引力波名目研究者亲述:六年黑洞生活

  新浪 郑峻 发自美国硅谷

  在爱因斯坦提出引力波概念整整100年后,人类终于首次直接观测到了引力波信号,验证了爱因斯坦的预言。而这一划时代的探测发现,则来自于“激光干预引力波天文台”(LIGO)科研名目。这一名目最初在上世纪80年代由麻省理工学院和加州理工学院独特提出,并在1992年得到了美国国度科学基金会(NSF)的资金支持。

  随后两家学院将LIGO晋升为LSC科研合作组织(LIGO Scientific Collaboration),吸引越来越多的高校参加这个名目。如今“进步LIGO”(Advanced LIGO)名目已经包含了全球100多所高校,吸引了上千名博士投入研发,包含日本、德国、英国、意大利、澳大利亚、加拿大、中国和印度等重要国度。

  作为美国著名高校,斯坦福大学也在后期参加“进步LIGO”名目,介入计划了名目最为核心的技巧之一——减震体系。作为斯坦福大学博士,来自中国河北的化文生曾经为这个研究课题投入了整整六年。在引力波发现之后,心情颇为激动的他接受了新浪科技驻美记者的采访。化文生博士先后效力过谷歌、苹果、Airbnb等多家硅谷著名公司。

  以下是经过编辑的化文生博士口述稿:

  六年黑洞生涯

  前两天突然收到老师的Email, 叫我11号早上7:30一定要去斯坦福听LIGO的新闻会直播。他说不能告诉我内容,但叮嘱我一定要去。我猜一定是 LIGO 出结果了。离开 LIGO 已经10多年了。今天听完会,还是像孩子一样兴奋。再次想起了那些年追逐引力波的往事和那远去的青春。

  1999年到2005年,我在斯坦福大学电子工程(EE)系就读博士,研究课题就是“进步LIGO”名目的减震体系计划。和之前“第一阶段LIGO”比拟,“进步LIGO”名目有几个方面的晋升:干预仪体系、激光功率、减震体系。这三方面晋升令“进步LIGO”的计划精确度比之前晋升了十倍。

  斯坦福重要介入了激光体系和减震体系的计划,减震体系大概是98年开始,重要就是我和另外一位同学负责。我做了低频减震的体系计划和控制,这是最基本的部分。这个名目也是多个高校独特推进的,由于体系计划和制作是非常庞杂的,咱们做的是最基本的研究。咱们当时也经常去麻省理工和加州理工开会,每周都会就研究进展进行沟通。

  我的导师是丹尼尔·德布拉(Daniel DeBra),美国最著名的航空航天专家之一,美国科学院院士、主动控制学会(AACC)前会长。他涉及的研究结果重要有:引力探测器B(Gravity Probe-B ,GP-B)、等效原理空间试验检验(Space Test of the Equivalence Principle, STEP)以及就是LIGO。

  我在斯坦福的实验室就像一个大黑洞。半地下的钢筋混凝土建筑。墙有一米厚。外面有半个篮球场大,十来米深,但没有一个窗户。打开灯之前就是一个巨大的黑洞。后来我才知道,这里是斯坦福线性加速器(就是出了三个诺贝尔奖的地方)的前身。

  而且,这个黑洞旁边还有更大的一个黑洞:同样的钢筋混凝土但有一个篮球场大,20米深。外面有几个研究生在捣鼓各种各样的黑科技。由于以前这里是加速器的实验室,这两个黑洞里还残留了微弱的放射性。于是在这之后的六年,我就在带有放射性的“黑洞”里计划仪器,用来探测宇宙中遥远的黑洞放射出的引力波。

  “进步LIGO”设施包含两个激光束,经由反射镜反射回来发生干预。要探测到(极其微弱的)引力波,就首先须要隔离大地带来的影响,由于大地不停的在震撼。举例来说,海水拍击海岸的噪音就是一个最重要的噪声源。去除各种噪声烦扰,这就是减震体系的意义。其余的电磁烦扰则有其余的隔离措施。

  减震体系详解

  咱们重要用的传感器是地震仪,斯坦福购置了世界上最好的地震仪,测量大地震撼之后,而后经由反推体系来消除噪声。在这个地震仪的基本上,咱们进行了改动,进一步降低了噪声。

