再评LIGO引力波实验

黄志洵l

（中国传媒大学信息工程学院，北京100024）

摘要：LIGO的实验装置与Michelson干涉仪相似。不久前Ulianov通过仔细的分析后指出，在GW150914和GW151226事件中LIGO所检测到的或许只是噪声。现在著名物理学期刊《Jour. Mod. Phys.》(《现代物理学报》)发表了中国科学家的论文“LIGO真的探测到引力波了吗？”该文证明由于电磁相互作用的存在LIGO并发现不了引力波。那么检测到的是什么？可能是位于两地的激光干涉仪之间位置的某种干扰信号。由于上述情况，不应对LIGO团队授予Nobel物理学奖。LIGO实验再次引发了对广义相对论（GR）的讨论，这引起了更多科学家的关注。

关键词：广义相对论（GR）；引力波；数值相对论方法（NR）；噪声信号

1  引言

LIGO是Laser Interference Gravitational-wavesObservatory(激光干涉引力波天文台)的简称，由它出面(很多人署名)的论文“Observation of gravitationalwaves from a binary black hole merger”，发表在《Phys. Rev. Lett．》杂志2016年2月12日出版的那一期上^[1]。文章的摘要说：“在2015年9月14日世界时9:50:45，引力波天文台的两个激光干涉探测器同时观察到一个瞬态的引力波信号。信号频率从35到250Hz，引力波的应变峰值为1.0×10^-21。它与广义相对论预期的旋进、双黑洞合并，以及单黑洞所产生的铃荡的波形一致。信号通过匹配滤波器观测，这个滤波器信噪比为24。在源中两个初始黑洞的质量为36个太阳质量和29个太阳质量，合并后的黑洞质量为62个太阳质量，其中3个太阳质量的能量以引力波的形式辐射出去。所有的不确定性限定在90％的可信区间。这些观测结果表明双恒星质量黑洞系统的存在。这是首次直接观测到引力波和双黑洞合并。”……在美京华盛顿(Washington)的记者会是在杂志出版前一天召开的；之后的媒体宣传可谓铺天盖地，实际上是摆出了Nobel级论文(Nobel award’s thesis)的架势。为了拿2016年的Nobel物理学奖，科学团队通过媒体文章定下调子——“LIGO发现了远方黑洞合并产生的波穿过地球时的微弱扰动（引力波），这是几十年来的一项伟大的科学突破”^[2]。

2016年6月16日英国广播公司（BBC）网站报道说^[3]，科学家探测到更多引力波。所举事实是2015年12月25日22时38分的事件（信号）被LIGO的两个探测器收到。这次报道明白地说：“今年10月获得Nobel奖的可能性非常大”。尽管这和过去一样都只是LIGO单方面的宣布，没有任何其他科学机构的旁证（或LIGO本身的其他实验的旁证），仍然信心十足，并依靠媒体的放大功能造势。

但是，不同意见一直存在^[4-6]；特别是，近来多个国际物理学刊物刊登批评LIGO实验文章，不仅证明关于“LIGO是否真的发现了引力波”仍在争论中，也显示西方科学界并非只知沉迷于一面倒的媒体宣传。本文着重介绍欧美物理学期刊所发表的不同意见。

2  《现代物理学报》刊登中国科学家的批评论文

《Journal of Modern Physics》(JMP)在西方是一本重要的科学刊物，我们称之为《现代物理学报》。它在2016年7月发表的文章^[7]，作者是Xiaochun Mei（梅晓春）和Ping Yu（俞平），题目为“Did LIGO really detect gravitational waves?”（“LIGO真的探测到引力波了吗?”），副题为“The existence of electromagnetic interaction made the experiments of LIGO invalid”(“电磁相互作用的存在导致LIGO探测引力波的实验无效”)。文章题目与他们二人所发表的中文文章^[5]，是完全相同的，但在国外发表时内容上作了改进，更严谨也更精炼了。

