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引力波已经被发现,但有科学家对引力波的发生产生了怀疑!

发布时间:2018-11-08 10:49:54  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:141

    引力波已经被发现,但有科学家对引力波的发生产生了怀疑!
      毫无疑问,我们迟早会观测到引力波。这种对空间和时间的有节奏的挤压和伸展是科学最成熟的理论之一--爱因斯坦的广义相对论的自然结果。因此,当我们建造一台能够观察波浪的机器时,似乎发现在检测到之前只是时间问题。
      激光干涉仪引力波观测站的合作,也就是众所周知的LIGO,于2015年9月12日启动了升级的探测器。在48小时内,它进行了第一次探测。几个月后,研究人员在信号中充满信心地宣布了一项发现。世界各地的头条新闻很快就宣告了上个世纪最伟大的科学突破之一。2017年,诺贝尔奖接踵而至。此后还发现了另外五个“波浪”。
      他们存在吗?这是一群物理学家提出的问题,他们对数据进行了自己的分析。“我们认为LIGO没有为探测到任何引力波事件提供令人信服的证据。”该组织的发言人安德鲁·杰克逊(Andrew Jackson)说。根据他们的说法,这一突破根本不是这样的:它完全是一种幻觉。
      2016年2月11日传出了第一次发现引力波的重大消息。在一次新闻发布会上,该合作组织的资深成员宣布,他们的探测器已经探测到了两个遥远的黑洞相互旋转时发射的引力波的特征。
      总部设在丹麦哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所的杰克逊小组的疑虑始于这次新闻发布会。研究人员对宣布这一发现时所使用的自信语言感到惊讶,并决定更仔细地检查。
      他们的主张不是无理取闹。虽然研究人员不研究引力波,但他们拥有信号分析方面的专业知识,也有处理大数据集的经验,比如宇宙微波背景辐射--宇宙大爆炸的余辉在天空中以精细的模式传播。“这些人是可信的科学家。”纽约锡拉丘兹大学的邓肯·布朗说,他是一位引力波专家,但最近离开了LIGO的合作。
    引力波已经被发现,但有科学家对引力波的发生产生了怀疑!
      第一次引力波发现于2016年2月11日向全世界宣布
      引力波是由黑洞或中子星等大质量物体的碰撞引起的。它们旅行了数十亿年,交替地挤压和拉伸它们前进的时空。它们向四面八方扩散,越走越弱,但在地球上用足够灵敏的仪器就能探测到它们。
      LIGO合作建造了两台这样的仪器,在华盛顿州汉福德探测器和路易斯安那州利文斯顿探测器。位于意大利比萨附近的第三个名为Virgo的独立仪器于2017年与其他仪器相连。这些“干涉仪”将激光射入两条长长的隧道,然后将其反射回来,使脉冲同时到达。通过引力波将扭曲时空,使一个隧道比另一个隧道更长,进而无法同步。
      引力波冲过地球时,它们是非常微弱的,我们所期望的隧道长度的变化大约相当于质子直径的千分之一。这远远小于来自背景地震震动的干扰,甚至比探测器硬件的自然热振动要小得多。在引力波探测中,噪声是一个很大的问题。
      这就是为什么在不同的地方都有探测器。我们知道引力波以光速传播,所以任何信号只有在适当的时间间隔出现在所有探测器上才是合法的。减去那个共同的信号,剩下的就是每个探测器在任何时刻所特有的残余噪声,因为它的地震振动等等都是不断变化的。
      这是LIGO从噪音中提取引力波信号的主要策略。但是当杰克逊和他的团队查看第一次发现的数据时,他们的怀疑增加了。起初,杰克逊打印出两个原始信号的图表,并把它们放在一起对比。他认为两者之间有某种联系,他和他的团队后来掌握了LIGO研究人员公布的基础数据,并进行了计算。他们查了又查,但他们发现,汉福德探测器和利文斯顿探测器的残余噪声有着共同的特征。“我们得出了一个非常令人不安的结论。”杰克逊说,“他们没有把信号和噪音分开。”
      丹麦的研究小组把他们的研究报告写了出来,并上传到了网上。在没有收到LIGO合作的回复后,他们将其提交给了“宇宙学和天体粒子物理杂志”。该杂志的编辑,德国慕尼黑路德维希马西米兰大学的维阿切斯拉夫·穆哈诺夫,他是世界著名的宇宙学家。该杂志的编辑和顾问委员会包括一些顶尖物理学家,如剑桥大学的马丁·里斯、牛津大学的乔安娜·邓克利和加利福尼亚州斯坦福大学的安德烈·林德。
    引力波已经被发现,但有科学家对引力波的发生产生了怀疑!
