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评LIGO发现引力波实验和2017年诺贝尔物理奖
发表时间 2017-10-26 17:03 来源 本站原创

  梅晓春 黄志洵 胡素辉 俞平
(1)福州原创物理研究所         (2)中国传媒大学信息工程学院

  (3)中国科学院上海微系统与信息技术研究所(4)Cognitech Calculation Technology Institute, USA

  2017年10月16日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲VIRGO联合宣布第五次探测到引力波。此前LIGO曾三次宣布独立探测到引力波,与VIRGO联合探测到一次引力波。近两年来,LIGO的引力波探测一直是科技界的头条新闻,引起广泛的社会兴趣。

  与前四次不同的是,第五次发现的引力波是由双中子星合并产生的,同时还产生相应的电磁辐射,被全球几十家天文台观察到。而前四次被认为是由双黑洞合并产生的,没有观察到相应的天文现象。因此第五次引力波探测具有特殊的意义,被认为“看到引力波的爆发”。

  以下我们来讨论LIGO第五次引力波探测,指出它的实验数据与前四次探测存在严重的矛盾,证明LIGO发现引力波的结论是靠不住的。

  1. 根据 LIGO执行主任大卫·莱兹(David Reitze)在新闻发布会上的说法,这次引力波事件是美国宇航局(NASA)的费米卫星伽玛暴监视器首先探测到伽玛暴信号,系统自动向相关的天文观测机构(GCN)发送警报。LIGO系统接到预警后,其自动分析系统耗时约6分钟事件,才在其中的一台仪器上找到有一个相应的信号,而且这个信号比费米卫星的伽玛暴信号早了两秒钟。

  因此LIGO的引力波发现是马后炮,如果没有费米卫星的预警,就没有第五次引力波探测。这次引力波信号只在LIGO的两台激光干涉仪上出现信号,VIRGO的激光干涉仪上并没有出现信号。如果没有费米卫星的预警,由于VIRGO没有探测到,只有两台探测器引力波源不能定位,LIGO—VIRGO系统就不可能认为这是一个引力波信号。

  然而根据空间望远镜观测,宇宙中伽玛射线暴几乎每天都在发生,是习以为常的事情。到2015年为止,人们已经观测到了2000多个伽马暴。为什么LIGO都没有发现,这次偏偏在费米卫星预警的提示下才发现呢?

  2. 由于VIRGO探测器上没有出现信号,根据LIGO的解释是由于VIRGO在地球上所处的位置不对,或者说地球物质把引力波挡住了,VIRGO探测不到也有助于定位。但我们知道,引力是无法被物质挡住的。比如夜晚我们看不到太阳,但太阳的引力照样作用在我们身上,引力波似乎物质也是挡不住的。

  3. 更重要的是,按照LIGO提供的数据,可以用很简单的方法证明,双中子星合并辐射的引力波到达地球后,能流密度是双黑洞辐射的5万分之一。根据力做功与距离成正比的规则,干涉仪臂长的改变就应当是黑洞辐射的5万分之一,达到10的负22次方米的量级。黑洞辐射引起的10的负18次方的改变已经引起巨大的疑问,LIOG怎么可能测量到10的负22次方米的长度改变呢?

  按照LIGO公布的数据,第五次引力波爆发是由两个质量为1.15和1.6个太阳质量的中子星相互环绕,合并成一个2.74个太阳质量的中子星引起的。大约有0.01个太阳质量的物质被以近光速抛射出去,产生伽玛暴和电磁辐射。这意味着没有物质被转化成引力波,引力波的能量来自两个中子星的转动能和引力势能。

  按照LIGO的数据,在合并前的100秒两个中子星相距400公里,每秒钟相互环绕12圈。根据这些数据计算,中子星的初始运动速度为光速的二十分之一,仍然可以用牛顿理论计算。双星系统势能的计算很复杂,考虑到势能与动能的数量级是一样的,我们只做数量级比较,只需考虑动能的变化。