  当时咱们的研发分两步走。第一步是把减震频率做到1赫兹,第二步就是做到0.1赫兹。第一步只用了半年,我原本以为不到三年就能够结业了,但后来发现要做到0.1赫兹困难非常大。最重要问题就是在低频的时候,传感器会有烦扰;而由于等效原理的存在,这个烦扰是无奈去除的。

  咱们一开始想尽办法去除烦扰,后来发现无奈实现这个目标;光是发现烦扰无奈去除这个过程,咱们就花费了整整一年。最后咱们就只能假设这个烦扰永远存在,而后怎么才能把体系做到最好,努力做到烦扰存在下的体系极限。幸运的是,最后咱们所能做到的技巧极限正好够用了。

  减震体系重要分为两部分,一共有七级。前三级是主动控制体系,包含传感器和动力体系。简单的说,假如传感器感受到大地向东移动,那就用动力体系把体系向西推。这就是基本原理。后面四级由于暂时缺乏进步的传感器,因此就是靠单摆原理,这最后几级的计划重要是在苏格兰的格拉斯哥做的。斯坦福做的重要是上面三级,又称为isolation;后面四级则叫做suspension。

  咱们计划的减震体系是目前技巧最领先的,所有其余体系的减震才能至少比咱们差十倍,某些指标可能差距百倍。举例说减震频率,一般减震体系只能做到1赫兹,但咱们这个能够做到0.1赫兹,这已经是减震的极限标准了。而后是减震倍数,一般体系只能做到十倍二十倍,但咱们能够做到上千倍。这是最重要的差别。

  除了LIGO这样的科研名目,咱们研发的减震技巧还能够用于物理实验和精密加工等诸多商用技巧上,其中就包含了芯片制作。举例来说,当初芯片的线宽越来越小,已经到了14纳米,下一代可能是9纳米,假如其中震撼超过9纳米的话,那芯片就无奈制作出来。而且当初体系越来越庞杂,下一代可能须要紫外线或X光才能刻制,对减震的要求也会越来越高。此外,减震技巧还能够用于导航体系和惯性参照体系上。

  减震技巧能够推动主动控制、传感器、测量体系等许多范畴的开展,由于这项技巧须要多个范畴技巧的独特突破才能推进,反过来也会带动诸多产业技巧的深远开展。举例来说,斯坦福的激光技巧能够用在激光武器、物理实验、热核反应等诸多范畴,而光电接收器能够运用于太阳能采集。当初外面的并行计算等技巧都是LIGO名目所最先使用的。

  科研梦想与现实

  介入LIGO的人有一千人。之中许多人都有和我类似的苦逼撞墙,又峰回路转的经历。许多方面都当初科学技巧的极限。都不易。我后来结业后,去了谷歌当码工,养家糊口,忘记梦想。而后,十年中在硅谷大小公司辗转,码工至今。直到听到LIGO测到引力波的消息。蓦然回首,青春不再。

  最感慨的是LIGO前后40年,一千多人介入,不但印证了老爱的理论,还带动了激光、资料、光学、工程、计算机等诸多学科前沿的开展。许多LIGO的技巧会对, 或者已经对半导体制作、能源、资料、等实用范畴产生深远影响。但LIGO总共只花了6.2亿美元。比拟那些做个应用就动辄10亿美元的独角兽初创公司,让人唏嘘不已,慨叹不公。

  我觉得,当初许多人越来越急功近利,都看着眼前的利益,而忽视了推动人类长远进步的名目。这是件悲哀的事情。我做了很久LIGO的名目,但为了养家糊口也不得不去做码工。斯坦福读博士后年薪才5万美元,去谷歌则是好几倍的待遇。虽然是比做科研挣钱多,但我觉得码工生活没有什么技巧含量。

  我同学有的坚持科研,有的成功。虽然在学校做教授做科研,收入也不少,也能够生活,但以他们的智力和才能,去或是去大公司做高级研究人员,收入会高出好多倍。要是以挣钱为目的,我觉得许多人会非常成功。要知道,他们并不仅仅是技巧才能出色,组织、社交、管理才能也同样出众。

  许多科研人员的结果没有去做商业化,比如说LIGO名目的计算机组,许多结果都很有商业,但他们却专注于怎样尽快探测到引力波,而不是怎样用技巧去挣钱。这些人是为了理想在做事,他们只要有足够的收入维持生活,非常值得敬仰。而我,更像是个逃兵。

转载自:https://tech.sina.com.cn/d/s/2016-02-12/doc-ifxpmpqp7577848.shtml

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