我们来看看他们在国际性物理学期刊上讲述了怎样的观点。论文着重于证明，由于电磁相互作用的存在，LIGO实验不能检测出引力波。这其实正是早先的Weber实验失败的原因。就广义相对论（GR）而言，引力波对距离影响的公式只适用于真空中受引力作用的粒子。LIGO实验是在地球表面上进行的，而激光干涉仪固定在地表上，处于电磁力的平衡态。电磁力比引力大10⁴⁰倍。故引力波是太弱了，无法克服电磁平衡力而使两个干涉仪的距离发生变化（即无法改变钢管的长度）；这也是Weber实验失败的原因。……即使不考虑这个因素，LIGO实验也有严重问题：①没有真正发现造成引力波的爆发源，所谓“双黑洞合并”只是计算机拟合结果，而非真实物理现象的发现；②说“Einstein引力理论已被证实”，其实是LIGO的一种循环论证，在逻辑上不能成立；③关于引力波能流密度的计算存在尖锐的矛盾；④所用数值相对论（NR）方法，由于奇点的存在而造成巨大误差；Einstein引力方程的非线性使误差放大；⑤干涉仪之间所谓10^-18m的长度变化已被测出的说法超过了现时的技术能力，这种精度已到微观范畴，不确定性原理决定了其不可能性；并不是距离变化造成了信号；⑥LIGO实验并未检测出引力波，出现的信号是由于两个激光干涉仪之间出现的干扰。

以上是文献[7]的中心思想；全文内容分为8部分：“发现”的引力波的波源在哪里？LIGO实验证实了Einstein引力理论吗？引力波能流密度引起的矛盾；电磁相互作用的影响不能忽略；数值相对论方法可靠吗？比原子核半径小1000倍的长度能否测量？LIGO是否真的收到了引力波的信号？文章的结论当然是否定的。

综上所述，西方物理学刊物JMP决定刊登这种与主流意见完全相悖的学术论文，是很不平常的。当然，我们也注意到[7]并不认为“引力波根本不可能存在”，而只是说“目前的LIGO实验还没有把引力波测出来”；这与笔者的观点是不完全相同的。然而在黄志洵发表的一系列文章中（见[4]、[6]、[8]、[9]、[10]），笔者所表述的意见是“不存在引力波这个东西”；而且，直到写作本文时还看不出必须改变（“纠正”）自己观点的重要理由。因此，分岐是存在的。

然而，只有更多地读一些梅先生的著作，才能了解他的物理思想。2015年梅晓春^[11]推出66万字的《第三时空理论与平直时空中的引力和宇宙学》一书，集中反映了他多年来的理论物理学研究成果。在“自序”中他说：“当我进入（学习）广义相对论（GR）时，以为会看到晴空万里；结果却发现到处是丑陋黑洞，到处是时空的错位和无限大的扭曲。为什么那么多物理学家对奇异性黑洞感兴趣？难道他们不知道除了宇宙本身之外，现实世界没有无穷大？一个奇点无处不在的理论，本身一定有问题。”他又说：“我发现Einstein引力理论最初的出发点就是错的。……对于在地球引力场中发射火箭这种最简单的Newton力学问题，弯曲时空引力理论竟然无能为力。凡此种种，Einstein引力理论能比Newton引力理论高明吗？本书证明，用修正的Newton引力公式，可以解释GR的4个实验；因而没有必要采用几何化的方法来描写引力。况且，弯曲时空引力理论与量子力学（QM）根本无法相容。”梅晓春还指出，暗能量和暗物质假设都是由引力几何化造成的，是子虚乌有的东西。

2016年6月中旬，梅晓春完成了新作“用修正的牛顿引力理论计算广义相对论的四个经典实验”。该文证明弯曲时空引力理论是没有必要的。文中分析了GR的光在太阳引力场偏折的近似解，指出这个解实际上不是Einstein引力场方程的解。而GR对雷达波时间延迟实验的计算则是错误的，误差达到14.9％，因此雷达波时间延迟实验并没有证实GR。此外按照现有理解，如果光子受引力的作用。因此光子向中心引力场下落时被加速，其速度就会超过真空光速。此文假设光子在引力场中下落时做减速运动，其引力质量是运动质量的两倍；由此证明光在太阳引力场中沿双曲线运动，同样可以解释光线的偏折和引力透镜现象，以及雷达波的时间延迟和光谱的红移。最后讨论平直时空中Newton引力理论的改造和未来发展方向问题。梅晓春指出，对雷达波时间延迟，GR的计算结果很不一致，有很多版本。仔细计算了发现都是错的。按正确的计算，误差达到14.9％。可笑的是，他们的实验居然与错误的计算非常一致，据说误差小于0.002％。这件事足见GR的伪科学性质，不论错得怎样离谱，它总能证明自己是对的。