      穆哈诺夫将这份文件送交有适当资格的专家审查。评审员的身份通常是保密的,这样他们就可以自由评论稿件,但这些人都是“声誉很高”的人,穆哈诺夫说:“没有人能够指出丹麦分析中的具体错误。”
      小事引起的轩然大波?毕竟,广义相对论毕竟是我们最能被证实的理论之一,所以我们有充分的理由认为它对引力波的预测是正确的。我们知道LIGO应该足够灵敏来检测它们。这些仪器正以精确的理论预测的速度发现引力波。那为什么还要担心这个噪音呢?
      这个问题有一个简单的答案。物理学家以前也犯过错误,这些错误只有在密切关注实验噪声的情况下才会暴露出来。
      解决引力波争议的第一步是询问LIGO的研究人员是如何知道该寻找什么的。他们从噪音中挖掘信号的方法是计算一个信号应该是什么样子,然后从检测到的数据中删除它。
      计算出一个信号应该是什么样子需要解决爱因斯坦的广义相对论方程,它告诉我们引力是如何改变时空的。LIGO数据分析师中的资深人物,蒙大拿州立大学的尼尔·科尼什说:“我们无法精确地为两个黑洞合并的情况求解爱因斯坦方程,相反,分析师使用几种方法来近似他们期望看到的信号。”
      第一种方法被称为数值方法,它将时空分割成块。而不是求解一个连续的空间块的方程,您只需解决有限数量的部分。这比较容易,但仍然需要巨大的计算能力,这意味着不可能对所有可能的引力波源都这样做。
      一种更普遍的方法,称为解析法,使用爱因斯坦方程的近似,为引力波信号生成模板,这些信号将由不同的源(如不同质量的黑洞)产生。这些计算只需不到一秒的时间,但不够精确,不足以模拟两个黑洞的最终合并。这个终端游戏是在附加计算中建模的,在这个计算中,研究人员调整参数以拟合初始解析解的结果。
    引力波已经被发现,但有科学家对引力波的发生产生了怀疑!
      为了探测引力波,LIGO的探测器需要一个安静的环境
      科尼什承认,使用预先计算过的模板是个问题。通过模板搜索,你只能找到你想要的东西。更重要的是,有一些模板,例如那些代表由某些类型的超新星爆炸产生的波,LIGO的研究人员无法创造。
      这就是为什么科尼什更喜欢他帮助开发的第三种方法,涉及到用微小的波建立一个模型。这就像一个波信号的微小部分,可以通过各种方式组装。改变部件的数量和形状,直到找到从噪声中去除信号的组合。因为小波分析不会对产生引力波的因素做出任何假设,所以它可以做出最深刻的发现。科尼什说,小波“允许我们探测未知的未知数”。缺点是,它们没有告诉我们任何有关检测到的源的物理属性的信息。为此,我们必须将构造的信号与模板或数值分析进行比较。
      这三种方法面临的挑战是,要准确地从数据中删除信号需要你知道何时应该停止。换句话说,你必须理解残余噪声应该是什么样子。这是非常棘手的。你可以忘记在没有引力波的情况下运行探测器来获得背景读数。噪音变化很大,没有可靠的背景。相反,LIGO依赖于对探测器中的噪声进行定性,这样他们就知道在任何给定的时间它应该是什么样子。“我们所做的很多工作都是模拟和研究噪音。”科尼什说。
      关于第一次探测的论文使用的数据图更多的是‘说明性’而不是精确性的。
      杰克逊对LIGO的噪音分析持怀疑态度。问题之一是没有对协作结果进行独立检查。但最近几年的另一项杰出的物理发现--希格斯玻色子就不是这样了。通过分析瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)两个不同探测器的多个控制良好的粒子碰撞,证实了该粒子的存在。两个探测器组彼此保持结果直到分析完成。
    引力波已经被发现,但有科学家对引力波的发生产生了怀疑!