  假设两个1.15和1.6太阳质量的中子星以5%的光速做非弹性碰撞后合并,动能全部转化成引力波,能量约为2.3乘10的44次方焦耳。这些能量在100秒内被辐射出去,辐射功率约为2.3乘10的42次方焦耳/秒。中子星距离地球的距离是1.3亿光年,引力波到达地球时,能流密度为1.2乘10的负7次方焦耳/秒.平方米。

  另一方面,根据 LIGO提供的数据,对于GW150914引力波事件,两个质量分别为 36和 29个太阳质量的黑洞互相环绕,合并成一个62 太阳质量的黑洞。 3个太阳质量的物质被转化成引力波辐射到太空,引力波辐射的峰值比整个可观测宇宙的电磁辐射强度还要高 10倍以上。根据质能关系计算,3个太阳质量的物质转化成的能量是5.4乘10的47次方焦耳。根据LIGO提供的数据,两个黑洞初始的距离为350千米,速度为光速的30%,碰撞后约有6.5乘10 负47次方焦耳的能量被转化成引力波的能量。

  因此GW150914事件中大约有1.2乘10的48次方焦耳的能量在0.1秒内以引力波的形式辐射到太空,辐射功率约为1.2乘10的49次方焦耳/秒。该事件的发生地离地球13亿光年,引力波到达地球时,能流密度的数量级是6.3乘10的负3次方焦耳/秒.平方米。双黑洞产生的引力波达到地球后,其能流密度约是双中子星引力波的5万倍。按照这个比例,双中子星引力辐射导致LIGO干涉仪臂长的改变就是双黑洞辐射的5万分之一。

  4. LIGO在美国物理评论上发表的中子星合并产生引力波的文章中给出下图1,其中蓝线描述一个称为短时脉冲干扰波(Glitch),黄线是噪音。LIGO的文章说这个干扰波发生在双中子星合并的1.1秒之前,其来源不清。

  图1. 双中子星合并时间中的噪声波型

  图中纵坐标的Strain可以理解为应变,它与干涉仪臂长的改变成正比,与臂长成反比。LIGO文章中注明,测量到的双中子引力波引起的应变是10的负22方,相应于长度改变10的负19次方米。而按前文的简单计算,如果黑洞引力波引起的长度改变是10的负18次方米,中子星引力波引起的长度改变就是10的负22方米。因此LIGO的黑洞模型与中子星模型有矛盾,二者中必有一个是错误的,或者两个都错。

  从图1看出,噪音引起的应变是10的负20次方,相应于对臂长的改变是10的负17方米。噪音引起的应变是引力波100倍,LIGO 文章认为在图1中是看不到引力波的波形信号的。然而在LIGO的后文中又说,引力波与噪音振幅的信噪比是32.4,即引力波的振幅是噪音的32.4倍,这显然是自相矛盾的。

  5. LIGO关于中子星合并产生引力波的文章与前四次不一样,其中没有接收到的引力波波形和理论计算波形的比较,原因是一旦公布就会露馅。因为从理论上计算,这次的引力波震荡时间超过100秒,震荡周期成千上万个。这是一种相当规则的震荡,在LIGO的实际观察波形中根本不可能找到与它匹配的波形。

  事实如下文所见,在前几次实验中,即使理论波形的震荡时间只有几秒,LIGO也没有办法在观察数据中找到与之匹配的波形。为此LIGO不得不将理论波形用带通滤波器和带宽滤波器处理,200多个周期变得只剩下不到10个周期,而且波形大大地改变。LIGO就凭这最尾巴的一点相似,宣布发现引力波。详细分析见下文。

  5. 下文中我们还将指出,LIGO实验中出现的所谓引力波的波形实际上都是噪音,这种噪音波形在LIGO实验数据中大量存在。而LIGO团队则有意隐瞒事实,说20万年才可能在两个激光干涉仪上同时出现一次。他们实际上只是挑选出几个满足时间相关性条件的,相似性比较好的噪音波形,加以修饰和包装,然后宣布发现引力波。

