十三

没错，恰如麻省理工学院校长L. Rafael Reif指出的，LIGO一直以来是数千大学生和数百博士生艰苦的训练场，这项研究吸引了全世界上千名科学家以及高校大学生参与其中。作为中国大陆唯一LIGO科学合作组织成员，清华大学研究团队以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号，在引力波的探测中作出了贡献。

曹军威老师的团队

清华团队开始参与LIGO的相关工作，始于曹军威。曹军威，现任清华大学信息技术研究院研究员、天体物理中心兼职研究员，LIGO科学合作组织（LSC）理事会成员。

2004～2006年，在美国麻省理工学院空间研究中心工作的曹军威，便参与了引力波数据计算和分析的工作。在美国工作的两年多时间中，曹军威时刻关注着LIGO的工作动态。当时，美国提出“新一轮的基础架构化”将以信息技术为引擎，主要指基于分布计算机、信息和通信技术的基础架构，称为信息基础架构（Cyber- infrastructure），认为其对于知识经济的重要性可以与传统基础架构对工业经济的支撑作用相比拟。曹军威觉得，国内的研究团队也不应该在这个领域落后。

“技术的最新挑战往往最先出现在重大科学前沿问题的探索过程中”，信念已定，2006年回国后，曹军威马上组织创建了清华大学LIGO工作组。这是一支跨学科的团队，由来自清华大学信研院、自动化系、计算机系和工程物理系的教师和学生组成。曹军威是负责人，研究团队包括都志辉副教授，以及另一位来自清华大学计算机系的王小鸽副教授。

曹军威认为，数据分析最大的挑战在于LIGO数据的采样频率特别高，达到每秒1万6千次以上，采样信道达上万个，数据量大，需要先进的计算机处理技术做支撑，提高数据处理效率，这也是清华团队的工作重点。

例如，引力波数据分析极为关键的一步是区分引力波信号和其他干扰信号。清华团队将人工智能领域的核心“机器学习”方法用于加强引力波数据噪声分析。

这样，引力波信号探测的物理问题被转化成了一个数据分析处理问题。曹军威说，对数据本身关联性的判断正是机器学习的强项，也正是具有自动化和计算机学科背景的清华团队所擅长的。

2009年，在匈牙利布达佩斯，LIGO（激光干涉引力波天文台）和Virgo联合工作会议上，曹军威做了近20分钟的大会报告，详细介绍了清华大学信研院LIGO工作组的研究进展与计划，并正式申请加入LIGO科学合作组织（LSC）。当时，与会的近200名LIGO和Virgo科学合作组织成员听取了报告，并在随后举行LSC理事会议上正式通过了清华大学的申请。

这意味着清华大学成为第一个来自中国的LIGO科学合作组织成员，在引力波探测数据分析方面，填补了中国在这一领域研究的空白，在世界一流科学合作组织中争取到了一席之地。

近几年来，清华大学研究团队主要与麻省理工学院、加州理工学院和西澳大利亚大学等LSC成员合作开展工作，主要研究成果包括：GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻；采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析；分析引力波事件显著性的系统误差等。

“科学探索的需求一直是计算机技术发展的驱动力之一。”在一次采访中，曹军威阐释了参与LIGO项目的初衷，“我们参与LIGO项目也是希望从应用驱动的角度开展先进计算技术的研究工作，LIGO引力波数据虽然没有高能物理方面的数据量大，但其处理要求非常高，对计算技术的挑战非常大，我们参与其中可以掌握第一手的应用需求，有的放矢的开展计算机应用技术研究。”

引力波探测是一个世界性的大项目，集合和人类在物理、工程、数学、计算机方面最先进的理论、技术、和智慧。作为最前沿、最顶尖的科学探索之一，曹军威对其曾总结过三个特点：

第一，投资规模大。曹军威回到清华大学任教之前曾在美国麻省理工学院LIGO实验室工作，LIGO天文台的建设斥资6亿多美元，每年的运行费用在3000万美元以上，因此，类似这样的研究对资源共享的需求很迫切。

第二，多学科交叉。这样规模的科学探索远超出某个单一学科的范畴，必须是物理、天文、机械、激光、精密仪器、信息等方方面面的专家共同参与。曹军威曾经在LIGO实验室的工作是利用先进计算技术，开发相应的软件系统和工具，实现海量数据的跨域共享与分析。

第三，国际间合作紧密。这样的挑战往往超出某一个研究小组、一个大学或研究机构，甚至一个国家的能力，必须在全球范围联合攻关。LIGO科学合作组织由美国和欧洲等90多个单位的1000余名研究人员组成，共同对LIGO天文台每天产生的上万亿（TB）量级的数据进行共享和分析。