总之，梅晓春的物理思想是：经过认真细致的研究，认识引力完全用不着GR。笔者认为，既然他的观点都是对GR的否定；如果不认同GR，引力波也不会存在。因此，我们与梅先生最终还是一致的。

3  《环球物理学报》刊登巴西科学家的批评论文

《Global Journal of Physics》(GJP)也是西方的科学刊物，我们称之为《环球物理学报》。它在2016年5月刊登一篇文章^[12]，作者是巴西科学家P.Ulianov，题目为“光场也受引力波影响，强烈表明LIGO没有探测到引力波”。文章说，按照GR，引力波通过时会使物体收缩、长度改变。以此为基础，LIGO采用Michelson干涉仪原理，认为依靠激光束干涉以观测臂长变化即可记录到引力波。但这里有一个问题：引力波通过时也会影响光场。当一个引力波击中LIGO的干涉仪，不仅缩短干涉仪的臂，还扭曲自身的时空结构，也缩短光束，使Michelson干涉仪输出端观察不到相位差，也就记录不到引力波。文章的分析认为LIGO收到的是随机噪声信号，而非“双黑洞碰撞造成的引力波”。

在论文中，Ulianov先对GW150914事件作了分析，对LIGO在Hanford和Livingston的检测器的工作情况作了详细讨论。关于滤波器，它把周期信号转换为白噪声（white noise），故仅有非周期信号通过滤波器，这就要连带考虑引力波信号的性质。分析表示引力波信号波形无法用该滤波过程而检测出来。整个讨论建基于LIGO所依靠的方法——数值相对论（NR）；大量的图形和数据分析，得不出“双黑洞碰撞产生引力波”的结果，亦即LIGO并未探测到一个真正引力波。Ulianov论文对低频率（如32Hz）噪声的谱和影响做了大量分析工作；还考虑了可能的市电（频率60Hz）的可能影响，例如构成60Hz噪声源（60Hz noise source）。

LIGO实际上是在做与Albert Michelson 实验相同的事，只是目的改为测量由引力波造成的臂长变化。可以说，LIGO设计者是以一个因失败而著名的实验为基础，收到的是像引力波的噪声信号。关键之点在于，内部的光场也受引力波影响。

有意思的是，Michelson是唯一的由于做了一个完全失败实验而获Nobel奖的物理学家。至于目前公布的LIGO实验，则可认为它什么东西也没有观测到（detected nothing）！

4  西方科学家的诚信问题

不久前笔者发表了“再论建设具有中国特色的基础科学”一文^[13]；文中说：“欧美科学家为了搞到科研经费以利生存和研究，总在忽悠好大喜功的政治家及缺少科学素养的大众，而不顾地球上还有那么多贫困地区及人口。”又说：“即使前进方向不明，也并未妨碍某些科学家不遗余力地鼓动本国政府投入巨资上大项目。然而基础科学的成果常常是模糊的，花钱太多、交代不了怎么办? 他们的应对方法，一是不断宣传‘××设备正常运转’或‘××卫星正常完成测试任务’，以便让政府和公众安心。另一方面，每过几年他们公布一些‘成果’ ——一般人看不出问题，但细心的科学家会发觉其所谓成果不明确、不对劲。这些人还有另一高招：游说Nobel委员会，给个奖，再大的经费投入也能在后来应付过去。我觉得过去的欧洲强子对撞机、美国GP—B项目，以及西方一些有关暗物质、暗能量的项目，乃至引力波项目，都有这种不诚实的气味。这与科学精神背道而驰!”……现在来看，这些说法都是对的；甚或已体现在今年的“LIGO发现引力波”的宣传上。

