引力波测量的相关问题的讨论 （转发一）

前言：前兆关于引力波探测的文章 （均发表于倍可亲网站中【前兆的日志】）

               关于对【LIGO科学家直接探测到引力波】事件的研究报告

前兆其它关于引力波的文章：

 （2）“引力波”探测实验与“地震波”预测实验之不同 by 吕大炯 （二）

 （3）对引力波探测的几点疑问 by 吕大炯 （三）

 （4）“引力波”是地震的“前兆波”？by 吕大炯 （四）

 （5）关于对“引力波”入射角的探讨 by 吕大炯 （五）

 （6）关于所探测到的“引力波”是地震前兆波的进一步探讨 by 吕大炯（六）

下面转发一篇文章：

引力波测量的相关问题的讨论 （转发）          

                  Gravitational Wave Detection related discussion

            关于引力波的几个问题的进一步讨论（2）  

                            都世民（Du Shimin）

                         一.什么是引力波的直接测量？

1.美东时间2016年2月11日10点30分（北京时间23点30分），美国激光干涉引力波天文台（LIGO）执行主任大卫•瑞兹宣布：“女士们先生们，我们检测了引力波。我们做到了！”科学家们寻找引力波的努力终于收获成果。宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。持续时间不到一秒钟的事件(GW150914)。

此时，距离1916年，爱因斯坦预言引力波存在刚好一百年。瑞兹只是说检测了引力波！没有说直接测量了引力波。【1】相关论文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题，在Physical Review Letters上发表。论文作者包括清华大学LSC引力波研究团队。

2.乔辉“在腾讯太空 ”上,首先修改了这一关键词，变成“直接测量”。

文【2】指出：到目前为止，人类还未实现引力波的直接测量，对引力波的直接测量不仅可以进一步验证广义相对论的正确性，而且将为人类展现出一幅全新的物质世界图景，同时可以极大推动对宇宙诞生和时空本质的理解。

3.文【3】指出：激光干涉仪引力波探测器测量的是激光光束通过干涉仪两个臂的光程差（或者距离差），该光程差是由引力波引起的时空变化所导致。因此，这种探测是引力波存在与否的直接探测。直接探测是最直接的验证，间接探测只是旁证。

李永贵还指出：起始于1973年，由周培源教授提出，采用铝棒共振天线方案，分别在北京中科院物理所13室（后划给高能所）和广州中山大学物理系建立的广义相对论与引力物理实验室进行。

4.笔者认为周培源教授提出，采用铝棒共振天线方案，是真正意义上的直接测量。是有远见的。可是周教授的弟子们不理解，未见这方面工作的报道。

5.文【4】指出：英国物理学家麦克斯韦于1865年预言电磁波；爱因斯坦于1916年预言引力波。1887年，赫兹在实验室里用一个简单的高压谐振电路第一次产生出电磁波，用一个简单的线圈便能接受到电磁波；2016年，美国的LIGO第一次探测到引力波【4】，团队的主要研究人员就有上千，大型设备双臂长度4公里，造价高达11亿美元。

电磁波从预言到探测，历时23年；引力波从预言到探测，历时100年。从上面的数据可见，引力波的探测比电磁波的产生或接受困难多了。其根本原因是由于两者的强度相差非常大。

世界上存在着4种基本相互作用。其中的强相互作用和弱相互作用都是“短程力”，意味着它们只在微观世界很短的范围内起作用。4种相互作用中，引力是强度最弱的，它比电磁作用，至少要小10-35倍。

6.文[4]这段叙述,在史实上有些出入，关键问题在于：

1）对天线的发明缺乏了解，这包括理论分析和实验研究两方面；

2）对验证麦克斯韦电磁理论的直接测量不理解，贬低了赫兹在科学史上的巨大贡献。如果今天有人研制成引力波天线，并且在地球上找到或人造引力波源，向世人展示发射和接收引力波，并能重复，还会有质疑声吗！因此将LIG0的工作看成赫兹再现更是误解，这种比喻很不恰当，缺乏世代背景，对天线学科的工作不了解，对测试技术理解也有一定偏见。

