LIGO真的探測到引力波了嗎？（附博主文章）

　　梅曉春 俞平 (1)福州原創物理研究所 (2)美國Cognitech計算技術研究所

　　2016年2月11日，美國激光干涉引力波天文台(LIGO)的負責人，加州理工學院的David Reitze教授向全世界宣布：人類首次直接探測到引力波，同時首次觀測到雙黑洞的碰撞與併合。

　　這個實驗結果轟動全球，成為各種媒體的熱點新聞，在科學界被廣泛討論和高度推崇。它意味著物理學界苦苦追尋幾十年之後，愛因斯坦廣義相對論關於引力波的預言最終獲得驗證。標誌著天文學已經進入新的時代，人類從此打開了一扇觀測宇宙的全新窗口。

　　事情追溯述到北京時間2015年9月14日17點50分45秒，位於美國路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德的激光干涉儀引力波天文台的兩個探測器，在相差千分之7秒的時間內觀測到了一次引力波事件：GW150914。根據LIGO的數據，該引力波事件發生於距離地球13億光年之外的一個遙遠星系中。兩個分別為36和29太陽質量的黑洞併合為62太陽質量的黑洞，3個太陽質量的物質被轉化成引力波輻射到太空。在雙黑洞併合最後時刻，引力波輻射的峰值比整個可觀測宇宙的電磁輻射強度還要高10倍以上，可以說是最為慘烈的宇宙現象。

　　然而，由於距離的遙遠，這次引力波爆發事件在地球上產生的效應卻是極其微小。真空管道中相距4公里40千克的兩個玻璃鏡子，在持續時間不到1秒鐘時間內振動了幾十上百次。二者間距離的改變卻只有 米，只是原子核半徑的千分之一!

　　這樣微小的信號實際上是淹沒在大量的環境雜訊中的，因此就有太多的偶然性造成實驗假象。聯想到2012年義大利OPERA的中微子超光速實驗引起的轟動新聞，最後竟以計算機介面鬆動導致誤差而草草收場。還有就是2014年的南極天文望遠鏡探測，實驗者宣布發現早期宇宙引力波形成的B模偏振，但結果被證明是銀河系塵埃的前景效應導致誤判。這次LIGO的引力波發現是否也是一個烏龍事件呢?

　　在一陣非理性的狂歡和超高度的譽美之後，請物理學家們冷靜下來，思考以下幾個問題。

　　一. 引力波暴發源在哪裡?

　　按照正常的實驗程序，首先應當通過某種方式，確認在太空的某個位置上發生了兩個黑洞併合事件，比如觀察到黑洞邊緣物質在併合過程產生的光學餘輝。假定引力波的速度等於光速，當光學餘輝傳到地球時，物質湮滅過程產生的引力波也同時到達地球，並在LIGO的激光干涉儀上產生干涉條紋的變化。

　　問題是，LIGO真的觀察到兩個黑洞併合了嗎?沒有，根本沒有!作者仔細閱讀了LIGO發表在美國《物理評論快報》上的論文，沒有找個一個字說他們實際觀察到雙黑洞並和的天文現象。LIGO是採用的是用倒推的方法，根據激光干涉儀上出現的信號，與愛因斯坦引力理論做計算機擬合，得出在13億年前離地球13億光年的某個地方發生了兩個黑洞併合事件的結論。

　　按照LIGO官方的解讀，首先通過計算機的大量計算，事先建立了一個具有海量信息的波形庫。LIGO干涉儀獲得應變數據后，會與這個波形庫中的各種波形進行對比，找到與干涉數據最匹配的波形，也就是通常的匹配濾波法。因此所謂的13億光年遠處兩個黑洞的併合事件只是計算機的模擬結果，不是真實觀察到的物理事件。

　　然而計算機擬合過程需要輸入許多自由參數，如果用來計算愛因斯坦引力場方程，自由參數可能多達十幾個。結果就可能如物理學家費曼戲言，只要給四個自由參數，就擬合出一頭大象，用五個參數可以讓它的鼻子擺動。

　　然而，LIGO官方的解讀是：「我們在此報告愛因斯坦預言的兩個重要科學突破：首次直接探測到引力波和首次觀測到雙黑洞的碰撞與併合」。也就是說，他們真實地觀測到雙黑洞的碰撞與併合。

　　二. LIGO實驗證實愛因斯坦引力理論了嗎?

　　LIGO實驗的計算機模擬過程以愛因斯坦引力場為基礎，通過與激光干涉儀接受到的信號擬合，得到13億年前離地球13億光年的某個遙遠星系中發生兩個黑洞併合的結果。按照LIGO官方的說法：「該實驗強有力地顯示廣義相對論完美地通過了這次檢驗。」

　　問題是LIGO並沒有真正觀察到兩個黑洞併合，也沒有觀察到3個太陽質量的物質被轉化成引力波。他們觀察到的只是激光干涉儀上的一個信號，怎麼可以說愛因斯坦引力波理論被證實呢?