  在第五次中子星合并的引力波事件中,LIGO的探测器可能根本就没有显示引力波。收到费米卫星的预警后,LIGO的团队马上对数据进行核对,发现在两秒前有一个数据类似,也就跟着预警。但这实际上是偶然相似的一个噪音波形,而且只在LIGO的探测器上出现,没有在VIRGO的探测器上出现。后来发现可以用LIGO不在可观测区内解释,并且可用于定向,就将这个噪音波形包装后,声称是引力波信号。

  我们可以用以下形象的比喻,来说明LIGO实验的本质。假设某人有两张高清晰度的照片,一张中是一个人,另外一张中是一个类似大猩猩的怪物。二者的差别巨大,绝不可能把它们混肴。此人采用某种技术,将相片模糊化处理后,发现两张相片的某个局部有点相似,比如有一个手指头的外形相似。于是他就声称,两张相片中的生物都是人。更甚者,他还说在离地球十几亿光年的某个星球上,十几亿年前就已经进化出人类!

  除此之外,LIGO引力波探测违背了许多物理学基本原则,在理论上实际上是不可能的。这里我们只谈四点,更详细的讨论见参考文献。

  1. LIGO引力波探测的所有数据计算都建立在爱因斯坦广义相对论基础上。引力波的探测不是独立于理论的,而是依赖于理论模型的。如果LIGO坚持认为探测到引力波,就必须假定广义相对论是正确的,广义相对论预言的引力波是存在的。如果广义相对论是错误的,给出的引力波模式也是错误的,或者引力波实际上根本不存在,LIGO尽管按照这种模式发现了什么东西,这种东西也不是引力波。

  LIGO团队至今没有搞清楚这种逻辑关系,声称他们五次探测到引力波,证明爱因斯坦理论正确,弥补了广义相对论最后一块拼图,这是对科学基本常识的误解,。

  2. 广义相对论用弯曲时空来代表引力,这种描述方法本身就是一个大问题。广义相对论认为存在奇异性黑洞,它实际是一个没有物质结构的时空奇点。众所周知,奇点是一个病态的东西,在数学和物理上都是没有意义的。事实上,天文学上从来都没有观察到这种时空奇点的存在,自然界中也不可能存在这种东西。然而LIGO实验却认为测量到两个时空奇点碰撞产生的引力波,纯属本末倒置,其实验的理论基础根本上就是错的。

  3. 按照LIGO的估计,引力波使激光干涉仪两臂之间的距离发生了10的负18次方米的改变,这比原子核的半径还要小1000倍! LIGO的团队经常以此为荣,对世界自夸他们的实验具有前所未有的高精度。然而至今为止除了LIGO团队,没有任何物理学家敢说能够测量到如此小的距离变化。事实上,10的负18次方米的距离已经到了超微观领域,量子力学的测不准原理使这种精度的测量成为不可能。按照量子力学的测不准公式计算,如果粒子位置的改变10的负18次方米,质子速度的改变则大约是光速的300倍。即使按狭义相对论计算,质子的速度也几乎达到光速。因此如果LIGO能够测量到10的负18次方的距离改变,就意味着在引力波的作用下,LIGO实验激光干涉仪的两个反射镜中的所有原子在0.1秒的时间内以光速震荡几十次,整个系统早就崩溃了!

  4. 广义相对论中用来计算引力波使空间距离发生改变的公式,是针对真空中的两个自由粒子而言的。LIGO实验的激光干涉仪用钢管固定在地面上,受电磁相互作用力的作用,不是自由粒子。电磁力比引力大10的40次方倍,引力波不可能克服电磁力,使钢管的长度发生改变。这相当于用豆腐做成的刀,不可能用来切割玻璃。事实上在地球表面,由于存在电磁相互作用的影响,广义相对论关于的引力波的所有公式都不能用,LIGO实验所有的关键数据的计算都是错的。

  5. 事实上,如果在牛顿引力中引入磁性引力分量,象电磁理论一样进行改造,同样能够产生引力波。也就是说引力波根本不需要嫁接在广义相对论上。相反的是,广义相对论的运动方程是非线性的,其实根本就没有波动解。物理学家做了大量近似,把广义相对论完全线性,运动方程变得面目全非后,才得到波动解。

