引力波測量的相關問題的討論

引力波測量的相關問題的討論 （轉發）          

                  Gravitational Wave Detection related discussion

            關於引力波的幾個問題的進一步討論（2）  

                            都世民（Du Shimin）

                         一.什麼是引力波的直接測量？

1.美東時間2016年2月11日10點30分（北京時間23點30分），美國激光干涉引力波天文台（LIGO）執行主任大衛•瑞茲宣布：「女士們先生們，我們檢測了引力波。我們做到了！」科學家們尋找引力波的努力終於收穫成果。宣布已經探測到距離地球約13億光年的兩個大約30太陽質量的黑洞碰撞所發出的引力波。持續時間不到一秒鐘的事件(GW150914)。

此時，距離1916年，愛因斯坦預言引力波存在剛好一百年。瑞茲只是說檢測了引力波！沒有說直接測量了引力波。【1】相關論文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger為題，在Physical Review Letters上發表。論文作者包括清華大學LSC引力波研究團隊。

2.喬輝「在騰訊太空 」上,首先修改了這一關鍵詞，變成「直接測量」。

文【2】指出：到目前為止，人類還未實現引力波的直接測量，對引力波的直接測量不僅可以進一步驗證廣義相對論的正確性，而且將為人類展現出一幅全新的物質世界圖景，同時可以極大推動對宇宙誕生和時空本質的理解。

3.文【3】指出：激光干涉儀引力波探測器測量的是激光光束通過干涉儀兩個臂的光程差（或者距離差），該光程差是由引力波引起的時空變化所導致。因此，這種探測是引力波存在與否的直接探測。直接探測是最直接的驗證，間接探測只是旁證。

李永貴還指出：起始於1973年，由周培源教授提出，採用鋁棒共振天線方案，分別在北京中科院物理所13室（后划給高能所）和廣州中山大學物理系建立的廣義相對論與引力物理實驗室進行。

4.筆者認為周培源教授提出，採用鋁棒共振天線方案，是真正意義上的直接測量。是有遠見的。可是周教授的弟子們不理解，未見這方面工作的報道。

5.文【4】指出：英國物理學家麥克斯韋於1865年預言電磁波；愛因斯坦於1916年預言引力波。1887年，赫茲在實驗室里用一個簡單的高壓諧振電路第一次產生出電磁波，用一個簡單的線圈便能接受到電磁波；2016年，美國的LIGO第一次探測到引力波【4】，團隊的主要研究人員就有上千，大型設備雙臂長度4公里，造價高達11億美元。

電磁波從預言到探測，歷時23年；引力波從預言到探測，歷時100年。從上面的數據可見，引力波的探測比電磁波的產生或接受困難多了。其根本原因是由於兩者的強度相差非常大。

世界上存在著4種基本相互作用。其中的強相互作用和弱相互作用都是「短程力」，意味著它們只在微觀世界很短的範圍內起作用。4種相互作用中，引力是強度最弱的，它比電磁作用，至少要小10-35倍。

6.文[4]這段敘述,在史實上有些出入，關鍵問題在於：

1）對天線的發明缺乏了解，這包括理論分析和實驗研究兩方面；

2）對驗證麥克斯韋電磁理論的直接測量不理解，貶低了赫茲在科學史上的巨大貢獻。如果今天有人研製成引力波天線，並且在地球上找到或人造引力波源，向世人展示發射和接收引力波，並能重複，還會有質疑聲嗎！因此將LIG0的工作看成赫茲再現更是誤解，這種比喻很不恰當，缺乏世代背景，對天線學科的工作不了解，對測試技術理解也有一定偏見。