　　因此這個實驗的結論應當是，假定愛因斯坦引力理論為真，激光干涉儀探測到的確實是一個引力波信號，則13億年前在離地球13億光年的某個遙遠星系中，發生過一次雙黑洞併合事件，3個太陽質量的物質被轉化成引力波能量，散發到宇宙空間。結果僅此而已，我們無法說得更多。

　　由此可以看出，LIGO實驗者的論證邏輯是有問題的。他們首先根據激光干涉儀上讀取的數據和愛因斯坦理論(原因)，推導出13億光年發生過一次雙黑洞引力波暴發事件(結果)。然後再根據這次天文事件和激光干涉儀上讀取的數據的一致性(原因)，證明愛因斯坦理論是對(結果)。原因和結果互為因果，這是循環論證。然而眾所周知，循環論證在邏輯上是無效的。

　　除此之外，愛因斯坦廣義相對論不是唯一的引力理論。至今為止，物理學家們已經提出許多不同形式的引力理論，比如平直時空的引力理論。這些理論都預言存在引力波，差別在於廣義相對論的引力輻射涉及四極矩過程，其他引力理論的引力輻射涉及偶極矩或不同形式的多極矩過程。

　　如果考慮這些引力理論，比如將平直時空中的引力理論與接收到的所謂引力波信號進行擬合，也會導出某些不同的天文物理過程。如果用來計算黑洞併合過程(牛頓引力理論也有黑洞，但沒有時空奇異性)，導出的事件就可能不是發生在13億光年遠的星系中，而可能發生在銀河內。在併合過程中就不是3個太陽質量被轉化成引力能，而是少得多的質量被轉化成引力能。

　　在這種情況下，按照LIGO的邏輯，被證實的就應當是平直時空中的引力理論，而不是愛因斯坦彎曲時空中的引力理論。因此，LIGO的引力波實驗聲稱的結果並沒有證實愛因斯坦引力理論，而是依賴於愛因斯坦引力理論。

　　三. 到達地球的引力波強度有矛盾嗎?

　　我們首先要討論的問題是，兩個黑洞併合后3個太陽質量哪裡去了。奇異性黑洞實際上只是一個奇點，所有的物質都被無窮壓縮，物態不可能是光子、電子、質子、中子和夸克。黑洞外圍有一個視界，視界內是真空，沒有任何物質能夠停留。但黑洞的引力仍然存在，也就是說黑洞通過質量對外界產生影響。在這種意義上，3個太陽質量只能通過引力波的爆發，變成引力波的能量散發到宇宙空間。如果變成其他物質形態停留在黑洞內，仍然可以摺合成質量，對外界的引力影響不會改變。光波不可能穿過黑洞，但引力波是可以從黑洞傳出的，引力不可能被黑洞的視界屏蔽。從這種意義上，引力波的傳播速度可能是超光速的。

　　按照彎曲時空引力理論，引力波表示時空的振蕩，即所謂的時空「漣漪」。LIGO實驗原理是，引力波會對激光干涉儀兩條臂的長度產生影響。由於兩條臂相互垂直，引力的影響不一樣，就會引起激光干涉條紋的變化。一個基本的問題是，引力波以什麼方式使長度發生變化?按照廣義相對論的嚴格說法，粒子在真空中沿測地線運動時，引力波會使粒子間的距離產生振蕩。

　　然而LIGO實驗中，干涉儀的兩條臂固定在地球表面，兩個反射玻璃不是處在真空中。固定系統受到電磁力的平衡，在引力波的作用下平衡被破壞，系統產生振動。如果嚴格討論，就要在愛因斯坦引力場方程中考慮電磁相互作用。由於電磁相互作用比引力相互作用大 倍，引力波效應實際上不能被觀察。因此在LIGO實驗的分析中，實際上省略了許多重要因素。我們以下也按這種簡化方式計算，假定干涉儀的兩個反射玻璃懸在真空中，只討論引力波對兩個玻璃的運動的影響。

　　為了實驗穩定，LIGO干涉儀採用很重的懸掛反射玻璃，質量為40千克。實驗中干涉儀系統在1秒鐘內來回振動幾十上百次，但兩個玻璃之間距離的改變只有約 米。假設引力波的振動為正弦波，將引力引起的空間距離變化折算成力的作用，按照牛頓力學計算，引力波作用在每塊玻璃上產生的平均作用力約為 牛頓。假設LIGO實驗干涉儀反射玻璃的面積為0.5平方米，將這種作用力在單位時間內做的功折算成能流密度，約為 焦耳/平方米.秒，是一個非常小的量。

