試評LIGO引力波實(shí)驗(yàn)

黃志洵，姜榮

(1.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024；2.浙江傳媒學(xué)院，杭州310018)

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試評LIGO引力波實(shí)驗(yàn)

黃志洵1，姜榮2

(1.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024；2.浙江傳媒學(xué)院，杭州310018)

物理學(xué)的一些基本問題體現(xiàn)在對空間、時間、引力的看法上，由Newton建立的經(jīng)典力學(xué)(CM)作了清楚的闡述。1905年Einstein提出的狹義相對論(SR)當(dāng)中根本沒有對引力的思考，而在1908年Minkowski說“從今以后空間、時間都將消失，只有這二者的結(jié)合保持為獨(dú)立的實(shí)體”——他指的是spacetime概念，譯作“時空”或“空時”。這概念立即體現(xiàn)在1916年問世的廣義相對論(GR)中，并發(fā)展為引力波理論——質(zhì)量使時空彎曲，當(dāng)物體加速時它沿著彎曲時空(curved spacetime)以光速發(fā)出漣漪，即引力波。然而查遍計量學(xué)書籍文獻(xiàn)也找不到一個獨(dú)立的稱為“時空”(或“空時”)的物理量。spacetime概念要表達(dá)什么，是模糊不清的；時空一體化是整個理論體系的基礎(chǔ)，而這個“地基”令人懷疑。

2015年9月14日，美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)的2個檢測器同時收到一個瞬態(tài)信號；據(jù)此LIGO團(tuán)隊(duì)宣布說：“我們已從兩個黑洞的合并觀測到引力波，因?yàn)闄z測到的波形與廣義相對論的預(yù)測一致”。這不像是真正令人完全相信、十分放心的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方式，因?yàn)槟銦o法確認(rèn)它真的是由“引力波”造成的。雖然信噪比較高，但是它也可能來自別的原因。所用數(shù)值相對論(numerical relativity)方法并不很好，因它有許多誤差源和非線性影響。至少可以說，目前的“發(fā)現(xiàn)”離1887年Hertz發(fā)現(xiàn)電磁波的實(shí)驗(yàn)還有很大差距，有待查明是事實(shí)還只是一種跡象。

“引力速度”與“引力波速度”是不同的概念。很久以前許多著名科學(xué)家就知道引力傳播速度比光速大很多(vG?c)，他們普遍認(rèn)為引力如以有限速度(光速c)傳播，繞日運(yùn)動的行星由于扭矩作用將不穩(wěn)定。再者，說“引力波以光速傳播”，似乎它也是電磁波譜上的一員，這是荒唐的。引力理論和電磁理論一直互相獨(dú)立地、平行地發(fā)展；可以借鑒電磁學(xué)的成就和方法論，但憑什么把電磁波的速度(光速c)也拉過來安到引力波(假如存在)的頭上？可以判定，GR所謂引力波和引力子一樣，其存在性可疑，至少還需再作討論。

最后指出，引力場作用是唯一的不能充分與量子理論吻合一致的相互作用，而它是人類最先知道的物理作用。GR描述了這種作用，但它是非量子的，因而也是一種經(jīng)典理論。GR也可以稱為幾何動力學(xué)；然而GR建立在時空一體化和必定有彎曲時空的基礎(chǔ)上，令人疑慮。更何況，根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的某些新的物理現(xiàn)象，由此認(rèn)為需要尋找比GR更基本的理論。近年來國際上展開研究了“修正的Newton力學(xué)”，我們認(rèn)為是重要的動向。

引力波；廣義相對論；數(shù)值相對論方法；引力速度；引力波速度；修正的Newton力學(xué)

The SR proposed by Einstein in 1905 does not include the consideration of gravity，and Minkowski said in 1908 that “from now on，both the concepts of space and time will disappear and what only remains is the combination of the two as a single entity”——here he referred to the concept of spacetime.This concept of spacetime immediately made its presence into the GR published in 1916，which was then developed into a theory of gravitational waves—i.e.，matter causes curvature in spacetime，and when an object is accelerated，it radiates out ripples in the form of curved spacetime which is in turn called gravitational wave and which travels at the speed of light，Yet nowhere in any specialized books or literature on metrology can’t be found an independent physical quantity called spacetime(or timespace).It is not clear at all what the concept of spacetime to express.The unification of space and time is the theoretical foundation of GR，yet this foundation is very questionable.

On Sep.14，2015 at 09：50：45 UTC the two detectors of LIGO in the USA simultaneously observed a transient signal，then the LIGO scientific collaboration says “we observed gravitational waves from the merger of two stellar-mass black holes because the detected waveform matches the predications of general relativity(GR)”.But in our opinion，it seems not to be a reliable and trustworthy way of making a scientific discovery，since you cannot be absolutely certain that it is indeed caused by gravitational waves.Although the signal-to-noise ratio was relatively high，yet it may also be caused by other factors.The method of Numerical Relativity is not very good，since it has many error sources and the non-linear effects.At least it can be asserted that，the current discovery regarding gravitational wave，is still some distance away from the assurance brought about by what Hertz discovered by his electromagnetic wave experiments in 1887，and it certainly needs further work to determine whether what the LIGOs have found is a scientific truth or just a disturbance or distraction.

