引力波项目研究者亲述:六年黑洞生活

2016年02月12日 18:46 新浪科技 微博
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  新浪科技 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“激光干涉引力波天文台”(LIGO)科研项目。这一项目最初在上世纪80年代由麻省理工学院和加州理工学院共同提出,并在1992年得到了美国国家科学基金会(NSF)的资金支持。

  随后两家学院将LIGO提升为LSC科研合作组织(LIGO Scientific Collaboration),吸引越来越多的高校加入这个项目。如今“先进LIGO”(Advanced LIGO)项目已经包括了全球100多所高校,吸引了上千名博士投入研发,包括日本、德国、英国、意大利、澳大利亚、加拿大、中国和印度等主要国家。

  作为美国知名高校,斯坦福大学也在后期加入“先进LIGO”项目,参与设计了项目最为核心的技术之一——减震系统。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时间。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等多家硅谷知名公司。

  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的新闻发布会直播。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。今天听完发布会,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“先进LIGO”项目的减震系统设计。和之前“第一阶段LIGO”相比,“先进LIGO”项目有几个方面的提升:干涉仪系统、激光功率、减震系统。这三方面提升令“先进LIGO”的设计精确度比之前提升了十倍。

  斯坦福主要参与了激光系统和减震系统的设计,减震系统大概是98年开始,主要就是我和另外一位同学负责。我做了低频减震的系统设计和控制,这是最基础的部分。这个项目也是多个高校共同推进的,因为系统设计和制造是非常复杂的,我们做的是最基础的研究。我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),美国最知名的航空航天专家之一,美国科学院院士、自动控制学会(AACC)前会长。他涉及的研究成果主要有: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。里面有半个篮球场大,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。里面有几个研究生在捣鼓各种各样的黑科技。因为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”里设计仪器,用来探测宇宙中遥远的黑洞放射出的引力波。

  “先进LIGO”设施包括两个激光束,通过反射镜反射回来发生干涉。要探测到(极其微弱的)引力波,就首先需要隔离大地带来的影响,因为大地不停的在震动。举例来说,海水拍击海岸的噪音就是一个最主要的噪声源。去除各种噪声干扰,这就是减震系统的意义。其他的电磁干扰则有其他的隔离措施。

  减震系统详解

  我们主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,测量大地震动之后,然后通过反推系统来消除噪声。在这个地震仪的基础上,我们进行了改动,进一步降低了噪声。

  当时我们的研发分两步走。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可以毕业了,但后来发现要做到0.1赫兹困难非常大。最主要问题就是在低频的时候,传感器会有干扰;而由于等效原理的存在,这个干扰是无法去除的。

  我们一开始想尽办法去除干扰,后来发现无法实现这个目标;光是发现干扰无法去除这个过程,我们就花费了整整一年。最后我们就只能假设这个干扰永远存在,然后怎么才能把系统做到最好,努力做到干扰存在下的系统极限。幸运的是,最后我们所能做到的技术极限正好够用了。

  减震系统主要分为两部分,一共有七级。前三级是自动控制系统,包括传感器和动力系统。简单的说,如果传感器感受到大地向东移动,那就用动力系统把系统向西推。这就是基本原理。后面四级因为暂时缺乏先进的传感器,因此就是靠单摆原理,这最后几级的设计主要是在苏格兰的格拉斯哥做的。斯坦福做的主要是上面三级,又称为isolation;后面四级则叫做suspension。

  我们设计的减震系统是目前技术最领先的,所有其他系统的减震能力至少比我们差十倍,某些指标可能差距百倍。举例说减震频率,一般减震系统只能做到1赫兹,但我们这个可以做到0.1赫兹,这已经是减震的极限标准了。然后是减震倍数,一般系统只能做到十倍二十倍,但我们可以做到上千倍。这是最主要的差别。

  除了LIGO这样的科研项目,我们研发的减震技术还可以用于物理实验和精密加工等诸多商用技术上,其中就包括了芯片制造。举例来说,现在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,如果其中震动超过9纳米的话,那芯片就无法制造出来。而且现在系统越来越复杂,下一代可能需要紫外线或X光才能刻制,对减震的要求也会越来越高。此外,减震技术还可以用于导航系统和惯性参照系统上。

  减震技术能够推动自动控制、传感器、测量系统等很多领域的发展,因为这项技术需要多个领域技术的共同突破才能推进,反过来也会带动诸多产业技术的深远发展。举例来说,斯坦福的激光技术可以用在激光武器、物理实验、热核反应等诸多领域,而光电接收器可以运用于太阳能采集。现在大数据里面的并行计算等技术都是LIGO项目所最先使用的。

  科研梦想与现实

  参与LIGO的人有一千人。之中很多人都有和我类似的苦逼撞墙,又峰回路转的经历。很多方面都现在科学技术的极限。都不易。我后来毕业后,去了谷歌当码工,养家糊口,忘记梦想。然后,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,一千多人参与,不但印证了老爱的理论,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的技术会对, 或者已经对半导体制造、能源、材料、大数据等实用领域产生深远影响。但LIGO总共只花了6.2亿美元。相比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,现在很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项目。这是件悲哀的事情。我做了很久LIGO的项目,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术含量。

  我同学有的坚持科研,有的创业成功。虽然在学校做教授做科研,收入也不少,也可以生活,但以他们的智力和能力,去创业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,我觉得很多人会非常成功。要知道,他们并不仅仅是技术能力出色,组织、社交、管理能力也同样出众。

  很多科研人员的成果没有时间去做商业化,比如说LIGO项目的计算机组,很多成果都很有商业价值,但他们却专注于怎样尽快探测到引力波,而不是怎样用技术去挣钱。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。

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