對目前熱門的「引力波解釋學」的三點質疑

（2015——2016宇宙學哲學手稿）第一點質疑：LIGO的探測器直接地探測到引力波。

   北京時間2月11日美國國家自然科學基金會攜加州理工、麻省理工和LIGO科學合作組織（LSC）的科學家向全世界宣布，LIGO（激光干涉引力波觀測站）首次直接探測到了引力波，相關的論文——「合併雙黑洞系統引力波輻射的觀測」發表在2016年2月11日一期的《物理評論通訊》上。根據LIGO科學家發布的信息和論文來看，2015年9月14日，LIGO的兩個引力波探測器同時探測到一個短暫的引力波信號，相對強度為1.0 ×10-21 ，頻率覆蓋35到250赫茲。科學家以愛因斯坦廣義相對論為基礎開發了物理模型，根據模型的推斷，信號來自於雙黑洞系統的合併，這個雙黑洞系統距離地球大約為410兆秒差距，也就是大約13億光年。這是人類第一次探測到引力波，也是第一次探測到雙黑洞系的合併。科學家用激光干涉儀首次探測到引力波，探測器由兩條互相垂直的長臂組成，長臂的兩端掛有兩面高反射率的鏡子，激光束打入儀器的長臂之後，在鏡子之間來回反射，科學家由此對光程差引起的微小變化進行檢測。對引力波的檢測需要極其高的技術條件：比如：隔離真空、隔離振動等，隔離振動包括外部環境致使的振動和內部設備引起的振動。

   根據LIGO使用的激光干涉儀技術手段來看，似乎還不能認定LIGO團隊的科學家直接地探測到引力波，應該屬於間接地探測到引力波的信號。引力波攜帶能量，可被探測到 ，但引力波的強度很弱，物質對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為困難，曾有科學家宣稱在實驗室探測到引力波，但未得到公認。天文學家通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力波的存在 ，例如：雙星體系公轉、中子星自轉、超新星爆發，黑洞的碰撞和捕獲物質等事件，都能輻射較強的引力波。幾乎所有的天文學家和物理學家都完全相信引力波的存在，只是此前我們不能直接探測到它們。在人類能夠感知的尺度下，引力是一個很弱的相互作用，只有靠天文中大質量星體的運動，才能產生相對強的引力波。引力波對地面上的物體產生的影響是微乎其微的，這次探測到的引力波，振幅為10-21，在LIGO距離4公里的鏡子中，其相對的距離只是變化了10-18米左右，是原子核尺度的一千分之一，如此微弱的距離變化，人類在以前根本沒法測量，LIGO探測器處於精密測量科學的最前沿。什麼才能證明科學家直接地探測到了引力波昵？我們可以提出一種觀點，即：赫茲發現電磁波才是一種真正意義上的直接驗證，如果科學家在量子物理學的基礎上驗證了「時空纖維」的存在和它們的波動現象，作為公民科學者的我們才能真正相信引力波被徹底地直接驗證了，否則，無論如何「直接」，還是一種間接的手段，激光臂長度值的微小變化畢竟不是「時空纖維」的微小變動，而且，某種宇宙爆炸事件引發的「衝擊波」似乎也能產生激光臂長度的「應變」，所以，LIGO團隊宣稱的「直接驗證」可能還需要更多的直接驗證。

　　
第二點質疑：黑洞在引力輻射中丟失了物質。

   根據LIGO團隊科學家的解釋，兩個黑洞的質量分別大約是36個太陽質量和29個太陽質量，其中引力波輻射損失的質量大約為3個太陽質量，這個發現表明存在太陽質量級別的雙黑洞系。根據科學家對「引力波物理學」的解釋，它與電磁波天文學有非常相像的地方，電磁波天文學主要以電磁波的觀測為手段，而引力波天文學通過測量引力波來研究各類天體及宇宙現象，在二十世紀中葉逐漸興起。引力輻射和電磁輻射相比，作用強度要相對弱了很多，所以在直接觀測上有著巨大的挑戰。在引力波理論中，物質運動或者物質質量發生變化都會激發引力輻射。從數學上來講，可以把任何物質或物質系統的質量分佈以質量多極矩的形式表示出來，引力波是由於質量多極矩隨時間變化時輻射的，物質的質量單極矩是它的質量，根據能量守恆定律，它是一個常數，不隨時間變化，因此不會有類似的引力輻射產生。

