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: 人类这次真"看到"了那根本不可能的引力波事件
我要当民科啊我要当民科
我的脑袋里啊缺了几根弦
作者| 姬扬
利用巨大的干涉仪来探测微弱的引力波(LIGO国际合作项目),经过几千名科技人员、几十年的辛勤工作,终于得到了回报,不仅在科学上取得了重大的成功,还在社会上造成了巨大的影响。
2016年2月,LIGO召开新闻发布会,宣布第一次成功探测到引力波事件(GW150914),引发了全世界对引力波的广泛关注,特别是因为爱因斯坦正好是在100年前提出了广义相对论,也就是引力波的理论基础。此后,LIGO陆续发布了几次引力波的消息(GW151226和GW70104,以及疑似的引力波事件LVT151012),但是却无法再度吸引人们的注意力,可能是因为只有两个观测站能够测到信号的缘故。今年9月底,LIGO宣布,三台引力波探测站(美国的两个LIGO和欧洲的VIRGO)同时观测到一个引力波事件(GW170814),对引力波的关注度才有所上升。10月初,诺贝尔奖委员会宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予为引力波探测做出巨大贡献的三位科学家,雷纳·韦斯(Rainer Weiss)教授、巴里·巴里什(Barry Clark Barish)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)教授,仿佛是众望所归了。上周又爆出一个大新闻,引力波、伽马射线暴和光学观测手段都观测到同一个天体物理事件(引力波事件GW170817即伽马暴事件GRB170817A),开辟了多信使天文观测的新纪元。
引力波探测是科学界的一件大事,以前我也表述过个人看法:
引力波探测(LIGO)是物理学的巨大胜利,标志着精密探测技术的巨大进步。然而,从科学意义上来看,与其说他标志着爱因斯坦广义相对论的百年胜利,不如说象征着战后几十年来辉煌无比的“大科学”的走向衰亡,欧洲大型粒子对撞机的负面结果只是另一个脚注而已。
又到了诺贝尔奖颁奖的时节了,网上好像有很大的呼声说,这次的物理奖要给引力波了,我是很不以为然的——不是说这个工作不重要,而是说没必要这么着急。一百年前给爱因斯坦授奖的时候,那是多么的谨慎,仔仔细细地挑了个“光电效应”,连相对论都不敢提;一百年后,轮到引力波了,难道就等不及再一个独立的测量结果吗?
我能理解这次诺奖为什么颁发得这么快,因为可能的获奖者都年事已高,而对引力波探测有着重大贡献的德雷弗教授今年年初就过世了,其他人能挺多久肯定是个问题,而且独立的第三方测试结果肯定不是三年五载就可以出来的。我也能理解这次诺奖为什么颁发给巴里什教授,因为现在有太多的大科学工程,参与者的贡献很难衡量比较,这次可以算是诺奖委员会对尝试颁发团体奖的一次试水——所以我才有些调侃地说,这是首次颁发的诺贝尔管理奖。
这些我在理智上都能理解,但是在感情上却很难接受:特别重要的成果应该接受特别严厉的检验,毕竟这是要写进物理学史的工作。借着这次多信使天文观测事件,我想再说说为什么我觉得引力波探测需要更多的检验。
目前已经发现了5个引力波事件(表1),前4个都是双黑洞融合产生的。这种事件仅仅以引力波的形式释放能量,并没有任何电磁信号,也就是说,唯一的证据就是几台观测站近乎同时地观测到了类似的信号(或者说波形),与数值相对论的计算结果符合,而且排除了外界干扰造成了假信号这种可能。第5个也就是最近的一个引力波事件是两个中子星融合产生的,伴随着电磁信号的产生,伽马暴和光学测量都得到了结果。
引力波是非常微弱的信号。我们以第5次引力波事件GW170817测量的“原始数据”为例,简单说明一下引力波数据分析的困难。
据LIGO团队说,这次测量的信噪比是最高的,三个观测站的信噪比分别为LIGO Livingston的26.4、LIGO Hanford的18.8和VIRGO的2.0。图一给出了LIGO Livingston在引力波发生时刻附近的应变数据:在几秒钟的时间里,应变的变化范围是10-17的量级,在几毫秒的时间里,应变的变化范围也有10-20的量级。LIGO有很多的、各种各样的传感器来探测外界的微小扰动,这样才能把光滑的背景起伏消除,让应变的数据从10-17的量级减小到10-20的量级,然后还要进行各种数据处理(主要是平均了),再与数值广义相对论计算的各种模式进行对比,才能确认量级为10-22的引力波信号。
图1、引力波事件GW170817的“准原始数据”。数据来自于LIGO网站(Data release for event GW170817 https://losc.ligo.org/events/GW170817/)