The “speed of gravity” and “speed of gravitational wave” are different concepts.Many years ago，several famous scientists were already known that the gravity propagation velocity much larger than the speed of light，i.e.vG?c.They remarks that if gravity propagated with finite velocity c，the motion of planets around the Sun would become unstable，due to a torque acting on the planets.Moreover，there is the question of the propagation speed of the so-called gravitational waves，and traveling at light speed c seems to suggest that they belong to the electromagnetic spectrum family，yet nothing is more absurd than this! Gravitational theory has been developed independent of，and parallel to，electromagnetic theory，and the former can certainly borrow ideas and methods from the latter，but how can it be that the so-called gravitational wave is simply assigned the speed c of electromagnetic waves(or light)？ It can be inferred that the existence of gravitational waves，just as that of gravitons，is very dubious，and at least it needs to be further studied.

Finally，the only interaction that has not been fully accommodated within quantum theory is the gravitational field，the oldest known interaction in history.Einstein’s General Relativity(GR) described this interaction，but it’s non-quantum or classical theory.The GR is also called geometrodynamics.Moreover，GR builded on the base of identity of space and time，and the base of curved spacetime，it doubts.Moreover，according to some new physical phenomena have been found，it is considered that a more fundamental theory than GR is needed to find.Recently，the Modified Newtonian Dynamics(MOND) are important in scientific research.

1　引言

1687年I.Newton[1]的名著《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》出版，該書不僅建立了經(jīng)典力學(xué)(CM)，而且提出了最早的引力概念和理論。1915年11月，A.Einstein一連向普魯士科學(xué)院提交了4篇論文，由此建立了廣義相對論(GR)，它是歷史上第2個具有很大重要性的引力理論。在GR的基礎(chǔ)上，Einstein[2]于1916年、1918年預(yù)言了引力波(gravitational waves)，并于1937年作了進(jìn)一步論述[3]。從20世紀(jì)后半期開始，引力波探測成為世界各國科學(xué)家們積極從事的活動[4]。1969年J.Weber[5]首次宣布探測到引力波，但隨即被科學(xué)界所否定。1974年，R.Hulse和J.Taylor用大型射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星PSR1913+16，歷時4年觀測發(fā)現(xiàn)其周期減少了750萬分之一，認(rèn)為是由于引力波輻射造成的；此發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是引力波存在的間接證據(jù)，被授予1993年Nobel物理獎[6]；但這離真正發(fā)現(xiàn)引力波還差得很遠(yuǎn)。真到幾年前一些歐美科學(xué)家還在抱怨說，發(fā)現(xiàn)引力波和找到引力子(gravitons)“是不可能完成的任務(wù)”。

2014年3月，美國一些物理學(xué)家召開新聞發(fā)布會，說Harvard大學(xué)BICEP小組已用實(shí)驗(yàn)證明引力波存在，大爆炸后的暴漲理論和多宇宙論也得到證實(shí)，可能獲Nobel獎[7]。暴漲理論的提出者、麻省理工學(xué)院(MIT)的Alan Guth參加了記者會，“可能獲Nobel獎”的話就是他說的。6月16日宋健院士給黃志洵轉(zhuǎn)來一份《Nature》雜志的復(fù)印頁，上面刊載了美國Princeton大學(xué)P.Steinhardt教授的短文[8]，說“大爆炸錯誤突出地釋放多宇宙泡沫。暴漲模式根本無法驗(yàn)證，因而沒有科學(xué)意義”。(Big bang blunder bursts the multiverse bubble：The inflationary paradigm is fundamentally untestable，and hence scientifically meaningless)。Steinhardt又說，BICEP2南極望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)的觀測結(jié)果由Princeton大學(xué)和Princeton高等研究院作了分析，結(jié)論是沒有來自引力波的任何貢獻(xiàn)，是暴漲理論的失敗?！?，當(dāng)年9月22日有報道說，歐洲航天局(ESA)認(rèn)為BICEP小組觀測到的扭曲圖像可用塵埃解釋；隨后BICEP團(tuán)隊(duì)承認(rèn)了錯誤。

2016年2月11日，美國科學(xué)基金會(NSF)和LIGO團(tuán)隊(duì)聯(lián)合召開記者會，宣布“已探測到引力波”，這一消息立即被媒體傳送到四面八方。回憶在1887年H.Heratz以實(shí)驗(yàn)證明Maxwell預(yù)言的電磁波存在，而自那時以來的130年中該發(fā)現(xiàn)給人類生活帶來了極大的影響。因此，如果真有引力波，而且被發(fā)現(xiàn)了，那當(dāng)然是一件大事。中國的理論物理學(xué)家李淼認(rèn)為，這個發(fā)現(xiàn)“僅是人類探測引力波的開端”，因?yàn)檫@只是多種可能波源之一，而且處在銀河系外。對他的話我們的理解為，引力波是否普遍存在(一如電磁波那樣)還是一個待研究的問題。

2　LIGO原始論文的主要內(nèi)容

LIGO是Laser Interference Gravitational-waves Observatory(激光干涉引力波天文臺)的簡稱，是美國加州理工學(xué)院(California Institute of Technology)的科學(xué)合作機(jī)構(gòu)(scienfic collaboration)。由它出面(很多人署名)的論文“Observation of gravitational waves from a binary black hole merger”，發(fā)表在《Phys.Rev.Lett.》雜志2016年2月12日出版的那一期上[9]，而在美京華盛頓(Washington)的記者會是在雜志出版前一天召開的。論文主體內(nèi)容有10頁，作者名單有3頁，參與的科學(xué)單位列表有3頁；可見此文之特殊隆重。這實(shí)際上是擺出了Nobel級論文(Nobel award’s thesis)的架勢。記者會之后的媒體宣傳可謂鋪天蓋地?！热绱?，人們會有興趣聽取各種各樣的意見及評論。

