清華大學LIGO工作組，引力波研究背后的師與生

十三

沒錯，恰如麻省理工學院校長L. Rafael Reif指出的，LIGO一直以來是數(shù)千大學生和數(shù)百博士生艱苦的訓練場，這項研究吸引了全世界上千名科學家以及高校大學生參與其中。作為中國大陸唯一LIGO科學合作組織成員，清華大學研究團隊以高精度的數(shù)據(jù)分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號，在引力波的探測中作出了貢獻。

曹軍威老師的團隊

清華團隊開始參與LIGO的相關(guān)工作，始于曹軍威。曹軍威，現(xiàn)任清華大學信息技術(shù)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。

2004～2006年，在美國麻省理工學院空間研究中心工作的曹軍威，便參與了引力波數(shù)據(jù)計算和分析的工作。在美國工作的兩年多時間中，曹軍威時刻關(guān)注著LIGO的工作動態(tài)。當時，美國提出“新一輪的基礎架構(gòu)化”將以信息技術(shù)為引擎，主要指基于分布計算機、信息和通信技術(shù)的基礎架構(gòu)，稱為信息基礎架構(gòu)（Cyber- infrastructure），認為其對于知識經(jīng)濟的重要性可以與傳統(tǒng)基礎架構(gòu)對工業(yè)經(jīng)濟的支撐作用相比擬。曹軍威覺得，國內(nèi)的研究團隊也不應該在這個領(lǐng)域落后。

“技術(shù)的最新挑戰(zhàn)往往最先出現(xiàn)在重大科學前沿問題的探索過程中”，信念已定，2006年回國后，曹軍威馬上組織創(chuàng)建了清華大學LIGO工作組。這是一支跨學科的團隊，由來自清華大學信研院、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(shù)據(jù)分析最大的挑戰(zhàn)在于LIGO數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量大，需要先進的計算機處理技術(shù)做支撐，提高數(shù)據(jù)處理效率，這也是清華團隊的工作重點。

例如，引力波數(shù)據(jù)分析極為關(guān)鍵的一步是區(qū)分引力波信號和其他干擾信號。清華團隊將人工智能領(lǐng)域的核心“機器學習”方法用于加強引力波數(shù)據(jù)噪聲分析。

這樣，引力波信號探測的物理問題被轉(zhuǎn)化成了一個數(shù)據(jù)分析處理問題。曹軍威說，對數(shù)據(jù)本身關(guān)聯(lián)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，在匈牙利布達佩斯，LIGO（激光干涉引力波天文臺）和Virgo聯(lián)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(shù)據(jù)分析方面，填補了中國在這一領(lǐng)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(shù)據(jù)分析和實現(xiàn)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(shù)據(jù)噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統(tǒng)誤差等。

“科學探索的需求一直是計算機技術(shù)發(fā)展的驅(qū)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(qū)動的角度開展先進計算技術(shù)的研究工作，LIGO引力波數(shù)據(jù)雖然沒有高能物理方面的數(shù)據(jù)量大，但其處理要求非常高，對計算技術(shù)的挑戰(zhàn)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(shù)研究。”

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(shù)學、計算機方面最先進的理論、技術(shù)、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(jié)過三個特點：

第一，投資規(guī)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(guī)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(jīng)在LIGO實驗室的工作是利用先進計算技術(shù)，開發(fā)相應的軟件系統(tǒng)和工具，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的跨域共享與分析。

第三，國際間合作緊密。這樣的挑戰(zhàn)往往超出某一個研究小組、一個大學或研究機構(gòu)，甚至一個國家的能力，必須在全球范圍聯(lián)合攻關(guān)。LIGO科學合作組織由美國和歐洲等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(chǎn)生的上萬億（TB）量級的數(shù)據(jù)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(xié)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(huán)。

據(jù)不完全統(tǒng)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(zhuǎn)行去了硅谷，做了碼農(nóng)、工程師，有些先驅(qū)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(shù)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(fā)展，很多LIGO衍生出的技術(shù)，對半導體制造、能源、材料、大數(shù)據(jù)等諸多應用領(lǐng)域產(chǎn)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(shù)值相對論、快速信號處理、數(shù)據(jù)分析、快速空間定位、參數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)果。