                   二. 激光干涉仪观测引力波的难点和疑点

激光干涉法是测量微小距离变化的最佳手段之一，具有高的测量灵敏度，当引力波经过数km或更长臂长的干涉仪时，干涉仪的臂长发生微小的改变，从而引起干涉条纹变化。4对在真空中相距4km的40kg的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100kw的激光，读出引力波以光速传播，如相隔几千km的两个激光干涉仪观测站,均检测到相关的干涉条纹变化，就能直接证明有引力穿过激光干涉仪，最终实现引力波测量。引力波携带能量使物体产生某种振荡，检测到这些振荡，就能检测到引力波。引力波会造成地面上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级小于10^(-21），非常微弱。

                       三.  激光干涉仪观测引力波的难点：

1)在2009 年的观测实验中，实现100Hz频率，距离变化探测灵敏度3X10^(-22）。探测灵敏度应优于10^(-24)[1]。目前人们的研究水平应该说仅仅到了刚好能够探测到引力波的程度[5]。 文[5]的说法与LIG0有的参与者介绍有差异，文[8]:在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz至10kHz的引力波，位移变的灵敏度达到10^-21。

2）需要突破高频率和强度稳定的单频相干激光源。这个激光源位于L形两臂的相交处。

3）能抗环境干扰的稳定激光干涉臂。

4）空间超远距离的高精度测距。

5）在地面激光干涉仪中，对测量精度的要求越来越高，已经慢慢接近了量子力学不确定关系所给出的标准量子极限(standard quantum limit)。要进一步提高测量精度，增加探测到引力波信号的可能性，我们必须要突破这个极限。[5]

6）一般精密制造的光学反射镜，反射率最高达到99.8%;而用于引力波探测的光学反射镜反射率可达99.995%[5] 。

宏观物体量子力学,无论在理论上还是实验上,都存在着很多尚待解决的问题，如何排除环境干扰，在实验室展现一个宏观镜面的量子行为。[3]

7）最终目标是希望能找到一个可行的方案,来实现量子无损测量(quantum nondemolition detection)，这自然还有相当长的一段路要走。

陈雁北指出；

LIGO采用了高稳定性的大功率激光、高纯度的玻璃、最先进的镀膜技术、极低的机械损耗悬挂系统，并且在多个自由度的控制上，采用了数字控制系统。

李永贵强调了以下几点：【3】

8)机械减震。引力波干涉仪必须达到10^(-24)的干涉仪臂长相对变化的测量精度。一个臂长4km的干涉仪,该精度意味着测量系统在探测的频率上能够分辨一亿亿分之一米量级（即1/10000000000000000000000m）的臂长变化。为了防止悬挂反射镜受周围震动的影响，要采用一系列的减震技术。

9)控制技术。为实现超高的激光干涉仪灵敏度，干涉仪的反射镜有局部姿态控制环，全局定位控制环，光功率循环控制环，信号循环控制环，激光强度，频率稳定控制环，模选器控制环，等近10个交叉反馈控制环。

10)大数据处理。干涉仪工作后，如何从采集到的大量数据找到，并判断是引力波信号，需要海量的数据处理功能，它必然推动大数据处理方法，技术的发展。[3]

总的看来，这类检测设备的难点主要是两臂端口的反射面的材料、加工和控制等技术。涉及量子极限的难题。从技术指标上看，强调提高灵敏度，对抑制干扰是采用雷达的匹配滤波处理方式。

实际上这一测量技术在我国整体层面没有太大困难，镜面控制与卫星和导弹以及登月的机器人上面的反射面的材料、加工及控制技术，只要接轨研究，应该没有什么困难。但量子极限问题是个难题！在解引力波方程方法、计算、超级计算机、雷达降噪处理等方面也是有条件解决的。关键在于有没有必要重复别国走的路，我国的创新体现在哪里？！

