LIGO實(shí)驗(yàn)采用邁克遜干涉儀不可能探測(cè)到引力波——引力波存在時(shí)光的波長(zhǎng)和速度同時(shí)改變導(dǎo)致LIGO實(shí)驗(yàn)的致命錯(cuò)誤

梅曉春，黃志洵，Policarpo Ulianov，俞平

(1.福州原創(chuàng)物理研究所，福州； 2.中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京；3.Equalix Tecnologia LTDA，Brazil；4.Cognitech Calculation Technology Institute，USA)

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LIGO實(shí)驗(yàn)采用邁克遜干涉儀不可能探測(cè)到引力波
——引力波存在時(shí)光的波長(zhǎng)和速度同時(shí)改變導(dǎo)致LIGO實(shí)驗(yàn)的致命錯(cuò)誤

梅曉春1，黃志洵2，Policarpo Ulianov3，俞平4

(1.福州原創(chuàng)物理研究所，福州； 2.中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京；3.Equalix Tecnologia LTDA，Brazil；4.Cognitech Calculation Technology Institute，USA)

本文嚴(yán)格證明，LIGO實(shí)驗(yàn)的計(jì)算忽略了兩個(gè)重要因素，導(dǎo)致致命的錯(cuò)誤。一是忽略了引力波對(duì)光的波長(zhǎng)的影響，二是沒有考慮到引力波存在時(shí)光速不是常數(shù)。按照廣義相對(duì)論，引力波對(duì)空間距離產(chǎn)生影響的同時(shí)，也會(huì)對(duì)光的波長(zhǎng)的影響。同時(shí)考慮著兩個(gè)因素，邁克遜干涉儀上激光的相位是不變的。此外按照廣義相對(duì)論，引力波存在時(shí)，時(shí)空度規(guī)的空間部分發(fā)生改變，但時(shí)間部分卻是平直的。由此導(dǎo)致引力波存在時(shí)光速不是常數(shù)，用時(shí)間差計(jì)算干涉圖像變化的方法失效。因此LIGO實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理是錯(cuò)的，采用邁克遜激光干涉儀不可能觀察到引力波。由于光速不是常數(shù)，LIGO實(shí)驗(yàn)中所有關(guān)于信號(hào)匹配的計(jì)算都將改變，就談不上引力波的探測(cè)了。事實(shí)上，邁克遜當(dāng)年也是采用邁克遜干涉儀，試圖發(fā)現(xiàn)地球絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。然而邁克遜實(shí)驗(yàn)得到的是零結(jié)果，由此導(dǎo)致狹義相對(duì)論的誕生。LIGO實(shí)驗(yàn)的基本原理與邁克遜實(shí)驗(yàn)的基本原理是一樣的，在實(shí)驗(yàn)過程中光波的相位都是不變的。用邁克遜干涉儀做實(shí)驗(yàn)只能得到零結(jié)果，由此注定LIGO實(shí)驗(yàn)不可能發(fā)現(xiàn)引力波的。

引力波；LIGO實(shí)驗(yàn)；廣義相對(duì)論；邁克遜干涉儀

1 前言

LIGO(美國激光干涉引力波天文臺(tái))采用邁克遜激光干涉儀，聲稱在四個(gè)月內(nèi)探測(cè)到兩次引力波爆發(fā)事件GW150914和GW151226[1][2]，以及一次疑似引力波爆發(fā)事件LVT151012[2]。本文證明采用邁克爾遜干涉儀不可能探測(cè)到引力波，LIGO實(shí)驗(yàn)的基本原理存在原則性的錯(cuò)誤，所謂發(fā)現(xiàn)兩個(gè)黑洞合并，導(dǎo)致引力波爆發(fā)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不可信的。

LIGO實(shí)驗(yàn)原理是，按照廣義相對(duì)論，引力波會(huì)引起空間伸縮，導(dǎo)致邁克爾遜干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差改變。沿兩臂傳播的激光匯合后就會(huì)產(chǎn)生相位差，引起干涉條紋變化，從而觀察到引力波。實(shí)際計(jì)算可以采用兩種方法，一種是計(jì)算干涉儀上兩光到達(dá)干涉屏?xí)r的位相差，另外一種是計(jì)算兩光到達(dá)干涉屏?xí)r的時(shí)間差。在LIGO的實(shí)驗(yàn)中，兩種方法計(jì)算都被使用，證明引力波會(huì)引起干涉圖像改變。但這種計(jì)算方法的前提是，光的傳播速度是一個(gè)常數(shù)。

