究竟是誰在獵尋引力波?專家:鼓勵民科一起加入

1916年，阿爾伯特·愛因斯坦在提出他的廣義相對論時，就預言了引力波的存在。在愛因斯坦的設想中，任何帶質量的物體都會發出一種信號，這種信號會在時空中產生漣漪，而這種漣漪會以光速在宇宙中飛快地移動，它的聲響則稍顯滯后，會在隨後到達。從理論上來講，這意味著人類可以探測到數十億年前發生的兩個黑洞之間的碰撞。

2015年9月，美國科研人員利用激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）首次探測到引力波，這一發現印證了物理學大師愛因斯坦在100年前的預言。2016年6月份，科學家們再次證實了愛因斯坦預言的正確性，因為他們第三次探測到了引力波的存在，它是16~43億年前，由兩個黑洞碰撞產生的一些時空震蕩。

雖然這三次引力波是科學家們在高精度儀器的幫助下探測到的，但這個重要科學分支的未來，卻需要仰仗一群免費的、「一心想干點兒大事」的民間科學家。

「引力間諜」（Gravity Spy）是一個由9000名普通人組成的志願組織，他們會梳理那些從LIGO那兒收集到的數據。LIGO是一個靈敏度非常高的探測系統，它會在美國路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）和華盛頓州的漢福德（Hanford ）分別用激光束來探測那些引力波經過時所造成的時空波動現象。

在2016年，也就是在首次觀測到引力波后的第二年，「引力間諜」項目就在美國國家科學基金會（National Science Foundation）的資助下正式啟動了。這個組織的目標是：招募到更多的志願者，讓他們篩選那些LIGO所產生的海量數據，並鑒別出其中的一些「干擾」（glitches）——來自儀器或是環境的雜訊，這些雜訊會讓LIGO對引力波的探測靈敏度下降，並讓計算機建模變得困難重重。

「我喜歡將它想象成是一副耳機，」 美國加州州立大學的物理學副教授約書亞·史密斯（Joshua Smith）在接受媒體採訪時這樣評論道。「設想一下，你有一副耳機，你正試圖用它來聽一首非常美妙的輕音樂，然而，因為你的這副耳機是一個電子設備，所以它就不可避免地會存在各種嘰嘰喳喳的雜音。我們所要做的工作就是，努力地去消除這些雜音，這樣的話，我們就能更好地去收聽這些動聽的音樂。」

曾協助設計和創立了「引力間諜」組織的美國西部大學博士生邁克爾·萊文（Michael Zevin）表示，雖然他們已經三次探測到了引力波，但這些收集到的引力波數據中卻夾雜著成千上萬個噪音信號。物理學家們有時候知道他們所看到的噪音信號來自哪裡，但有時候卻是毫無頭緒：刮大風的時候，就會出現信號干擾，它看起來就像一根被猛拉著的小提琴琴弦。

然而，科學家們並不僅僅只是想把「干擾」都揪出去這麼簡單，他們還想搞清楚這些「干擾」的來源，從而更進一步地去提升LIGO設備的靈敏度。

「如果我們對探測器中的這些噪音一無所知的話，那我們幾乎不可能會發現這些引力波信號，」萊文博士這樣說道。「即便這些民間科學家所做的並不是真正的引力波搜尋工作，但如果沒有他們以及他們的團隊協助分析這些噪音的話，我們打從一開始，就不可能會探測到引力波。」

在「引力間諜」的官網上放著一些干擾信號圖，用戶們會被請求去識別它的形狀。每一個形狀都代表著一種不同類型的干擾——比如下面這幅對稱分佈的「淚滴」，它被稱之為「blip」（小光點），除此之外，在干擾信號圖中出現的半條細長曲線被稱作為「whisper」（低語者）。這些干擾可以模擬一些天體物理信號的探測，而這也是科學家們為什麼需要大量的人力來參與識別和描述這些最常見的干擾的原因，這樣的話，他們就可以識別出信號中的那些細微差別。

除了大量人力鑒別者之外，「引力間諜」還使用了機器學習技術，來進一步提高他們的識別能力。

「我們正在試圖搭建一個模型，它能將計算機所擅長的東西和人類所擅長的東西結合到一起，從而創造出一個可持續的，能在未來讓這些探測項目去識別一些更大資料庫的東西，」萊文博士這樣說道。「當我們人工在眾多數據中識別出一種新的干擾類型時，這些新發現可以幫助我們建立起一個資料庫，讓計算機演算法更好地將它們背下來。」