                         四.激光干涉仪观测引力波的疑点：

激光干涉仪观测引力波的疑点：

1）观测方法及数据的取得具有偶然性，不可重复性。按有的参与者所言,是运气好。这意味事件成功概率较低。

2）按参与者的详细解读看，这种测试包含多种未知、可变、相关因素。就爱因斯坦理论预言是有先决假设条件，这些条件与实际情况是否相符，需要验证。

3)现在有关报道:引力波的源是大宇宙天体事件的产物，例如黑洞并合、X-射线双星、双中子星的碰撞。

想要研究双黑洞的引力波，必须先计算出广义相对论对双黑洞碰撞的预言。物理学家通过“数值相对论”的方法，用大型计算机对爱因斯坦方程进行求解。也就是说，引力波辐射源是通过数学建模，求解爱因斯坦的引力波方程,逐步求解得到的。这里面涉及数学模型、计算方法、参数给足的合理性验证。如果这方面工作已进行多次，其可信度就高。

4)参与者介绍：

20世纪70年代，人们才开始认识到黑洞的很多性质，并且论证了爱因斯坦方程可以使用的初始条件，即时间演化的求解方法；90年代末，微扰论的计算才给出比较精确的双黑洞引力波，到2005年以后，双黑洞碰撞的模拟数值相对论才逐渐成熟。【10】

当霍金等物理学家把量子力学用在黑洞上时，惊奇地发现，黑洞也会通过所谓的”霍金辐射”蒸发。天文观测中，科学家发现了一些疑似黑洞的物体。第一类物体的质量是太阳的几倍到几十倍，它们存在于X-射线双星里，并且尺寸小于几十km。第二类物体是存在于星系中心的超大质量黑洞，具有可以超过几十、几百万倍的太阳质量，并且也有很小的尺寸。还有一类物体是中等质量的黑洞。它们可能产生于小质量黑洞并合，或者小黑洞吃掉很多恒星，或者是通过宇宙早期的大质量恒星塌缩而形成。这些天文学中的观测现象从一个侧面证明了黑洞的存在，但是目前还没法很精确的测定黑洞附近的几何结构。

5)当代科学家霍金早年曾公开否认黑洞的存在，如今他认为黑洞存在，而且提出新理论[6]。文[6]指出：经典黑洞理论认为，任何物质和辐射都不能逃离黑洞；而量子力学理论表明，落入黑洞的信息可以重新获取，这个所谓的“信息悖论”已困扰科学界40年。现在，斯蒂芬·霍金等人提出了新解释：落入黑洞的粒子的信息部分被位于视界线（黑洞边界）的粒子组成的“柔软毛发”所“俘虏”，这些信息并没有消失，但很难还原和破解。相关研究发表在arXiv上。

陈雁北指出：天体物理学家认为双黑洞是应该存在的 ，并且有间接观测证据，和建模的支持。二十年来，拍脑袋之余，天体物理学家根据对双星演化的数学建模，他们发现了一些高质量双星可以最终变成双黑洞的“演化路径”。但是由于数学模型中有很多不确定的参数，他们由此估计出来的单位时间、单位体积中的双黑洞并合率，是非常粗略的。[9]

6)有资料表明，人类一直在观测太阳直径和太阳辐射能量的变化，至今尚不能定论。如果这两个问题可以精确测定，对引力波辐射能源的建模评估,可提高其可信度。

7）文[7]指出：引力波的发现让爱因斯坦笑了，但这次他可能要转笑为涕——英国剑桥大学2016-02-19日发布新闻公告称，该校科研人员和伦敦大学玛丽皇后学院的同行合作，使用超级电脑成功模拟了一种特殊的五维环形黑洞，这种黑洞可以无情地推翻广义相对论背后的完美公式。他们模拟的环形黑洞就像一条珍珠项链，这种项链状环形黑洞背后，暗藏着广义相对论的克星——裸奇点。所谓奇点，就是万有引力极其强烈，以至于空间、时间和物理定律都失效的点。如果有的奇点并没有视界线的包裹，也就是存在所谓的裸奇点。怎么办？那将意味着一种物体由于密度无限大而崩溃，这种状态会颠覆现有的物理定律。因此通过观测天体事件的引力波辐射源，是复杂因素的综合体。现在下结论说黑洞已基本搞清楚了，为时还早不是吗！