眾所周知，光波的相位不但與傳播距離有關(guān)，還與波長(zhǎng)有關(guān)?？臻g伸縮也會(huì)引起波長(zhǎng)發(fā)生改變，從而影響光波的相位。本文指出，LIGO實(shí)驗(yàn)的計(jì)算忽略了引力波對(duì)光的波長(zhǎng)的影響。如果同時(shí)考慮引力波對(duì)空間距離和波長(zhǎng)的影響，邁克爾遜干涉儀上傳播的激光的相位是不變的，因此LIGO實(shí)驗(yàn)是不可能觀察到引力波的。

另一方面，LIGO實(shí)驗(yàn)計(jì)算中始終將光的速度視為常數(shù)。本文嚴(yán)格按照廣義相對(duì)論證明，在引力波存在的情況下，光的運(yùn)動(dòng)速度不是常數(shù)。如果沿邁克爾遜干涉儀的一條臂的速度小于真空光速，沿另外一條臂的速度大于真空光速?？紤]到引力波存在的情況下光速不是常數(shù)，光沿邁克爾遜干涉儀兩臂運(yùn)動(dòng)就不存在時(shí)間差。因此用第二種方法計(jì)算，采用邁克爾遜干涉儀，LIGO仍然無法探測(cè)到引力波。

本文最后簡(jiǎn)述了LIGO實(shí)驗(yàn)存在的其他原則問題，結(jié)論是LIGO實(shí)驗(yàn)并沒有探測(cè)到所謂的兩個(gè)黑洞合并爆發(fā)引力波的事件，發(fā)現(xiàn)的所謂引力波信號(hào)只可能是某種偶然原因產(chǎn)生的噪音。

2 LIGO實(shí)驗(yàn)中邁克遜干涉儀激光相位不變的證明

按照廣義相對(duì)論，在弱場(chǎng)條件下，引力場(chǎng)的度規(guī)張量寫為：

gμν(x)=ημν+hην(x)

(1)

其中ημν是平直時(shí)空度規(guī)，hμν(x)是一個(gè)小量。代入愛因斯坦引力場(chǎng)方程，可以證明引力波輻射是四極矩模式。在空間范圍不大的情況下，計(jì)算可得hην(x)=hην(t)。當(dāng)引力波沿x軸傳播時(shí)強(qiáng)度為h11(t)，沿y軸傳播時(shí)強(qiáng)度為h22(t)，同時(shí)可以證明二者存在關(guān)系h11(t)=-h22(t)[3]。因此引力波存在時(shí)，引力場(chǎng)的時(shí)空度規(guī)是：

ds2=c2dt2-[1+h11(t)]dx2-[1+h22(t)]dy2

(2)

可見引力波存在時(shí)引力場(chǎng)時(shí)空度規(guī)的時(shí)間部分是平直的，空間部分彎曲。

圖1 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)原理

另一方面，按照廣義相對(duì)論，光在引力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)四維弧元為零，即ds2=0。設(shè)引力波在z軸方向傳播，當(dāng)光x分別沿x軸方向和y軸方向傳播時(shí)，就有[4]：

ds2=c2dt2-[1+h11(t)]dx2=0

ds2=c2dt2-[1+h22(t)]dy2=0

(3)

(4)

(5)

LIGO實(shí)驗(yàn)用邁克遜激光干涉儀測(cè)量引力波，邁克遜干涉儀的其本工作基本原理如圖1所示。光從光源發(fā)出，經(jīng)過發(fā)光鏡分成兩路，光線1穿過分光鏡后到達(dá)反射鏡，然后折回并被反射到。光線2直接被反射到后折回，與來自的光線疊加，在E處產(chǎn)生干涉條紋，觀察者在E處觀察。

我們先討論最簡(jiǎn)單的情況。設(shè)干涉儀一條臂的長(zhǎng)度等于L0，令h11(t)=h=常數(shù)，光沿一條臂來回運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間是t2-t1=2τ，將(4)和(5)式對(duì)這個(gè)時(shí)間區(qū)間積分，得：

x=2L0(1-h/2)

y=2L0(1+h/2)

(6)

其中L0=cτ。沿兩條臂運(yùn)動(dòng)的光的路程差為ΔL=y-x=2L0h。設(shè)激光的振幅是：

Ex=E0cos(ωt-kx)

Ey=E0cos(ωt-ky)

(7)

其中k=2π/λ，ω=2πν，νλ=c。按照普通光學(xué)的計(jì)算，兩光振幅疊加后平方，得到光強(qiáng)為：

(8)