　　另一方面，LIGO聲稱在兩個黑洞併合期間，3個太陽質量的物質在1秒鐘的時間內被轉化成引力波的能量，散發到宇宙中。我們來估計一下這次引力爆發波事件中，地球表面接受到的引力波能流密度。按照愛因斯坦質能關係計算，3個太陽質量對應的能量是 焦耳。設引力波以球面波的方式發射，在離爆發中心13億光年距離的球面上，能流密度為 焦耳/平方米.秒。

　　可見用兩種方法計算，引力波的能流密度相差 倍!這樣大的誤差在物理上是不能接受的，LIGO實驗給出的結果自相矛盾，不能自圓其說。遺憾的是，LIGO物理學家沒有注意到這一點。

　　問題的根本原因在哪裡呢?這裡存在三個可能的原因，以下我們來詳細分析。

　　四.實驗設計原理正確嗎?

　　前面已經說過，LIGO實驗干涉儀及其懸掛玻璃固定在地球表面，系統受到電磁力的平衡保持靜止。要使系統產生振動，施加的外力至少要與電磁相互作用在同一個數量級。然而電磁力比引力大 倍，因此傳到地球表面的弱引力波是不可能破壞電磁力的平衡，使干涉儀系統產生振動的。除非系統離引力爆發源足夠近，爆發產生的引力波能量足夠大，足以抵消電磁力的作用。

　　另一方面，目前廣義相對論討論引力波對空間距離的影響時，只對真空中的兩個粒子而言的。如果考慮引力波對固定在地球表面上物體之間距離的影響，就涉及到組成物體的帶電粒子之間的電磁相互作用。如果在愛因斯坦引力理論中考慮電磁相互作用，引力場方程無法求解的，我們根本無法討論問題。

　　因此在目前的廣義相對論中，引力波對空間距離影響的公式只對真空中粒子之間的距離有效，對固定在地表上受電磁相互作用支配的LIGO干涉儀無效，這是LIGO實驗失敗的最基本原因。按照LIGO的計算方法，干涉儀長度變化 米是沒有將電磁相互作用考慮在內的，對應於13億光年遠處3個太陽質量在1秒鐘內變成引力波。如果將電磁相互作用考慮，要使干涉儀長度發生同樣的變化，引力波源爆發的能量就要大 倍，到達地球的能流密度就會達到 焦耳/平方米.秒。

　　這是一個什麼樣的概念呢?在地球的赤道上，太陽光照射產生的能流密度是 焦耳/平方米.秒。能流 焦耳/平方米.秒相當於7.5億個太陽輻射的引力波能量同時作用在地球表面，在1秒鐘的時間內來回震蕩了100多次。在這樣強大的引力能作用下，別說LIGO的激光探測儀，就連地球本身也可能被引力波撕得粉碎。

　　還可以用當量為2萬噸當量的核彈爆炸產生的光輻射和衝擊波做比較，爆炸后產生的能量為 焦耳，當於大約1克物質被轉化成的能量。假設核彈爆炸的產生能量在1秒鐘內散開，只有在離爆炸中心2.6米的球面上，才能產生 焦耳/平方米.秒的能流。核彈的半徑是0.71米，長度是3.05米。想想看，一個人站在邊上爆炸后結果又當如何呢?

　　這也可以解釋以往引力波的觀察和實驗中，為什麼有時成功有時失敗的原因。美國物理學家韋伯1959年最早提出引力波的探測方案，他認為引力波可以使圓柱形天線發生共振，並聲稱已經觀測到從銀河系中心發出的引力波。然而韋伯的實驗無法被其他物理學家重複，他觀測到的引力波強度被認為太大。按照韋伯接實驗接收到的信號強度，銀河系在幾億年內就會因引力輻射而消失。因此目前學術界認為韋伯當年觀測到的不是引力波信號，而是某種偶然的干擾信號。

　　1978年美國天文學家泰勒和赫爾斯宣布對射電雙脈衝星PSR1913+16歷時四年的觀測結果，指出該脈衝雙星的周期發生的變化與引力波輻射損失的能量相符，意味著間接觀測到引力波。這個結果得到科學界的認可，泰勒和赫爾斯獲1993年諾貝爾物理獎。

　　因此，LIGO實驗失敗原因與韋伯實驗失敗的原因是一樣的。韋伯實驗採用金屬合金製造天線，由於引力波太弱，不可能克服天線中金屬離子間的電磁力而產生振蕩。從這種意義上，包括LIGO在內的目前在地球表面上運行其他引力波激光干涉儀，都不可能真正觀測到引力波產生的信號。

　　引力波觀測實驗只有移到太空中進行，這不僅僅是為了消除環境噪音，更主要的是消除電磁力的影響。事實上，正是由於不存在電磁力的干擾，泰勒和赫爾斯射電雙脈衝星的觀察才比較靠譜。

　　五.數值相對論計算方法可信嗎?