      相反,LIGO必须处理单一的、不可控制的、不可重复的事件。虽然有三个探测器,但它们几乎是一台仪器。尽管有四个数据分析小组,他们不能完全分开工作,因为检测过程的一部分需要检查所有的仪器都看到了信号。它创造了一种情况,在这种情况下,每一次积极的观察都是不可检验的结论。外部人士必须相信,LIGO正在正确地履行其职责。
      纯说明性
      对这种信任也有合理的质疑。例如,这项合作决定公布并非从实际分析中得出的数据图样。科尼什说,“物理评论快报”中关于第一次检测的论文使用的数据图更多的是“说明性的”,而不是精确的。论文中的一些结果不是用分析算法找到的,而是“肉眼”得到的。
      作为当时LIGO合作的一部分,布朗解释说这是一种提供视觉帮助的尝试。“它是为了教学目的而手工调校的。”他说,他感到遗憾的是,这个数字没有贴上标签来指出这一点。
      在这样一份经过同行评审的科学报告中,这种“手工调优”数据的呈现无疑是不寻常的。当有人询问处理这篇论文的编辑罗伯特·加里斯托,是否意识到,发表的数据图并非直接来源于LIGO的数据,而是“教育学”的,而且是“通过眼睛”完成的,以及该期刊是否通常接受说明数据。加里斯托拒绝置评。
      在LIGO公布的供公众使用的数据中也值得怀疑。这种合作近似于从汉福德信号中减去利文斯顿信号,在数据中留下相关性,杰克逊注意到了这种相关性。现在数据发布网页上有一条注释,说公开可用的波形“没有被调整为精确地去除信号”。
      不管报告和数据发布的缺点是什么,科尼什坚持认为,实际的分析是用处理工具完成的,这些工具花了很多年才开发出来,实现了巨大的计算能力,而且它运行得很完美。
      然而,任何在合作之外的人都必须相信他的话。“这是有问题的:没有足够的数据来独立进行分析,”杰克逊说。“看上去它们是开放的,根但本没有开放。”
      布朗同意这是一个问题。他说:“LIGO已经取得了长足的进步,并且正朝着开放数据和可再生科学的方向发展。但我觉得还没到那一步。”
      丹麦小组在三篇同行评议的论文中发表的独立调查发现,几乎没有证据表明2015年9月的信号中存在引力波。杰克逊说,第一次被探测到的概率是从一个涉及黑洞的事件中得到的,而LIGO声称的性质为0.000004。这与小行星撞击的几率大致相同。信号被任何一种黑洞合并的可能性也不是很大。杰克逊和他的同事们计算出这个数字是0.008。
      同时发出的信号
      还有其他证据表明,后来的探测至少有一次来自引力波。2017年8月17日,轨道费米望远镜在LIGO和Virgo探测器接收到一个信号的同时,看到了电磁辐射爆发。对所有证据的分析表明,这两种信号都来自两颗中子星的猛烈碰撞。
      然而,丹麦团体也持不同意见。他们指出,此次合作最初将这一事件标记为虚假,因为它与所谓的“小故障”不谋而合。探测器受到这些短暂的、令人费解的噪音的困扰,有时每小时几次。它们似乎与干涉仪的硬件、悬吊线和隔震设备有关。科尼什说,LIGO的分析师最终成功地消除了噪声,并揭示了信号,但杰克逊和他的合作者再次不相信使用的方法,事实是没有办法检查他们。
      布朗认为丹麦小组的分析是错误的,但值得一试。科尼什承认,仔细审查可能不是一件坏事。他和他的同事计划发表一篇描述LIGO噪声的详细特性的论文。“这是一种我们并不真正想写的论文,因为它很无聊,我们有更多令人兴奋的事情要做。”但是,他补充说:“这很重要,加强审查和批评最终可能不是坏事。你必须理解你的噪音。”
      科尔斯本人并不怀疑我们已经探测到了引力波,但他同意杰克逊的观点,即只有独立的科学家能够检查原始数据和分析工具,才能证实这一点。“本着开放科学的精神,我认为LIGO应该释放重现其结果所需的一切。”