相位差是：

(9)

如果沒有引力波，y=x=2L0，則Δδ=0。如果有引力波通過，按照現(xiàn)有理論，兩光在匯合后的相位差是：

(10)

因此引力波會(huì)使激光干涉儀的條紋產(chǎn)生變化，通過觀察干涉條紋的變化，就可以探測(cè)到引力波。

然而以上計(jì)算是有問題的。首先，嚴(yán)格按照廣義相對(duì)論，公式(1)和(2)只使用于真空中兩個(gè)自由粒子之間的距離。LIGO激光干涉儀固定在鋼管中，鋼管固定在地球表面上。激光儀的兩個(gè)玻璃用纖維材料懸掛在干涉儀支架上。整個(gè)系統(tǒng)受電磁相互作用的支配，而電磁相互作用比引力信號(hào)作用強(qiáng)1040倍！因此引力波根本不可能克服電磁相互作用，使鋼管的長(zhǎng)度發(fā)生變化，或者克服纖維材料的應(yīng)變力，使兩個(gè)鏡子之間的距離發(fā)生變化。是LIGO實(shí)驗(yàn)的致命傷，是無可救藥的。這個(gè)問題在文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)討論，就不重復(fù)。

本文要討論的重點(diǎn)是，以上計(jì)算沒有考慮到引力波對(duì)激光波長(zhǎng)的影響。如果引力波能使空間距離產(chǎn)生改變，同樣也會(huì)使激光的波長(zhǎng)產(chǎn)生改變，而且二者是同步的。因此引力波存在時(shí)，按照(6)式，沿x軸和y軸運(yùn)動(dòng)的波長(zhǎng)就變成：

λx=λ(1-h/2)，

λy=λ(1+h/2)

(11)

兩光在匯合后，相位差是：

(12)

因此激光干涉條紋仍然不變，也就是說用邁克遜干涉儀是無法探測(cè)到引力波的。

如果h11(t)≠常數(shù)，可以將引力波寫成以下形式：

h11(t)=h0sin(ωgt+θ0)

(13)

其中ωg是引力波的振動(dòng)頻率，代入(5)和(6)式積分后得：

=L0(1-A/2)

(14)

=L0(1+A/2)

(15)

其中：

(16)

結(jié)果與(6)式一樣，只不過用A代替h。

在LIGO實(shí)驗(yàn)中，引力波的頻率是ν=30～300Hz，波長(zhǎng)λ=c/ν=106～107米。LIGO激光干涉儀的臂長(zhǎng)L0=4×103米。因此λ>>L0，在引力波通過LIGO干涉儀的空間范圍內(nèi)，引力的波長(zhǎng)是固定的，仍然可以近似地用(11)式表示(用A代替h)。因此即使用(13)式描述引力波，LIGO實(shí)驗(yàn)仍然無法探測(cè)到引力波。

3 引力波存在時(shí)光速不是常數(shù)

從(2)式可知，引力波存在時(shí)，時(shí)空度規(guī)的時(shí)間部分是平直的，空間部分彎曲。從(4)和(5)式可以得出一個(gè)結(jié)論，即引力波存在時(shí)光速不是常數(shù)，我們有：

(17)

文獻(xiàn)[7]還指出，“對(duì)于高斯光束等，光的時(shí)空間隔不為零。而在激光引力波探測(cè)裝置中存在的通常是高斯光束。那么這種光是否存在于彎曲時(shí)空中嗎？”按照更嚴(yán)格的計(jì)算，引力波存在時(shí)，高斯光束的傳播速度是[7]：

(18)

事實(shí)上，LIGO也承認(rèn)引力波會(huì)對(duì)光的波長(zhǎng)產(chǎn)生影響。但他們認(rèn)為這不會(huì)改變激光的干涉圖樣，原因是干涉儀的臂長(zhǎng)與光的波長(zhǎng)之間存在差別(這個(gè)理由莫名其妙，物理意義不明確)。在LIGO官方網(wǎng)站(https：//www.ligo.caltech.edu/page/faq)的FAQ欄目中(frequently asked questions)，我們可以看到以下的文字：“A gravitational wave does stretch and squeeze the wavelength of the light in the arms.But the interference pattern doesn't come about because of the difference between the length of the arm and the wavelength of the light.”

