美国LIGO真的发现了引力波吗？——质疑引力波理论概念及2017年度Nobel物理奖

黄志洵，姜荣

(1.中国传媒大学信息工程学院，北京100024；2.浙江传媒学院，杭州310018)

References

2015年9月14日，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的2个检测器几乎同时收到一个瞬态信号；据此LIGO团队宣布说：“我们已从两个黑洞的合并观测到引力波，因为检测到的波形与广义相对论的预测一致”。相关的论文发表在2016年2月12日出版的刊物《Phys.Rev. Lett》上。后来LIGO又不断发布探测到引力波的消息，前4次说是由双黑洞合并产生的，第5次(2017年10月16日宣布)是由双中子星合并产生的。2017年10月3日Nobel委员会宣布，LIGO的3位美国科学家获得当年的Nobel物理奖。

回顾过去，1887年德国物理学家H.Hertz用实验证明了电磁波存在，从而证实了J.Maxwell的理论预言。20世纪中电磁波得到了广泛的应用，极大地改变了人类的生活。因此，处于21世纪的今天，如果能发现另一种全新的波动形式(例如引力波)，那是一件了不起的大事，应当热烈欢迎。但是，这种发现必须是可信和可靠的，要经得起实践的检验。然而很遗憾，目前被大肆宣传的“美国LIGO发现引力波”，并不能满足这些基本要求。尽管消息被媒体热炒，仍然有多国(中国、英国、德国、丹麦、巴西)的科学家提出了质疑。然而Nobel委员会一律不予回复。

英国科学刊物《New Scientist》于2018年11月3日出版的一期上，刊登了一篇文章“Wave goodbye？ Doubts are being raised about 2015’s breakthrough gravitational waves discovery”(与波再见？关于2015年的突破性发现，怀疑升高)。文章说，丹麦Copenhagen的玻尔物理研究所(Niels Bohr Institute)的一个团队对噪声影响等作研究的结论是：“the decisions made during the LIGO analysis are opaque at best and probably wrong.”(根据LIGO分析而作的判断，往最好说也是愚笨的，甚至可能是错误的)。12月4日，宋健院士给黄志洵教授写了一封短信，指出《New Scientist》文章质疑LIGO 2016年发现的重力波；但在2017年10月3位中国科学家(梅晓春、黄志洵、胡素辉)合写的一篇评论，内容与此文大多重合。可见质疑者并非仅你们三人。……。宋健院士是国家科技界领导人之一，曾任国家科委主任、中国工程院院长，他对引力波问题的关注表示这件事对中国科学家而言也是非常重要的。

我们认为，迄今为止最有力的质疑文章之一是Hao Liu及丹麦团队的“Abnormal corrections in the LIGO data”(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics，Vol. 2017，Aug. 2017)。但是，目前仍缺少在基础理论层面作论述的著作；我们企图弥补这一缺陷，但在叙述时尽量避免数学分析和公式罗列。

1 Einstein引力场方程存在的问题

所谓线性场近似亦即弱场近似，无论求证“与Newton的一致性”，或是预言“存在引力波”，走的都是这条路。在引力场很弱时，所谓“时空”(spacetime)几乎是平坦的，这时可取gμν=ημν+hμν，式中ημν是Minkowski度规，hμν是一个无限小张量(|hμν|ㄍ1)；故gμν≅ημν。除了弱场假设，还有稳态假设——略去所有的对时间的导数项；在这些条件下，硬是弄出一个与Newton引力场方程(NGFE)一样的方程(▽2Φ=4πGρ)。然而这当中是假定可取κ=-8πG/c4，其中G是Newton平方反比定律中的常数，c是真空中光速。这也带有推测性规定的性质——κ的大小并非任意，而是服从这里的需要。

因此，EGFE整个推导过程有太多的假定和推测。经常是预先设想了结果，设定一些假设后通过数学手段趋近和达到这一结果。总之，Einstein引力场理论不是令人放心的可靠理论，它无法取代Newton的理论。Newton的经典引力理论是建立在Kepler实验定律所包含的无数实验观测结果之上的，经过了几百年科学实验和工程实践的检验，并且继续在科学和工程中接受广泛的检验，从来没有一个例子证明Newton万有引力定律的错误。相反，GR从基本假设、理论框架、实验检验和实际应用都存在根本性的不自洽或者违背基本的物理事实。因此，说“广义相对论比Newton引力理论更精确”是不对的。Einstein弯曲时空理论只在球对称引力场方程求解时有效，缺乏普遍意义。建立几何化引力理论不仅不可能，而且把物理作用(引力作用)几何化是把物理学引上了歧途。因此2016年黄志洵曾在一首诗中写道：“牛顿仍称百世师”。

2 Einstein引力场方程是不可能求解和无用的

Newton引力理论中描述势场的是一个标量方程。Einstein引力场方程是一个2阶张量方程，是一个包含6个独立微分方程的方程组；其复杂性非常大，其非线性非常强。早就有人指出，这个EGFE是“即使数学天才也无法求解”的。说穿了，是根本无用的。Einstein将引力理论弄得如此复杂，人们有理由期待这种复杂化会带来新的发现。期待将一个标量方程扩展为2阶张量方程以后，会发现此前物理学界不知道的新的物理规律。然而这种复杂化并没有带来新的内容。除了(0，0)分量以外，Einstein引力场张量方程中的其他分量的微分方程或导致时空度规的无穷大发散和时空翻转，也与SR的光速极限原理相悖。