　　愛因斯坦引力場方程是非線性的，嚴格求解非常困難。至今為止，只有少數幾個精確解，而且大多都是靜態解。如果考慮場源物質的運動，能量動量張量中包含運動速度，愛因斯坦引力場方程實際上無法求解。

　　雙黑洞併合過程需要考慮場源物質的運動，按照常規的數學分析方法就無法描述。因此物理學家們就提出計算機數值方法，模擬愛因斯坦引力場方程描述的引力過程，簡稱數值相對論。問題在於黑洞物理學涉及時空奇點，物理學規律在奇點附近失效。這種失效實際上是數學的無窮大引起，體現在計算機模擬過程中，就是計算機經常死機，程序無法正常運行。以下文字改寫於網路文章《淺談數值相對論》。

　　最早的數值相對論嘗試可以追溯到60年代，有兩個人為好玩搞了個小程序模擬雙蟲洞。用了一堆近似，結果程序死了，他們發了兩篇文章說了程序的死狀。自此程序崩潰的夢魘卻一直困擾著數值相對論。兩個黑洞放在那裡，別說要它們併合，就是讓它們走兩步，程序都會崩潰。後來研究者才發現，愛因斯坦場方程存在大量非物理的形式解，這些解往往會導致指數增長，最終程序崩潰。於是研究者就設置程序，每次碰到這些非物理解時就先殺掉它們，然後在順著物理解走。雖然程序最後還是會崩潰，但總算是一個進步。黑洞終於可以走上10個史瓦西半徑了，不過離走完一圈依然顯得遙遙無期。

　　一般數值模擬大體的思路是，給出方程組和初始邊界條件，然後讓計算機去跑。可是數值相對論麻煩多了，因為廣義相對論中時間和空間是一個整體，特別是在強引力場下，時空更顯得紊亂。怎麼去尋求信號的時空演化呢?數值相對論專家於是使用3+1的方法，把時空分割成3維空間切片和1維時間。

　　然而黑洞的存在會導致坐標被吸到視界中，什麼都做不了。怎麼辦?只好每次算一步都重新畫一下坐標。至於初始邊界條件怎麼確定，到現在還是一個問題。只能慢慢找，不能解析地給出。10幾個非線性偏微分方程，100多個變數耦合，而且必須保證解的穩定性。數值相對論的目的是算引力波的波形，但規範選擇存在4個自由度，如何知道這個波的是規範變化引起的，還是物理變化引起呢?這麼一堆難題，難怪40多年來，數值相對論進展甚微，巨大的困難嚇跑了不少人。當2004年第一次有人讓雙黑洞繞完一圈時，已經是歡天喜地的突破性進展了。可是剛剛繞完一圈，坐標又開始糾結，不穩定性又一次出現，程序又一次崩潰。

　　2005年的一次調程序的手誤，讓黑洞動了起來。黑洞中心的奇點在數值計算時很不好處理，一般都是用穿刺法，即用已知黑洞解來替代黑洞，從而規避了奇點。在之前的計算中，黑洞都是被按在網格上的，這次調試的無心插柳，竟然讓兩個黑洞演化下去，一直到併合結束，程序都沒有崩潰。然而在後來的會議上，這個結果一度受到質疑。直到另外一個研究組在同一個會議上公布他們用同樣的方法獨立得到的結果后，才讓人們嚴肅對待。

　　當程序的穩定性不再是絆腳石以後，程序的精確性就成了新的要求。不同組的程序都是獨立完成的，他們給出的結果吻合度之高， 讓人們充滿信心。一些新的課題也順利展開，比如兩個黑洞初始位置改變會影響波形嗎?不同方向和不同大小的自旋對結果有什麼影響?黑洞併合后，反衝的大小和方向是如何?

　　此外，如何調和雙緻密天體併合過程三個階段的波形，也仍然是一個大問題。黑洞內旋過程採用后牛頓近似，併合過程採用是數值相對論，而鈴盪過程採用的則是微擾法。三個階段三種不同的方法，如何將信號平滑地拼合在一起，形成一個完整的模板，依然需要仔細研究。

　　總之，與其他數值模擬問題比較，數值相對論的方程更多、變數更多、變數的耦合也更多。除了存在大量的非物理解會導致程序崩潰外，還要面對物理量隨時間的演化。時間和空間糾纏在一塊，想要研究物理量隨空間分佈，坐標系會不斷被黑洞吞噬。數值相對論的難度可想而知，在這個領域的學者取得成就實為不易。