按照LIGO的解釋，引力波存在時(shí)光速仍然不變，但干涉儀的臂的長(zhǎng)度發(fā)生改變，使兩光的波峰和波谷到達(dá)觀察屏的時(shí)間是不同的，由此引起激光干涉圖樣的改變?！癐nstead it's caused by the different arrival time of the light wave's "crests and troughs" from one arm with the arrival time of the light that traveled in the other arm.To get how this works，it is also important to know that gravitational waves do not change the speed of light.”在這段話中，LIGO團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)引力波不改變光速，這是LIGO實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。然而由于引力力波存在時(shí)，光的速度不是常數(shù)，因此LIGO的實(shí)驗(yàn)解釋就不成立。

引力場(chǎng)中的光速是否是常數(shù)，這是一個(gè)很多人實(shí)際上沒有弄清楚的問題。測(cè)量速度需要先定義單位尺和單位鐘。按照廣義相對(duì)論，引力場(chǎng)使時(shí)空彎曲，我們有兩種方式來定義單位尺和單位鐘，即所謂的坐標(biāo)尺和坐標(biāo)鐘，以及標(biāo)準(zhǔn)尺和標(biāo)準(zhǔn)鐘。坐標(biāo)尺和坐標(biāo)鐘是固定在引力場(chǎng)中每一點(diǎn)上的尺和鐘，它們隨引力場(chǎng)的強(qiáng)度而變。標(biāo)準(zhǔn)尺和標(biāo)準(zhǔn)鐘是引力場(chǎng)中某點(diǎn)上局域參考系中定義的尺和鐘，或者是在引力場(chǎng)中自由降落參考系上定義的尺和鐘。在這個(gè)參考系上，引力的作用被消除，因此標(biāo)準(zhǔn)尺和標(biāo)準(zhǔn)鐘是不變的。

廣義相對(duì)論中已證明，如果引力場(chǎng)的度規(guī)張量是非時(shí)軸正交的，即g0i≠0，不論尺與鐘采用什么定義，引力場(chǎng)中的光速都不等于真空光速。如果引力場(chǎng)度規(guī)張量是時(shí)軸正交的，即g0i=0，采用坐標(biāo)尺和坐標(biāo)鐘，光速就不等于真空光速。如果采用標(biāo)準(zhǔn)尺和標(biāo)準(zhǔn)鐘，或者處于自由降落的基本慣性系，引力場(chǎng)中的光速等于真空光速[3]。

在LIGO實(shí)驗(yàn)中，觀察者靜止在引力波引起的引力場(chǎng)中，而不是處于引力場(chǎng)中自由降落的局部慣性系中，采用的是坐標(biāo)尺和坐標(biāo)鐘。按照(2)式g0i=0，因此LIGO實(shí)驗(yàn)中光速就不等于真空光速。事實(shí)上按照(2)式，度規(guī)的時(shí)間部分是平直的，空間部分彎曲。按照速度的定義Vx=dx/dt，光速就不可能是常數(shù)。按照這種方式，一般引力場(chǎng)中的光速都是低于真空光速的，比如在施瓦西球?qū)ΨQ引力場(chǎng)和宇宙學(xué)的羅伯遜-沃特度規(guī)引力場(chǎng)中的光速。然而引力波存在時(shí)的光速可能超真空光速，這是非常不一般的，物理學(xué)家至今沒有注意到這個(gè)問題。

4 LIGO實(shí)驗(yàn)無法用時(shí)間差計(jì)算干涉圖像的改變

在經(jīng)典光學(xué)中，光沿兩條路徑傳播的時(shí)間差也可以用來計(jì)算干涉條紋的改變。但這種計(jì)算有一個(gè)前提，即光的速度是一個(gè)常數(shù)。LIGO實(shí)驗(yàn)也用時(shí)間差來計(jì)算干涉圖像的改變[7]。然而引力波存在時(shí)光的速度不是常數(shù)，用時(shí)間差來計(jì)算干涉條紋也是不可能的。雖然干涉儀的臂長(zhǎng)發(fā)生改變，但光的傳播速度也同步發(fā)生改變，以至于光波到達(dá)的時(shí)間不變。

我們還可以更嚴(yán)格地討論這個(gè)問題，證明引力波存在時(shí)光的波長(zhǎng)改變，但頻率卻是不變，因此相位也是不變的。設(shè)光的頻率ω=2πν=2πc/λ，如果引力波存在時(shí)光速不變但波長(zhǎng)λ改變，則ω也要發(fā)生改變。在這種情況下，(7)式就變成：

Ex=E0cos(ωxt-kxx)

Ey=E0cos(ωyt-kyy)