根据LIGO给出的三个观测站的灵敏度(图2),LIGO Livingston在100Hz附近(这是引力波信号的典型频率)是10-23/Hz1/2,根据采样定理,这里的噪音就应该是10-22的量级——也就是说,噪音跟信号大小相仿。作为一次性事件的测量,很难显著地提高信噪比。
其实,不用纠缠于这些数字的具体大小(这里也仅仅是估计),我们也可以说,引力波是非常微弱的信号,仅仅拿几个观测站测量结果之间的一致性以及和数值广义相对论计算结果的符合作为判断依据,恐怕还不足以让所有的人都服气。
图2 、LIGO Livingston、LIGO Hanford和VIRGO的探测灵敏度。取自Phys.Rev.Lett.119.141101(2017)。
幸运的是,还有第5次引力波事件,它得到了其他观测结果的支持。但是,这唯一的“多信使天文观测”事件,也有一些让人尴尬的地方。
这次事件的第一个预警来自于伽马暴监测卫星Fermi,它在检测到伽马暴GRB 170817A(2017年8月17日12:41:06 UTC)以后仅仅14秒钟,就自动发出了预警。LIGO尽管更早(大约早了1.7秒种)发现了GW170817(12:41:04 UTC),但是在6分钟后才发出预警,而且还是较低的级别,因为这是根据LIGO Hanford数据给出的;大约40分钟后才发出了正式预警。人工分析的结果表明,在引力波事件发生的时候,LIGO Livingston碰巧发生了一个时间很短(几个毫秒)但幅度很大的瞬时扰动,导致LIGO自动报警程序认为不是两个探测器同时检测到了信号(因为它认为测量被污染了)。VIRGO也没有报警,因为数据传输出现了问题,而且巧合的是,引力波传来的方向碰巧是VIRGO干涉仪最不灵敏的方向(这个巧合对于确定引力波事件发生的方位却非常有利)。
对LIGO有利的是,伽玛暴预警差不多每天都有一两次,而LIGO运行9个月的O2期间只预警了GW170817这一次与中子星有关的引力波(正好又赶上了Virgo投入使用),而且指认的空间范围比伽马暴方法小得多(图3)、并且给出了距离的估计,从而有力地促进了其他观测组的兴趣,也得到了后续观测结果的进一步支持——实际上,预警发出之后不到11个小时,天文望远镜就在预警的区间里观测了信号。
但是,LIGO毕竟晚了一步,而且是在伽马暴预警的提醒下才确认的。再说,伽马暴的定位虽然比LIGO/VIRGO的定位差一些,但也不是不可接受(图三中浅蓝色圆环和深蓝色大圆的重叠区域),即使没有LIGO的结果,也很难说就不会有接下来的X射线和可见光观测。在我看来,LIGO并没有起到绝对不可替代的作用,我更好奇的是,天文学家们为什么要耐心地陪着LIGO团队玩沉默游戏,真的只是为了造一个大新闻吗?
这次事件的公布是在诺贝尔物理学奖宣布之后。LIGO团队和天文学界的保密工作做得很好,“暴风雨前的宁静”,干得漂亮。当然,圈内人肯定都是知道的,诺贝尔委员会当然也不会不知道。九月底公布GW170814(三个引力波观测站第一次同时观测到信号)前的骚动,更别说八月份的网上泄密、Nature报道了,只能提示我们制造大新闻需要做多少权衡了。
图3、引力波事件GW170817和伽马暴事件GW70817A的定位。
深蓝色的大圆是Fermi卫星伽马暴检测的定位范围,浅蓝色的圆环是根据Fermi和INTEGRAL伽马暴探测的时间差得到的定位范围。浅绿色的长条是两台LIGO的定位结果,而深绿色的小区间是LIGO/VIRGO共同定位的结果。取自Astrophy.J.Lett.848:L12(2017)
总结一下,已经报道了5次引力波事件,前4次没有其他支持,而第5次也就是唯一一次得到其他支持的,又跑得慢了一些。这样的成绩,恐怕很难让人特别安心的。
即使我们全盘接受这5个事件,它们的统计性质也有些让人不安。两个观测期各观测到两次黑洞融合事件,可是观测期间的长度却有很大的差别(分别是49天和117天),而且距离近的多、远的少(分别是410、440、540和880Mpc)。而对于这种事件预期的发生几率,应该是跟时间长度和空间体积成正比的。考虑半径为2的一个球,其中,半径为1 的球核体积,仅仅是半径1-2的球壳体积的1/7,我们自然会预期发生在球壳里的几率要大7倍了。对于类似于GW170817(距离为40Mpc)的双中子星融合事件,LIGO团队估计LIGO Livingston、LIGOHanford、VIGRO的探测范围分别是218Mpc、107Mpc和58Mpc(119.141101(2017))。简单地估计一下,类似的事件发生的范围仅为LIGO/VIRGO同时探测范围的1/3,仅为两台LIGO同时探测范围的5%,更是LIGO Livingston的探测体积的0.6%。也许我们应该预期更多的双中子星事件,也许仅仅被两个LIGO甚至只有一个LIGO“听到”。