　　諸位看到了吧，數值相對論存在太多的隨意性。為了讓計算機避開奇點能夠運行，程序設計者不得不添加太多的限制條件，對演算過程做太多的人為干預。為了計算海量的波形庫，不知有多少台計算機日夜運轉。雖然運動方程本身是精確的，但方程的非線性卻可能產生蝴蝶效應。一個小小的初始邊界條件的改變會被不斷地放大，可能導致巨大的誤差，使結果天差地別。

　　LIGO實驗用數值相對論計算雙黑洞併合過程，就有可能得到相互矛盾的結果。這也給從事數值相對論的學者提個醒，非線性過程蝴蝶效應無法避免，數值相對論的有效性是值得懷疑的。

　　六.奇異性黑洞存在嗎?

　　如果數值相對論的研究者堅持認為，他們的計算方法雖然存在誤差，但不可能導致 倍的誤差，答案則只能是另外一個。那就是廣義相對論的奇異性黑洞理論是錯的，奇異性黑洞根本不存在!自然界中不存在36和29個太陽質量的黑洞併合，會導致3個太陽質量湮滅的現象。

　　事實上，梅曉春已經在美國《現代物理學雜誌》和《國際天文與天體物理學雜誌》發表了多篇文章，證明愛因斯坦奇異性黑洞不可能存在。LIGO實驗給出相互矛盾的結果，實際上是在實驗上強化了這個結論，或者說以實驗的方式證明了這個結論。

　　奇異性黑洞理論起源於羅伯特·奧本海默的一篇論文，奧本海默可以說是始作俑者。根據愛因斯坦廣義相對論，羅伯特·奧本海默證明，質量足夠大時宇宙中天體將崩塌成奇異性的黑洞。梅曉春仔細分析羅伯特·奧本海默的原始論文，指出該計算存在一系列嚴重的錯誤。最基本的問題是，奧本海默假設星體的密度不隨時空坐標而變，他先假設密度不隨空間坐標而變，然後再假設不隨時間而變。但最後卻得出星體崩塌，半徑變成無窮小密度無窮大的結論，前提與結論相矛盾。

　　另外按照這種計算，星體崩塌成奇異性黑洞與星體的質量和初始密度無關。即使星體的質量和密度非常小，比如一小團密度均勻的稀薄的氣體，在引力的作用下也會收縮成奇點，如此等等。廣義相對論的計算還忽略了大質量高密度天體的轉動速度，高速的轉動可能導致天體分崩離析，而不是崩塌成奇點。

　　由於我們事先不知物質密度對時空坐標的依賴關係，採用愛因斯坦引力場方程還存在計算程序的合理性問題。除了物理上的問題外，羅伯特·奧本海默的計算還存在一些明顯的數學錯誤。物質崩塌成奇異性黑洞的另外一種改進型的計算方法也存在上述問題，甚至引入隨意的坐標變換來簡化運動方程，結果同樣是不可信的。

　　梅曉春的結論是，廣義相對論至今為止實際上並沒有證明，質量足夠大的星體會崩塌成密度無窮大的奇異性黑洞。事實上相對論物理學家心裡都明白，至今為止物理學上並沒有一個說得過去的，黑洞物質崩塌湮滅成引力波的理論。即使未來將引力波的觀測移到太空進行，如果還用奇異性黑洞碰撞的模型，則仍然是要失敗的。

　　如果說LIGO實驗的結論還有什麼正面的意義的話，那就是將奇異性黑洞的荒謬性，徹底地展現在世人的面前。它使物理學家不得不深思，物理學理論中引入奇異性會導致什麼樣的實驗後果。對於如此精細化和抽象化的現代物理學，事情往往如愛因斯坦所言，是理論告訴我們觀察到什麼。

　　七.接受到的是引力波信號還是噪音?

　　為了排除環境噪音，保證探測到的是來自外太空的引力波信號，LIGO實驗採用了兩台相距幾千公里的激光干涉儀。LIGO實驗假設引力波以光速傳播，因此只有兩台激光干涉儀在光速傳播的限定的時間範圍內探測到相同波形的信號，才可以考慮是引力波信號。LIGO的實驗者認為已經非常仔細地考慮了噪音問題，採取了許多措施。比如通過計算機設置，自動排除了海量出現的，在時間上不匹配的信號。

　　對於這種說法我們不予懷疑，但也要強調出現意外的可能性。我們知道，地球表面每年會發生500萬次左右的地震。這還是地震儀可感知到的地震，地震儀無法探測到的小地震不計其數。強度越大的地震波頻率越低，強度越小的地震波頻率越高。地震儀可感知的地震波的頻率為5 ~ 20赫茲，不可感知的地震波的頻率高於20赫茲。

