如何用大數(shù)據(jù)檢驗(yàn)引力與時(shí)空理論的正確性

宇宙，它讓所有天文學(xué)家為之興奮。因?yàn)檫@里有一顆藍(lán)色的星球，它被銀河包裹著。不過我們還沒能了解完整的宇宙，也沒能掌握宇宙運(yùn)行的所有規(guī)律，這對(duì)我們來說是很遺憾的。就像之前費(fèi)曼所說的，我們沒辦法參與其中，但可以盡可能地凝視它，找到一些規(guī)律?，F(xiàn)在，我們所能做的就是盡可能使用強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡凝視宇宙，盡可能地提出問題，盡可能地找到答案。

我們提出的這些問題，現(xiàn)在依舊在不斷探索當(dāng)中，很多時(shí)候都是關(guān)于重力等外力問題。大家知道重力，我們每次摔倒的時(shí)候都有重力的原因。重力環(huán)繞在地球的周圍，但實(shí)際上這個(gè)萬有引力存在于所有天體中，比如黑洞，正是這樣，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論。直到今天，相對(duì)論依舊是對(duì)萬有引力最好的描述，雖然不一定是對(duì)的。幾周前，我們?nèi)祟愑心芰ε臄z了一張真正的黑洞照片，但是大家可以看到，這張照片并不能像仿真一樣得到一個(gè)答案。但是，它對(duì)于我們對(duì)這個(gè)引力的預(yù)測(cè)是基本相似的：包含了6個(gè)太陽的質(zhì)量，所以黑洞的發(fā)現(xiàn)與廣義相對(duì)論是基本相似的。

生活中也能產(chǎn)生引力波

引力貫穿在我們所有物理概念中，包括廣義相對(duì)論。實(shí)際上它稍微有些不一樣，因?yàn)橐υ谙鄬?duì)論中，它是由時(shí)空形成的理論。移動(dòng)質(zhì)量，加速它們，在空間與時(shí)間中間形成一個(gè)中心，進(jìn)而形成了一個(gè)波，這就是所謂的引力波，速度越快引力波越強(qiáng)。

在太陽系中我們有地球、月球，月球繞著地球公轉(zhuǎn)，而在太陽和月球之間是沒有直接的公轉(zhuǎn)。100多年前，愛因斯坦發(fā)表了他的理論，可是現(xiàn)在的我們?cè)鯓尤ヲ?yàn)證它呢？最后得到的一個(gè)結(jié)果就是：如果我們提高一對(duì)相互運(yùn)行的質(zhì)量，這種情況以系統(tǒng)的方式發(fā)生，當(dāng)能量從系統(tǒng)中帶走，軌道縮小，這兩個(gè)質(zhì)量會(huì)最終碰撞和合并。

實(shí)際上，很難像上述這樣去驗(yàn)證相對(duì)論，因?yàn)橹亓κ窍鄬?duì)弱的，特別是和電力對(duì)比。這就是為什么你摔倒的時(shí)候頭上會(huì)受傷——地面分子中的力比重力要強(qiáng)得多。大家可以想象一下，如果一個(gè)站在體育場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)員，他通過自身質(zhì)量旋轉(zhuǎn)來制造引力波。假如說這個(gè)運(yùn)動(dòng)員100公斤，他以每次2倍的質(zhì)量旋轉(zhuǎn)，也會(huì)產(chǎn)生引力波，不過這個(gè)引力波的能量非常小，所以在體育場(chǎng)觀看運(yùn)動(dòng)員比賽是完全沒有危險(xiǎn)的。顯然，在我們?nèi)粘Ｉ钪胁惶赡墚a(chǎn)生強(qiáng)能量的引力波，而只有巨大的物體，像恒星、星星才能做到。

愛因斯坦給出了一個(gè)正確的答案，他說科學(xué)家在理解世界的過程中會(huì)得到回報(bào)，而不僅限于發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用場(chǎng)所的可能性。大家知道，量子力學(xué)是由愛因斯坦的同事發(fā)現(xiàn)的，在剛剛發(fā)現(xiàn)的時(shí)候它還只是一個(gè)模糊的理論，并沒有可應(yīng)用的地方，而今天我們可以做到這么多，還在這里召開這樣一個(gè)會(huì)議，所有一切都是因?yàn)榱孔恿W(xué)，現(xiàn)在社會(huì)當(dāng)中遇到的一些東西都是基于量子力學(xué)這個(gè)理論?？梢哉f量子力學(xué)是今天數(shù)字世界的關(guān)鍵。

位置引起的時(shí)間差

我們都知道，鐘表在重力場(chǎng)中會(huì)走得慢一些。當(dāng)年有兩個(gè)科學(xué)家，他們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們拿兩個(gè)一模一樣的原子鐘表，一個(gè)放在地球上，一個(gè)放在飛機(jī)上，他們發(fā)現(xiàn)地球上的鐘表走得會(huì)比飛機(jī)上的鐘表要慢一些。究其原因，是放在飛機(jī)上的鐘表所處位置比較高，受到的重力場(chǎng)的影響相對(duì)較小。

另一個(gè)實(shí)驗(yàn)是：把兩個(gè)一模一樣的鐘表放在埃菲爾鐵塔上，一個(gè)放在塔頂，一個(gè)放在塔底。結(jié)果兩個(gè)鐘表走的時(shí)間都不一樣。為什么？因?yàn)檫@一年中地球距離太陽的位置持續(xù)發(fā)展變化，冬天的時(shí)候距離太陽近一點(diǎn)，然后所有的鐘表就會(huì)走得慢一點(diǎn);而在夏天的時(shí)候，會(huì)距離太陽更遠(yuǎn)一點(diǎn)，我們的鐘表走得快一點(diǎn)。這樣一個(gè)差幅在1.7毫秒左右，地球上的人是感覺不到的，只有當(dāng)你在地外有一個(gè)鐘表你才能感受得到。