(19)

兩光疊加后就不能寫成(8)式的形式，結(jié)果變得非常復(fù)雜。

如果引力波存在時(shí)光的速度不是常數(shù)，同時(shí)考慮(6)和(11)式，可得：

(20)

因此光的頻率仍然是一個(gè)不變量，兩個(gè)光的疊加仍然可以寫成(8)式的形式。

可見引力波存在時(shí)，把光看成在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，光的頻率不變，但速度和波長(zhǎng)都要變，才能達(dá)到邏輯的一致性。事實(shí)上，(20)式在現(xiàn)有物理學(xué)中是有根據(jù)的。按照經(jīng)典物理學(xué)，在靜止的介質(zhì)中波的傳播速度要改變，但頻率是不變的[8]。 因此波長(zhǎng)要改變，但光波的相位是不變的。

事實(shí)上從(7)式可知，光的相位由ωt和kx兩部分組成。由于距離和波長(zhǎng)同步改變，與空間有光的相位kx=2πx/λ是不變量。由于ω=2πν=2π/T，T是光的周期，與時(shí)間t是同步發(fā)生變化的。我們總有ω′=2πν′=2πt′/T′=2πt/T=ω，由于引力波對(duì)時(shí)間t實(shí)際上不產(chǎn)生影響，因此LIGO實(shí)驗(yàn)中激光與時(shí)間有關(guān)的相位ωt也是不變的。

5 第三種計(jì)算方法存在的問題

LIGO實(shí)驗(yàn)還有一種更復(fù)雜的計(jì)算方法，通過考慮引力場(chǎng)與電磁場(chǎng)的相互作用，即所謂的在彎曲時(shí)空中求電磁場(chǎng)方程解，來計(jì)算LIGO實(shí)驗(yàn)中激光的相位改變[9]。在這個(gè)計(jì)算中，干涉儀的兩條臂位于x軸和y軸。引力波不存在時(shí)，沿x軸傳播的光的電場(chǎng)在y軸方向振動(dòng)(電磁波是橫波)：

(21)

(22)

h11=-h22=-Acos(kgz-ωgt)

(23)

當(dāng)引力波存在時(shí)，電磁場(chǎng)張量變成：

(24)

(25)

(26)

(27)

從而確定引力波引起的光相位移動(dòng)δφ=δφx-δφy。然而仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，這種計(jì)算方法存在許多問題，舉例如下：

(1)該計(jì)算仍然假設(shè)引力場(chǎng)存在時(shí)光速不變，如前文所述，這是不可能的。本文關(guān)于用邁克爾遜干涉儀無法探測(cè)引力波的證明，就是基于光速不是常數(shù)這個(gè)結(jié)果的。

(3)按照(21)和(22)式，沿x軸和y軸傳播的兩束光的電磁場(chǎng)振動(dòng)方向是正交的，因此這兩束光是不相干的。如果它們產(chǎn)生不干涉，引力波又怎么可能使它們的干涉條紋發(fā)生移動(dòng)呢？這是這種計(jì)算方法需要面對(duì)的另外一個(gè)基本問題。

(4)然而通過求解組(25)和(26)無法同時(shí)得到沿每條臂傳播的光的相差δφx和δφy，因而無法求總的相差δφ=δφx-δφy。因此原文作者不得不只考慮光沿一條臂傳播的情況(We solve these equations in a special orientation which does not correspond to an actual interferometer arm”)。如作者在原文中說，該計(jì)算引入一個(gè)假想的，沿y軸傳播的引力波和沿z軸傳播的電磁場(chǎng)(a fictitious system is composed of an electromagnetic wave propagating along the z axis，…is perturbed by a gravitational wave moves along the y axis)，不考慮沿x軸傳播的電磁場(chǎng)。

在這種簡(jiǎn)化條件下進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果通過一個(gè)坐標(biāo)變換，變回到原來的問題。對(duì)于沿x軸運(yùn)動(dòng)的光，坐標(biāo)變換是t′=t，x′=y，y′=z，z′=x(坐標(biāo)系先順時(shí)針繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度，再順時(shí)針繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度)。對(duì)于y軸運(yùn)動(dòng)的光，坐標(biāo)變換是t′=t，x′=x，y′=z，z′=-y(坐標(biāo)系逆時(shí)針繞x軸轉(zhuǎn)90度)。由此又產(chǎn)生兩個(gè)問題：