因此，引力波探测必定是一次全球智慧的协作与“众包”，而清华大学研究团队，正是这个“特大集成研究项目”中的一环。

据不完全统计，在LIGO的引力波探测的科研探索中，先后有一千多人参与。在这支队伍中，有些人转行去了硅谷，做了码农、工程师，有些先驱早已溘然长逝，但他们的功绩不可磨灭。正是他们对于科学技术极限不断地突破与尝试，不但印证了爱因斯坦的理论，还带动了激光、材料、光学、工程、计算机等诸多学科前沿的发展，很多LIGO衍生出的技术，对半导体制造、能源、材料、大数据等诸多应用领域产生了深远影响。

为了这次探测，从材料、镀膜、隔震、激光、真空，再到超级计算机、数值相对论、快速信号处理、数据分析、快速空间定位、参数估计，每一步都包含了科研人员的辛勤与付出。在曹军威看来，探测器的精度提升和数据分析处理相辅相成，最终成就了引力波探测的成功，这是全世界千余名研究人员共同努力的结果。

一名清华理工男的科研日常

郭翔宇，清华大学计算机系高性能计算所2013级硕士研究生，同时也是清华LIGO工作组中一名普通的学生科研人员。2013年，刚刚硕士研究生入学的郭翔宇，就跟随其导师都志辉副教授，承担起了LIGO“引力波探测项目”中数据处理的相关科研工作。

每天清晨，还不到8点，郭翔宇一如平常地走进东主楼8层的实验室，经历着一个典型清华理工男的日常——做实验、例会讨论、阅读文献资料、修改实验设计、攻克大大小小的Deadline。

郭翔宇每天的科研任务，简单来说，就是让引力波数据分析处理的过程变得更有效率，利用尽量少的计算资源，分离并辨别出可能是引力波的成分。这需要通过优化GPU（计算机图形处理器）加速引力波数据处理的过程，将引力波的信号搜寻做到接近实时化。

“我一直对GPU加速的相关技术感兴趣，没想到刚一入学就承担了如此重大的科研项目”回想起加入LIGO科研工作，郭翔宇仍十分感慨。

“对我来说，这是个崭新且陌生的领域，需要接触物理、天文学等跨学科的知识，不断学习计算机GPU加速方面的相关知识、阅读相关论文，重复不断地做实验验证。这都完全需要依照导师的要求进行自学。”

“之前的学长将GPU的信息处理速度加速了58倍后，整个科研遭遇到了一些瓶颈”， 对于GPU的加速，前后有过六七个人参与到这项科研攻关中。导师都志辉老师也都亲力亲为，甚至经常和同学们一起熬夜到凌晨、共同解决难题。

与此同时，作为一个世界性的科研项目，郭翔宇所在的团队需要不断地进行国际交流。他和导师每周都要与西澳大利亚大学的项目组成员跨洋讨论，还远赴澳大利亚进行了3个月高强度的学术攻关。同时，参加“LIGO?清华讨论会”，与意大利的VIRGO引力波探测工作展开密切合作，不定期地与西方发达国家的物理界、数据处理等相关领域的专家学者进行交流。

2015年4月13日，清华大学FIT楼召开的“2015北京引力波研讨会”上，郭翔宇作为其中一员与西澳大利亚大学的教授们展开交流。该研讨会从2013年开始，由清华大学LIGO工作组每年定期主办一次。

“导师每天都和我们在一个办公室，有什么问题就可以直接上去问，他都会非常耐心地给予解答。”而每周例行的“跨洋例会”，针对上一周遇到的问题，都志辉老师和西澳大利亚大学的温琳清作为“双导师”，都会给出一些方法，指导郭翔宇进行进一步的研究，修改实验设计。

“一年多来，我在先前的基础上，将探测器GPU的信息处理速度从原有的 58倍提升到了 120 倍以上。”

“引力波探测成功消息公布的那一刻，我也非常激动。导师和团队成员都通过邮件进行的相互庆祝后，还是继续投入到下一步的研究中。”郭翔宇坦言，“没想到引力波可以在新年刷屏，不过作为这个团队的一分子，真的很有成就感。”

亲身参与“世界级的科研难题攻关”是怎样一种体验？在郭翔宇看来，正是这次宝贵的经历，激发了他对科学研究的兴趣，培养了科学研究的方法，参悟到了科学研究的本质。

（本文来自清华大学研究生公号对相关师生的专访）