还有研究认为，自上个世纪80年代后，这个地球的地下一直有地下核试验。这个问题尚难有效监测。这不是LIG0参与者用敲桌子和地面就能判定系统的可靠程度。

8) 文【8】指出：因为宏观层面不同位置上,自由下落的参照系是不同的！如果我们考虑一个足够大的空间站，就会发现空间站不同位置上的物体会有相对加速的现象，这就是所谓的潮汐加速度。而这个加速度，是对所有物体都适用的。爱因斯坦把这个归结于时空几何的弯曲。

                           THE EINSTEIN FIELD EQUATION

                            Gμ ν =8 π Tμ ν

爱因斯坦方程解的全局性质、以及物理学家所用的数值解法的收敛性问题，至今也还是数学研究的前沿问题。

爱因斯坦在1916年就预言了引力波的存在: 他发现自己的方程有一组解，和电磁波的性质类似，以光速传播。但是他在文章里又说，因为这个引力波辐射的能量很少，在所有能想得到的情况下，引力波的辐射都可以被忽略。在很长一段时间内，物理学家搞不清这个解的物理意义，更没想到这个波可以有什么观测上的价值。在1960年左右，引力波的物理意义开始明朗，物理学家认为，引力波可以被看成是引力相互作用的传播，并且可以被看成是携带着引力能。这就说明，引力相互作用是以光速传播的。

由此可见，有些媒体认为LIGO探测引力波事件是证明爱因斯坦的广义相对论最后一块拼图的说法不确切。LIGO发言人也在强调爱因斯坦没有认为引力波真实存在，而是他们确认的。

从引力波方程的远区近似可以理解引力以波的方式传播，但是引力波能穿透任何物质，不与这些物质发生相互作用。这种表述很难理解，不发生相互作用为前提，又怎么产生拉伸和挤压的时空弯曲，互相矛盾。目前对引力波测试机理和引力波本身属性的论述存在矛盾，不能自圆其说。需要对引力波直接测量。给出引力波本身的参数：频率、波长、传播速度、传输损耗、源的辐射分布四维图形等。

9）LIGO在设计灵敏度时，从5亿光年到14亿光年计算中，假定引力波是光速传播的，系统本身没有传播速度测量装置，而探测中心频率或波长也与传播速度有关。双黑洞的碰撞的概率的计算，何时开始辐射能量到什么时间停止辐射能量，这个时间差没有旁证。而黑洞并合时辐射能量变化也缺少旁证，没有太阳辐射能量变化的测量。给出的0.5秒的波形没有旁证，依赖于计算波形验证难以置信！

10）文【12】指出： 如何确定LIGO发布的波形是“引力波波形“？

这种波形必然与，黑洞碰撞融合、各种基本粒子演变、转化，它们静止质量改变而产生的大量不同频率的“光波”整合成为统一的“波形“。

这各种频率经13亿光年距离的红移，对“波形“的 ”改变”如何确定？

如何就能判定测到的“波形“和经处理后的“波形“，就是“引力波波形”？

根据报道所说，突然发现LIGO仪器探测到有0.5毫秒（ms）的一段波形，很像他们数据库中“双黑洞融合模型”计算出来的“引力波波形”，但是，没说明它怎么会是“引力波”，就宣称：那是13亿年前，两个黑洞合并而产生的引力波。这需要说明也需要天文观测或其它旁证。

而且，两个黑洞合并，各种基本粒子可能的演变所产生的光子、暗物质的“黑子”、引力波的引力子相互作用，以及各频率红移对波形的影响，怎能从仅0. 5毫秒（ms）的一段波形就能判定？