(I)光沿一條臂傳播與沿兩條臂傳播時(shí)，引力波與電磁場(chǎng)相互作用的方程是不一樣的，或者說(25)和(26)式是不一樣的，因此這種計(jì)算方法不能代表真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程。

(II )坐標(biāo)變換后沿x軸運(yùn)動(dòng)的光的電磁場(chǎng)為：

(28)

沿y軸運(yùn)動(dòng)的光的電磁場(chǎng)為：

(29)

引力波則變成：

h11=-h33=-Acos(kgy′-ωgt′)

(30)

可以看出兩束光的電磁場(chǎng)的振動(dòng)方向變一樣，或者說它們可以產(chǎn)生干涉。但兩個(gè)光都變成沿z′軸運(yùn)動(dòng)，仍然與邁克爾遜干涉儀的實(shí)驗(yàn)情況不一致性。

可見用這種方法計(jì)算的位相移動(dòng)，實(shí)際上是為了拼湊出計(jì)算者想得到的結(jié)果。它在實(shí)際觀察中不可實(shí)現(xiàn)，并與本文的計(jì)算結(jié)果相矛盾。事實(shí)上，以上三種計(jì)算方法的結(jié)果必須一致。而本文的第一種方法是標(biāo)準(zhǔn)方法，其物理意義是非常明確的。如果用其他方法得到的結(jié)果與它不一致，就得考慮計(jì)算是否正確。

由此看出，LIGO實(shí)驗(yàn)中實(shí)際上有許多基本概念問題沒有解決，在這種情況下聲稱探測(cè)到引力波是沒有意義的。即使將來把探測(cè)引力波實(shí)驗(yàn)放到太空中進(jìn)行，如果仍然采用邁克遜激光干涉儀，也是不可能探測(cè)到引力波的。如果引力波確實(shí)存在，要想探測(cè)到引力波，就必須尋找新的實(shí)驗(yàn)方法。

6 LIGO實(shí)驗(yàn)與邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的比較

愛因斯坦提出狹義相對(duì)論之前，邁克遜花了十幾年時(shí)間做實(shí)驗(yàn)，試圖發(fā)現(xiàn)地球的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，但沒有成功。狹義相對(duì)論對(duì)邁克遜實(shí)驗(yàn)零結(jié)果的解釋是，干涉儀的轉(zhuǎn)動(dòng)使其中一條臂的長(zhǎng)度發(fā)生洛倫茲收縮，另外一條的長(zhǎng)度不變。由此導(dǎo)致光速不變，就不可能觀察到干涉條紋的移動(dòng)。LIGO實(shí)驗(yàn)采用邁克遜干涉儀，其基本原理與邁克遜的實(shí)驗(yàn)完全一樣。當(dāng)引力波作用到干涉儀的一條臂上，使臂的長(zhǎng)度發(fā)生收縮的同時(shí)，也使光的波長(zhǎng)發(fā)生相同的改變。由于二者的改變是同步的，就等于什么都沒有發(fā)生。邁克遜實(shí)驗(yàn)不能觀察到地球的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，LIGO實(shí)驗(yàn)也不可能成功[11]。

我們來詳細(xì)討論這個(gè)問題。在邁克遜干涉實(shí)驗(yàn)中，光波也可寫成(7)式的形式。設(shè)邁克遜干涉儀的沿y方向的臂靜止，沿x方向的臂在運(yùn)動(dòng)。對(duì)于靜止的觀察者，x軸的長(zhǎng)度收縮和時(shí)間延緩為：

(31)

(32)

因此在邁克遜干涉儀的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，光波(7)式的相位不變，就無法觀察到地球的運(yùn)動(dòng)。其關(guān)鍵是光速不變，但波長(zhǎng)和頻率同時(shí)發(fā)生變化。而在引力波實(shí)驗(yàn)中，按照(1)和(2)式，時(shí)間是平直的。因此光的速度和波長(zhǎng)要改變，但光的頻率不變，這是LIGO實(shí)驗(yàn)與邁克遜實(shí)驗(yàn)不同的地方。而二者共同之處是，光波的相位是不變的，用邁克遜干涉儀做實(shí)驗(yàn)，只能得到零結(jié)果。

我們來做進(jìn)一步的計(jì)算。地球繞太陽軌道運(yùn)動(dòng)的速度V=3×104米/秒，邁克遜干涉儀的臂長(zhǎng)L=10米。按照洛倫茲公式計(jì)算，干涉儀轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的臂長(zhǎng)度收縮為：

(33)

