从引力波探测看中国基础理论研究短板

【从引力波探测看中国基础理论研究短板】从2016年中国农历新年到现在，中国人和地球上其他国家的人都被美国LIGO天文台发布的有关探测到引力波存在的消息所震惊。人们不断想象着、争论着13亿光年之外的宇宙空间发生的事情将给地球上的生活带来何种变化。“时空的涟漪”、“宇宙的琴弦”，这样一个具有划时代意义的科学发现，尤其令中国人再度深思：为什么这次又是西方走在了前面？

　　从2016年中国农历新年到现在，中国人和地球上其他国家的人都被美国LIGO天文台发布的有关探测到引力波存在的消息所震惊。人们不断想象着、争论着13亿光年之外的宇宙空间发生的事情将给地球上的生活带来何种变化。“时空的涟漪”、“宇宙的琴弦”，这样一个具有划时代意义的科学发现，尤其令中国人再度深思：为什么这次又是西方走在了前面？

　　中国自古以来有许多思想家，也有无数对于整个宇宙发出的“天问”。我们的祖先有四大发明，但我们至今未能发展出现代科学，我们似乎崇尚科学，却未必真正了解科学的目的、精神和方法。引力波探测成果在著名的“李约瑟难题”和“钱学森之问”之后，再度对中国人的科学传统和科学现实提出质疑。

　　其实本次引力波探测有中国清华大学团队的参与，他们用高性能并行计算技术大幅度提高了引力波信号的处理能力，实现了探测波形与理论波形的实时匹配，可以有效捕捉和处理多种形式的引力波，提高发现引力波的概率；采用机器学习算法SVM(Support Vector Machine)，根据大量的探测器的辅助传感器的数据，对激光干涉器的主信号频道的信号事件进行分类，排除掉由于环境干扰或干涉仪运行状态不稳定等导致的噪声事件，从而确认观测信号的可靠性。但清华大学LIGO工作组成员、清华大学计算机系副教授都志辉博士2月14日接受《华夏时报》记者专访时表示，引力波探测成果给中国的启示在于，中国必须高度重视基础研究，大力投入基础研究和交叉学科研究，并高度重视和大力投入基础教育。

　　他认为，结合中国的现实来看，虽然经济实力似乎已很雄厚，但要真正能够持续发展，必须要有深厚的基础理论研究和交叉学科研究加以支撑才行。中国之前之所以发展很快，一个很重要原因是有发达国家奠定了当今科学理论和技术研究的基础，中国只需拿来使用就行，具有后发优势。但当中国经济发展到了与发达国家并驾齐驱甚至引领世界经济发展的阶段后，如果没有雄厚的基础理论研究的积累，没有多学科交叉，将很难再持续前行。中国若还要领跑世界各国，就会更显艰难。因此，中国必须尽快加强基础理论研究和交叉学科研究，这样才会真正有发展的后劲。

　　以下是本次访谈实录。

　　人类由此突破宇宙认知局限

　　《华夏时报》：引力波为何到现在才被人类检测到？

　　都志辉：主要原因是引力波的强度太弱。只有当两个质量非常大的天体发生剧烈相互作用，比如黑洞和中子星相互合并，才可能产生强度较大的引力波信号。这次探测到的GW150914引力波信号，就是两个黑洞合并产生的。

　　我们在参与本次引力波探测时，才深刻地感觉到什么叫尖端技术。LIGO天文台制造了一种极其精密的设备，通过这种设备，才终于探测到了曾被认为人类根本无法探测的引力波。

　　《华夏时报》：探测到的数据信号会否有可能属于偶发现象，属于其它的波？这次为何如此肯定引力波信号的到来？

　　都志辉：从理论上说，，的确有这种可能，但是概率非常低。这次探测到的引力波，可靠性大于5.1个西格玛，根据国际惯例，可以称的确发现了引力波。2014年曾有机构表示探测到了引力波，后来经过验证，被认为是一次噪声干扰所引起。建立多个引力波探测系统，一方面可以通过相互验证来排除掉各种干扰信号，另外还可以更准确地确定引力波的波源。在此之前，位于南半球的西澳大学曾试图在帕斯建造一座类似的天文观测台，但后来由于资金等问题而没有建成。如果有这三座天文观测系统相互校正观测数据，就可以更准确验证引力波信号，也可以准确定位引力波来自哪个方向。

　　《华夏时报》：引力波信号是一种什么样的数据形态？

　　都志辉：引力波信号有很多种。我们之前曾与中科院应用数学所的学者合作，建立了引力波波源模型：假设有两个大的黑洞，其合并过程按照一定方式建模之后，就可以对其进行大规模仿真，从而获知其合并过程会产生什么样波形的引力波。通过仿真计算不同质量的物质相互作用产生的引力波，就会产生一个很大的引力波数据库。有了这个数据库，当人类探测到了引力波信号之后，通过将其与引力波数据库中的各种引力波数据相匹配，就可以推断出这种引力波是什么样的星体相互作用所产生。

　　《华夏时报》：这次经过5个多月的探测所发现的引力波，是否具有不可重复性？

　　都志辉：这次发现的引力波过去了就过去了，如果再次发现引力波，那一定是另一天体活动所产生。

　　《华夏时报》：引力波的特征到底是什么？

　　都志辉：一般而言，它被称作时空的涟漪，即它会导致时空发生轻微波动。宇宙中无时不刻不在产生引力波，只不过目前人类所拥有的技术条件的局限性，使得我们暂时只可能探测到某些特定类型的引力波。

　　《华夏时报》：探测到引力波信号能够确认是一次伟大发现吗？

　　都志辉：探测到引力波的意义，就好比一个盲人或失聪者突然可以看到或听到某些东西了，这是人类认识宇宙能力的一个巨大变化。对于遥远的宇宙深空究竟发生了什么，过去我们还没有办法去了解。引力波的发现提供了一个条件，它增加了人类感知或认识宇宙的能力。

　　《华夏时报》：如果本次发现解决了引力波是否存在的问题，则关于如何认识存在多少引力波的问题，是否仍将任重道远？

　　都志辉：是的，探测到引力波只是第一步。如果不断发现更多的引力波，特别是分析出更多引力波所携带的波源信息，是后面工作的一个努力方向 .

　　《华夏时报》：引力波能够被检测到，其实用性何在？

　　都志辉：引力波的探测，属于基础学科领域的科学探索和研究，其实用意义并非一定要在当下就能产生。我们探测到了遥远的过去从太空中传来的引力波，它对于当下的实用价值何在？由于它增加了我们认识宇宙的能力和手段，它对人类认识宇宙有可能产生革命性的影响。

　　《华夏时报》：其对于探索宇宙有何普适性和现实意义？

　　都志辉：它可以让我们知道，在很久很久以前，宇宙深处发生了什么事情。按照宇宙大爆炸理论，宇宙大爆炸最初是有很多引力波产生，人类如果能够探测到这些引力波，就可以验证这个理论。

　　《华夏时报》：下一步的探测会怎样进行？

　　都志辉：天文、物理学界认为探测到引力波开启了一个新的时代——引力波天文学时代，这就相当于伽利略用天文望远镜可以观测天空一样，从此人类可以用引力波观测宇宙。未来在世界各地，可能会建立很多引力波天文台，全球协同，发现更多的引力波，从而更多的了解和认识宇宙深处发生的事情。

　　中国学者参与验证引力波信号

　　《华夏时报》：为何清华的学者会参与本次探测？

　　都志辉：主要有两个原因，一是清华大学