一名清華理工男的科研日常

郭翔宇，清華大學計算機系高性能計算所2013級碩士研究生，同時也是清華LIGO工作組中一名普通的學生科研人員。2013年，剛剛碩士研究生入學的郭翔宇，就跟隨其導師都志輝副教授，承擔起了LIGO“引力波探測項目”中數(shù)據(jù)處理的相關(guān)科研工作。

每天清晨，還不到8點，郭翔宇一如平常地走進東主樓8層的實驗室，經(jīng)歷著一個典型清華理工男的日?！鰧嶒灐⒗龝懻?、閱讀文獻資料、修改實驗設計、攻克大大小小的Deadline。

郭翔宇每天的科研任務，簡單來說，就是讓引力波數(shù)據(jù)分析處理的過程變得更有效率，利用盡量少的計算資源，分離并辨別出可能是引力波的成分。這需要通過優(yōu)化GPU（計算機圖形處理器）加速引力波數(shù)據(jù)處理的過程，將引力波的信號搜尋做到接近實時化。

“我一直對GPU加速的相關(guān)技術(shù)感興趣，沒想到剛一入學就承擔了如此重大的科研項目”回想起加入LIGO科研工作，郭翔宇仍十分感慨。

“對我來說，這是個嶄新且陌生的領(lǐng)域，需要接觸物理、天文學等跨學科的知識，不斷學習計算機GPU加速方面的相關(guān)知識、閱讀相關(guān)論文，重復不斷地做實驗驗證。這都完全需要依照導師的要求進行自學。”

“之前的學長將GPU的信息處理速度加速了58倍后，整個科研遭遇到了一些瓶頸”， 對于GPU的加速，前后有過六七個人參與到這項科研攻關(guān)中。導師都志輝老師也都親力親為，甚至經(jīng)常和同學們一起熬夜到凌晨、共同解決難題。

與此同時，作為一個世界性的科研項目，郭翔宇所在的團隊需要不斷地進行國際交流。他和導師每周都要與西澳大利亞大學的項目組成員跨洋討論，還遠赴澳大利亞進行了3個月高強度的學術(shù)攻關(guān)。同時，參加“LIGO?清華討論會”，與意大利的VIRGO引力波探測工作展開密切合作，不定期地與西方發(fā)達國家的物理界、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)領(lǐng)域的專家學者進行交流。

2015年4月13日，清華大學FIT樓召開的“2015北京引力波研討會”上，郭翔宇作為其中一員與西澳大利亞大學的教授們展開交流。該研討會從2013年開始，由清華大學LIGO工作組每年定期主辦一次。

“導師每天都和我們在一個辦公室，有什么問題就可以直接上去問，他都會非常耐心地給予解答?！倍恐芾械摹翱缪罄龝保槍ι弦恢苡龅降膯栴}，都志輝老師和西澳大利亞大學的溫琳清作為“雙導師”，都會給出一些方法，指導郭翔宇進行進一步的研究，修改實驗設計。

“一年多來，我在先前的基礎上，將探測器GPU的信息處理速度從原有的 58倍提升到了 120 倍以上?！?/p>

“引力波探測成功消息公布的那一刻，我也非常激動。導師和團隊成員都通過郵件進行的相互慶祝后，還是繼續(xù)投入到下一步的研究中。”郭翔宇坦言，“沒想到引力波可以在新年刷屏，不過作為這個團隊的一分子，真的很有成就感?！?/p>

親身參與“世界級的科研難題攻關(guān)”是怎樣一種體驗？在郭翔宇看來，正是這次寶貴的經(jīng)歷，激發(fā)了他對科學研究的興趣，培養(yǎng)了科學研究的方法，參悟到了科學研究的本質(zhì)。

（本文來自清華大學研究生公號對相關(guān)師生的專訪）