文獻(xiàn)[9]在“結(jié)論”中則說：“美國LIGO探測器已經(jīng)從兩個黑洞的合并中觀測到了引力波。這一觀測的波形符合廣義相對論對一對黑洞的旋進(jìn)和合并以及所形成單一黑洞的預(yù)測。這些觀察結(jié)果表明了雙恒星質(zhì)量黑洞系統(tǒng)的存在。這是首次直接觀察到引力波與雙黑洞融合。”

可見，根本點(diǎn)是2015年9月14日晚上收到的那個瞬態(tài)信號(observed a transient signal)，是兩個探測器“同時收到”的。在這里我們指出，說這是引力波信號(a gravitational-wave signal)欠妥；實(shí)際上只能說“收到了信號”，產(chǎn)生信號的原因待查。另外，兩個探測器也不是同時(simultaneously)收到，而是有7.1ms時差?？傊?，綜合“引言”及“結(jié)論”所述，LIGO是說他們的成果是：①首次探測到引力波；②首次觀測到兩個黑洞的碰撞與合并；③廣義相對論(GR)的預(yù)言被證實(shí)，表示GR理論完成了“最后一塊拼圖”。

在正文中，作者首先回顧說：1916年Einstein在提出GR場方程后，預(yù)言了引力波的存在。他發(fā)現(xiàn)線性化的弱場方程有波解，是以光速傳播的橫波，而這一橫波由質(zhì)量四極矩的時間變量所產(chǎn)生(A.Einstein & K S.itzungsber，Preuss.Akad Wiss.，1916，Vol.1，688；1918，Vol.1，154)。然而，直到1957年Chapel Hill會議前，關(guān)于引力波的存在一直都有著巨大的爭議(P.Saulson，GR gravit.，2011，Vol.43，3289)。2005～2006年間出現(xiàn)了數(shù)值相對論(numerical relativity)方法，使發(fā)現(xiàn)兩黑洞融合模型和引力波波形的準(zhǔn)確預(yù)測成為可能。而通過電磁觀察并未能識別出許多可能存在的黑洞，黑洞的融合在早期也沒有被觀察到。1975年發(fā)現(xiàn)雙脈沖星系統(tǒng)PSR B1913+16(R.Hulse & J.Taylor，Astrophys.J，1975，Vol.195，L 51)，觀測到的能量損失表明引力波存在。自20世紀(jì)70年代起至今，激光干涉探測技術(shù)得到發(fā)展和改進(jìn)，而LIGO實(shí)際上是最靈敏的。

圖1　LIGO于2015年9月14日收到的信號　

圖2　升級后的LIGO探測器　

現(xiàn)在讀者可以細(xì)看這兩個圖。在圖1中，第一行是原始接收，第二行中包含了與數(shù)值相對論比較。各圖橫坐標(biāo)均為0.25～0.45s。在圖2中，左上小圖為2個探測器在美國地圖上的位置，右上小圖為探測器噪聲；圖2的原理與著名的Michelson干涉儀有相似之處，其中符號的意義：1 測試質(zhì)量，2 激光源，3 功率處理，4 信號處理，5 光檢測器，6 100kw環(huán)行功率。

LIGO論文繼續(xù)說，從2015年9月12日到10月20日對兩個LIGO探測器的觀測作16天分析。這是一個來自升級版LIGO到2016年1月12日為止的首次觀測期間數(shù)據(jù)的子集。GWl50914通過兩個不同類型的搜索充滿自信地被探測。一個從致密天體的聚合恢復(fù)信號，通過GR所預(yù)言的波形采用新型的匹配濾波器。另一個通過關(guān)于波形的最小假設(shè)搜索范圍廣泛的瞬態(tài)信號目標(biāo)。搜索中使用獨(dú)立算法，使用不同的、不相關(guān)的探測器噪聲作為響應(yīng)。通過兩種搜索方法雙黑洞合并的強(qiáng)信號預(yù)計被探測到了。

3　幾點(diǎn)質(zhì)疑

目前公布的LIGO“引力波發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)”，它并非依靠切實(shí)的天文觀測和物理學(xué)探測技術(shù)所得結(jié)果；而是根據(jù)收到的一個信號，按照數(shù)值計算與Einstein理論作比對，從而推理說在13億年前某個星系發(fā)生了雙黑洞的碰撞與合并，產(chǎn)生的引力波信號被當(dāng)今的地球人收到了。這是不可靠的推論，因不能保證不是其他原因所引起該信號，違反基本的因果判斷原則：有多種原因都可能造成同一結(jié)果，那么為什么只挑選其中的一個原因？科學(xué)家在搜集事實(shí)、讀取數(shù)據(jù)時容易把尚未判明的事件當(dāng)作自己追尋的東西。至少可以肯定，目前的“發(fā)現(xiàn)”離當(dāng)年1887年Hertz的電磁波實(shí)驗(yàn)還有很大差距，有待查明它是事實(shí)還是一種跡象。