　　LIGO實驗測量到的頻率在35 ~ 150赫茲，小地震波的頻率可能與它重合。比如有可能在某個時刻，位於LIGO實驗兩台激光干涉儀中間點附近出現了一個小地震。地震台的儀器測量不到，但LIGO的激光干涉儀卻能感知。雖然小地震不是一個低概率的現象，但恰好在兩台激光干涉儀中間點附近發生，卻不是經常可能的。是否LIGO的激光干涉儀會將這個地震視為引力波的信號呢?這種可能性是不能排除的。

　　除了地震波，還有空氣振動產生的聲波等，都可能產生類似頻率的擾動(聲波的頻率是20-16000赫茲)。這種擾動也可能通過地殼，傳到LIGO的激光干涉儀器。由於干涉儀是如此的敏感，在兩地中間點附近出現了一個微小擾動，都有可能被記錄造成誤判。比如那天剛好有一陣狂風，吹過兩台干涉儀中間點附近的一塊岩石，引發一次短時間的振動，就有被可能與干涉儀相連的計算機誤判為接受到引力波。因此我們不能夠斷定，LIGO實驗中測量到的一定是天體物理學過程產生的引力波。

　　總之，這次的LIGO實驗，2012年的中微子超光速實驗，2014年的宇宙早期引力波實驗，以及2011年的斯坦福大學繞地球軌道運動陀螺實驗給我們的深刻教訓是，用大科學設備探測小物理效應失敗的可能性極大。尤其引力效應方面，通過大投入來做科學實驗的風險極高。物理學家評價自己的這類研究成果時，要極為謹慎。在沒有得到同行充分的檢查和肯定的評價前，對研究成果做過度的解讀，通過媒體進行過分的渲染，以追求社會轟動效應的行為是非常不合適的。

　　2016年2月16日

　　作者簡介：梅曉春，福州大學物理系畢業，福州原創物理研究所所長，美國《Journal of Modern Physics》和《International Journal of Astronomy and Astrophysics》等多家歐美物理專業雜誌審稿人和客座編輯。在國內外物理學專業刊物上發表過許多重要論文，新近出版了專著《第三時空理論與平直時空中的引力和宇宙學》。

　　俞平，浙江大學物理系畢業，中國科學院理學碩士，美國俄亥俄州大學應用數學博士，美國Cognitech計算技術研究所首席科學家。

附博主文章：

關於對【LIGO科學家直接探測到引力波】事件的研究報告

------「引力波」還是「地震前兆波」------

作者：呂大炯

 前言：

由於激光干涉儀不僅能夠記錄地震波，而且還可以記錄到各種各樣的地震前兆（參考呂大炯所著「臨震預報」一書）。在以「LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration」的名義發表的引力波探測一文中只提到，已經考慮了對地震波的排除，但起碼沒有看到是否也考慮了對地震前兆或者地球內部其他來源的排除。而這些也並不是完全不可能的......

據此，我們設想：所探測到的「引力波」是否可能是一種「地震前兆」？按照這一思路，我們作了一些探討！

一.美國所探測到的「引力波」是否可能是大地震的臨震前兆波？

如果說，在2015年9月14日9：50：45 （ UTC） 所探測到的「引力波」是一種「地震前兆」，那麼這一事件應該發生在某一次大地震之前；又如果所探測到的「引力波」是一種「臨震前兆」 那麼這一事件應該發生在某一次大地震之前若干天，比如說2～3天。

讓我們先來查詢一下在2015年10月26日之前的前半年時間內所發生的全世界七級以上大地震：

·        1.尼泊爾博克拉†‡（M7.9，4月25日）

·        2.尼泊爾科達里†（M7.3，5月12日）

·        3.日本小笠原群島（M8.5，5月30日）

·        4. 智利伊亞佩爾（M8.3， 2015年9月16日19：54：33本地時間）

·        5. 興都庫什山脈†（M7.5，10月26日）

怎麼這麼巧呢？這到底是偶然的巧合還是思路正確：恰恰在所謂的「引力波」到達后的2～3天的時間內，在離美國兩個 LIGO 引力波探測器 7000～8000公里左右的智利發生了8.3級大地震，「引力波」事件正好落入智利大地震臨震的時間段！而在這半年中其他一些大地震離 LIGO探測器就要遠得多，唯獨這個離 LIGO探測器最近的智利的大地震的前2～3天探測到了「引力波」。所以說，所探測到的「引力波」只是一種「地震前兆波」的構想也逐漸浮出水面。

根據我們以前預報地震的實驗來看，能夠接受到幾千公里以外的8級以上地震的前兆波一點也不奇怪，而對於高靈敏度儀器接受不到8級以上大地震的臨震前兆那才是非常值得奇怪的事情！

