作,在引力波實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)處理和多信使天文學(xué)方面開展了算法設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化與軟件開發(fā)等方面的工作,主要研究成果包括:GPU 加速引力波暴數(shù)據(jù)分析、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)噪聲的分析等。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)還研究利用虛擬化和云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建引力波數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)平臺 , 開發(fā)的軟件工具為LSC成員廣泛使用 。

2017度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)工作首次直接觀測到了引力波 (GW150914),驗(yàn)證了廣義相對論在100年前對引力波的預(yù)言,打開了人類認(rèn)識宇宙的一扇嶄新的窗口,也拉開了引力波天文學(xué)和引力波宇宙學(xué)的序幕。

本文原載于 《科技導(dǎo)報(bào)》,2017,35(23):12

本文摘編自中國科學(xué)院理論物理研究所編《從夸克到宇宙：理論物理的世界》。

從夸克到宇宙：理論物理的世界

中國科學(xué)院理論物理研究所編

北京：科學(xué)出版社，2018.05

責(zé)任編輯：錢　俊

ISBN 9787030572387

理論物理學(xué)是研究物質(zhì)、能量、時(shí)間和空間以及它們的相互作用和運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)，它揭示的是自然界中所有物理現(xiàn)象的本質(zhì)。理論物理的研究對象小到物質(zhì)的基本組分夸克，大到整個(gè)宇宙，研究對象極其豐富。理論物理學(xué)經(jīng)過20世紀(jì)的蓬勃發(fā)展后，現(xiàn)在仍有大量的重要問題亟待回答，如暗物質(zhì)的性質(zhì)、暗能量的本質(zhì)、粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的完備性以及是否存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理、愛因斯坦的廣義相對論是否是引力理論的終極理論、大統(tǒng)一理論是否存在、宇宙的起源、量子力學(xué)的詮釋、黑洞的本質(zhì)以及引力的量子化和時(shí)空的起源等。另外，理論物理在其他學(xué)科領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用，如生物體系、社會復(fù)雜系統(tǒng)、能源問題等?！稄目淇说接钪妫豪碚撐锢淼氖澜纭肥占酥袊茖W(xué)院理論物理研究所科研人員近年來撰寫或者翻譯的，涉及上述課題的一些優(yōu)秀科普文章。

目 錄

黑洞的本質(zhì) 蔡榮根 曹利明 
來自宇宙的微弱聲音——2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果簡析 郭宗寬 黃慶國 
談?wù)劷y(tǒng)計(jì)物理學(xué)的對象和方法 郝柏林 
物理學(xué)和生物學(xué) 郝柏林 
世界是必然的還是偶然的——混沌現(xiàn)象的啟示 郝柏林 
弦論編織的多重宇宙 拉斐爾·布索(Raphael Bousso)，約瑟夫·波爾金斯基(Joseph Polchinski) 何頌 譯 
向前輩學(xué)者和各位學(xué)者學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法 何祚麻 
宇宙如何起源？ 黃慶國 樸云松 
理性的勝利——從上帝粒子到引力波 李淼 
從液晶顯示到液晶生物膜理論：軟凝聚態(tài)物理在交叉學(xué)科發(fā)展中的創(chuàng)新機(jī)遇 歐陽鐘燦 
DNA單分子彈性理論 歐陽鐘燦 
物理：從IT到ET 歐陽鐘燦 周善貴 
量子力學(xué)詮釋問題 孫昌璞 
量子糾纏創(chuàng)造了蟲洞？ 胡安·馬爾達(dá)西納(JuanMaldacena) 王少江 譯 蔡榮根 校 
探索自然、揭示奧秘——極小夸克與極大宇宙的內(nèi)在聯(lián)系 吳岳良 
愛因斯坦的未竟之夢：物理規(guī)律的大統(tǒng)一 楊金民 王飛 
希格斯粒子之理論淺析 楊金民 
相變和臨界現(xiàn)象 于淥 郝柏林 
暴漲宇宙學(xué)的研究與進(jìn)展 樸云松 張?jiān)?nbsp;
超級“Z-玻色子工廠”——高能物理實(shí)驗(yàn)研究的特種正負(fù)電子對撞機(jī)張肇西 
超重元素和超重穩(wěn)定島 趙恩廣 
原子核的電荷與質(zhì)量極限探索 周善貴 
如何讓愛因斯坦走進(jìn)大眾（代后記） 方曉 莊辭 王延颋