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【基础科研】LIGO是怎么回事?
2019/09/25 05:04
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LIGO测量出黑洞并合的引力波信号,是过去几年最重要的基础物理突破。但是虽然诺贝尔奖很快就给了,争议还是有的。

本月初,Sabine Hossenfelder在她的博客上讨论这个话题(原文在http://backreaction.blogspot.com/2019/09/whats-up-with-ligo.html ),后来我应《观察者网》之邀翻译了那一篇文章,不过至今他们还没有决定是否要刊登,我想干脆线先在自己博客上和繁体字读者分享。

这件事专业性很高,即使是科学从业人员,也不一定完全看懂Hossenfelder的意见,所以我在这里也做些简单的总结和评论:

1) LIGO的信号,已经足够精确,可以排除因爲偶然杂讯造成统计噪音的可能。

2) 但是LIGO团队并没有解释大约占98-99%的非天文信号(他们叫做“差错”)来自何处,这是很不严谨的态度。

3) 最后还有一个逻辑可能,就是所有的结果都是LIGO团队有心假造的。这还无法经由客观分析排除掉,但是从社会学的角度,可能性极小。毕竟在银行业,Rogue Trader还可以永不休假,学术大佬不可能如此。

以下是Hossenfelder的文章:

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大约四年前,在2015年九月14日,LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉引力波天文台)团队首次探测到引力波,随即在2017年因此获颁诺贝尔物理奖。同年,欧洲的VIRGO Interferometer(室女座干涉仪)上线,成爲两座LIGO侦测器的补充。所以在过去两年来,全球共有三座引力波侦测器一起监视时空背景的波动。

至今,LIGO/VIRGO总共发表了几十次的侦察报告,包括双黑洞并合,双中子星并合,以及黑洞-中子星并合。然而并非所有的物理学家都相信这些报告的真实性。

例如在2017年,丹麦的Andrew Jackson就宣称LIGO的数据分析大部分无法被复制。到了2018年十一月,Jackson斩钉截铁地公开宣布,除了第一个双黑洞并合事件(GW150914,如下图)之外,所有其它的所谓发现,都是子虚乌有。他说:“当我们对他们的数据做盲分析(Blind Data Analysis)的时候,什么都找不到。我是丹麦人,所以很想说这是‘国王的新引力波’”。

原本2017年八月17日的双中子星并合事件(GW170817)让大部分物理学家安心了许多。这是因爲有好几个电磁观测器(即伽玛射线、X光、光学和电波望远镜)也观察到了同一个事件,似乎证明LIGO测量的是真实的天文现象,而不是杂讯。然而反对者指出最先报告这个事件的,其实是NASA的伽玛射线观察卫星,LIGO在40分钟之后才赶上潮流,所以仍然不算是盲测试。而且后来天文物理界对这个事件是否真是双中子星并合,至今还在争议之中。

更加火上加油的,是去年Michael Brooks在《New Scientist》上的报导,他引用两个LIGO的内线消息,说连GW150914,也就是LIGO获得诺贝尔奖的关键发现,都不是用盲分析得出的,而是“靠人眼”,并且“手动加强以利教学”。发表LIGO论文的期刊,到现在仍然拒绝做任何评论。

LIGO团队本身也是守口如瓶,只放出一句话:“我们对所有发表的结果都有完全的信心,请大家耐心等待。”

今年四月,LIGO升级到第三阶段(Observation Run 3),灵敏度提高了40%。很多人寄望这个升级会发现更多有电磁观测佐证的双中子星并合事件;几个月过去了,并没有发生。

从四月到现在,LIGO团队一共宣布发现了33个引力波事件(参见https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/),多少次有电磁观测的佐证呢?一次都没有。反而是LIGO在事后已经撤回了其中的9个结果,因爲后续分析证明它们有太大的可能是非天文因素产生的杂讯。

这样的撤稿比率是很高的,不过在实验刚刚升级,团队还不适应的阶段,是可以说得过去的。尤其爲了让电磁观测器能尽快对准可能的事件做观察,也不可能花时间慢慢分析考虑,必须在第一时间就通报出去。

既然LIGO信号的真实性还没有独立而确切的证明,批评的声浪自然此起彼落。最极端的是Alexander Unzicker,他曾写过一本书叫做“希格斯粒子是假的”。Unzicker在德国媒体《Heise》上宣称(德文原版https://www.heise.de/tp/features/Fake-News-aus-dem-Universum-4442282.html,英文翻译参见https://www.heise.de/tp/features/Fake-News-aus-dem-Universum-4442282.html)GW150914的信号既是头一个发现也刚好特别明确,所以很可能是所谓的“盲注入”(“Blind Injection”),也就是用来测试系统的假信号被当真了。LIGO团队里负责盲注入的三个人都指天画地,赌誓绝对没有在当天送进任何假信号,但是Unzicker指出程序就在那里,其它人要偷偷启动,并非不可行。

在前面提到的33个新信号里面,最强的是S190425z。它应该是一次双中子星并合,但是如前所述,电磁观测器都没发现任何对应的事件。当然这也有合理的解释:首先它比GW170817远了4倍,所以信号强度只有1/16;此外LIGO并不能精确定位;宇宙中也有很多能遮蔽电磁波的障碍。