數(shù)值相對論(NR)方法是用數(shù)值計算和擬合來模擬Einstein引力場方程所表現(xiàn)的物理過程。這個方法始于上世紀(jì)60年代，在本世紀(jì)初再次趨于活躍。梅曉春[10]曾描述說：“程序崩潰的夢魘一直困擾著數(shù)值相對論。兩個黑洞放在那里，別說要它們并合，就是讓它們走兩步，程序都會崩潰。后來研究者才發(fā)現(xiàn)，原來Einstein場方程存在大量非物理的形式解，這些解往往會導(dǎo)致指數(shù)增長，最終程序崩潰。于是程序在每次碰到這些非物理解時，就先殺掉它們，然后再順著物理解走。雖然程序最后還是會崩潰，不過黑洞終于可以走上10個Schwarzschild半徑了，但離走完一圈依然顯得遙遙無期。在GR中時間和空間是一個整體，特別是在強(qiáng)引力場下，時空更顯得紊亂。怎么去尋找信號的時空演化？數(shù)值相對論的專家使用3+1的方法，把時空分割成3維空間切片和1維時間。數(shù)值相對論的目的是算引力波波形，但規(guī)范選擇存在4個自由度，如何知道這確實(shí)是物理的變化引起？是一個難題。”

當(dāng)用NR計算黑洞時，由于它的方程更多，變量更多，變量的耦合也更多。除了存在大量非物理解會導(dǎo)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布，坐標(biāo)系會不斷被黑洞吞噬?！谝陨戏N種，梅曉春認(rèn)為：“數(shù)值相對論存在太多的隨意性。為了讓計算機(jī)避開奇點(diǎn)能夠運(yùn)行，程序設(shè)計者不得不添加大量限制條件，對演算過程作太多的人為干預(yù)。為了計算海量的波形庫，全球幾十個研究機(jī)構(gòu)不知有多少臺計算機(jī)日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。方程的非線性可能產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng)，一個小小的初始邊界條件的改變會被不斷地放大，從而導(dǎo)致巨大的誤差，”現(xiàn)在既然LIGO實(shí)驗(yàn)用NR計算雙黑洞合并過程，就有可能得到引力波能量相互矛盾的結(jié)果。對于非線性過程，由于蝴蝶效應(yīng)無法避免，NR的有效性值得懷疑?？傊琇IGO通過計算機(jī)的大量計算，建立一個具有海量信息的波形庫。LIGO干涉儀獲得應(yīng)變數(shù)據(jù)后，會與這個波形庫中的各種波形進(jìn)行對比，找到和干涉數(shù)據(jù)最匹配的波形。所謂的“13億光年遠(yuǎn)處兩個黑洞的合并”只是計算機(jī)的模擬結(jié)果，可能不是真實(shí)的物理事件。

總的來說，我們認(rèn)為LIGO僅從收到的一個信號，得出了過多的結(jié)論(而且都是重大的結(jié)論)。實(shí)際上來自宇宙的信號可能有多種原因，為確定其來源天文學(xué)家有時需要較長時間(例如數(shù)年)；這種例子在科學(xué)史上很多，必須要考慮到。

4　基礎(chǔ)理論層面的思考

物理學(xué)的一些基本問題體現(xiàn)在對空間、時間、引力的看法上，由Newton建立的經(jīng)典力學(xué)(CM)作了清楚的闡述[1]。其實(shí)Newton認(rèn)為空間、時間是無需定義的。為了消除誤解，作了如下說明：“絕對空間的自身特性與一切外在事物無關(guān)，處處均勻，永不移動。相對空間是一些可以在絕對空間中運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，或是對絕對空間的量度……絕對空間與相對空間在形狀與大小上相同，但在數(shù)值上并不總是相同……。處所是空間的一小部分，為物體占據(jù)著，它可以是絕對的或相對的，隨空間的性質(zhì)而定……。與時間間隔的順序不可互易一樣，空間部分的次序也不可互易……。所有事物置于時間中以列出順序，置于空間中以排出位置?！?/p>

這些說明非常易懂和明晰，百年后(1787年)受到大哲學(xué)家I.Kant的支持。而且，并不像有些人常說的那樣(“Newton只承認(rèn)絕對空間和絕對時間”)。另外，Newton論述的是物理空間而非數(shù)學(xué)空間。數(shù)學(xué)中，無論Euclid幾何空間，或者非Euclid幾何空間，這些只是數(shù)學(xué)上的概念和方法。

此外，Newton對時間作如下說明：“絕對的、真實(shí)的和數(shù)學(xué)的時間由其特性決定，自身均勻地流逝，與一切外在事物無關(guān)。相對的、表象的和普通的時間是可感知和外在的對運(yùn)動之延續(xù)的量度，它常被用以代替真實(shí)的時間；如l小時、1天、1個月、1年”。

Newton對空間、時間的說明，要言不繁，今天來看也十分重要。但長期以來Newton的時空觀被貶低，似乎不值一提。今天，為數(shù)不少的專家學(xué)者堅持以下觀點(diǎn)，筆者以為是正確的——“空間是連續(xù)的、無限的、三維的、各向同性的；時間是物質(zhì)運(yùn)動的持續(xù)和順序的標(biāo)志，時間是連續(xù)的、永恒的、單向的、均勻流逝無始無終的?？臻g、時間都不依賴于人們的意識而存在；而且，空間是空間，時間是時間；它們都是描述物質(zhì)世界的基本量”。

不僅如此，眾所周知Newton在引力理論方面有偉大的貢獻(xiàn)。Newton最早認(rèn)識到維系行星運(yùn)動的力和地面上使物體改變運(yùn)動速度的力在本質(zhì)上相同，從而構(gòu)筑了一個完整的力學(xué)體系。他提出的萬有引力定律(Newtonian inverse square law)成為基本的引力計算公式，300年來沒有哪個理論在精度上可以與之相比[11]；是人類認(rèn)識史上的飛躍。