2016年6月16日，LIGO再次宣布（宣传） GW151226事件，即在2015年12月26日也曾“观测到黑洞合并造成的引力波”。中国的《参考消息》报在科技版报道时所用标题为“科学家再次探测到引力波”，这样讲是完全错误的——这是去年12月的事（收到1个信号），根本不是什么“再次探测”。耐人寻味的是，为什么今年2月LIGO不曾提起？恐怕与世界上出现了质疑和反对有关。他们不愿意“今年拿下Nobel奖”的目标受到破坏，所以6月再作一次宣布，以加大对公众的影响。我们知道，Nobel物理学奖绝大多数很有威信，但有时不那么合适，例如几年前为“暗能量”课题授奖。在今年，即使把奖金授给LIGO，也不一定能平息质疑的声音。

是否还有别的事“散发出不诚实的气味”？有的，最突出的是LIGO向全世界宣告这一“重大发现”时，没有讲清楚所用为数值相对论（NR）是计算机模拟方法，而非天文观测及物理实验的结果。他们用收到的仅仅1个信号(only one signal)去与数据库中NR的海量计算波形比对，似乎只要对上一个就完成了“重大发现”。他们根本不说自己的工作还有待旁证，需要更多的事实证明以及别的科学机构的检查；而立即大吹大擂地宣布说，已取得了可以拿Nobel奖的成果。这些作法完全不符合科学精神，也与科学家的良知相悖！

回顾历史，西方科学界曾经创造出了不起的业绩。过去的物理学史，主要由欧美科学家的名字串接而成，这是事实。但如今为何会这样？我们认为这与对相对论的夸大宣传有关，Einstein本人如还在世也未必喜欢这种喋喋不休的（甚至是没有边际的）宣传。在他的晚年，曾经这样开他的“生日庆祝会”——与会的科学家发言对他的理论提出质疑，Einstein本人一一作答。1955年Einstein去世后，开始时西方科学名刊仍然刊登著名科学家（如H.Dingle^[14,15]，L.Essen^[16,17]）批评相对论的论文，出版社推出书籍，情况较为正常。但到后来，对相对论不容讨论的风气控制了一切，只在个别情况下在西方科学刊物上才出现批评文章^[18]。正因为如此，我们才在本文前面说，JMP最近的做法（刊登中国科学家对LIGO实验的质疑文章）是很不平常的。

5  讨论

引力波是GR理论的一个推论，即变化的时空曲率造成引力辐射。因此GR必须是正确、无懈可击的理论，否则“寻找引力波”便无从谈起；这也是“GR引力波”这一特定词语的含义。至于GR，如今的地位似乎不可撼动，早已成为理论物理、天文学、宇宙学的基础理论之一，无数人对其顶礼膜拜。但也有人不赞成，几年前一位在上海工作和生活的老科学家胡素辉给笔者寄来一份手稿，题为“对空间和时间的再认识”（后来刊登在《格物》杂志上）^[19]，文中说，Minkowski的4维空间否定了经典力学中的“时间与坐标系位置和运动状态无关”的绝对性，但它只是一个虚拟的4维空间，与现实相抵触。特别是，用一个虚量取代可测的物理量，是“用数学取代物理”的典型作法。另外，GR把万有引力归结为时空的弯曲，说“引力等于弯曲时空”，这是把物理现象几何化，使物理学等于几何学。胡素辉教授说，他早就认为GR的前提依据不足、论证不正确，故结论可疑。正如SR中所谓“动钟变慢”和“动体缩短”，只是研究方法产生的后果，而非实在的物理变化。人类经验也使人们对“引力=弯曲时空”的结论存疑。事实上，GR中的引力场=加速度的等效原理中，就已隐藏了物理学=几何学”的观念。

笔者同意胡老先生的观点；并且我们曾经指出，GR这个非常复杂的理论并不能简明地告诉我们什么是引力。但是，我们在文献[10]中已详述对GR的看法，此处不详述。

2016年6月14日，笔者收到胡素辉先生来函，进一步谈了对GR的看法。他指出，GR认为空间可弯曲，程度取决于物质产生的引力场强，而物体在引力场中的运动又取决于空间的曲率。那么空间是什么？Einstein对此的看法前后不一致——在GR中他说“一无所有的（没有场的）空间不存在”，但他的空房推理(思维)实验却是在一无所有的空间进行的。另外，他的“有限而无界宇宙”经几十年研究仍存在奇点问题，也解释不了宇宙之外为何物；实际上缺乏正确的宇宙观。