其實(shí)，我們很多人每天都在做這樣的調(diào)整。例如你們使用的GPS導(dǎo)航，GPS導(dǎo)航是基于衛(wèi)星的，而衛(wèi)星繞地旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星上的鐘表會(huì)比地球上的鐘表走得稍微快一點(diǎn)。GPS定位是利用不同衛(wèi)星根據(jù)時(shí)間點(diǎn)做精準(zhǔn)定位。如果不知道衛(wèi)星上的表比地球上的表走得快一點(diǎn)而不做調(diào)整的話，這個(gè)差異每天可能達(dá)到46秒，意味著地面上的定位差異會(huì)高達(dá)12公里，所以說廣義相對(duì)論跟我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)。

會(huì)爆炸的脈沖星

霍金認(rèn)為黑洞是會(huì)產(chǎn)生輻射的，由于輻射會(huì)喪失能量，非常小的黑洞會(huì)因喪失能量而蒸發(fā)。還有一個(gè)科學(xué)家曾預(yù)言，在特殊情況下會(huì)觀測(cè)到比較短的無限脈沖。

實(shí)際上，脈沖星是會(huì)爆炸的，比如超新星。1000多年前有一場(chǎng)爆炸，有兩個(gè)恒星，左上角是恒星，右下是脈沖星。脈沖星它就像脈沖一樣不停閃，并不是真的在閃，而是在飛快地旋轉(zhuǎn)，所以叫脈沖星。同時(shí)也會(huì)散發(fā)輻射，各種各樣的光束沿著軸發(fā)射光束。大多數(shù)的脈沖星都只能通過射電望遠(yuǎn)鏡看到，而且旋轉(zhuǎn)速度非常決。

1974年我們找到了第一個(gè)跟恒星旋轉(zhuǎn)相連的脈沖星，這樣一個(gè)雙星系統(tǒng)每天以1毫秒速度縮小。我們剛剛談到引力波和雙星系統(tǒng)，當(dāng)軌道縮小的時(shí)候，就使整個(gè)系統(tǒng)失能。這些脈沖星它們是非常精準(zhǔn)的鐘表，它們的密度非常高。在這里給大家舉一個(gè)例子，把脈沖星跟貴陽做一個(gè)對(duì)比，差不多一樣大的。但是質(zhì)量大概可以達(dá)到2個(gè)太陽系那么大，通常質(zhì)量比太陽高出40%，狀態(tài)非常非常穩(wěn)定。

大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)

再說說FAST射電望遠(yuǎn)鏡。一個(gè)接收器，可以同時(shí)看19個(gè)位置相鄰的脈沖星。這也就是你們收集的數(shù)據(jù)是我們的19倍，數(shù)據(jù)量非常大，基本每天會(huì)產(chǎn)生144TB的數(shù)據(jù)，要是儲(chǔ)存起來需要非常大的儲(chǔ)存容量?？梢宰龊芏嗟氖虑椋热缯f在南非我們有各種各樣的望遠(yuǎn)鏡、列陣望遠(yuǎn)鏡，我的研究所為這個(gè)64道陣列提供接收器。另外在利用這樣的陣列，我們可以使用1000個(gè)光束掃描天空，這個(gè)是黑洞的照片，其實(shí)是由這一組望遠(yuǎn)鏡做的。每一周大概可以產(chǎn)生20PB級(jí)的數(shù)據(jù)。你加越多的望遠(yuǎn)鏡，最終數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，我們希望未來增加更多的望遠(yuǎn)鏡。

所以SKA每天會(huì)面臨巨大的數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)，需要全部的數(shù)據(jù)算計(jì)才能處理。在這里，這個(gè)脈沖星轉(zhuǎn)的速度非?？?，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常多，我們可以去做動(dòng)態(tài)分析，現(xiàn)在我們?cè)诰€計(jì)算，而不像過去一樣做離線計(jì)算。過去我們很多博士生幫我做計(jì)算、做處理?，F(xiàn)在不能了，因?yàn)閿?shù)據(jù)量太大，10年以前我們開始研發(fā)算法和機(jī)器學(xué)習(xí)，現(xiàn)在有了一些成果。但是這些算法必須非?？煽?，所以我們需要繼續(xù)提升我們的人工智能水平。

基礎(chǔ)研究，它其實(shí)是一種技術(shù)的驅(qū)動(dòng)因素。對(duì)于天文學(xué)來說更是如此。就算我們不能很快把這些基礎(chǔ)研究成果應(yīng)用起來，但是到未來肯定是有用的。現(xiàn)如今，不管是數(shù)據(jù)的生成、數(shù)據(jù)的傳輸還是數(shù)據(jù)的體量，對(duì)我們來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)。

同時(shí)，公眾參與進(jìn)來也很重要。公眾喜歡天文，天文可以幫助他們更好理解宇宙;公眾參與進(jìn)來，也對(duì)我們的研究有很大幫助。就像黑洞照片發(fā)布的第二天，整個(gè)媒體界都轟動(dòng)了，這就顯示出公眾對(duì)天文非常感興趣，這也是天文學(xué)的機(jī)遇所在，我們應(yīng)該去接觸公眾、觸及公眾，讓公眾幫助我們，幫助我們解決問題。（編輯/任偉）