  6. 更有趣的是,广义相对论的引力辐射公式实际上也是模仿经典电磁理论的辐射公式的。而且其中还引入有严重错误的计算方法,才得到现有结果的。如果完全按照广义相对论,根本就得不到现有的引力辐射公式。因此如果真的要找引力波的话,就应当将按经典电磁理论对牛顿引力理论进行改造,在此基础上去计算引力波的问题。

  因此LIGO所谓的引力波发现实际上只是一场计算机模拟和图像匹配游戏,与真实的天文和天体物理学发现无关。对于LIGO实验的虚假性的问题,两年来包括我们在内世界上有许多人不断地提出质疑。然而LIGO团队不但置之不理,还不断地发表发现引力波的假新闻。他们是明知故犯,实际上已经涉嫌造假。这不仅是个别人的问题,而是集体性的,整个科学系统的问题,说明西方现代物理学已经走到穷途末路。

  然而LIGO控制话语权,操纵舆论,却大获成功。引力波项目获诺贝尔奖,同时说明西方物理学评价体系出现严重问题。他们抛弃了自牛顿时代以来的优良传统,已经从实证科学走向玄学。它将开启了大科学造假之门,将把物理学重新推入蒙昧时代。

  对于LIGO发现引力波这种荒唐的造假行为,希望国内物理学界要有清醒的头脑,我们应当坚持科学实证的基本原则,我们不能与他们一起走死路!LIGO实验获诺贝尔奖这件事给我们的启示是,以爱因斯坦相对论为基础的现代物理学体系,不但已经陷入泥潭,而且是越陷越深,不可自拔。

  现代物理学需要重新选择方向,这也给中国基础物理学的崛起一次机会,我们应当走出中国人自己的科学道路。

  以下我们从实验数据处理方面,来详细地谈谈LIGO实验存在的问题,揭示其在高深理论和高端技术包装下隐藏的欺骗性。LIOG实验在理论方面存在的其他问题,可以参见本文后附的参考文献。

  图2. LIGO公布的GW150914引力波事件的观察与理论波形,其中第一行

  是在两个干涉仪上观察到的所谓引力波形,第二行是理论计算的

  引力波形,第三行是二者之差,LIGO认为它们代表噪音。

  LIGO的引力波探测程序是这样的。按照广义相对论,两个奇异性黑洞碰撞合并过程会产生引力波。用数值相对论方法计算,根据不同的参数可以得到一大堆引力波的理论波形。LIGO把这些数据存储在波形库里,称为模版波形。同时在两个相距3000千米的地方建立了两台激光干涉仪,光从一台仪器传播到另外一台大约需要0.1秒的时间。LIGO假设引力波以光速传播,因此两个激光器接收到引力波的时间差是0.1秒。

  激光干涉不断接受到外部传来的噪音和各种信号,产生各种各样的波形。为了消除噪音,LIGO将接受到的混合波用两种滤波器处理。带通滤波器把引力波频率以外的噪音去掉,带阻滤波器把仪器产生的噪音去掉。LIGO认为剩下的波形中包含了引力波信号,同时也掺杂了与引力波频率相同的噪音。

  假设在相差0.7毫秒的两个时刻,两台激光干涉仪上都出现一个形状相似的波形,比如图2中第一行左右边的两个波形。LIGO计算机系统就会自动地把这个两波形与数据库中的理论引力波形进行比较。如果恰好有一个理论波形与激光干涉仪上出现的两个波形类似,比如图1中第二行的波形,LIGO就认为测量到引力波!