相對論力學(xué)的誕生顛復(fù)了對空間、時間、引力的看法。它由狹義相對論(SR)和廣義相對論(GR)組成，兩者都提倡和依靠由Minkowski建議、被Einstein采納的時空一體化，他們稱之為時空概念的4維性(four dimensionality)，也叫4維矢量(4D vector)。1908年Minkowski曾說：“從今以后空間、時間都將消失，只有二者的結(jié)合能保持獨(dú)立的實(shí)體”。這種古怪的觀點(diǎn)立即被Einstein接受和使用，1922年Einstein[12]說，在四維時空連續(xù)統(tǒng)(4D spacetime continuum)中表述自然定律會更令人滿意，相對論在方法上的巨大進(jìn)步正是建立在這一基礎(chǔ)上?！贕R理論中，時、空成為一個統(tǒng)一的連續(xù)域，共同構(gòu)成4維Riemann幾何空間。Riemann空間是可彎曲空間；Einstein是假定物理空間有這種性質(zhì)，才奠定了他的引力理論的基礎(chǔ)。所以GR的空間彎曲來自數(shù)學(xué)(微分幾何)，其自身似不具有物理實(shí)在性。當(dāng)引力存在時，該Riemann空間的曲率不為零，就說“時空彎曲了”；如果沒有引力，曲率張量為零，就說“時空是平直的”?；谶@些原因，C.Kiefer[13]在其著作《Quantum Gravity》中把GR稱為“幾何動力學(xué)”(Geometrodynamics)。因此，可以認(rèn)為GR的引力觀是幾何化的引力理論。令人困惑的是，在GR中找不到一個可以計算引力的公式；不知在需要引力數(shù)據(jù)時怎么辦？！

Einstein要人們注意引力場方程的物理表現(xiàn)——考慮物質(zhì)在Riemann空間中的運(yùn)動，把物質(zhì)能量、空間曲率引入到同一個方程，造成有引力場的地方就是彎曲時空。因此我們可以說，任何人接受GR理論的一個重要標(biāo)志是接受彎曲時空(curved spacetime)。Einstein的引力波概念可歸結(jié)為：質(zhì)量使時空彎曲，當(dāng)物體加速時它沿著彎曲時空以光速發(fā)出漣漪，即引力波；物體質(zhì)量越大引力波越大。

由此可見，一切都建筑在時空一體化的基礎(chǔ)上——GR理論、引力、引力波，甚至還有所謂蟲洞(wormholes)，這些都依靠可彎曲時空而存在。但我們曾經(jīng)指出[14]，查遍計量學(xué)書籍文獻(xiàn)，你也找不到一個獨(dú)立的稱為“時空”(或“空時”)的物理量。時間的量綱是s(秒)，空間的量綱是m3(m是米)，故“時空”(“空時”)的量綱是sm3或m3s，這既不獨(dú)立又無自身固有的物理意義。計量學(xué)建筑在“可測量性”的基礎(chǔ)上，而sm3(或m3s)不滿足這一要求。因而，“時空”(或“空時”)要表達(dá)什么，是模糊不清的，故在科學(xué)上無意義(scientifically meaningless)。計量學(xué)文獻(xiàn)不作陳述是很自然的。我們認(rèn)為space time只是一種分析中采用的概念，而非物理實(shí)在。既如此，引力波的存在性就是可疑的了！

把時間、空間混為一談，這本身已頗為離奇；然后，GR找不到一個計算引力的公式；但許多人卻還一再說GR引力理論比Newton引力理論“高明”——這是難于讓人接受的。為了說明這并非個別人的困惑，看看Bekenstein在不久前表達(dá)的觀點(diǎn)。Jacob Bekenstein是以色列希伯來大學(xué)(Hebrew University)教授，著名的理論物理學(xué)家。他的突出貢獻(xiàn)一是證明黑洞有熵，二是建立了熵與能量的關(guān)系(稱為Bekenstein limit)。2013年在英國科學(xué)雜志《New Scientist》網(wǎng)站的采訪提問下，Bekenstein[15]總結(jié)說：雖然大多數(shù)太陽系的和整個天文學(xué)的現(xiàn)象仍用Newton引力理論計算，GR卻已嵌入了當(dāng)代社會。然而在大尺度上(這時引力較弱) GR從未被測試過，而且有些科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)、暗能量會使GR失敗。因而在上世紀(jì)80年代就出現(xiàn)了“修正的Newton動力學(xué)”(Modified Newton Dynamics，MOND)，它已取得了進(jìn)展。事實(shí)上沒有一個理論是盡善盡美的，對世界的認(rèn)識尚無清晰的答案；他認(rèn)為今后還是要依靠量子理論。

這個例子可以說明，GR的正確性如何仍可討論，需要接受進(jìn)一步的檢驗(yàn)。這種思維方式，與把GR當(dāng)作“絕對真理”的人們是不同的。而且，這位重量級物理學(xué)家把注意力轉(zhuǎn)向MOND，這一事實(shí)也值得深思。

5　關(guān)于“引力速度”和“引力波速度”

通常人們會把引力速度(speed of gravity)與引力波速度(speed of gravitational waves)混為一談。這是不對的，因前者指引力作用的傳播速度，后者是引力波(如果存在)的固有波速。對于持“沒有引力波”觀點(diǎn)的學(xué)者(包括筆者)，后一問題根本不存在；但前者仍是需要計算和測量的問題。換言之，在1916—1918年間Einstein提出引力波理論之前，沒有人考慮“引力波波速”問題，但卻早就有人思考和討論“引力作用傳播速度”問題。

