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那些研究”引力波”的中国应用数学家 精选

已有 10970 次阅读 2016-6-15 09:27 |系统分类:科普集锦


作者:张轩中来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-06-15

引力波又要出大事?

  引力波传言又起

  据传言,美东时间2016年6月15日,美国的激光引力波探测项目LIGO又将召开新闻发布会宣布他们探测到了另外两个质量在10倍太阳质量的黑洞碰撞并合发出引力波的消息。

  据“蝌蚪五线谱”从中国科学院高能物理研究所曹俊研究员(他也是蝌蚪五线谱专家委员会委员)那里引用著名天体物理学家张双南对这一传言的看法,张双南认为“10倍太阳质量的黑洞在银河系及附近非常常见,比上次发现的那两个30倍太阳质量的黑洞更常见,因此如果这一流言是真的,将有划时代的意义。”

  而中国国家天文台研究员,蝌蚪五线谱专家委员会委员苟利军也在微信朋友圈里表示“10倍太阳质量的黑洞碰撞并合发出引力波对宇宙演化模型的限制可能很难,只有等到另外一个引力波探测项目elisa探测到超大质量黑洞发出的引力波后才有可能。”

  很多人可能还记得2016年2月11日,美国的激光引力波探测项目LIGO召开新闻发布会,向全世界宣布它们发现了两个黑洞碰撞并合所发出的引力波。这一事件发生在中国的春节,当时很多人的手机微信朋友圈里都被“引力波”刷屏。

  但很多人可能对中国大陆参与引力波研究的现状不太了解,其实参与引力波研究的中国人也有很多,“蝌蚪五线谱”就在此文中给大家介绍北京市北四环保福寺桥下的中国科学院数学与系统科学研究院的一群研究“引力波”的应用数学家。

  2000年之前的相对论与引力波研究

  事情还要从1960年代开始 ,那 时候中国科学院数学研究所的所长华罗庚带了一个从广东来的研究生,名叫陆启铿。华罗庚教他一些多复变函数的知识,同时华罗庚也写了 一本关于相对论的书,书名叫做《从单位圆谈起》。《从单位圆谈起》用双曲几何的观点处理了狭义相对论中的洛伦兹群的部分,是一本适合数学家理解物理学基本思想的经典之作。

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华罗庚写的关于狭义相对论的书

  后来就发生了文革。在文革期间,根据当时政治形势的需要,中科院也有一个相对论的批判组,取名叫“十三室”,这个研究室里大致分为三个小组,分别叫做引力理论研究小组与引力波实验小组,还有一个是粒子物理研究小组。从政治动机上来说,那时候因为毛泽东的女婿以及陈伯达等人的关系,大家都要批判相对论,但实际上这个批判相对论的政治需要却给陆启铿、郭汉英等人一个学习相对论的机会(也许与另外一个叫吴可的数学家在一起)。

  郭汉英是郭沫若的儿子,但他似乎不太喜欢大家在公开场合提及此事,至少笔者曾经在网上提到此事的时候,受到他的间接批评。(但据赵峥教授转述,郭汉英同时也表扬笔者在少年时代写的《相对论通俗演义》网络版具有一定的可取之处。)郭汉英在理论物理所与应用数学所的地位比较特殊,据说其能影响到国家的高层领导人,他带过一些学生,其中有一个博士生就是后来在中国科学院应用数学所做研究员的刘润球——当然这是后话。

  文革结束以后,批判相对论已经不再是政治正确的事情,因为那时候发生了“科学的春天”,周培源等人也非常支持相对论的研究。而国际的相对论学术圈内也发生了一件大事,那就是1979年丘成桐与孙理查证明了广义相对论的正质量定理。

  那时候数学所隔壁的理论物理所把丘成桐请来报告了这一个重要进展。正质量定理一开始被称为正质量猜想,意思是说,在一个时空中,总的能量一定是正的,这在某种意义上表明时空是稳定的。