                   二. 激光干涉儀觀測引力波的難點和疑點

激光干涉法是測量微小距離變化的最佳手段之一，具有高的測量靈敏度，當引力波經過數km或更長臂長的干涉儀時，干涉儀的臂長發生微小的改變，從而引起干涉條紋變化。4對在真空中相距4km的40kg的玻璃鏡子的距離，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振動了十幾次。這樣微乎其微的振動，被打在這些鏡子上的100kw的激光，讀出引力波以光速傳播，如相隔幾千km的兩個激光干涉儀觀測站,均檢測到相關的干涉條紋變化，就能直接證明有引力穿過激光干涉儀，最終實現引力波測量。引力波攜帶能量使物體產生某種振蕩，檢測到這些振蕩，就能檢測到引力波。引力波會造成地面上各處相對距離的變動，但這些變動的數量級小於10^(-21），非常微弱。

                       

三.  激光干涉儀觀測引力波的難點：
1)在2009 年的觀測實驗中，實現100Hz頻率，距離變化探測靈敏度3X10^(-22）。探測靈敏度應優於10^(-24)[1]。目前人們的研究水平應該說僅僅到了剛好能夠探測到引力波的程度[5]。 文[5]的說法與LIG0有的參與者介紹有差異，文[8]:在2005年到達了設計靈敏度，可以測量在60Hz至10kHz的引力波，位移變的靈敏度達到10^-21。
2）需要突破高頻率和強度穩定的單頻相干激光源。這個激光源位於L形兩臂的相交處。
3）能抗環境干擾的穩定激光干涉臂。
4）空間超遠距離的高精度測距。
5）在地面激光干涉儀中，對測量精度的要求越來越高，已經慢慢接近了量子力學不確定關係所給出的標準量子極限(standard quantum limit)。要進一步提高測量精度，增加探測到引力波信號的可能性，我們必須要突破這個極限。[5]
6）一般精密製造的光學反射鏡，反射率最高達到99.8%;而用於引力波探測的光學反射鏡反射率可達99.995%[5] 。
宏觀物體量子力學,無論在理論上還是實驗上,都存在著很多尚待解決的問題，如何排除環境干擾，在實驗室展現一個宏觀鏡面的量子行為。[3]
7）最終目標是希望能找到一個可行的方案,來實現量子無損測量(quantum nondemolition detection)，這自然還有相當長的一段路要走。
陳雁北指出；
LIGO採用了高穩定性的大功率激光、高純度的玻璃、最先進的鍍膜技術、極低的機械損耗懸掛系統，並且在多個自由度的控制上，採用了數字控制系統。
李永貴強調了以下幾點：【3】
8)機械減震。引力波干涉儀必須達到10^(-24)的干涉儀臂長相對變化的測量精度。一個臂長4km的干涉儀,該精度意味著測量系統在探測的頻率上能夠分辨一億億分之一米量級（即1/10000000000000000000000m）的臂長變化。為了防止懸掛反射鏡受周圍震動的影響，要採用一系列的減震技術。
9)控制技術。為實現超高的激光干涉儀靈敏度，干涉儀的反射鏡有局部姿態控制環，全局定位控制環，光功率循環控制環，信號循環控制環，激光強度，頻率穩定控制環，模選器控制環，等近10個交叉反饋控制環。
10)大數據處理。干涉儀工作后，如何從採集到的大量數據找到，並判斷是引力波信號，需要海量的數據處理功能，它必然推動大數據處理方法，技術的發展。[3]
總的看來，這類檢測設備的難點主要是兩臂埠的反射面的材料、加工和控制等技術。涉及量子極限的難題。從技術指標上看，強調提高靈敏度，對抑制干擾是採用雷達的匹配濾波處理方式。
實際上這一測量技術在我國整體層面沒有太大困難，鏡面控制與衛星和導彈以及登月的機器人上面的反射面的材料、加工及控制技術，只要接軌研究，應該沒有什麼困難。但量子極限問題是個難題！在解引力波方程方法、計算、超級計算機、雷達降噪處理等方面也是有條件解決的。關鍵在於有沒有必要重複別國走的路，我國的創新體現在哪裡？！
                 