我們建議在符號上加以區(qū)分，即用vG表示引力作用速度，vg表示引力波(假如存在)的傳播速度。有意思的是，Newton認(rèn)為vG為無限大 (超距作用)，而Einstein實(shí)際上認(rèn)為vG=c和vg=c。為什么會如此？1905年Einstein[16]建立了SR，這個理論規(guī)定光速c是不可能超過的上限。既如此，只有把vG、vg都定為c了；但這卻使他陷入了一種理論困境，因?yàn)槌ＷR告訴我們引力作用即使不是即時的(vG=∞)，也不會是光速——這個速度太慢了，不可能是引力作用的速度！例如1988年T.Flandern[17]指出，對太陽(S)—地球(E)體系而言，如果太陽產(chǎn)生的引力是以光速向外傳播，那么當(dāng)引力走過日地間距而到達(dá)地球時，后者已前移了與8.3min相應(yīng)的距離。這樣一來，太陽對地球的吸引同地球?qū)μ柕奈筒辉谕粭l直線上了。這些錯行力(misaligned forces)的效應(yīng)是使得繞太陽運(yùn)行的星體軌道半徑增大，在1200年內(nèi)地球?qū)μ柕木嚯x將加倍。但在實(shí)際上，地球軌道是穩(wěn)定的；故可判斷“引力傳播速度遠(yuǎn)大于光速”。另外，2013年R.Sangro[18]指出，如引力以有限速度c傳播，將有扭矩作用于行星，則繞太陽運(yùn)行的行星將變得不穩(wěn)定(If gravity propagated with finite velocity c，the motion of the planets around the sun would become unstable，due to a torque acting on the planets)。

因此很明顯，引力速度如為光速c就太“慢”了，因而是不可能的。對Newton 1687年發(fā)表的萬有引力理論而言，光速是一個太小的數(shù)值。Newton的著作沒有正面討論引力傳播速度，但他認(rèn)為引力作用是即時發(fā)生的，即引力速度移vG=∞，后人稱為超距作用。他知道太陽的光線到達(dá)地球要好幾分鐘；但太陽引力作用于地球，這個過程絕不會花費(fèi)幾分鐘的時間。對Newton而言，支配天體運(yùn)行的引力，和太陽等光源發(fā)出的光，兩者屬于不同的體系，沒有必然的聯(lián)系。因而，Newton絕不會認(rèn)為“引力傳播速度就是光的傳播速度”。

表1　引力速度數(shù)據(jù)

我們在表1中給出自Newton以來的若干引力速度數(shù)據(jù)；其中唯一的測量值是2003年報道的——當(dāng)木星經(jīng)過它前面一個遙遠(yuǎn)的天體時，通過觀測射電波輕微的彎曲，Kopeikin和Fomalont確信引力傳播的速度與光速相等，他們說這個發(fā)現(xiàn)的誤差在20%以內(nèi)[22]。這一測量是2002年9月8日使用美國的長基線陣列射電望遠(yuǎn)鏡和一臺德國的射電望遠(yuǎn)鏡共同進(jìn)行的。但這一成果未得到科學(xué)界認(rèn)可；例如著名物理學(xué)家C.Will[24]在1月9日撰文反駁，他指出，類星體的射電信號經(jīng)過木星附近區(qū)域時，射電波速度會有些變化，可是射電信號對引力速度是不靈敏的；所以，S.Kopeikin等的觀測結(jié)果不代表測量出引力速度?！趦芍苤畠?nèi)名刊《Nature》和《Science》都報告說，科學(xué)家們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)的解釋有致命缺陷。K.Nordtvedt說：“實(shí)驗(yàn)很精采，但與引力速度無關(guān)”。還有人認(rèn)為Kopeikin等觀測的是引力場中的射電波速度，而不是引力的速度。

現(xiàn)在考慮“引力波速度”(vg)；Einstein從維護(hù)相對論出發(fā)，必然要求vG=vg=c；他說“引力波以光速傳播”，似乎它也是電磁波譜上的一員，這也是我們不能同意的。引力理論和電磁理論一直互相獨(dú)立地、平行地發(fā)展；可以借鑒電磁學(xué)的成就和方法論，但憑什么把電磁波的速度(光速c)也拉過來安到引力波(假如存在)的頭上？在基本粒子家族中，通常分為3大類——強(qiáng)子、輕子、傳播子；而傳播子中又包含：傳遞弱核力的中間Bose子、傳遞核強(qiáng)力的膠子、傳播電磁力的光子 (photon)。按GR理論的說法，傳遞引力 (其實(shí)GR中并無這種力)的是引力子 (graviton)。然而，經(jīng)過長期尋找也不見引力子的蹤影?！@僅是事情的一個方面；如GR所謂“引力波”(假定存在)的傳播速度是光速，那么引力子將以光速飛行，幾乎等同于光子——這種論述牽強(qiáng)附會，是可笑的。其實(shí)，眾多研究者早已指出“引力傳播速度遠(yuǎn)大于光速”(但不是無限大)，這樣講法所指也不是GR所謂“引力波”。可以判定，引力波和引力子一樣，其存在性可疑，至少還需再作討論。

因此我們的結(jié)論是，迄今為止人類尚未真正測出過引力傳播速度。至于引力波，即使存在也需要拿出其波速的測量數(shù)據(jù)來。這些都是艱難的任務(wù)，要有新的開始。