除了識別干擾類型之外，「引力間諜」的用戶還被鼓勵去搜尋一些新的干擾類型，創建一些候選的類別，從而去探索它們之間的聯繫。然而，許多參與這個項目的志願者的「雄心」還不止於此，他們還將時間因素考慮了進去，從而去更好地理解造成這些干擾的物理原因，去探尋是什麼導致了這些特殊形狀的出現，並學習引力背後的複雜規律。

「這是一個非常講究合作的社區，」「引力間諜」芭芭拉·泰格拉什（Barbara Téglás）在接受媒體採訪時這樣評論道。「參與者們都會通過在線論壇相互幫助、相互學習，共同解決難題。我們當中的許多人都會讀一些科學期刊和關於探測器的技術論文。當科學團隊證實了一些我們發現的東西，這樣的成功將歸屬於整個社區。」

從2016年4月起，泰格拉什就已經成為了「引力間諜」組織旗下的一名志願者，從那時起，泰格拉什幾乎每天都會花幾個小時去參與項目。作為一名生物技術工程師，泰格拉什很久之前就對科學研究充滿了熱情。在加入「引力間諜」后，她沉浸在了自己對天文和星系探索的好奇心中。泰格拉什在評價「引力間諜」社區的其他人時，稱他們是一群「給力、友善和聰明的人。」

「我之所以會選擇參加這個項目是因為我覺得這對我來說是一個非常好的機會，它能讓我加入到當今世界最熱門的一個科研項目，」泰格拉什這樣說道。「我認為如果我可以為這個項目做點事兒，即便只是最微不足道的一件小事兒，我也值了。」

「引力間諜」組織確實是一個你值得為它工作的地方：泰格拉什和她的科研小夥伴們正在解開宇宙謎團的道路上扮演著一些至關重要的角色。這並不是什麼空頭美夢，泰格拉什強調稱：「這就是為什麼引力波的發現是一件非常重要的事兒，因為它們的存在可以帶領我們去發現諸如中子星、超新星，甚至其它那些我們至今還從未見過的引力天體。」

引力波會在空間中傳遞的時候，會在所經過的空間中產生「漣漪」，而這些「漣漪」會造成時空的壓縮和拉伸，而黑洞撞擊所產生的引力波被探測到后，反過來也證實了這些黑洞的存在。

「即便我們今後探測到的一個新引力波和我們之前探測到過的三次引力波現象中的一次，呈現出相同的特性，它仍將是一個巨大的進步，因為我們進入到了黑洞，這個已經死去了很久的恆星殘留物，」萊文博士這樣說道。「我們有機會能接觸到這些我們之前無法接觸到的黑洞信息——可以瞥見幾眼這些黑洞碰撞的最後時刻，而這有助於我們去推斷出大量的有關恆星演化和黑洞形成環境的信息。」

史密斯教授在接受媒體採訪時表示，他「完全支持」這個民間科學家項目。史密斯教授還向我們指出這個項目的意義並不僅僅只是在於許多民間志願者為科學家們提供了關鍵的幫助，它還喚起了我們對以往先例的思考。

史密斯教授堅定地認為，任何人都應該相信自己能參與到科學研究當中，如果他們作出了這樣的決定，那麼所有人都能從其中獲益。在過去的歷史中，有許多為科學做出了貢獻的人，他們本身卻並不是那些經過訓練的專家。因此，史密斯教授覺得我們不應該設置限制，只允許特定的一些人去做科研。

如果我們一開始就設置了這樣的限制，我們的歷史上就不會湧現出那麼多「驚艷了」世界的天才。

「在我們一開始的預期中，我們認為探測到的第一個引力波會很小，但事實卻是恰恰相反，我們所探測到的第一個引力波非常漂亮、非常大。這個波形太清晰了，如果我們把從愛因斯坦廣義相對論那兒推導出的波形也放到它上面的話，就會發現它倆能完美地重合到一起。這一結果漂亮得令人難以置信。」史密斯教授最後這樣驚嘆道。

譯者|止水