                         四.激光干涉儀觀測引力波的疑點：
激光干涉儀觀測引力波的疑點：
1）觀測方法及數據的取得具有偶然性，不可重複性。按有的參與者所言,是運氣好。這意味事件成功概率較低。
2）按參與者的詳細解讀看，這種測試包含多種未知、可變、相關因素。就愛因斯坦理論預言是有先決假設條件，這些條件與實際情況是否相符，需要驗證。
3)現在有關報道:引力波的源是大宇宙天體事件的產物，例如黑洞併合、X-射線雙星、雙中子星的碰撞。
想要研究雙黑洞的引力波，必須先計算出廣義相對論對雙黑洞碰撞的預言。物理學家通過「數值相對論」的方法，用大型計算機對愛因斯坦方程進行求解。也就是說，引力波輻射源是通過數學建模，求解愛因斯坦的引力波方程,逐步求解得到的。這裡面涉及數學模型、計算方法、參數給足的合理性驗證。如果這方面工作已進行多次，其可信度就高。
4)參與者介紹：
20世紀70年代，人們才開始認識到黑洞的很多性質，並且論證了愛因斯坦方程可以使用的初始條件，即時間演化的求解方法；90年代末，微擾論的計算才給出比較精確的雙黑洞引力波，到2005年以後，雙黑洞碰撞的模擬數值相對論才逐漸成熟。【10】
當霍金等物理學家把量子力學用在黑洞上時，驚奇地發現，黑洞也會通過所謂的」霍金輻射」蒸發。天文觀測中，科學家發現了一些疑似黑洞的物體。第一類物體的質量是太陽的幾倍到幾十倍，它們存在於X-射線雙星里，並且尺寸小於幾十km。第二類物體是存在於星系中心的超大質量黑洞，具有可以超過幾十、幾百萬倍的太陽質量，並且也有很小的尺寸。還有一類物體是中等質量的黑洞。它們可能產生於小質量黑洞併合，或者小黑洞吃掉很多恆星，或者是通過宇宙早期的大質量恆星塌縮而形成。這些天文學中的觀測現象從一個側面證明了黑洞的存在，但是目前還沒法很精確的測定黑洞附近的幾何結構。
5)當代科學家霍金早年曾公開否認黑洞的存在，如今他認為黑洞存在，而且提出新理論[6]。文[6]指出：經典黑洞理論認為，任何物質和輻射都不能逃離黑洞；而量子力學理論表明，落入黑洞的信息可以重新獲取，這個所謂的「信息悖論」已困擾科學界40年。現在，斯蒂芬·霍金等人提出了新解釋：落入黑洞的粒子的信息部分被位於視界線（黑洞邊界）的粒子組成的「柔軟毛髮」所「俘虜」，這些信息並沒有消失，但很難還原和破解。相關研究發表在arXiv上。
陳雁北指出：天體物理學家認為雙黑洞是應該存在的 ，並且有間接觀測證據，和建模的支持。二十年來，拍腦袋之餘，天體物理學家根據對雙星演化的數學建模，他們發現了一些高質量雙星可以最終變成雙黑洞的「演化路徑」。但是由於數學模型中有很多不確定的參數，他們由此估計出來的單位時間、單位體積中的雙黑洞併合率，是非常粗略的。[9]
6)有資料表明，人類一直在觀測太陽直徑和太陽輻射能量的變化，至今尚不能定論。如果這兩個問題可以精確測定，對引力波輻射能源的建模評估,可提高其可信度。
7）文[7]指出：引力波的發現讓愛因斯坦笑了，但這次他可能要轉笑為涕——英國劍橋大學2016-02-19日發布新聞公告稱，該校科研人員和倫敦大學瑪麗皇後學院的同行合作，使用超級電腦成功模擬了一種特殊的五維環形黑洞，這種黑洞可以無情地推翻廣義相對論背後的完美公式。他們模擬的環形黑洞就像一條珍珠項鏈，這種項鏈狀環形黑洞背後，暗藏著廣義相對論的剋星——裸奇點。所謂奇點，就是萬有引力極其強烈，以至於空間、時間和物理定律都失效的點。如果有的奇點並沒有視界線的包裹，也就是存在所謂的裸奇點。怎麼辦？那將意味著一種物體由於密度無限大而崩潰，這種狀態會顛覆現有的物理定律。因此通過觀測天體事件的引力波輻射源，是複雜因素的綜合體。現在下結論說黑洞已基本搞清楚了，為時還早不是嗎！