总之，EGFE是包含6个独立非线性偏微分方程的方程组，不仅没有解析解，甚至没有求解的方法。如把边界条件的复杂考虑进去，求解就更困难。关于有高度非线性的原因，通常认为是由于物质(源)的能量、动量与时空曲率的相互影响，使EGFE不仅是引力场方程也是物质(源)的运动方程。也可以这样理解：电磁场的Maxwell方程组是线性的，因为场与源(如电荷)是分开独立的；但引力场却带有能量、动量，必对自身场(源)有贡献，亦即引力对其自身的作用造成非线性。把一个高度非线性的方程强行改变为线性是不合理的，然而Einstein就这样做了。否则，一个完全无解的方程就等于完全无用，这是他绝不会接受的。不仅如此，最好像电磁场理论导出电磁波那样，从中导出引力波来；所以就进行大量近似化处理，以求达到既定目标。

3 Einstein引力场方程没有波动的周期解

Einstein在Princeton大学时曾说：“If you ask me whether there are gravitational waves or not，I must answer that I do not know”(见：L.Infeld，Quest：an autobiography. New York：chelsea，1980年)；这是非常清醒的回答。我们认为，他这样讲证明他知道the non-linear EGFE does not support the existence of a gravitational wave solution!

4 对时空一体化的批评

相对论完全建立在对时空的独特理念之上，但这个spacetime(译作“空时”或“时空”)究竟是什么意思？其实人们并不真的了解。教科书中是这样介绍“4维矢量”的：狭义相对论(SR)创立3年后，Minkowski提出4维矢量概念，即把3维空间加上时间作为一个整体。由于坐标变换中(变换参考系时)出现x2+y2+z2-(ct)2，这里c是光速；但是

x2+y2+z2-(ct)2=x2+y2+z2+(jct)2

因此就说jct可作为4维空间的一个分量。构成4维矢量后，x2+y2+z2+(jct)2代表该矢量长度的平方；这时可以证明代表一点位置的4维矢量不随参考系变化而改变。1908年Minkowski曾说：“从今以后空间、时间都将消失，只有二者的结合能保持独立的实体。”这种古怪的观点立即被Einstein接受和使用。

我们认为这种处理方式虽在数学表达上有某些好处，但恰恰违反了物理真实性(physical reality)。把空间矢量与时间矢量“相加”，在实际上不可能，也没有意义！从根本上讲不应把时间和空间混为一谈。我们认为，空间是连续的、无限的、三维的、各向同性的；时间是物质运动的持续和顺序的标志，时间是连续的、永恒的、单向的、均匀流逝无始无终的。空间、时间都不依赖于人们的意识而存在；而且，空间是空间，时间是时间；它们都是描述物质世界的基本量。所谓spacetime在计量学及国际单位制Sl中是不存在的，也不具有可测量的特性。人为地以不同量纲的物理量来构造一个新的参量(所谓4D时空)，从而把时间和空间这两个完全不同的物理学概念混为一谈，是缺乏合理性的作法。

有趣的是，2014年出版的书《Interstellar》(《星际穿越》)中，作者K.Thorne承认“空间与时间的混合与直觉相悖”；又说“人类对时空弯曲不甚了解，也几乎没有相关实验和观测数据”。这就足够说明问题了——一贯支持相对论并以其作为指导思想的美国CIT教授Kip Thorne(最早提出LIGO项目建议的人，也是2017年Nobel物理奖获得者之一)，也认为时空一体化和时空弯曲都存在问题。这值得我们深思。

1905年Einstein在一篇论文中论证了动体质量与能量的关系，被后人认为证明了他的伟大和天才。但是几十年来有多人指出文中的推导不仅糟糕，甚至可能是先知道结果(E=mc2)，然后拼凑出一个推导并加以发表。实际上，法国科学家H.Poincarè早在1900年即对电磁波列进行计算，得到电磁辐射的惯性(质量m)与电磁能量(E)的关系为m=E/c2；所以这个广为人知的公式实际上是Poincarè公式。……2017年C.Y.Lo在论文中指出，质能关系式与EGFE是相冲突的；因为按照GR的时空弯曲理论，Ricci曲率R受质量影响，但由于电磁能引力张量是无轨迹的，电磁能不能影响R。然而电磁能与质量是等效的，因而出现了矛盾。

5 LIGO采用的数值相对论方法不可信

前面强调EGFE是一个高度非线性的2阶偏微分方程组，加之边界条件、初始条件复杂，本来是一个无法求解的数学难题，本身已不具备物理价值和意义。但人们企图用数值计算方法来克服困难——20世纪60年代有人提出数值相对论方法(numerical method of relativity)，简记为NMR，是用数值计算和拟合来模拟EGFE所表现的物理过程。这个方法的一个突出问题是，EGFE存在大量非物理的形式解，这些解往往会导致指数增长，最终使程序崩溃。