更新的测量发生在八月14日,这应该是一个黑洞-中子星并合事件,然而全世界的电磁观测器还是什么都没看到。这次的距离比GW170817远了7倍,那么信号强度当然更低。

不过一次又一次都没有佐证,还是难免让人失望,甚至起疑。支持者指出可能有其它的物理原因,例如那个黑洞吞噬中子星的过程太短太快,以致发出的电磁波能量不大。宇宙尘埃也又被提起。

最新的八月17日的事件,事后被撤稿了。

然后我们当然必须谈一谈“差错”(“Glitch”)。

LIGO的所谓“差错”指的是测量到的不明引力波事件,但是因爲频谱没有可对应的天文现象,只能被扔到一边。我没有内部消息来源,不知道确实已经有过多少个“差错”,但是它们的编号是日期再加上两位数字,所以至少有部分天数里,发生的次数是超过10的。LIGO也借用一般民众志愿贡献的计算机时间来分析数据,他们的这个组织叫做“Gravity Spy”(参见https://blog.gravityspy.org/),里面特别强调各式各样的“差错”,包括“锦鲤”(“Koi Fish”)、“口哨”(“Whistle”)和“闪点”(“Blip”)等等。下图是一些例子。 

这让我也头痛了:如果你不知道爲什么侦测器会收到这许多你不想要的信号,那么你怎么能确定你喜欢的那少数几个信号是真的呢?

Andrew Jackson的评论如下:

“LIGO可以说有些信号符合黑洞并合的样板,但是如果要做出结论,说这些信号真的来自黑洞并合,那么你就必须先证明它们不可能有其它的来源。”

“然而这些信号其实很普通。他们看到的是什么?信号的强度和频率一起增加,最后忽然消失。这描述的,基本是任何浩劫性(Catastrophic)事件。强度增强、频率增高,然后进入新的平衡态。所以他们必须排除无数的地球现象,象是地震,或者布基纳法索上空的雷暴…”

采访者:“你认爲他们没有排除这些可能性?”

Jackson:“是的。”

如果Jackson说的对,那么我们必须同意LIGO实验的问题太大,但是我实在想不出有什么地球现象能复制黑洞并合的引力波信号,更别提LIGO/VIRGO团队有三个侦测器可以互相验证比较。事实上,和Jackson的说法相反,一个典型的浩劫性事件并不会有频率增高的现象,更不会有忽然的静寂。

拿地震为例子。绝大多数的地震是应力超过岩层承受能力的结果。地震的信号并不会造成频率增高,在达到新稳定态之后,也不是忽然的静寂,而是有很长的余震。下图是一个典型的地震波,它和黑洞并合的引力波信号毫无类似之处。

所以我不同意Jackson的结论。然而这些信号是否来自非天文的源头,还是有逻辑上的不确定性的,因此必须有更严谨的研究分析,不能只靠我一个人花半个小时空想来下断言。

总结来说,虽然我觉得LIGO的批评者言过其实,但是支持者也明显过于松懈。一个诺贝尔奖就这么给出去,但是这个信号是否是真的,却还不能算是已经被明确证明了。我很难想象任何其它的科学领域,能如此轻松地把未知来源的大量测量结果当成假信号丢掉。然后我们必须考虑,爲什么用电磁观测器去测量共生信号会这么困难?

LIGO的第三阶段将会持续运行到2020年三月。目前来看,并不一定会有足够的新发现能解答前面所讨论的疑惑。我希望LIGO团队和他们的支持者们肯多下一点工夫在解决这些严谨性的问题上。

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2楼. 无知者,无畏
2019/09/25 16:26
我仍然相当困惑?

王兄,作为一个1980中期的中国著名大学物理系的毕业生,我以下的问题,可能有些丢人。但是这个问题,真的困扰了我很长时间,能否请王兄用比较简单直白的方法帮助我解释一下引力波的场景描述?

类比电磁波(作为电磁能量辐射和传播的方法),在引力的定义中,引力的量值主要跟物体质量和距离有关,如果质量和距离不发生类波动型变化,引力的变化为何会出现波动特性?

注:我并未度过爱因斯坦有关引力波的理论。

如同电磁学里,电荷做出加速度运动,就会发放电磁波,任何质量做出加速度运动,也会放出引力波。当然重力理论比电磁理论要更复杂些,因爲前者能扭曲时空,但是即使考虑这个因素,引力波的现象仍然存在。 王孟源2019/09/25 18:11回覆
1楼. 狐禅
2019/09/25 09:59
有第二轨甚至第三轨的独立验证,才能保证测量的可复制性。这点在许多极尖端的实验都不见得能满足。这其中能信赖的就只剩「诚实」了。有位社会学家跟着重力波探测团队,做现地观察,诚实这点,他「认为」是合格的。他写了几本书,其中 Gravity's ghost and big dog (by H Collins)这本详述了其中成员的心态与方法。是硬里子科学外的观点,值得参考。

《观察者网》有几次想刊批评LIGO的文章,都被我劝下来,因爲我从几年前LIGO刚做第一个宣布开始,就知道除非是有心作假,它的结果必然是真的,而不是统计噪音。这是因爲他们不但有两个独立的侦测器,而且那个信号的形状太独特了。

王孟源2019/09/25 10:27回覆