  数学所的陆启铿也去听了丘成桐的报告,前面已经说过他是华罗庚学生,当时已经是数学所的老师了。听了丘成桐的相对论的报告后,作为一个应用数学家,陆启铿也恢复了对爱因斯坦的广义相对论的兴趣——刘润球研究员告诉“蝌蚪五线谱”: 陆启铿用旋量分析的方法处理了引力波的数学结构。在旋量分析的角度来看,引力波可以看成是时空中的外尔曲率的波动,而因为外尔曲率的反对称性质,总可以写成很清晰的旋量形式。用旋量分析的方法研究了引力波的运动方程,这种研究方法比1987年出版的penrose与Rindler合著的《旋量与时空》一书中的类似的结果还要早一些。

  陆启铿在应用数学所用他所熟悉的复变函数论中的“黎曼——希尔伯特”方法研究了爱因斯坦场方程的解(主要是通过求解恩斯特方程,这是一种非线性的偏微分方程,在稳态轴对称的情况下等价于爱因斯坦引力场方程)。数学所年轻的王世坤正在跟华罗庚与龚升读研究生,他也加入了进去,一起研究了这个情况下的爱因斯坦场方程的精确解。

  爱因斯坦场方程描述的是物质引起的时空弯曲,而它的精确解却非常之稀少,原因在于这个方程的高度非线性性质。

  在王世坤等人的努力下,他们终于找到了一个精确解,后来被收录在由剑桥大学出版社出版的“Exact solutions of Einstein’s field equations”一 书中。

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王世坤研究员

  80年代后期,也许是因为超弦超对称理论的兴起,数学所的广义相对论研究暂时沉寂了下来。但是,应用数学所做广义相对论的基本班底已经形成了——主要班底就是由前面提到的诸位老师组成。

  据蝌蚪五线谱了解,1994年,刘润球跟王世坤做完了博士后,进入中国科学院应用数学所工作,这个时候,应用数学所的广义相对论研究“重新出发”了。刘润球一开始做了一些“渐近平坦时空结构与相关黑洞理论”的研究工作。

  然而在1996年,中国科学院晨兴数学中心成立了 ,这是由中国科学院及香港晨兴集团共同出资兴办的,这个中心的成立,主要是因为丘成桐先生的支持,在 丘成桐与杨乐等著名数学家的主持下,晨兴中心迅速成为国内最新潮的数学研究中心之一。

  在晨兴数学中心,经常会邀请一些国际一流的数学家来访问与做学术讲座,因此这个中心具有国际化的气息,也形成学术气氛浓郁的研究环境。

  香港中文大学培养的博士后张晓也差不多同时来到了数学所 ,从事起广义相对论的研究。1999年,张晓给出了一个广义相对论角动量的定义,这个定义与坐标选取无关而且没有奇点。在这个定义的基础上,张晓证明把角动量定义包括在内的正质量猜想也成立,他的这个“带角动量的正质量定理”的文章发表在当年的Communication in Math. Phys.上,这个期刊也是丘成桐和 Witten发表关于正质量猜想文章的权威学术期刊。

  2000年以后的相对论与引力波研究

  2004年,刘润球在数学所的相对论研究开始有了一定的规模,但是学生还比较少,而北京师范大学作为相对论的传统名校,当时在梁灿彬与赵峥等人的教学下,培养了一批年轻的相对论学子,其中曹周键与龚雪飞就是在北京师范大学的研究生,于是刘润球与北京师范大学物理系以比较开放的方式交流培养了这些年轻人。刘润球告诉蝌蚪五线谱:“2003年,曹周键第一次来找我讨论,我们谈了做数值广义相对论的事情。”

  2004年到2005年,曹周键与台湾成功大学的学者合作开始做数值相对论的模拟,简单得说就是像码农一样写数值广义相对论的源代码,而龚雪飞则开始从事一些引力波模拟数据的分析。

  刘润球说:“其实早在1990年代,我们就已经意识到数值广义相对论的重要性了,但一直找不到人来做。”而曹周键与龚雪飞等“北师大学子”的出现实际上弥补了这个需求。曹周键做了两个黑洞碰撞并合发出引力波的数值模拟,并且与来自加州理工学院的潘奕进行了结果的相互标定比对。

  据龚雪飞向蝌蚪五线谱回忆,2004年秋天,也许正好是一个教师节,当时还是加州理工学院博士生的陈雁北也访问了科学院应用数学所,并且做了一个与引力波相关的小组学术报告。刘润球当时已经意识到,“陈雁北这个人将来(在引力波研究领域)会非常重要!”