按照GR，两个黑洞碰撞合并过程会产生引力波。用数值相对论方法计算，根据不同的参数，可以得到一大堆引力波的理论波形。LIGO把这些数据存储在波形库里，称为样版波形(template waveform)，用来衡量其他数据的好坏。根据某一组数据与这一理论标准的差别来定义统计可信度参数，差别越大的可信度越差。如此定义的可信度自然就偏向所选定的理论模型。

假设在相差0.7ms的两个时刻，两台相距2000km的激光干涉仪上都出现一个形状相似的波形。LIGO计算机系统就自动地把这两个波形与数据库中的理论引力波形进行比较。如果波形库中恰好一个理论波形与激光干涉仪上出现的这两个波形类似，LIGO就认为测量到引力波。根据这个理论波形的预设条件，LIGO还推断说，在离地球多少亿光年的某个地方，有两个多少质量的两个黑洞碰撞。

然而程序崩溃的梦魇一直困扰着NMR；两个黑洞放在那里，别说要它们合并，就是让它们走两步，程序都会崩溃。这种NMR方法根本不足以证明干涉仪所收到的波形一定是他们推想的13亿光年以外的那个“双黑洞合并事件”。更不要说，黑洞是否真的存在还不知道。2014年1月英国物理学家S.Hawking说：“黑洞是没有的；黑洞理论是我一生中所犯的最大错误”。LIGO拿不出别的天文观测实验结果作为旁证，是把一些仅有数值模拟价值的东西当作真实物理过程。对宇宙中发生的事(或者根本未发生过的事)，作“大胆推论”的作法令人吃惊。

实际上激光干涉仪处于大量噪音的包围中。两个没有因果关联、但波形相似的噪音同时出现在两个干涉仪上是完全可能的。丹麦哥本哈根Bohr研究所的J.Creswell等于2017年9月发表的文章，指出他们在LIGO的数据库中找到许多噪音波形，与所谓的引力波形非常相似——8个与引力波相似的噪音波形出现在24秒的时间内，可见其出现的频率很高。在中国专家的研究中也发现类似的现象，事实上，在GW150914引力波爆发的前后几分钟内，就从LIGO提供的数据中找到几十个这种类似的波形。这就解释了为什么LIGO能够如此频繁地“发现”引力波爆发信号。双黑洞合并是比超新星爆发更为剧烈的天文现象，怎么可能几个月来一次？

6 引力传播速度是超光速而非光速

太阳光以光速行进，从太阳到地球要走8.3min。那么太阳引力到达地球要多少时间？Einstein认为也是8.3min，因为他确定引力以光速传播。这是多么荒唐！太阳引力作用于地球绝不会那么“慢”。在Newton时代，人们已经知道光速为有限值，太阳光射到地球约需8分钟。但太阳的引力作用于地球肯定比光速快得多，这才是Newton了解和相信的东西；不过Newton并未说过引力以无限大速度传播。……其实，很早就有两位著名科学家(德国的R.Lömmel教授和英国的Max Born教授)曾当面告诉Einstein：“有的东西比光快，万有引力。”但Einstein不接受——因为SR已出来了(1905年)，后来GR也出来了(1915年)，Einstein不能改口。结果是，他说引力场传播速度是光速，引力波传播速度也是光速，场与波都不分了。实际上，如果太阳产生的引力是以光速向外传播，那么当引力走过日地间距而到达地球时，后者已前移了与8.3min相应的距离。这样一来，太阳对地球的吸引同地球对太阳的吸引就不在同一条直线上了。这些错行力(misaligned forces)的效应是使得绕太阳运行的星体轨道半径增大，在1200年内地球对太阳的距离将加倍。但在实际上，地球轨道是稳定的；故可断定“引力传播速度远大于光速”。1998年T.Flandern指出，引力传播速度vG=(109～2×1010)c。

7 结论

本文认为是基本的物理原理决定了引力波不能存在，从理论层面论述了该命题不可信的原因。Einstein引力场方程是GR理论的基本方程，但它的推导有假设和拼凑的作法。引力场的物理效果被认定由Riemann空间的度规张量体现，需要知道度规场分布的规律。但由于没有可作依据的实际观测知识，推导引力场方程就用猜测性的推理。尽管引力场方程被导出，但它非常复杂且有高度非线性，实际上不可解。然而，一个无法求解的方程是对人类无用的东西，因此Einstein通过弱场近似导出引力波。这是尽力模仿电磁理论的作法，但这并不合理，连LIGO也说在有剧烈天文现象发生时才迅速地有引力波产生；这可不是“弱场”，与理论前提相矛盾。总之，Einstein引力场方程的非线性造成无波动解。

本文批评了Minkowski的时空一体化。此外，还批评了LIGO所采用的数值相对论方法。最终的结论是：引力波是一个无意义的概念，缺乏物理买在性且造成误导。至于2017年Nobel物理奖的颁发，我们认为是错误的。

本文在写作时参考了王令隽教授、梅晓春研究员以及C.Y.Lo的有关论述，谨致谢意!