還有研究認為，自上個世紀80年代后，這個地球的地下一直有地下核試驗。這個問題尚難有效監測。這不是LIG0參與者用敲桌子和地面就能判定系統的可靠程度。
8) 文【8】指出：因為宏觀層面不同位置上,自由下落的參照系是不同的！如果我們考慮一個足夠大的空間站，就會發現空間站不同位置上的物體會有相對加速的現象，這就是所謂的潮汐加速度。而這個加速度，是對所有物體都適用的。愛因斯坦把這個歸結於時空幾何的彎曲。
                           THE EINSTEIN FIELD EQUATION
                            Gμ ν =8 π Tμ ν
愛因斯坦方程解的全局性質、以及物理學家所用的數值解法的收斂性問題，至今也還是數學研究的前沿問題。
愛因斯坦在1916年就預言了引力波的存在: 他發現自己的方程有一組解，和電磁波的性質類似，以光速傳播。但是他在文章里又說，因為這個引力波輻射的能量很少，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略。在很長一段時間內，物理學家搞不清這個解的物理意義，更沒想到這個波可以有什麼觀測上的價值。在1960年左右，引力波的物理意義開始明朗，物理學家認為，引力波可以被看成是引力相互作用的傳播，並且可以被看成是攜帶著引力能。這就說明，引力相互作用是以光速傳播的。
由此可見，有些媒體認為LIGO探測引力波事件是證明愛因斯坦的廣義相對論最後一塊拼圖的說法不確切。LIGO發言人也在強調愛因斯坦沒有認為引力波真實存在，而是他們確認的。
從引力波方程的遠區近似可以理解引力以波的方式傳播，但是引力波能穿透任何物質，不與這些物質發生相互作用。這種表述很難理解，不發生相互作用為前提，又怎麼產生拉伸和擠壓的時空彎曲，互相矛盾。目前對引力波測試機理和引力波本身屬性的論述存在矛盾，不能自圓其說。需要對引力波直接測量。給出引力波本身的參數：頻率、波長、傳播速度、傳輸損耗、源的輻射分佈四維圖形等。
9）LIGO在設計靈敏度時，從5億光年到14億光年計算中，假定引力波是光速傳播的，系統本身沒有傳播速度測量裝置，而探測中心頻率或波長也與傳播速度有關。雙黑洞的碰撞的概率的計算，何時開始輻射能量到什麼時間停止輻射能量，這個時間差沒有旁證。而黑洞併合時輻射能量變化也缺少旁證，沒有太陽輻射能量變化的測量。給出的0.5秒的波形沒有旁證，依賴於計算波形驗證難以置信！
10）文【12】指出： 如何確定LIGO發布的波形是「引力波波形「？
這種波形必然與，黑洞碰撞融合、各種基本粒子演變、轉化，它們靜止質量改變而產生的大量不同頻率的「光波」整合成為統一的「波形「。
這各種頻率經13億光年距離的紅移，對「波形「的 」改變」如何確定？
如何就能判定測到的「波形「和經處理后的「波形「，就是「引力波波形」？
根據報道所說，突然發現LIGO儀器探測到有0.5毫秒（ms）的一段波形，很像他們資料庫中「雙黑洞融合模型」計算出來的「引力波波形」，但是，沒說明它怎麼會是「引力波」，就宣稱：那是13億年前，兩個黑洞合併而產生的引力波。這需要說明也需要天文觀測或其它旁證。
而且，兩個黑洞合併，各種基本粒子可能的演變所產生的光子、暗物質的「黑子」、引力波的引力子相互作用，以及各頻率紅移對波形的影響，怎能從僅0. 5毫秒（ms）的一段波形就能判定？
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                                                                             LIGO提供的實測波形圖