  根据这个理论波形的预设条件,LIGO就可以推断出,在离地球多少亿光年的某个地方,有两个多少质量的两个黑洞碰撞。多少个太阳质量被转化成引力波传到地球,产生激光干涉仪上的这两个波形。

  LIGO的成员其实深知,他们这种引力波探测方法在逻辑上是站不住脚。因为激光干涉仪处于大量噪音的包围中,两个没有因果关联,但波形相似的噪音同时出现在两个干涉仪上,这是完全可能的。为了能够自圆其说,LIGO用某种数学方法计算,得到的结果是,对于2017年9月12日的所谓引力波事件(GW170912),两个波形相似的噪音同时出现在两个干涉仪上的概率是26万年一次,因此只能将GW170912判断为引力波爆发事件。

  然而情况真的如此吗?丹麦哥本哈根玻尔研究所的J. Creswell等人2017年9月在《宇宙学和天文粒子物理学杂志》上发表了一篇文章,指出他们在LIGO的数据库中找到许多噪音波形,与所谓的引力波形非常相似(见图3)。从图中的时间上看,8个与引力波相似的噪音波形出现在24秒的时间内,可见其出现的频率是非常高的。



  图3. LIGO实验中大量存在与理论引力波相似的噪音波形,其中红线是用数值相对论计算的理论波形,黑线是GW150914事件附近的噪音波形。

  在我们的研究中也发现类似的现象,图4 ~ 图6是我们在LIGO的干涉仪接收数据中找到的,与GW150914事件引力波形相似的图形,它们出现在LIGO宣布的GW150914引力波爆发的前0.5 ~ 0.9秒(https://losc.ligo.org/s/events/GW150914/LOSC_Event_tutorial

  _GW150914.html。)图中的黑线是数值相对论计算的理论引力波形,绿线是GW150914事件附近的噪音波形。

  图4 LIGO所谓引力波爆发前约0.50秒Hanford干涉仪上出现的噪音波形(绿线)和数值相对论计算的理论引力波形(黑色)。

  图5. LIGO所谓引力波爆发前1.30秒Livingston干涉仪上出现的噪音波形(绿线)和数值相对论计算的理论引力波形(黑色)。

  图6. LIGO所谓的引力波爆发前2.90秒Livingston干涉仪上出现噪音波形(绿线)和数值相对论计算的理论引力波形(黑色)。

  事实上,在GW150914引力波爆发的前后几分钟内,我们就从LIGO提供的数据中找到几十个这种类似的波形。因此这种波形的出现是LIGO型干涉仪的一个系统性的问题,与所谓的引力波无关。它们绝非是LIGO认为的,26万年才能在两个干涉上同时出现一次,而是相当频繁地同时出现的。

  这就解释了为什么LIGO能够如此频繁地,就像母鸡下蛋一样地发现引力波爆发信号。人类历史三千多年以来,有记录的超新星爆发事件才十来次,平均每三百年一次。双黑洞合并是更为剧烈的天文现象,按理说应该比超新星爆发稀少得多才对,怎么可能几个月来一次呢?

  问题还不仅于此,图2中第二行实际上不是理论引力波的原始计算波形,而是被LIGO用滤波器处理,偷梁换柱改造后的理论波形。根据LIGO发表的文章,按照数值相对论的计算,理论引力波的波形实际上用图7中的第一行红色曲线来表示。这是一个很有规则的图形,它与图2的第二行完全不一样。曲线的震荡时间至少在3秒钟以上而不是0.1秒,它根本不可能被包含在图2第一行的曲线中。如果将图7的波形与图2的第一行比较,就根本不可能得到发现引力波的结论。

  图7. 按照数值相对论计算GW151226事件引力波的原始图形。

  于是到了最关键的一步,LIGO就将图7的理论波形也用带通和带阻滤波器处理,将它变成图8的红线波形。绿线是未经滤波器处理的原始图形,右图是左图的放大。显而易见,经过滤波器处理后的引力波曲线大大变形,根本不能代表原来的理论引力波,但LIGO却不加说明地用它来代替数值相对论的理论计算波形。

  图8. 数值相对论计算的理论引力波经过带通和带阻滤波器处理后的波形,其中绿线是未经滤波器处理的波形,红线是经过滤波器处理后的波形。

  由此还产生了一个原则的问题,引力波理论曲线中即不包含环境噪音,也不包含仪器噪音,为什么要用滤波器来处理呢?LIGO实验者是无法面对这个问题的。

  除此之外,从图中可以看出,仅在大约0.1秒的时间窗口内,红线与绿线有某些相似性,在其他时间内,二者是完全不同的。在整个大于3秒钟的引力波事件窗口中,0.1秒只占不到二十分之一。然而就凭这不到二十分之一的时间窗口的相似性,LIGO宣布发现引力波。完全不顾在大部分时间中波形的不同,以及被滤波器处理后的数值相对论引力波曲线根本不能代表原始的引力波!