当然,这很可能是因为检测到的事件还太少。所以,我们还需要更多的引力波事件,特别是双中子星融合这样的多信使天文事件。不幸的是,这可能需要很长的时间——等得不耐烦的人很多,不仅是可能的诺奖获得者,也不仅是诺贝尔委员会。
其实,我最好奇的是,LIGO团队说过,他们可以“注入”信号而不让别人知道。除了少数的几个人,LIGO团队(几千个人)可以把数据分析半年、却发现不了“信号”是注入的——这就很有意思了。
我理解,注入信号是为了检验LIGO工作是否处于正常状态,但是,所有的测量结果当然都有时间标记(time tag),所有的操作当然都有日志记录(log book),那么,为什么会有“注入”而不被觉察呢?
在我看来,引力波探测确实是科学界的一件大事,但是,诺贝尔物理学奖恐怕还不能算是对引力波探测结果的肯定,而是对引力波探测团队多年努力工作的支持。我们需要更多的观测结果来说话,比如说,再来100个黑洞融合事件,或者10个双中子星融合事件,或者其他什么还没有看到的多信使天文事件。
在此之前,LIGO团队除了进一步提高系统的灵敏度和稳定性以外,也许还应该努力做好两件事:让数据分享过程更快一些,至少应该比伽马暴预警快一些;让信息控制过程更宽松一些,不要总想着造个大新闻。
补注:
这是应观察者网孙珷老师邀请写的文章,仅代表个人观点。
http://www.guancha.cn/jiyang/2017_10_26_432285.shtml
篇首那两句话,应该配着《我要去桂林》的调子哼哼。
: 人类这次真"看到"了那根本不可能的引力波事件
作者| 吴中祥
追究LIGO根据什麼宣称GW 170817是“引力波”?
本博主的博文:人类这次“看到”的也根本不可能是引力波事件
http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1081150.html
已由充分的根据和理由具体证明:
这次在8月17日的事件中,中国、德国、英国和法国等国的,全球约70个地面及空间望远镜从红外、X射线、紫外和射电波等波段开展观测,确认来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系的信号,即:所谓“GW 170817”确可肯定的只能是:来自该星系的“光波”,没有任何根据说明它是“引力波”。
LIGO这次测得的,可能仍然只能是:来自地球内部的某种作用产生的结果,恰巧 比来自长蛇座内NGC4993星系的“光波”信号早2秒,而被国际流行“引力波”专家们误解为得到了他们一直孜孜以求,而实际并不存在的“引力波”至宝。又闹一次大笑话。
现在,需要追究的是:
LIGO根据什麼宣称GW 170817是“引力波”?
美国国家科学基金会召开的新闻发布会,宣布:
激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件;国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。
为什么只是说:美国LIGO捕捉到这个引力波信号。此后2秒,美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴,而没有说出有任何根据和理由,证明那个信号是“引力波”?
难道就能以此证明那个信号是“引力波”吗?
前面所引本博主的博文,已经证明:
LIGO和VIRGO所采用的激光干涉仪式的设备是只能探测纵波的微弱振动,不能探测到横波的信号,所有纵波的信号都不可能超过光波,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到的这个信号比美国费米太空望远镜观测到的伽马射线暴信号早到了2秒,怎么会与众多电磁设备所探测到的“光波”来自同一来源?怎么会是“引力波”?!
特别是,以前的第1次和第4次所谓“引力波”还以他们测到的波形与他们设想的所谓“引力波”,按爱因斯坦“引力场方程”计算的波形有0,几毫秒的一段相符,来证明,它们是“引力波”。
为什么要在两个月后才宣布,?还要提前两天预报新闻发布会?
经过如此长时间,如此慎重准备的新闻发布会,
却甚至仍然拿不出像第1次和第4次那样的所谓“证明”呢?
LIGO必须明确、具体回答:根据什麼宣称他们历次测到的微弱振动,特别是“GW 170817”,是“引力波”?!