   在兩個黑洞相互接近繞轉的過程中，根據廣義相對論的數學物理模型，這是一個隨時間變化的四極矩，因此會不斷朝外輻射引力波，而引力波的輻射會把兩個黑洞之間的引力勢能降低，所以兩個黑洞的距離會變小。隨著兩個黑洞的距離變小，它們之間相互繞轉的頻率會變得更快，最終兩個黑洞碰撞併合在一起，這一過程會放出大量的引力波能量，因此，引力輻射是由物體運動或質量分佈發生變化時產生的。作為公民科學者的我們並不懷疑黑洞的引力輻射原理和損失的質量，只是需要科學家詳細地解釋黑洞質量損失的原理，因為，黑洞中的物質通常達不到逃逸的速度，甚至光子也無法逃脫黑洞強引力的作用，所以，黑洞中的物質究竟是怎樣通過引力輻射的方式從黑洞中逃逸出去的，甚至一點點的能量輻射到達了我們的地球，我們需要加州理工和麻省理工、中科院和中科大等科研機構和高校的物理學家和天文學家給出更詳細的解釋。本作者認為引力波發現所帶來的最大物理學課題之一可能就是如何解釋黑洞中的物質為什麼發生了「勝利大逃亡」的景觀？如何解釋「黑洞物理學」的這一矛盾？這難道不是一個諾貝爾物理學獎的課題？

第三點質疑：沒有引力，只有引力波。

   根據廣義相對論的推論可知，高速運動的物體和宇宙中大質量的天體碰撞都會產生極強的引力波， 這些引力波傳到地球上時會變得微乎其微，因此，需要極高靈敏度的引力波觀測站來探測引力波。引力波是什麼？根據多數科學媒體的解釋，引力波就像時空結構中的漣漪，如果把空間想象成一塊巨大的橡膠膜，有質量的物體就會讓橡膠膜彎曲，就像我們站在蹦床上時引起床墊變形一樣。質量越大，空間被彎曲得越厲害，比如：地球圍繞太陽轉動的原因就是因為太陽質量非常大，導致太陽周圍的時空出現巨大變形，如果地球在巨大的變形周圍以直線運動，其實是在沿著一個圓周運動，沒有實際的力拉著地球運轉。我們需要指出的是，以上的解釋似乎不是在解釋引力波，而是在解釋引力是如何產生的，我們以為引力波和引力的概念還是有一定的區別。

   根據物理學家的解釋，只要有質量的物體加速運動，改變了空間形狀，引力波就產生了，可以將引力波想象成湖面上的漣漪。當高密度、大質量的物體在宇宙中運動時——比如：黑洞或者中子星，它們會在時空的墊子上泛起漣漪，這些波紋攜帶著大質量物體的引力輻射，在廣闊的宇宙中傳播。激光干涉儀引力波觀測站就是為了捕捉這種微弱的波動。天文學家可以通過觀測雙星軌道參數的變化間接地證明引力波的存在，螺旋形靠近的中子雙星系由於質量高、加速度高，因此在合併時會發射出強大的引力波，引力波是以波動形式傳播的引力場。按照廣義相對論的解釋，引力是時空彎曲所產生的一種性質，質量可以導致這種彎曲，當物體在時空中運動時，附近的曲率就會隨之改變，大質量物體運動時所產生的曲率變化會以光速像波一樣向外傳播，這一傳播現象就是引力波。作為公民科學者的我們沒有懷疑高速運動的、大質量的物體產生了更強的引力波，只是需要對引力波傳播引力的觀點提出質疑，從引力的空間幾何解釋來看，引力只是空間彎曲的一種性質，沒有「力的作用」的引力，引力波不是引力傳播的載體，引力波只是一種時空結構的波動。沒有引力的直接作用，也就意味著牛頓的萬有引力定律只是一種「虛幻」的物理描述，萬有引力常數可以用時空曲率一類的數學概念來代替。第三點質疑與其說是一種質疑，不如說是一種對牛頓萬有引力定律「戀戀不捨」的懷舊心情。

   引力波的發現給各路科技界的「武林高手」和各類公民科學家的「武林盟友」提供了「一顯身手」的舞台，他們或者「集體亮相」、或者「悉數出動」，除了我們熟悉的人物，比如：霍金和格林以外，還有許多我們以前不熟悉的人物，比如：華人科學家陳雁北和溫琳清。「引力波」成了媒體最熱門的辭彙，引力波的發現在科學界引發的效應之一就是誕生了多少有些哲學意味的「引力波解釋學」。本作者提出的「三點質疑」也屬於「引力波解釋學」，其中的第三點質疑不是針對引力波的發現，而是對引力波傳播了引力的「經典解釋」提出了質疑。引力波傳播了時空的「擾動」，而不是傳播了引力，在愛因斯坦的廣義相對論中，牛頓的引力概念是多餘的，於是，我們可以對一種十分流行的地球和太陽之間「引力互動」的解釋提出質疑，這種解釋認為，如果太陽突然消失了，由於引力波的光速傳播，我們的地球會「原地待命」，8分鐘之後才「不宜不舍」地飛離太陽系。我們的一種「解釋學」的觀點是：引力波需要8分鐘的時間從太陽傳播到地球，但是，太陽質量對時空的彎曲應該會「即刻」解除，如果太陽突然消失了，我們的地球應該即刻飛離太陽系。通過太陽和地球「引力互動」的這種「思想實驗」，我們可以提出的問題是：物體質量對時空的彎曲不需要時間，不需要引力波的傳遞，或者物體質量對時空的彎曲需要時間，需要引力波的傳遞，流行的解釋顯然支持了后一種觀點。


作者：鄧如山（yywgs@163.com)
時間：2016-3-9