引力波項目研究者親述：六年黑洞生活

2016年02月12日 18:46 新浪科技

　　新浪科技 鄭峻 發自美國矽谷

　　在愛因斯坦提出引力波概念整整100年後，人類終於首次直接觀測到了引力波信號，驗證了愛因斯坦的預言。而這一劃時代的探測發現，則來自於「激光干涉引力波天文台」(LIGO)科研項目。這一項目最初在上世紀80年代由麻省理工學院和加州理工學院共同提出，並在1992年得到了美國國家科學基金會(NSF)的資金支持。

　　隨後兩家學院將LIGO提升為LSC科研合作組織(LIGO Scientific Collaboration)，吸引越來越多的高校加入這個項目。如今「先進LIGO」(Advanced LIGO)項目已經包括了全球100多所高校，吸引了上千名博士投入研發，包括日本、德國、英國、義大利、澳大利亞、加拿大、中國和印度等主要國家。

　　作為美國知名高校，斯坦福大學也在後期加入「先進LIGO」項目，參與設計了項目最為核心的技術之一——減震系統。作為斯坦福大學博士，來自中國河北的化文生曾經為這個研究課題投入了整整六年時間。在引力波發現之後，心情頗為激動的他接受了新浪科技駐美記者的採訪。化文生博士先後效力過谷歌、蘋果、Airbnb等多家矽谷知名公司。

　　以下是經過編輯的化文生博士口述稿：

　　六年黑洞生涯

　　前兩天突然收到老師的Email， 叫我11號早上7:30一定要去斯坦福聽LIGO的新聞發布會直播。他說不能告訴我內容，但叮囑我一定要去。我猜一定是 LIGO 出結果了。離開 LIGO 已經10多年了。今天聽完發布會，還是像孩子一樣興奮。再次想起了那些年追逐引力波的往事和那遠去的青春。

　　1999年到2005年，我在斯坦福大學電子工程(EE)系就讀博士，研究課題就是「先進LIGO」項目的減震系統設計。和之前「第一階段LIGO」相比，「先進LIGO」項目有幾個方面的提升：干涉儀系統、激光功率、減震系統。這三方面提升令「先進LIGO」的設計精確度比之前提升了十倍。

　　斯坦福主要參與了激光系統和減震系統的設計，減震系統大概是98年開始，主要就是我和另外一位同學負責。我做了低頻減震的系統設計和控制，這是最基礎的部分。這個項目也是多個高校共同推進的，因為系統設計和製造是非常複雜的，我們做的是最基礎的研究。我們當時也經常去麻省理工和加州理工開會，每周都會就研究進展進行溝通。

　　我的導師是丹尼爾·德布拉(Daniel DeBra)，美國最知名的航空航天專家之一，美國科學院院士、自動控制學會(AACC)前會長。他涉及的研究成果主要有：引力探測器B(Gravity Probe-B ,GP-B)、等效原理空間試驗檢驗(Space Test of the Equivalence Principle, STEP)以及就是LIGO。

　　我在斯坦福的實驗室就像一個大黑洞。半地下的鋼筋混凝土建築。牆有一米厚。裡面有半個籃球場大，十來米深，但沒有一個窗戶。打開燈之前就是一個巨大的黑洞。後來我才知道，這裡是斯坦福線性加速器（就是出了三個諾貝爾獎的地方）的前身。

　　而且，這個黑洞旁邊還有更大的一個黑洞：同樣的鋼筋混凝土但有一個籃球場大，20米深。裡面有幾個研究生在搗鼓各種各樣的黑科技。因為以前這裡是加速器的實驗室，這兩個黑洞里還殘留了微弱的放射性。於是在這之後的六年，我就在帶有放射性的「黑洞」里設計儀器，用來探測宇宙中遙遠的黑洞放射出的引力波。

　　「先進LIGO」設施包括兩個激光束，通過反射鏡反射回來發生干涉。要探測到(極其微弱的)引力波，就首先需要隔離大地帶來的影響，因為大地不停的在震動。舉例來說，海水拍擊海岸的噪音就是一個最主要的雜訊源。去除各種雜訊干擾，這就是減震系統的意義。其他的電磁干擾則有其他的隔離措施。

　　減震系統詳解

　　我們主要用的感測器是地震儀，斯坦福購置了世界上最好的地震儀，測量大地震動之後，然後通過反推系統來消除雜訊。在這個地震儀的基礎上，我們進行了改動，進一步降低了雜訊。