6　討論

人們普遍認(rèn)為GR是現(xiàn)代宇宙學(xué)的動力學(xué)基礎(chǔ)，因?yàn)樵S多事情要通過求解Einstein引力場方程來解決。但很多人似乎不清楚，在這個著名理論的周圍有許多隱含的矛盾。1980年中國科學(xué)院的3位專家陸啟鏗、鄒振隆、郭漢英[25]指出，GR對局部引力現(xiàn)象的描述是將SR局域化的結(jié)果，但現(xiàn)代宇宙學(xué)卻在對稱性和運(yùn)動群上否定了作為GR前提的SR。這是因?yàn)橛写罅坑^測資料支持的，現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為，觀測宇宙作為一個演化整體其度規(guī)應(yīng)為Robertson-Walker度規(guī)，只有描述空間均勻性和各向同性的6個參數(shù)的運(yùn)動群?！瓘牧硪环矫婵?，大尺度時空根本不遵循Minkowski幾何，而代之以RW幾何；因而把Minkowski時空局域化的作法就成問題。這實(shí)際上威脅到包含SR和GR的整個相對論體系。1971年N.Rosen甚至認(rèn)為現(xiàn)代宇宙學(xué)要求回到絕對空間觀念，因而提出了另一種引力理論來表達(dá)他的理念(見：Phys Rev，1971，Vol.D3，2317)。

因此，關(guān)于時間、空間、引力和整個宇宙的具有完全邏輯一致性的理論，還在摸索、探究的過程中。引力效應(yīng)是宇宙動力學(xué)的根本，人們不斷追求新的引力理論是可以理解的。眾所周知，從SR過渡到GR的過程，對引力現(xiàn)象的描述是建立在Minkowski時空局域化的幾何，同時給出引力場方程。GR告訴人們說，spacetime一旦偏離平直就出現(xiàn)了引力，慣性運(yùn)動就失去意義。但也可以認(rèn)為只有spacetime偏離常曲率才出現(xiàn)引力，而為了描述引力現(xiàn)象需要建立以deSitter群為規(guī)范群的引力理論；如此等等。

除此之外，筆者認(rèn)為還要考慮GR與量子力學(xué)(QM)的關(guān)系。QM作為現(xiàn)代物理學(xué)的支柱，從Dirac方程開始，擴(kuò)充成量子場論的各種形式，可以成功地解釋其他三種作用在微觀尺度的基本力，包括電磁力、原子核的強(qiáng)力與弱力的量子行為；其中僅剩下引力的量子性尚未能用量子力學(xué)來描述。GR與QM呈現(xiàn)出突出的矛盾，是物質(zhì)的量子化描述和時空的幾何化描述之間不具有相容性，包括理論發(fā)展，及細(xì)微的邏輯上的拉鋸戰(zhàn)。作為一個例子，物理學(xué)家早就熟悉了進(jìn)行量子化計算的方法，它成功地處理過從氫原子到亞原子粒子等各種物質(zhì)。但對GR作量子化計算卻失敗了——情況非?？尚?，到處都是無限大；而數(shù)學(xué)上作補(bǔ)救的技巧也都失效了。也就是說，相對論和量子力學(xué)無法協(xié)調(diào)。對GR而言，引力本身是時空體系的一部分，與其他作用力不同，因而在構(gòu)筑引力的量子理論時甚至不能隨意使用時間、空間的概念。問題在于GR已不把引力看成真實(shí)的相互作用，而當(dāng)作4維時空彎曲的表現(xiàn)。這種對引力的本質(zhì)的認(rèn)識已是數(shù)學(xué)的，而不再是物理的。雖然主流物理學(xué)界至今仍把GR尊崇為最正確、最好的引力理論，這個非常復(fù)雜的理論卻不能簡明地告訴我們什么是引力。

引力與量子體系無法協(xié)調(diào)的原因在于GR和量子理論用完全不同的方式來理解和解釋自然——GR用時空曲面，量子理論用能級、躍遷和波函數(shù)。曾經(jīng)有人主張仿照電磁學(xué)中的方法：光子交換呈現(xiàn)為電磁力，故引力子交換呈現(xiàn)為引力。這觀點(diǎn)其實(shí)仍視引力為一種基本的物理作用力，并不為相對論學(xué)者所接受。上世紀(jì)60年代末，曾模仿波動力學(xué)的Schr?dinger方程而提出了Wheeler-de Witt方程；這個偏微方程曾被視為量子引力方程，并在1986～1988年開始求出它的解。但是，方程和初步求解的物理意義一直模糊不清。Wheeler-de Witt方程可簡寫為WDW，在1969年提出，由美國物理學(xué)家J.Wheeler和B.de Witt二人的名字命名。它的推導(dǎo)既有GR、又有Klein-Gordon方程的影響，其中的ψ被稱為宇宙波函數(shù)。自1986年以來求解取得了進(jìn)展，但沒人知道解的含義。可以肯定，解不具有唯一性；必須先挑選初始(或邊界)條件，據(jù)此再挑選特解，得到一個宇宙波函數(shù)。這方面的工作只是證明了只有在幾千個Planck長度以上才是經(jīng)典時空…… 有人認(rèn)為，完整的解不再是近似解而是全解：可以用來研究從早期宇宙到當(dāng)今實(shí)驗(yàn)室中的現(xiàn)象。中國學(xué)者也在研究[見：自然雜志，1997，19(1)：57；1998，20(3)，181]。從下述方程出發(fā)：