                                                                             LIGO提供的实测波形图

LIGO的参与者一再强调提高灵敏度才捕捉到“引力波”，从未给出利用雷达技术中匹配滤波把杂波滤到什么程度，从未谈及信杂比这一关键指标，怎能不让人怀疑LIGO发布的波形是杂波，不像是信号波形。0. 5毫秒（ms）前后时间段的波形又是什么样呢？

不说明这些问题，怎么能肯定测得的就是：13亿年前2个黑洞碰撞融合产生的“引力波”？

文【12】还指出：牵引运动的物体间，只要有力的作用，就有“时空弯曲”特性。

但是，并非只要有“时空弯曲”，就能产生静止质量=0的粒子；就能有相应的波。

也不是所有的相互作用力矢量，都能产生静止质量=0的粒子；都能有相应的波。

11)为什么别国激光干涉仪没有收到信号？

在美国的LIGO计划开始实施之后，欧洲也开始进行引力波探测计划。

目前，比较大型的探测器是由英国和德国合作，在德国Hannover附近建造了GEO 600探测器.由法国和意大利合作，在意大利Pisa附近的VIRGO探测器。GEO 600探测器的臂长是600米，而VIRGO的臂长是3000米。相比之下,VIRGO的造价和性能都远高于GEO 600，而和LIGO相当。日本也开始建造大型的KaGRA引力波探测器。KaGRA项目终于在2008年立项。目前，这个探测器的建设已经基本完成，进入了调试阶段。印度也开始加入了引力波探测的行列。开设一个LIGO-India的引力波观测站。

GW150914发现引力波只是一个偶然。尚不明确VIRGO探测器为什么收不到信号？

                         五.讨论

1.目前探测引力波的辐射源都是离地球很远的天体事件。不可能直接测量引力波辐射源。在地球上有没有引力波辐射源？如果有这种源，其辐射强度即使比太阳“黑洞”并合弱得多，但距离也近得多，有无可比性？另外引力波源能否人造？加速质量形成引力波，这里说的质量和加速度的最小值所需量值是多少？地球上能否实现？如果灵敏度按10^(-22).

香港参与者解读时认为这次黑洞并合可类比4亿亿亿亿核弹同时爆炸所产生的辐射能量。其根据何在？照此说法，此能量到达地球观测点是多少瓦？

2.引力波属性的研究是关系到有无开发价值的问题。“科普中国”发表“引力波专家”方舟子的科普，文中指出：1)根据相对论，质量可以转化成能量，这少掉的3个太阳质量就转化成了能量。这个能量无比巨大，其功率比整个可观察宇宙的所有恒星发出的所有的光的功率还要大50倍，它以引力波的形式辐射开去，经过了13亿光年的距离，到达了地球，用一个能够检测到幅度变化不到质子大小的千分之一的极其精密的仪器，才被捕捉到了。2)引力波的推导要用到非常高深的数学.3)引力波是非常微弱的，是没有应用价值的，4)太阳与地球这个系统发出的引力波的功率也就大约200瓦，不到一辆汽车功率的1%。5）引力波是向各个方向扩散开去的，方舟子这几点论述有“创新”，就是不知道怎么得到的？

3.方舟子上述观点的根据何在？黑洞并合产生的能量是多少？考虑暗物质和各类星体的影响，到观测点的功率是多少瓦？与太阳到地球发出的引力波200瓦相差多少？怎么得到的？太阳与地球这个系统怎样产生引力波？是质量加速移动吗？加速度是多少？两者并合了吗？方舟子认为引力波是向各个方向扩散开去的，这意味辐射源是各向同性辐射吗？你怎么知道的？是理论还是实测？

另外方舟子认为引力波很微弱，没有应用价值。为什么各国都化很多钱研究呢？没有应用价值就不必搞三个太空探测计划：“天琴计划”、“阿里实验计划”、“空间太极计划”。方舟子你连发二篇大作谈引力波还有什么意义呢？！难道不是自相矛盾吗！自认为“引力波专家”的方舟子需要回答自己提出的论点，然后再报“私仇”，再批中国民众科学素质低下！不要自作聪明提出什么“金标准”。