  当时还有一个在首都师范大学跟着吴可老师读硕士研究生的人也在刘润球研究组从事引力波相关实验研究,他就是罗子人。并不值得一提的是,2007年,罗子人与笔者同时报考了刘润球组的博士研究生。

  刘润球研究组已经初见规模,但其实研究经费并不十分丰裕,在晨兴中心与数学院的支持下勉强维持整个研究小组的日常运转,但偶尔也会陷入入不敷出的境地。

  2007年的10月,天气已经有点凉了。那时候美国宇航局还没有退出lisa项目,lisa的科学目标是探测空间引力波,因此需要首先发展引力波的数据分析。一个名叫mldc(mock  lisa  data   challenge )的挑战赛当时在全球范围内征集研究组参加他们的数据分析挑战赛(这是我们国家第一次参与空间引力波探测计划的活动)。当时刘润球组的龚雪飞(女)、尚煜以及南京大学的王䶮一起组团参加了这个挑战赛。

  但因为当时的王䶮还在上研究生一年级,需要上课,无法来北京,于是龚雪飞与尚煜两人就来到了南京。

  因为研究经费太少,无法承担长时间住宾馆的费用,于是南京大学的彭秋和帮尚煜在南京大学找了一个男生宿舍。而南京的紫金山天文台的倪维斗帮龚雪飞在紫金山天文台找了一个女生宿舍。

  龚雪飞:“当时因为没钱住宾馆,我是背着棉被与褥子去的南京,后来住在紫台的女生宿舍,半夜里老鼠跑来跑去,吓死我了。”

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左起:龚雪飞、刘润球、张轩中(本文作者)、徐鹏

  这次挑战赛中,中国代表队取得了不错的成绩,挑战赛以后,王䶮与尚煜去了德国的爱因斯坦研究所留学。

  顺便指出,南京大学的彭秋和在那个阶段实际上组织过几次引力波数据处理相关的暑期学校(2006年在南京、2007年在西华师范大学、2008年在中国科学院晨兴数学中心、2009年在云南),对这一事业在中国的发展有杰出贡献。

  在同一历史时期,在一次香山会议之后,中国科学院有了空间引力波的预研究项目(太极计划的先导研究),那是在2008年,刘润球小组是该预研究项目的成员之一。

  中国科学院应用数学所支持了刘润球小组的研究工作,“给了10万块钱”。 2009年,中国科学院空间中心发布了空间引力波探测的路线图,基本确定了先做重力卫星,再做引力波的两步走路线图,刘润球研究组得到该项目经费的支持,在研究重力卫星的同时研究引力波。后来,“天体号脉”的项目负责人张双南也鼓励刘润球研究组申请“天体号脉”项目的子课题研究经费;龚雪飞则在应用数学所博士毕业后来到了中国科学院高能物理所黄超光研究组,从事引力波相关的博士后研究,也得到了黄超光研究员的支持。前面已经说过,罗子人考上刘润球的博士后成为预研究项目的得力干将。

  当时研究组的研究成果,发表在空间引力波探测lisa计划的会议文集(《经典与量子引力》专刊)上,赢得了国际同行的关注。2年以后,这篇文章基本上成为“太极计划”的原型。

  刘润球说:“应该说我们研究组非常感谢晨兴数学中心与数学院的支持。丘成桐先生与杨乐先生对我们的帮助与支持使得我们坚持到现在还一直在从事引力波的研究工作。”而据刘润球研究组的徐鹏博士告诉“蝌蚪五线谱”,他们研究组所做的工作,简单地说就是一直在画探测引力波的“收音机”,现在这个“收音机”已经快画完了,接下来就要真的去制造这台“收音机”了——这就是太极计划。

  “蝌蚪五线谱”认为,中国科学院数学院从陆启铿、刘润球等人对引力与引力波的研究实际上是一脉相承的。这些研究“引力波”的应用数学家的故事值得大众关注。引力波的中国故事,也许会越来越精彩!

  (本文发表时未经文中出现的科学家们的审阅,作者文责自负)




人类首次探测到引力波
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