追究LIGO根据什麼宣称GW 170817是“引力波”?
本博主的博文:人类这次“看到”的也根本不可能是引力波事件
http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1081150.html
已由充分的根据和理由具体证明:
这次在8月17日的事件中,中国、德国、英国和法国等国的,全球约70个地面及空间望远镜从红外、X射线、紫外和射电波等波段开展观测,确认来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系的信号,即:所谓“GW 170817”确可肯定的只能是:来自该星系的“光波”,没有任何根据说明它是“引力波”。
LIGO这次测得的,可能仍然只能是:来自地球内部的某种作用产生的结果,恰巧 比来自长蛇座内NGC4993星系的“光波”信号早2秒,而被国际流行“引力波”专家们误解为得到了他们一直孜孜以求,而实际并不存在的“引力波”至宝。又闹一次大笑话。
现在,需要追究的是:
LIGO根据什麼宣称GW 170817是“引力波”?
美国国家科学基金会召开的新闻发布会,宣布:
激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件;国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。
为什么只是说:美国LIGO捕捉到这个引力波信号。此后2秒,美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴,而没有说出有任何根据和理由,证明那个信号是“引力波”?
难道就能以此证明那个信号是“引力波”吗?
前面所引本博主的博文,已经证明:
LIGO和VIRGO所采用的激光干涉仪式的设备是只能探测纵波的微弱振动,不能探测到横波的信号,所有纵波的信号都不可能超过光波,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到的这个信号比美国费米太空望远镜观测到的伽马射线暴信号早到了2秒,怎么会与众多电磁设备所探测到的“光波”来自同一来源?怎么会是“引力波”?!
特别是,以前的第1次和第4次所谓“引力波”还以他们测到的波形与他们设想的所谓“引力波”,按爱因斯坦“引力场方程”计算的波形有0,几毫秒的一段相符,来证明,它们是“引力波”。
为什么要在两个月后才宣布,?还要提前两天预报新闻发布会?
经过如此长时间,如此慎重准备的新闻发布会,
却甚至仍然拿不出像第1次和第4次那样的所谓“证明”呢?
LIGO必须明确、具体回答:根据什麼宣称他们历次测到的微弱振动,特别是“GW 170817”,是“引力波”?!
哈!人类这次“看到”的也根本不可能是引力波事件
从来未曾有过的,提前两天,于北京时间10月14日,
美国国家科学基金会就宣布将在北京时间16日22时举行发布会,介绍美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲处女座(Virgo)引力波探测器及其全球合作伙伴的新发现。同日,欧洲南方天文台也宣布将宣布“一个先前从未观测到的天文现象的开创性发现”。
在国内,清华大学LIGO科学合作组织工作组将在北京时间10月17日发布最新引力波探测和研究成果。据悉,国内其他相关研究机构也将有所动作。
使全世界都感到:引力波又要出“大新闻”!
2017-10-16 22:05:54 来源: :
人类首次“看到”引力波事件
全球多国科学家16日同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。
美国东部时间8月17日8时41分(北京时间20时41分),美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到这个引力波信号。此后2秒,美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。
这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件,标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。
“几十年来,我们一直孜孜以求准备探测双中子星合并的引力波,”美国加州理工学院LIGO数据分析小组负责人艾伦•温斯坦教授说,“那天早上,我们所有的梦想成真。”
LIGO项目组在美国华盛顿发布这一重大发现。中国、德国、英国和法国等国科学家也各自举行新闻发布会。相关论文发表在《科学》《自然》等学术期刊上。
引力波是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪,宛如石头丢进水里产生的波纹。百年前,爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在,但直到2015年人类才首次探测到引力波,3名美国科学家因此获得今年的诺贝尔物理学奖。