　　當時我們的研發分兩步走。第一步是把減震頻率做到1赫茲，第二步就是做到0.1赫茲。第一步只用了半年，我原本以為不到三年就可以畢業了，但後來發現要做到0.1赫茲困難非常大。最主要問題就是在低頻的時候，感測器會有干擾；而由於等效原理的存在，這個干擾是無法去除的。

　　我們一開始想盡辦法去除干擾，後來發現無法實現這個目標；光是發現干擾無法去除這個過程，我們就花費了整整一年。最後我們就只能假設這個干擾永遠存在，然後怎麼才能把系統做到最好，努力做到干擾存在下的系統極限。幸運的是，最後我們所能做到的技術極限正好夠用了。

　　減震系統主要分為兩部分，一共有七級。前三級是自動控制系統，包括感測器和動力系統。簡單的說，如果感測器感受到大地向東移動，那就用動力系統把系統向西推。這就是基本原理。後面四級因為暫時缺乏先進的感測器，因此就是靠單擺原理，這最後幾級的設計主要是在蘇格蘭的格拉斯哥做的。斯坦福做的主要是上面三級，又稱為isolation；後面四級則叫做suspension。

　　我們設計的減震系統是目前技術最領先的，所有其他系統的減震能力至少比我們差十倍，某些指標可能差距百倍。舉例說減震頻率，一般減震系統只能做到1赫茲，但我們這個可以做到0.1赫茲，這已經是減震的極限標準了。然後是減震倍數，一般系統只能做到十倍二十倍，但我們可以做到上千倍。這是最主要的差別。

　　除了LIGO這樣的科研項目，我們研發的減震技術還可以用於物理實驗和精密加工等諸多商用技術上，其中就包括了晶元製造。舉例來說，現在晶元的線寬越來越小，已經到了14納米，下一代可能是9納米，如果其中震動超過9納米的話，那晶元就無法製造出來。而且現在系統越來越複雜，下一代可能需要紫外線或X光才能刻制，對減震的要求也會越來越高。此外，減震技術還可以用於導航系統和慣性參照系統上。

　　減震技術能夠推動自動控制、感測器、測量系統等很多領域的發展，因為這項技術需要多個領域技術的共同突破才能推進，反過來也會帶動諸多產業技術的深遠發展。舉例來說，斯坦福的激光技術可以用在激光武器、物理實驗、熱核反應等諸多領域，而光電接收器可以運用於太陽能採集。現在大數據裡面的并行計算等技術都是LIGO項目所最先使用的。

　　科研夢想與現實

　　參與LIGO的人有一千人。之中很多人都有和我類似的苦逼撞牆，又峰迴路轉的經歷。很多方面都現在科學技術的極限。都不易。我後來畢業后，去了谷歌當碼工，養家糊口，忘記夢想。然後，十年中在矽谷大小公司輾轉，碼工至今。直到聽到LIGO測到引力波的消息。驀然回首，青春不再。

　　最感慨的是LIGO前後40年，一千多人參與，不但印證了老愛的理論，還帶動了激光、材料、光學、工程、計算機等諸多學科前沿的發展。很多LIGO的技術會對， 或者已經對半導體製造、能源、材料、大數據等實用領域產生深遠影響。但LIGO總共只花了6.2億美元。相比那些做個應用就動輒10億美元的獨角獸初創公司，讓人唏噓不已，慨嘆不公。


　　我覺得，現在很多人越來越急功近利，都看著眼前的利益，而忽視了推動人類長遠進步的項目。這是件悲哀的事情。我做了很久LIGO的項目，但為了養家糊口也不得不去做碼工。斯坦福讀博士後年薪才5萬美元，去谷歌則是好幾倍的待遇。雖然是比做科研掙錢多，但我覺得碼工生活沒有什麼技術含量。

　　我同學有的堅持科研，有的創業成功。雖然在學校做教授做科研，收入也不少，也可以生活，但以他們的智力和能力，去創業或是去大公司做高級研究人員，收入會高出好多倍。要是以掙錢為目的，我覺得很多人會非常成功。要知道，他們並不僅僅是技術能力出色，組織、社交、管理能力也同樣出眾。

　　很多科研人員的成果沒有時間去做商業化，比如說LIGO項目的計算機組，很多成果都很有商業價值，但他們卻專註於怎樣儘快探測到引力波，而不是怎樣用技術去掙錢。這些人是為了理想在做事，他們只要有足夠的收入維持生活，非常值得敬仰。而我，更像是個逃兵。