谷歌DeepMind用AI探測引力波，登上Science了

西風 2025-09-13 14:24:45 來源：量子位

聞樂 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

探測宇宙深處的時空漣漪引力波，AI也派上用場了。

谷歌DeepMind、LIGO（激光干涉儀引力波探測器）團隊和GSSI（格蘭薩索科學研究所）合作開發的Deep Loop Shaping技術，將引力波探測的低頻降噪能力拉到了新高度。

該研究現已登上Science。

LIGO團隊的雷納·韋斯（Rainer Weiss）教授、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）教授以及巴里·巴里什（Barry Clark Barish）教授之前就靠LIGO探測器和引力波觀測拿到了2017年諾貝爾獎物理學獎。

但引力波探測領域依舊卡在低頻段噪聲難題上多年。

這次AI一出手，直接把10-30Hz頻段控制噪聲強度降低至傳統方法的1/30，部分子頻段更是壓至原來的1/100，超越了量子極限設定的設計目標。

這是怎么做到的？

將LIGO觀測距離擴至1.7億光年

首先得明確，引力波探測本身就是天文學領域的頂尖難題。

引力波是黑洞、中子星碰撞時產生的時空擾動（或者說時空漣漪），信號極其微弱。

就比如說，哪怕是兩個黑洞合并，傳到地球上時引發的時空形變，比原子核還要小得多。

為了捕捉這種微小信號，LIGO專門建造了長達2.5英里（約4千米）的激光干涉儀。

△圖源：Google DeepMind（下同）

首先，LIGO像一個大寫的L，兩個真空管兩端都裝著一面超光滑的鏡子，它會把一束激光分為兩半，分別射進兩條管子里，激光碰到鏡子后會反射回來，最后兩束反射光會重新合在一起，打在同一個探測器上。

正常情況下，兩條管子一樣長，兩束激光走的距離相同，反射時間也一樣，那么兩束反射光合在一起時就會“抵消”（可以理解成波峰對波峰，波谷對波谷），探測器就看不到光信號。

但如果有引力波路過，就會把它經過的時空“拉伸收縮”，可能會把一條管子拉長同時把另一條管子壓短，這樣兩條管子的距離不一樣，反射光就不能完美抵消了，這時，探測器就能看到一個明暗變化的信號。

通過這個信號，科學家也能反推出：剛才是不是有引力波經過？

然而，探測效果一直受限于噪聲干擾，尤其是10-30Hz的低頻段。

而這個低頻段，對于天文學研究的價值又不可替代。它是觀測中等質量黑洞（質量為太陽幾百到幾萬倍）并合、雙黑洞長期繞轉過程，以及中子星并合提供早期預警的關鍵頻段。

但傳統降噪方法在低頻段早已觸頂，此前科學家嘗試過優化探測器結構、屏蔽環境干擾等多種方案，但始終無法將低頻噪聲降到不影響信號識別的水平，這一瓶頸也困擾領域多年。

現在，Deep Loop Shaping通過AI技術實現了突破。

Deep Loop Shaping技術的核心，并不是直接去尋找引力波，而是用強化學習方法來治理噪聲，重構了LIGO的反饋控制系統。

研究團隊首先構建了一個數字孿生版的LIGO，將地震、海浪、溫度漂移等各種干擾因素，也就是噪聲模擬進去。利用獎勵機制讓AI在數百億次迭代中試錯學習，訓練出了能優化探測器反饋回路的算法。

過去，LIGO用線性控制方法降噪，容易在低頻段放大噪聲；而Deep Loop Shaping用深度神經網絡，直接處理探測器收集的龐大數據流，從原始傳感信號里提取引力波特征的最優路徑，不再讓控制器本身成為噪聲源。

同時，該系統利用循環神經網絡架構，能動態識別微秒級的環境干擾并迅速作出調整，還優化了真空管內數千個傳感器的輸出，進一步壓低了背景噪音。

利用Deep Loop Shaping技術，在LIGO Livingston觀測站和加州理工40米原型裝置上，AI直接把10-30Hz頻段的控制噪聲壓縮至傳統方法的1/30，部分子頻段甚至壓到原來的1/100，第一次讓這一頻段的控制噪聲低于量子噪聲，突破了之前受量子極限啟發設定的的設計目標。

不僅如此，它還拓展了探測器的有效觀測范圍，將LIGO探測器的有效觀測范圍從1.3億光年擴展至1.7億光年，可觀測的宇宙體積增加了70%，這意味著每年可探測的引力波事件數量大幅增加。

例如，在2024年3月的GW240312黑洞碰撞事件中，Deep Loop Shaping技術成功識別出振幅比傳統閾值低15%的微弱信號。

研究合著者Jan·Harms教授表示，新技術還能對即將發生的宇宙碰撞進行更早地預警。

“你可以進行合并前的預警，這樣你就能讓人們知道一分鐘之后，兩顆中子星將合并，”

“然后，如果你在線的探測器數量恰到好處，甚至可以指向天空中的某個特定區域，告訴他們‘看那里，等待它?！?/p>

One More Thing

2015年9月14日，LIGO首次成功直接探測到引力波，證實了愛因斯坦在100年前基于廣義相對論做出的預言：巨大質量的天體可以因加速運動而壓縮、拉扯時空。

LIGO項目的三位杰出貢獻者雷納·韋斯（Rainer Weiss）教授、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）教授以及巴里·巴里什（Barry Clark Barish）教授也因此獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。

△從左至右依次為：Rainer Weiss、Kip Stephen Thorne、Barry Clark Barish

不過，令人沒想到的是，有如此杰出貢獻的韋斯教授，在學生時代還因為談戀愛被學校開除過。

韋斯教授1932年出生于德國，1950年進入MIT（麻省理工學院）讀電氣工程專業。

在MIT讀大二的暑假，韋斯異地戀的女朋友提出分手，當即他便離開劍橋，跑去芝加哥挽救愛情。

幾個月后回到MIT時，才發現發現自己由于缺課太多已經被開除了。

后來，沒有完成學業的韋斯在物理學家杰羅德·扎卡賴亞斯 （Jerrold Zacharias）的課題組找到了一個擔任技術員的工作。

在杰羅德教授的鼓勵下，韋斯回到MIT繼續完成學業，并在1955年獲得學士學位，1962年在杰羅德教授的課題組獲得博士學位。而后進入普林斯頓大學做博士后，研究能否從地震信號中檢測到引力波。

再到后來，韋斯領導的LIGO團隊于2015年9月14日觀測到引力波，并于2016年2月正式宣布，在2017年獲得諾獎。

但就在這個即將到來的首次觀測到引力波十周年紀念日的前幾天，也就是2025年8月25日，諾獎三人中最年長的韋斯教授逝世，享年93歲。

在首次觀測到引力波時，他曾說：

“有了引力波，你就有了一種新的觀察宇宙的方式。”

“你可以看到大自然所蘊藏的一切。所以現在的問題是：你想發現什么？”

參考鏈接：
[1]https://www.geekwire.com/2025/ligo-google-ai-gravitational-waves/
[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw1291
[3]https://deepmind.google/discover/blog/using-ai-to-perceive-the-universe-in-greater-depth/
[4]https://www.nytimes.com/2025/08/26/science/rainer-weiss-dead.html