二.  關於信號頻譜：

如果說探測到了某某波動，那麼就要說明所探測到的信號的頻譜以及探測儀器對波動頻率的響應曲線，從而確定所探測到的波形有沒有被畸變……

據「人類首次直接探測到了引力波「（騰訊太空喬輝2016年02月11日23:43）一文介紹：探測到的引力波信號初始頻率為35赫茲，接著迅速提升到了250赫茲，最後變得無序而消失……（整個過程持續了僅四分之一秒。位於利文斯頓的探測器比位於漢福德的探測器早探測到7毫秒，這個時間差表明引力波是從南部天區傳來。）

如果說，所探測到的信號是地震前兆波的話，那麼讓我們來看一看一般的地震前兆波是否符合LIGO探測器所探測到的信號的頻譜。

對於6.5至7級以上的地震，若以計頻器計測大震的頻率，應該介於40Hz至1575Hz左右。 我們可以把前兆看成類似於大地震的初動（在被觸發后沒有震起來），其初動頻率的低端應該和地震頻率相同，而高端則應該低於1575Hz ，估計可為幾百Hz.  這個頻段和他們探測到的所謂的「引力波」信號頻段一致。

其次，假定電磁輻射前兆是由於某種壓電效應引起的，那麼電磁輻射前兆的頻段也應該和應力前兆一致。

所以說，不能排除LIGO探測器所探測到的信號是地震前兆波的可能性。

三.關於信號的持續時間：

前兆為什麼只有0.4秒？也就是說，如果他們的信號是地震前兆的話，為什麼只有0.4秒？

作者在過去主要研究的是臨震前兆，也就是發生在大地震前數天的前兆。在地震前，地應力是被固體潮所調製的，所以只有在地應力達到或超過前兆閾值時，前兆才會產生。也就是說臨震前兆是在固體潮的峰谷值處以突變形式發生，所以一般來說，它們都是短暫的。（在地應力達到或超過發震閾值時，地震就發生了。）由於他們的引力波探測器的屏蔽肯定非常之好，所以只有在固體潮最大峰谷值的那一小段時間（比如說0.4秒）內發出的最強的電磁輻射才能夠穿透屏蔽，從而被他們的探測器探測到。而在0.4秒以外的電磁輻射被儀器屏蔽掉了。

四. 關於信號的產生時間：

通常臨震前兆在大地震前2～3天發生。大多數情況會是這樣！在前面第一節中已經講過，LIGO所探測到的所謂」引力波「的確發生在智利8.3級地震前2～3天！

五.關於引力波的入射角及信號強度：

該文好像沒有提到「引力波」的入射角度的問題。它與探測儀器所在平面的夾角究竟如何？因為這直接關係到信號強度。由於他們每台干涉儀互相垂直的兩臂都是自由的，所以在某個入射角度下，信號可能會被抵消。又由於兩台干涉儀的干涉臂不是互相平行的（請參考論文截圖），因此兩台干涉儀測到的信號強度可能會有或大或小的差異 ……

讓我們來查看LIGO英文論文中的一段。論文上說: 他們的另外兩台儀器，其中一台靈敏度低，測不到，另一台正在升級，所以在只有兩台儀器的情況下，發射源的位置是被相對到達時間來決定的。
也就是說，他們是反推出來的！不是測量出來的。.

另外一篇介紹性的文章中說：只有澳大利亞的干涉儀聯網后才能提高引力波源的定位精度。換句話說，沒有澳大利亞的干涉儀，定位就會有困難。間接說明了我們的懷疑是有一定道理的！ 

六.關於兩個探測器之間信號時差的討論：

1. 兩台LIGO探測器探測到的時間之差約7毫秒 ，有人認為：這隻能是一個人為的信號產生的誤差值。我們認為：如果信號是從智利地震的震中發出來的，那麼這個7毫秒就可能是人為的誤差，實際上應該是10毫秒！

2.第二種可能是：震中不一定是這個特定前兆的發源地（當然震中也會產生前兆），M8級地震破裂板塊面積實乃上千公里，前兆應力點完全有可能是在遠離L1、H1的另一方向上！預計這個應力點很有可能是在東太平洋的斷裂帶上。需要找出符合兩個探測器之間具有7毫秒時差的這個前兆應力點，。為了驗證這個論點，至少要有三個探測器！這和上面第五節中討論的內容相呼應！

