清华团队参与探测工作 从引力波探测看中国基础理论研究短板
本报记者 商灏 北京报道
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，一是清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威在英国取得博士学位后，又到美国LIGO独立工作过一段时间，那时他就在做引力波探测中的数据处理分析工作。在他回到清华时仍继续从事相关的工作。邀请我一起参加这件事。二是我在了解到这件事的科学意义后，也很有兴趣，这样我们坚持了8年时间，虽然没有得到任何经费的支持，还是坚持把这件事做下来了。机遇与坚持是清华学者在本次探测中能够做出贡献的两个重要原因。
《华夏时报》：清华团队承担了哪一项探测任务？
都志辉：主要担任探测数据低延迟处理的任务。引力波来了之后，要求对其数据的处理速度足够快。这次发现数据波信号后，接下来进行了反复验证，差不多用了半年时间。这主要是为了谨慎，并不说明实时性并不重要。实时数据处理能力对于全方位了解引力波波源在遥远的过去所发生的一系列变化非常重要。这是因为，从理论上说，任何大质量的物质相互作用都会产生各种各样的引力波，引力波一旦来了之后，会有些后续现象，综合观测这些现象，一方面可以确认引力波的到来，另一方面也可从中获悉更多信息。我们的任务就是尽可能实时处理这些大量的观测数据，一方面尽快从中分析出引力波信号是否存在，另一方面为后续的其它观察在时间上提供可能。
《华夏时报》：使用的是哪种机器？
都志辉：我们用单机的GPU就可以进行数据处理计算。LIGO用自己的机器跑数据，我们平时调试用的是清华实验室的机器或远程访问国外的机器。
《华夏时报》：清华大学参与本次引力波探测的团队如何帮助LIGO获得探测研究的成功？
都志辉：就本次探测的直接贡献而言，我们与国际团队合作设计开发的GPU加速的CBC数据处理流水线，独立验证了这次的引力波信号。我们的这条流水线并没有在线探测到这个信号，原因是我们流水线一开始重点探测的是质量相对低的星体合并产生的引力波信号，而这次的引力波信号是由质量特别大的两个黑洞合并产生的。幸运女神光顾了另外一种探测机制。
《华夏时报》：本次引力波探测的国际合作具有怎样的意义？
都志辉：引力波探测必须建立起分布全球各地的探测网络，这对于相互确认和探测到引力波信号有重要意义，因此需要展开广泛的国际合作。
引力波探测需要很多条件，需要巨大的设备。作为这次探测的参与者，我们其实是在一个大系统中完成其中一部分的工作。
美国技术虽然先进，但这并非意味着它什么都能做或都要做，还需考虑成本等问题。因此，需要通过国际合作来实现目标。有许多华人在其中贡献着自己的聪明才智。
目前中国还没有建立起自己的探测系统。美国、欧洲、日本都已分别建立了探测系统。
《华夏时报》：如何评估中国清华大学的科学家为此所做的贡献？
都志辉：对我来说，所从事的主要工作，就是加速它的数据处理。具体而言，我们采用并行计算技术在GPU上加速引力波探测数据处理流水线的数据处理速度。他们原来用CPU做这件事，无法实现实时，于是就采用性能更强的GPU，我们在GPU上实现的并行算法可以把其核心数据滤波技术的数据处理速度提高120多倍。
清华计算机系之前在加速高性能计算方面已有很多积累，在其他很多领域都做过类似的工作，因此与LIGO的合作属于两厢情愿，一拍即合。
基础理论研究将
带动前沿技术发展
《华夏时报》：探测到引力波存在的基础理论研究意义究竟有多大？
都志辉：简单而言，人类认识宇宙的能力因此增强了。比如对于黑洞，过去人类一直无法了解它，但现在，引力波提供了一种手段，使得人类可以据此去了解黑洞，从此黑洞、暗物质在人类面前将有可能不再是一片黑暗。从这个意义上看，也许我们可以将引力波称之为人类探测宇宙暗物质的一种光明指引。
《华夏时报》：中国科学界对于引力波的研究处于怎样的水平？
都志辉：中国从事引力波研究已有几代人。一些搞引力波研究的前辈曾提出中国要积极投入力量加快引力波研究，但这一建议并未被采纳。这在很大程度上影响了中国科学家在这一研究中的地位和作用。不过我相信如果我们国家能够加大基础研究的投入，中国科学家将可以很快在这一研究中发挥越来越重要的作用。
《华夏时报》：也就是说，探测到引力波，不仅要有尖端设备，还要有基础理论的深厚研究？
都志辉：这次探测到引力波，是理论、实验与计算三者的完美结合，是跨学科合作取得重大科学发现的典范。
引力波的发现首先要经过理论上的严格的分析推导，然后经过观察实验，以间接证明引力波的存在。美国人之所以要花费巨资投入这项研究，是因为他们已从理论上认识到发现引力波有多大概率。客观而言，美国这方面的基础研究确实领先世界。引力波探测更将美国最尖端的科学技术向前推进了一步，包括在激光技术、量子研究、工程、计算机等多学科的前沿发展等方面。为了准确探测到引力波，需要解决量子级别的效应和干扰，对仪器、材料的精度要求非常高，高精密制造技术水平被推到了极致。美国通过引力波探测这样非常具有科学意义的计划的推进，带动了相关的一系列基础研究和制造技术的提升。
《华夏时报》：对于中国加速引力波研究有何建言？
都志辉：中国的引力波研究也必须像美国那样展开国际合作，如果排斥国际力量，将很难成功。
中国也必须建立引力波探测设备体系，这不仅是引力波探测的必备条件，而且还会带动一系列相关研究。
《华夏时报》：从本次引力波探测所取得的国际合作成果来看，在中国国内，基础理论研究的重要性当下是否仍需进一步受到高度重视？
都志辉：结合中国的现实来看，虽然经济实力似乎已很雄厚，并强调要持续发展，但要真正能够持续发展，必须要有深厚的基础理论研究加以支撑才行。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。但当中国经济发展到了与发达国家并驾齐驱的阶段之后，如果没有基础理论研究的积累，就将很难再持续前行。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，这样才会真正有发展的后劲。
中国的基础研究水平与美国相比，在很多领域相差甚远。仅在计算机相关研究领域，就与美国相差至少十年。更长远来看，一个非常严峻的现实问题是，中国农村与城市的教育资源严重不均衡，这对中国未来发展非常不利，因为这意味着有80%的人一生下来就没有机会得到良好的基础教育，没有机会发挥自己的优良天赋或聪明才智，这会使得中国产生杰出人才的概率很低。
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，促进多学科交叉，并高度重视和大力投入基础教育。