LIGO引力波實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的長(zhǎng)度收縮為10-18米，是邁克遜干涉實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)度改變的200億分之一！假設(shè)按照經(jīng)典力學(xué)，邁克遜干涉實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴^察到干涉條紋的移動(dòng)，移動(dòng)的個(gè)數(shù)大約為0.2個(gè)。假定LIGO實(shí)驗(yàn)也能夠觀察到激光干涉條紋的飄移，引力波引起的干涉條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)是1000億分之一個(gè)。在環(huán)境和溫度強(qiáng)大的噪音背景下，LIGO實(shí)驗(yàn)者怎么能夠?qū)⑷绱诵〉母缮鏃l紋的漂移分離出來，并確認(rèn)它就是引力波的效應(yīng)呢？

我們來做一個(gè)具體計(jì)算。LIGO的兩臺(tái)激光干涉儀固定在兩根4000米長(zhǎng)的巨型鋼管里，鋼管固定在地面上，不可能處于恒溫狀態(tài)。由于兩根鋼管不是平行排列的，4000米不是一個(gè)可以忽略的距離，地質(zhì)條件、日光、云彩、濕度和氣流條件的不同，會(huì)使兩個(gè)鋼管產(chǎn)生溫差。假設(shè)在某個(gè)時(shí)刻，其中一根鋼管的溫度在一秒鐘內(nèi)改變0.001度。這是一個(gè)非常保守的估計(jì)，是隨時(shí)可能發(fā)生的。我們來計(jì)算這種改變對(duì)LIGO實(shí)驗(yàn)的影響。

鋼管熱膨脹系數(shù)是1.2×10-5米/度，溫度改變0.001度，鋼管長(zhǎng)度改變1.2×10-5×0.001×4000 ≈5×10-5米。假設(shè)在這個(gè)時(shí)刻恰好有一個(gè)引力波穿過LIGO實(shí)驗(yàn)的鋼管，設(shè)引力波的作用有效時(shí)間是1秒。在1秒的時(shí)間內(nèi)，引力波在1秒內(nèi)引起的最大長(zhǎng)度改變是10-18米，是溫度引起的鋼管長(zhǎng)度改變的2×10-12倍，或2萬億分之一。

這是一個(gè)什么概念呢？LIGO實(shí)驗(yàn)等于用一根米尺來測(cè)量原子核的半徑！在環(huán)境溫度有波動(dòng)時(shí)，即使引力波信號(hào)進(jìn)入激光干涉儀，干涉儀對(duì)它是不會(huì)有任何響應(yīng)的。溫度不均勻?qū)е碌拈L(zhǎng)度改變完全淹沒了引力波效應(yīng)，在這種噪音條件下討論引力波的測(cè)量是根本沒有意義的。LIGO實(shí)驗(yàn)不可能將引力波對(duì)長(zhǎng)度改變從溫度變化對(duì)長(zhǎng)度的改變中分離出來。LIGO實(shí)驗(yàn)文章中計(jì)算的信噪比13或24只是虛假的理論值，與實(shí)際測(cè)量毫無關(guān)系。

7 LIGO實(shí)驗(yàn)存在的其他問題

本文作者梅曉春和俞平在《前沿科學(xué)》和《Journal of Modern Physics》上發(fā)表文章，指出LIGO實(shí)驗(yàn)存在許多嚴(yán)重的問題，要點(diǎn)如下[5][6]：

(1)LIGO實(shí)驗(yàn)沒有找到對(duì)應(yīng)的引力波爆發(fā)源，所謂探測(cè)到引力波實(shí)際上是計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果。

(2)廣義相對(duì)論中，引力波改變距離的公式只對(duì)真空中兩個(gè)自由粒子有效，對(duì)LIGO實(shí)驗(yàn)無效。

(3)LIGO實(shí)驗(yàn)的整個(gè)系統(tǒng)由大量帶電粒子組成，受電磁相互作用的支配。引力波強(qiáng)度太弱，不可能使干涉儀兩臂的長(zhǎng)度發(fā)生改變。