  LIGO实验组显然知道这种做法是错误的,因此在他们发表的文章和对媒体公众的宣传中,从不讨论和提起使用了滤波器造成的后果。他们不公布通过带通和带阻滤波器过滤前后的图形对比,忽略了大部分时间内测量波形与理论计算波形不一致的问题,使其他人无从知晓理论与实验曲线在什么程度上符合。

  LIGO的引力波实验还忽略了滤波器的适用性问题。LIGO 实验的激光干涉仪的臂长是 米,通过钢管固定在地表上,不是处于恒温环境状态。钢管温度每秒改变0.01度引起的长度变化是 米的量级,比引力波引起的长度改变大 倍!

  因此LIGO实验的背景噪声非常大,相比之下即使有引力波,其信号也完全被淹没。在这种意义上,LIGO对引力波的探测根本就没有意义。对于引力波测量,带通滤波器和带阻滤波器是失效的。不管采用什么样的滤波器,按照目前的技术水平,都无法从如此高的背景噪音中,将如此微弱的引力波信号有效提取出来。

  LIGO实验还存在非常多的问题,在此无法一一列举,尤其是理论计算方面的问题,有兴趣的读者可以参考以下文章。

  参考文献

  1. 梅晓春,俞平, LIGO真的探测到引力波了吗? 前沿科学,2016,10(1):79~89

  2. Mei X, Yu P. Did LIGO really detect gravitational waves? Jour. Mod. Phys., 2016, (7):1098~1104.

  3. Mei Xiaochun,Huang Zhixun,Policarpo Ulianov,Yu Ping,LIGO Experiments Can Not

  Detect Gravitational Waves by Using Laser Michelson Interferometers,Journal of Modern

  Physics, 2016, 7, 1749-1761.

  4. 梅晓春,黄志洵,Policarpo Ulianov,俞平,LIGO实验采用迈克尔逊干涉仪不可能探测到引力波,— 引力波存在时光的波长和速度同时改变导致LIGO实验的致命错误,中国传媒大学学报,自然科学版,2016,Vol.23,No.5,p.1~13.

  5. 黄志洵, 再评LIGO引力波实验,http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid =1354893&do=blog&view=me&from=space.

  6. Ulianov P Y. Light fields are also affected by gravitational waves, presenting strong evidence that LIGO did not detect gravitational waves in the GW150914 event[J]. Global Jour. Phys.,2016,4(2):404~420.

  7. James Creswell, Sebastian von Hausegger, Audrew D. Jackson, Hao Liu, Pavel Naselsky, On the Time Lags of the LIGO Signals, Abnormal Correlation in the LIGO Data, Journal of Cosmology and Astropartical Physics, 2017, August.

  8. Mei Xioachun, The proof that there are no invariabilities of Lorentz transformations in the international theories of micro-particles, Journal of Modern Physics, 2104(5): 599-616. 梅晓春,微观粒子相互作用理论没有洛伦兹变换不变性的证明,http://www.mxcphy.cn, 《时间与空间》栏目,(以此栏目文章为准)。

  9. 梅晓春,广义相对论不可能描述太阳系行星椭圆轨道周期运动的严格证明,前沿科学,2016,年第4期,69—87页。http://www.mxcphy.cn,《引力与宇宙》栏目(以此栏目文章为准)。

  10. 梅晓春,俞平,计算机数值方法证明广义相对论的行星运动理论不成立,前沿科学,2016年第2期,75—95页。http://www.mxcphy.cn,《引力与宇宙》栏目(以此栏目文章为准)。