LIGO的參與者一再強調提高靈敏度才捕捉到「引力波」，從未給出利用雷達技術中匹配濾波把雜波濾到什麼程度，從未談及信雜比這一關鍵指標，怎能不讓人懷疑LIGO發布的波形是雜波，不像是信號波形。0. 5毫秒（ms）前後時間段的波形又是什麼樣呢？
不說明這些問題，怎麼能肯定測得的就是：13億年前2個黑洞碰撞融合產生的「引力波」？
文【12】還指出：牽引運動的物體間，只要有力的作用，就有「時空彎曲」特性。
但是，並非只要有「時空彎曲」，就能產生靜止質量=0的粒子；就能有相應的波。
也不是所有的相互作用力矢量，都能產生靜止質量=0的粒子；都能有相應的波。
11)為什麼別國激光干涉儀沒有收到信號？
在美國的LIGO計劃開始實施之後，歐洲也開始進行引力波探測計劃。
目前，比較大型的探測器是由英國和德國合作，在德國Hannover附近建造了GEO 600探測器.由法國和義大利合作，在義大利Pisa附近的VIRGO探測器。GEO 600探測器的臂長是600米，而VIRGO的臂長是3000米。相比之下,VIRGO的造價和性能都遠高於GEO 600，而和LIGO相當。日本也開始建造大型的KaGRA引力波探測器。KaGRA項目終於在2008年立項。目前，這個探測器的建設已經基本完成，進入了調試階段。印度也開始加入了引力波探測的行列。開設一個LIGO-India的引力波觀測站。
GW150914發現引力波只是一個偶然。尚不明確VIRGO探測器為什麼收不到信號？
                         五.討論
1.目前探測引力波的輻射源都是離地球很遠的天體事件。不可能直接測量引力波輻射源。在地球上有沒有引力波輻射源？如果有這種源，其輻射強度即使比太陽「黑洞」併合弱得多，但距離也近得多，有無可比性？另外引力波源能否人造？加速質量形成引力波，這裡說的質量和加速度的最小值所需量值是多少？地球上能否實現？如果靈敏度按10^(-22).
香港參與者解讀時認為這次黑洞併合可類比4億億億億核彈同時爆炸所產生的輻射能量。其根據何在？照此說法，此能量到達地球觀測點是多少瓦？
2.引力波屬性的研究是關係到有無開發價值的問題。「科普中國」發表「引力波專家」方舟子的科普，文中指出：1)根據相對論，質量可以轉化成能量，這少掉的3個太陽質量就轉化成了能量。這個能量無比巨大，其功率比整個可觀察宇宙的所有恆星發出的所有的光的功率還要大50倍，它以引力波的形式輻射開去，經過了13億光年的距離，到達了地球，用一個能夠檢測到幅度變化不到質子大小的千分之一的極其精密的儀器，才被捕捉到了。2)引力波的推導要用到非常高深的數學.3)引力波是非常微弱的，是沒有應用價值的，4)太陽與地球這個系統發出的引力波的功率也就大約200瓦，不到一輛汽車功率的1%。5）引力波是向各個方向擴散開去的，方舟子這幾點論述有「創新」，就是不知道怎麼得到的？
3.方舟子上述觀點的根據何在？黑洞併合產生的能量是多少？考慮暗物質和各類星體的影響，到觀測點的功率是多少瓦？與太陽到地球發出的引力波200瓦相差多少？怎麼得到的？太陽與地球這個系統怎樣產生引力波？是質量加速移動嗎？加速度是多少？兩者併合了嗎？方舟子認為引力波是向各個方向擴散開去的，這意味輻射源是各向同性輻射嗎？你怎麼知道的？是理論還是實測？
另外方舟子認為引力波很微弱，沒有應用價值。為什麼各國都化很多錢研究呢？沒有應用價值就不必搞三個太空探測計劃：「天琴計劃」、「阿里實驗計劃」、「空間太極計劃」。方舟子你連發二篇大作談引力波還有什麼意義呢？！難道不是自相矛盾嗎！自認為「引力波專家」的方舟子需要回答自己提出的論點，然後再報「私仇」，再批中國民眾科學素質低下！不要自作聰明提出什麼「金標準」。