(4)LIGO實(shí)驗(yàn)并沒有證實(shí)廣義相對(duì)論，實(shí)驗(yàn)者的論證方法是循環(huán)論證，邏輯有問題。

(5)LIGO實(shí)驗(yàn)采用數(shù)值相對(duì)論計(jì)算方法靠不住，蝴蝶效應(yīng)會(huì)放大誤差。

(6)比原子核小1000倍的距離變化已經(jīng)進(jìn)入微觀范疇，是不可測(cè)量的。

(7)奇異性的黑洞至今沒有被觀察到，實(shí)際上是不可能存在的。

本文作者P.Ulianov在《Global Journal of Physics》發(fā)表文章[11]，指出LIGO實(shí)驗(yàn)所謂的引力波信號(hào)可能由電網(wǎng)頻率的波動(dòng)引起。LIGO實(shí)驗(yàn)只監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的電壓，沒有監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的頻率。LIGO實(shí)驗(yàn)中存在60Hz和30Hz的噪音，前者是美國電網(wǎng)的供電頻率，后者是LIGO系統(tǒng)本身的噪音頻率。如果電網(wǎng)頻率存在2.5Hz的波動(dòng)，與30Hz的噪音疊加就會(huì)產(chǎn)生類似LIGO引力波的信號(hào)。

根據(jù)以上討論，LIGO實(shí)驗(yàn)根本不可能探測(cè)到引力波。所謂的“引力波”發(fā)現(xiàn)實(shí)際上只是一場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬和圖像匹配和識(shí)別的游戲，盡管是一個(gè)工程巨大、精確無比的游戲。

[1]Abbott B P，et al.Observation of gravitational wave from a binary black hole merger[M]，Phys Rev Lett，2016，116：061121-16.

[2]Abbott B P，etal.Observation of gravitational wave from a 22-solar mass binary black hole coalescence[M].Phys Rev Lett，2016，116：241103 1-14.

[3]劉遼，趙崢.廣義相對(duì)論(第二版)[M].高等教育出版社，2004：28，140.

[4]方洪烈.光學(xué)諧振腔與引力波探測(cè)[M].科學(xué)出版社，2014：239，246，331.

[5]梅曉春，俞平.LIGO真的探測(cè)到引力波了嗎？[J].前沿科學(xué)，2016，10(1)：79-89.

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

[7]Callen H B，Green R F.[J].Phys Rev，1952，86：702.

[8]H C 瓦尼安，R 魯菲尼.引力與時(shí)空[M].科學(xué)出版社，2006：155.

[9]C F Cooperstock，V Faraoni.Classical and Quantum Gravity[J].1993，10：1989.

[10]Baroni L，F(xiàn)ortini P L，Gualdi C.[J].1985 Ann Phys，(NY)，16249.

[11]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.

(責(zé)任編輯：龍學(xué)鋒，昝小娜)

LIGO Experiments Cannot Detect Gravitational Waves by Using Laser Michelson Interferometers ——Light’s Wavelength and Speed Change Simultaneously When Gravitational Waves Exist Which Make the Detections of Gravitational Waves Impossible for LIGO Experiments

MEI Xiao-chun1，HUANG Zhi-xun2，Policarpo Yōshin Ulianov3，YU Ping4

(1.Institute of Innovative Physics in Fuzhou，F(xiàn)uzhou，China；2.Communication University of China，Beijing，China；3.Equalix Tecnologia LTDA，Brazil；4.Cognitech Calculating Technology Institute，USA)

It is proved strictly based on general relativity that two important factors are neglected in LIGO experiments by using Michelson interferometers so that fatal mistakes were caused.One is that the gravitational wave changes the wavelength of light.Another is that light’s speed is not a constant when gravitational waves exist.According to general relativity，gravitational wave affects spatial distance，so it also affects the wavelength of light synchronously.By considering this fact，the phase differences of lasers were invariable when gravitational waves passed through Michelson interferometers.In addition，when gravita tional waves exist，the spatial part of metric changes but the time part of metric is unchanged.In this way，light’s speed is not a constant.When the calculation method of time difference is used in LIGO experments，the phase shift of interference fringes is still zero.So the design principle of LIGO experiment is wrong.It was impossible for LIGO to detect gravitational wave by using Michelson interfermeters.Because light’s speed is not a constant，the signals of LIGO experiments become mismatching.It means the these signals are noises actually，caused by occasional reasons，no gravitational waves are detected really.In fact，in the history of physics，Michelson and Morley tried to find the absolute motion of the earth by using Michelson interferometers but failed at last.The basic principle of LIGO experiment is the same as that of Michelson-Morley experiment in which the phases of lights were invariable.Only zero result can be obtained，so LIGO experments are destined failed to find gravitational waves.

gravitational waves；LIGO Experiments；general relativity；Michelson Interferometers

2016-08-22

梅曉春(1953-)，男，漢族，福州原創(chuàng)物理研究所所長(zhǎng)，E-mail：ycwlyjs@yeah.net.

TP37

A

1673-4793(2016)05-0001-08