式中R為標(biāo)量曲率，gij為度規(guī)張量；此外

G=det(3)g

分析認(rèn)為，方程的非局域性直接體現(xiàn)在“無形性”和“相關(guān)性”上，并對量子宇宙論帶來問題。使用Born-Infeld非線性標(biāo)量場，證明對Wheeler-de witt方程作處理后能得到非奇性的解。

不過，總的來說把GR與量子理論結(jié)合的工作遠(yuǎn)未成功，一些科學(xué)家在不得不“選邊站”時，是站到了量子理論這一邊。超弦(super-string)曾經(jīng)帶來希望，后經(jīng)長期研究，現(xiàn)已不再提起?！ψ拥拇嬖谛砸恢弊尶茖W(xué)家頭痛不已。在《New Sientist》雜志(2006-04-28出版)上M.Joan著文說：“捕獲引力子是不可能完成的任務(wù)”。

2007年，宋健[27]在為譚暑生著作所寫的“序言”中說：“現(xiàn)代科學(xué)經(jīng)歷尚短，已積累的知識還遠(yuǎn)不完備，已有的理論常似急就章，多帶有相對性、局限性和時代特征。大自然有如不盡長河，湍流肇逝，一代人不可能瞥蹴而達(dá)絕對真理的彼岸?！荒苷f前人研究過的問題，無論曾經(jīng)取得過多么輝煌的成就，下一代人就不許更動。每代人都有繼承和發(fā)展科學(xué)的責(zé)任和權(quán)利。歷史已經(jīng)證明，后人總會做得更好，超過前人?！?……他的這些話至今仍給我們很大的啟迪。現(xiàn)在中國科學(xué)家還在提出新的時空理論[27，28]，為這些話提供了佐證。

7　結(jié)束語

本文對最近公布的“LIGO引力波實(shí)驗(yàn)”作了簡單的評述，提出了不同的看法。我們認(rèn)為在缺乏真正的天文觀測和物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的情況下，僅憑收到的一個信號及數(shù)值相對論方法作計算擬合，即宣布獲得了一系列重大發(fā)現(xiàn)，是欠妥的。本文也對相對論作為一個邏輯系統(tǒng)所呈現(xiàn)的弱點(diǎn)作了批評，這些意見僅供學(xué)術(shù)界參考。

2016年3月1日英國廣播公司(BBC)網(wǎng)站報道了歐洲航天局(ESA)正在建設(shè)激光干涉儀太空天線(Laser Interference Space Antenna，LISA)的消息。一位項(xiàng)目科學(xué)家說：“多少年來人們告訴我們(有時是嘲笑地)說，引力波根本不存在，或者根本找不到?，F(xiàn)在找到了，以后要加大步伐”?！@就提出了一個問題，某個大型研究項(xiàng)目的成功，是項(xiàng)目組說了算，還是要經(jīng)過世界的科學(xué)共同體作檢查、評議、復(fù)核后，這個“找到了”才能算數(shù)？

作為有良知的中國科學(xué)工作者，我們一貫反對某些科學(xué)家誘導(dǎo)政府領(lǐng)導(dǎo)人撥巨款上“大項(xiàng)目”，尤其反對跟在西方人后頭亦步亦趨；主張“建設(shè)具有中國特色的基礎(chǔ)科學(xué)”[29]。而且，我們旁證博引地說明，創(chuàng)新成果的有無和多少并不與金錢投入成正比，這種例子比比皆是。對于尋找暗能量、暗物質(zhì)、引力波，過去和現(xiàn)在我們都不支持。不久前中國發(fā)射了“暗物質(zhì)探測衛(wèi)星”，項(xiàng)目首席科學(xué)家卻說“沒有人能保證一定能找到暗物質(zhì)”：對于上億美元的項(xiàng)目，說法如此隨便，豈不令人反感。2015年國內(nèi)有著名物理學(xué)家致函筆者說：“歐美科學(xué)家為了搞到科研經(jīng)費(fèi)以利生存和研究，總在忽悠好大喜功的政治家及缺少科學(xué)素養(yǎng)的大眾，而不顧地球上還有那么多貧困地區(qū)及人口?！庇终f：“尋找暗物質(zhì)，這也是守株待兔(X)的科研項(xiàng)目；連X是什么都是猜測的，怎么找？”……不僅如此，在中國據(jù)說某些以十億、百億美元計的項(xiàng)目己在進(jìn)行(做準(zhǔn)備工作)。發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)需要政府投入資金，這并不錯；但對納稅人的錢該怎么花法？在中國和歐美國家，都是身為科學(xué)家的人們要慎重對待的。對中國人來講，要走自己的路，不能總是“用別人的昨天裝扮自己的明天；謹(jǐn)以此信念與廣大科學(xué)工作者共勉。

致謝：楊新鐵教授和曹廣軍教授曾給予支持和幫助，謹(jǐn)致謝意！

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(責(zé)任編輯：龍學(xué)鋒)

Comment on the Gravitational Wave Experiment of LIGO

HUANG Zhi-xun1，JIANG Rong2

(1.Communication University of China，Beijing 100024，P.R.China；2.Zhejiang University of Media and Communication，Hangzhou 310018，P.R.China)

In fundamental physics，it is a well established fact that the classical mechanics(CM) foundedby Newton has clearly formulated the definitions of such fundamental concepts as space，time，and gravity.

gravitational waves；general relativity；method of numerical relativity；speed of gravity；speed of gravitational waves；modified Newton dynamics

2016-03-04

黃志洵(1936-)，男(漢族)，北京市人；中國傳媒大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所客座研究員。

E-mail：huangzhixun75@163.com

O403.2

A

1673-4793(2016)03-0001-11