在8月17日的事件中,全球约70个地面及空间望远镜从红外、X射线、紫外和射电波等波段开展观测,确认引力波信号来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系。
,多信使天文学结合使用多种探测手段,是引力波天文学的一个“圣杯”,“这样的探测将在天文学和天体物理的许多领域开启全新的探索途径。”
中国紫金山天文台副研究员金志平参与的国际团队,通过对此次引力波光学信号的观测和光谱分析,首次提供确凿证据证实,中子星合并是宇宙中金银等元素的主要起源。金志平说:“这就是宇宙中的‘巨型黄金制造厂’。”
本博客多篇博文,例如:http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1067688.html
已具体证明,只有 力的运动方程能形成不同能级,例如:
时空自旋力(即:3维空间的运动力+离心力)、电磁力(包括电力和磁力)、各种弹性力,的运动方程都能形成不同的能级,因而,相应的静止质量不=0的粒子就能,也才能,在其间跃迁,大量带电、电中性粒子的集团表现,才分别形成电磁波、振动波,并分别发射静止质量=0的光子、声子;基本粒子,在强力作用下,结合成新的激发态粒子、经一段 驰 豫 时间,在弱力作用下,放出相应频率的光子,成为非激发态的该粒子。
光子、声子时空“相宇”的统计,才分别形成光波、声波。
只有引力与其它各力不同,其运动方程(经典和相对论物理学),却都是: d^2r(3)/dt^2=km/r(3)^2,由其相应矢量方程的相应初始和边界矢量条件,v(3)0、r(3)0,积分,就只能解得:其各维运动轨迹为:圆锥曲线(椭圆、双曲线的一支、抛物线),或其特例(圆、直线),而不可能形成任何不同的能级。
因此,引力,不可能产生任何静止质量=0的粒子 ,也不能形成任何波。
2个黑洞或中子星等的合并,当然也不可能产生“引力波”。
LIGO和VIRGO采用的激光干涉仪原理设计想探测所谓“引力波”的灵敏设备,确实已接收到共4次大范围的微弱振动信号的波形,就宣称它们是双黑洞合并减少的静止质量能形成“引力波”。
也未说明,根据什么双黑洞合并,减少的静止质量能形成“引力波”。
只是第1次和第4次,具体地说:他们所测到的波形有分别为约0.几毫秒(ms)的一段与他们所设想双黑洞合并减少的静止质量,按爱因斯坦引力场方程计算出的波形相符,就宣称它们都是双黑洞合并产生的所谓“引力波”。
无论他们根据什么模型、模式设计,由爱因斯坦按非惯性牵引运动有时空弯曲特性,放弃矢量,导出的非线性的广义相对论场方程,计算出的所谓“引力波”,就只能是爱因斯坦在题为“Do Gravitational Waves Exist?(引力波存在吗?)”的学术论文中,就已经非常正确的更正指出的:“尽管在初级近似下它们的存在曾被认为是确定无疑的”,而实际上,却是:“非线性的广义相对论波动场方程”(因放弃矢量,类比电磁力,而混进的实为电磁力的)告诉我们的“更多东西”。
2个黑洞或中子星等合并减少的质量,按照相对论,都只能是其中的各基本粒子相互作用,反应、演变,前后,其静止质量乘c^2的差值,所释放的,大量频率光波,并经数十亿光年,显著红移后的“光波”。
它们 组合的波形怎么可能仅由0.几毫秒(ms)的一段波形就能判定?
可见,他们此前宣称共4次测得的,既根本不可能是引力波,又完全不可能是双黑洞合并必然产生的大量频率,且经显著红移后的光波。
光子时空相宇统计的光波和带电粒子集体表现的电磁波,是横波,
声子时空相宇统计的声波和电中性粒子集体表现的振动波,是纵波。
光子可在真空中运行,光波可在真空中传播。
声子不能在真空中运行,声波不能在真空中传播。
在太空,只有静止质量不=0的粒子,和静止质量=0的光子,才能运行。
声波只能转换为电波,再转换为光波,由光波在太空传送到接收站转换为电波,再转换为声波,才能被人听见。
宇宙中各星体(包括中子星)、黑洞,等所产生的各种粒子,只有静止质量不=0的粒子,和静止质量=0的光子才能到达地球,它们都只能用电磁原理的设备接收转换。
而LIGO和VIRGO所采用的激光干涉仪式的设备是只能用于探测纵波的微弱振动,不能探测到横波的信号。
这次在8月17日的事件中,中国、德国、英国和法国等国的,全球约70个地面及空间望远镜从红外、X射线、紫外和射电波等波段开展观测,确认来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系的信号,确可肯定的只能是:来自该星系的“光波”,没有任何根据说明它是“引力波”。
特别是,LIGO和VIRGO所采用的激光干涉仪式的设备是只能探测纵波的微弱振动,不能探测到横波的信号。
所有纵波的信号都不可能超过光波,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到的这个信号比美国费米太空望远镜观测到的伽马射线暴信号早到了2秒,怎么会来自同一来源?怎么是“引力波”?!
因此,LIGO这次测得的,可能仍然只能是:来自地球内部的某种作用产生的结果,恰巧 比来自长蛇座内NGC4993星系的“光波”信号早2秒,而被国际流行“引力波”专家们误解为得到了他们一直孜孜以求,而实际并不存在的“引力波”至宝。又闹一次大笑话。