笔者无意在这篇短文中讨论广义相对论这种庞大的话题，只是说要讨论GR引力波就仍须检查Einstein引力理论是否存在问题；LIGO如有信心就不要怕反对者把意见讲出来。

6  结束语

本文再次叙述了对“LIGO发现了引力波”的不同意见，以两篇刊登在西方物理学期刊上的论文作为代表而作说明，对其他发表在预印本网站（arXiv. phys.）的论文则未涉及。科学问题需要讨论，成果要经历时间的考验，仓促做结论是不妥的。至于追求Nobel奖，这是科学界的最高荣誉，本来无可指责；但总不能由课题参加者自己说（或借媒体的嘴来说）“一定得奖”，科学家要有起码的冷静和谦虚。LIGO当然有权定期公布自己的工作情况，但依靠媒体的帮助把现阶段的工作说成“几十年来仅有的一项伟大科学突破”则十分不妥。而且，目前的情况是有关报道再次引发了对GR理论的争论；在这种形势面前，一些西方科学刊物竟也发表了提出反面意见的论文。有关动向值得注意。

参考文献

[1] Abbott B P, et.al. Observation of gravitational wave from a binary black hole merger[J]. Phys Rev Lett，2016，116：06112 1～16．

[2] 英国广播公司（BBC）网站. 引力波太空探测通过重大考验[N]. 参考消息报，2016年6月8日

[3] 英国广播公司（BBC）网站. 科学家再次探测到引力波[N]. 参考消息报，2016年6月17日

[4] 黄志洵．我为什么认为不存在所谓“引力波”(英文稿: Why am I not buying the story of gravitational wave discovery). 科学网，2016年2月20日

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

[6] 黄志洵，姜荣．试评LIGO引力波实验[J]．中国传媒大学学报(自然科学版)，2016，23(3)：1～11

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

[8] 黄志洵．引力传播速度研究及有关科学问题[J]．中国传媒大学学报(自然科学版)，2007，14(3)：1～11

[9] 黄志洵．关于“引力波实验”的一点看法[J]．前沿科学，2014，8(2)：42～43．

[10] 黄志洵．引力理论和引力速度测量[J]．中国传媒大学学报(自然科学版)，2015，22 (6)：1～20

[11] 梅晓春．第三时空理论与平直时空中的引力和宇宙学[M]．北京：知识产权出版社，2015

[12] 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

[13] 黄志洵．再论建设具有中国特色的基础科学[J]．中国传媒大学学报(自然科学版)，2016，23(4)：1～14

[14] Dingle H．The case against Special Relativity[J]．Nature，1967，216：119～122

[15] Dingle H．Science at the crossroads[M 1．London：M. Bryan & O’Keefe．1972

[16] Essen L．The error in the special theory of relativity[J]．Nature，1969，217：19

[17] Essen L．The special theory of relativity．a aritical analysis[M]．Oxford：Oxford Univ．Press 1971

[18] Kostelecky A．The search for relativity violations[J]．Scientific American．2004(9)：74～83．中译本：武晓岚译，找相对论的碴[J]．科学，2004(11)：67～75．

[19] 胡素辉．对空间和时间的再认识[J]．格物，2014(6)：1～8

Second Comment on the Gravitational Wave Experiment of LIGO

HUANG  Zhi-Xun

(Communication University. of China, Beijing100024)

Abstract: The equipment of LIGO experiment is like the Michelson interferometer. By the analysis ofUlianov in recent time, the LIGO system has probably detected only noise in the GW150914 andGW151226 events. In present time, the famous magazine《Jour. Mod. Phys.》 publish the article byChinese scientist, it named “Did LIGO really detect gravitational waves?” This paper proves that due to the existence of electromagnetic interaction, theexperiments of LIGO can’t detect gravitational waves. But what detected? It may be the signal of disturbances coming from the middle regionbetween two laser interferometers. According to this situation, the Nobel award of physics can’t confer to the LIGO team. LIGO experiment also makes discussion on the basic theory of General Relativity(GR), it has come to our notice for more scientists.

Key words: general relativity(GR)；gravitational waves；numerical relativity method(NR)； noisesignal

黄志洵  

2016年6月29日