4.关于引力波的基本参数：频率范围。居然媒体报道的值相互矛盾。从低频到中频，再到高频。LIG0测试频率范围是多少？我国有些名家发布言论应该慎重，不知道就不要说，说错了影响不好。

1）文【2】指出：2009 年的观测实验中实现100Hz频率，距离变化探测灵敏度3X10的负22次方。

2）文【12】指出：LIGO测量的是波长最短的。所以不同波长的引力波起源是不一样的，产生相应引力波的天体是不一样的。没有说明LIG0测试的频率范围是多少。

3）文[8]:在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz至10kHz的引力波，位移变的灵敏度达到10^-21。

4）陈雁北给出的频率范围：LIGO探测到的35-350Hz,全部落入LIGO的敏感频带。

5.在无线电频率中，300Hz以下的超低频、极低频虽然因携带的信息量很少往往不被重视，但它对介质的巨大穿透力和在地球圈层间极远的传播能力却是其他波段无法比拟的。早在20世纪中叶，地球物理学家发明了利用大气中雷电等产生的天然超低频和极低频电磁信号来探测地质构造（MT法），其后又发明了人工产生超低频和极低频(CSAMT)等方法，进一步达到了人工控制信号频率、强度、甚至辐射方向的目的，改善探测精度和发展了其他用途，例如利用超低频、极低频监视地下岩层 电参数的变化进行地震预测的研究；利用不同深度地壳电阻率的变化进行局部矿藏、油气层和地下水的探查；在同样时期内，由于军事上对水下潜艇通信提出了更高要求，世界潜艇大国对超低频、极低频远距离大深度的无线电水下通信进行了大量研究，也促进了对超低频、极低频和更低的频率电磁波传播研究的进展。最新的科学研究成果表明通过多方面的结合，一种新的多用途大功率人工源无线电磁法(WEM)可以使超低频、极低频的电磁波有效覆盖半径达数千km，探测深度可达数十km，具有同时向不同的区域为多用户发送事先计划好的电磁信号的能力，该方法将成为一种新的多学科、多用途科学研究手段，所有这些都需要对超低频、极低频和更低的频率的发射和传播特性有更深的研究和了解。【13】

从频率范围、传播速度看，电磁波与引力波是相近的。电磁波是电子，引力波是引力子，黑洞是黑子，这三者有无关联，电子、光子都属于电磁波，已被捕捉到。从麦克斯韦发表电磁理论至今已150年，经历了四个阶段：发表电磁理论；预言电磁波存在和光是电磁波；验证电磁理论，发明电磁波源和天线证明电磁波存在；电磁场量子化，捕捉电子和光子，电磁场转化为光子场。[14]

可是爱因斯坦提出引力波概念和引力波方程已经完成100年，爱因斯坦本人对引力波真实存在是怀疑的。理论推导上有审稿人指出问题，物理概念上在上个世纪60年代才引起重视。LIGO认为他们验证了引力波存在，但无人在地球上找到和发明引力波源、收发引力波天线，没有实现引力波直接测量及其可重复性。如果有人找到引力子存在，也能直接验证引力波存在。也就是说，引力波的工作只完成一步半，与电磁波比相差甚远。

笔者在想：我国研究者能否在国家层面将超低频、极低频的无线电波和引力波研究接轨，这对于超高音速飞行器探测、地震波探测、地下矿藏、油气层、地下水的探测结合起来，对核潜艇和水下机器人的水下通信研究等十分有利和必要的。

结语：引力波测量机理解释有自相矛盾之处，视角单一，方法间接，数据偶然不能重复，未知因素颇多，涉及诸多学科，问题复杂，暂难定论。

引力波测量属当代前沿课题，名家云集，思路和方法正在转变，视角由单一转向多视角，取胜者不一定是权威，应是集各家之长，用复杂思维探索者。