七. 伽馬射線暴不能說明LIGO探測到的信號就是引力波：

（和中國科技大學蔡一夫教授商榷）

中國科學報2016－02－18第一版要聞中，有一篇報道了中國科技大學物理學院蔡一夫教授對「引力波探測質疑」的回應文章。

蔡先生首先對質疑表示肯定，然而他為LIGO對引力波的探測結果作了如下的辯解：

黑洞併合不僅僅只有引力波還有電磁波信號，也就是伽馬射線暴，相關信號被其他望遠鏡獨立捕捉到並互相檢驗過。這就說明LIGO探測到的信號不是引力波的概率很低。

本文作者認為，他的這一辯解非但沒有幫了LIGO，反而給「呂大炯研究員認為LIGO所探測到的信號可能是地震前兆「的論述提供了進一步的佐證！

在地震預報領域中幾乎是眾所周知，在大地震前經常會觀測到來自宇宙的磁暴。有的地震學家還利用磁暴來預測地震！讓我們先來引用「汶川8.0級地震的根源和成因」（虞震東）一文中的一段話：

以２００５年１月２０日的宇宙線大ＧＬＥ事件為標誌的宇宙線環境增強是汶川８．０級大地震的主要根源。在此要加以說明的是，宇宙線大ＧＬＥ事件的增強幅度，只是一個標誌或指標。並不是說增強了的那些宇宙線中子部分單獨就能引起大地震。引起大地震的是相應的那個太陽宇宙線耀斑在爆發中產生的全部高能輻射，包括已知的和未知的各種高能輻射。我們認為，還有一個重要的天文事件對汶川大地震也是有影響的。它就是２００８年３月１９日觀測到的極為重要的γ射線暴ＧＲＢ０８０３１９Ｂ。這個γ射線暴距地球約７５億光年。它最令人驚奇的特點是它的光學餘輝竟然達到視星等５．３［１０］。γ射線暴是宇宙大爆炸之後所知的最猛烈的爆發。一般認為，大多數γ射線暴是大質量恆星燃盡核燃料后發生坍縮形成黑洞或中子星時產生的。它釋放的能量可以高達１０５４爾格／秒［１１］。爆發過程中除產生γ射線、Ｘ射線、可見光和射電輻射外，還產生已知的和未知的各種高能粒子流。這些作用到地球的由γ射線暴產生的各種高能輻射和物質肯定要對地球產生影響。在新星爆發和大地震關係的研究中已經知道，恆星爆發的最亮視星等是反映它對地震影響程度的指標。最亮視星等達到３等的新星爆發就可能引起 ８級大地震［４］。γ射線暴ＧＲＢ０８０３１９Ｂ的最亮視星等已經達到５．３等。它和前者的視星等之差只有２個星等。但γ射線暴的爆發規模比新星爆發要大很多億倍，從中產生的引起大地震的那些高能輻射和物質比新星爆發要大得多。所以，有理由相信，ＧＲＢ０８０３１９Ｂγ射線暴對地震活動有影響。也就是說，２００５年１月２０日的宇宙線大ＧＬＥ事件反映的太陽宇宙線耀斑和γ射線暴ＧＲＢ０８０３１９Ｂ的聯合作用是汶川８．０級地震的根源。

由此可見蔡先生所說的「相關信號（電磁波信號，也就是伽瑪射線暴）被其他望遠鏡獨立撲捉到並互相檢驗過「，並不能說明LIGO探測到的是引力波，而恰恰為本文作者認為的「LIGO所探測到的信號有可能是地震前兆波「提供了又一個有利的證據。地震與磁暴及伽馬射線暴之間有著緊密的聯繫；而電磁暴與引力波的關係卻從來就沒有被證實過，因為人類之前從未探測到過引力波。

當然，LIGO探測器的探測結果也許正好為地震的成因或者觸發機制的研究起到一定的推波助瀾的作用！

本文的結論：地震前兆也許可以用於解釋 LIGO 引力波探測器所探測到的信號的另一種可能的選項！

結尾：

本文試圖揭秘，全世界科學家不能實現臨震預報的原因。

40年前，呂大炯研究員多次成功地精確預報了某些地震，特別是遠震三要素。自那之後直至今天，全世界沒有任何一位科學家能夠達到呂大炯研究員40年前的水平！

究其原因：可能是全世界的地震學家都把大地震的臨震前兆當作干擾或者雜訊來處理。無獨有偶，最近全世界的天文學家很可能又把大地震的臨震前兆當作引力波來處理！因此，全世界的科學家都認為大地震前不存在任何值得信賴的臨震前兆，從而他們在大地震的臨震預報方面一籌莫展和束手無策！

以上所述不一定正確，僅供全世界科學家參考！

同時作者主觀感覺, 全世界的科學家都在躲避對大地震的臨震預報的研究 ! 寧願去研究 13億光年遠處發出的引力波, 寧願去研究智能圍棋 ...... 而不敢碰大地震的臨震預報 !

感謝：日本的戴峰博士對本文提出了非常寶貴的意見，在此表示感謝！