4.關於引力波的基本參數：頻率範圍。居然媒體報道的值相互矛盾。從低頻到中頻，再到高頻。LIG0測試頻率範圍是多少？我國有些名家發布言論應該慎重，不知道就不要說，說錯了影響不好。
1）文【2】指出：2009 年的觀測實驗中實現100Hz頻率，距離變化探測靈敏度3X10的負22次方。
2）文【12】指出：LIGO測量的是波長最短的。所以不同波長的引力波起源是不一樣的，產生相應引力波的天體是不一樣的。沒有說明LIG0測試的頻率範圍是多少。
3）文[8]:在2005年到達了設計靈敏度，可以測量在60Hz至10kHz的引力波，位移變的靈敏度達到10^-21。
4）陳雁北給出的頻率範圍：LIGO探測到的35-350Hz,全部落入LIGO的敏感頻帶。
5.在無線電頻率中，300Hz以下的超低頻、極低頻雖然因攜帶的信息量很少往往不被重視，但它對介質的巨大穿透力和在地球圈層間極遠的傳播能力卻是其他波段無法比擬的。早在20世紀中葉，地球物理學家發明了利用大氣中雷電等產生的天然超低頻和極低頻電磁信號來探測地質構造（MT法），其後又發明了人工產生超低頻和極低頻(CSAMT)等方法，進一步達到了人工控制信號頻率、強度、甚至輻射方向的目的，改善探測精度和發展了其他用途，例如利用超低頻、極低頻監視地下岩層 電參數的變化進行地震預測的研究；利用不同深度地殼電阻率的變化進行局部礦藏、油氣層和地下水的探查；在同樣時期內，由於軍事上對水下潛艇通信提出了更高要求，世界潛艇大國對超低頻、極低頻遠距離大深度的無線電水下通信進行了大量研究，也促進了對超低頻、極低頻和更低的頻率電磁波傳播研究的進展。最新的科學研究成果表明通過多方面的結合，一種新的多用途大功率人工源無線電磁法(WEM)可以使超低頻、極低頻的電磁波有效覆蓋半徑達數千km，探測深度可達數十km，具有同時向不同的區域為多用戶發送事先計劃好的電磁信號的能力，該方法將成為一種新的多學科、多用途科學研究手段，所有這些都需要對超低頻、極低頻和更低的頻率的發射和傳播特性有更深的研究和了解。【13】
從頻率範圍、傳播速度看，電磁波與引力波是相近的。電磁波是電子，引力波是引力子，黑洞是黑子，這三者有無關聯，電子、光子都屬於電磁波，已被捕捉到。從麥克斯韋發表電磁理論至今已150年，經歷了四個階段：發表電磁理論；預言電磁波存在和光是電磁波；驗證電磁理論，發明電磁波源和天線證明電磁波存在；電磁場量子化，捕捉電子和光子，電磁場轉化為光子場。[14]
可是愛因斯坦提出引力波概念和引力波方程已經完成100年，愛因斯坦本人對引力波真實存在是懷疑的。理論推導上有審稿人指出問題，物理概念上在上個世紀60年代才引起重視。LIGO認為他們驗證了引力波存在，但無人在地球上找到和發明引力波源、收發引力波天線，沒有實現引力波直接測量及其可重複性。如果有人找到引力子存在，也能直接驗證引力波存在。也就是說，引力波的工作只完成一步半，與電磁波比相差甚遠。
筆者在想：我國研究者能否在國家層面將超低頻、極低頻的無線電波和引力波研究接軌，這對於超高音速飛行器探測、地震波探測、地下礦藏、油氣層、地下水的探測結合起來，對核潛艇和水下機器人的水下通信研究等十分有利和必要的。
結語：引力波測量機理解釋有自相矛盾之處，視角單一，方法間接，數據偶然不能重複，未知因素頗多，涉及諸多學科，問題複雜，暫難定論。
引力波測量屬當代前沿課題，名家雲集，思路和方法正在轉變，視角由單一轉向多視角，取勝者不一定是權威，應是集各家之長，用複雜思維探索者。