引力波（下）

2018年06月28日   维加斯新闻报
刘文旺

       2、空间维度的困惑

       多维空间理论的出现，是在试图解决粒子物理中，相互作用的发散问题及把四种相互作用统一在一起时，在建立数学模型时们提出的假设。但是由于没有在我们日常生活中见到这些多余的空间，而假设这些空间在宇宙大爆炸时，由于四种相互作用还处于统一状态。因此，我们没有见到的那些空间发生了强烈的卷曲而存在于原始的很小的空间中，只有我们知道的三维空间舒展开来，成为我们今天见到的宏观天体系统。

       在经典物理中，一般认为构成物质的粒子占有空间的一个“点”状粒区域，该理论所根据的“粒子模型”遇到一些无法解释的问题。由于平方反比率的存在，在靠近粒子的地方的引力会增加至无限大。这就是粒子物理中出现的发散现象。 1968年由Gabriele Veneziano发现弦理论。这个理论认为所有的亚原子粒子都并非是小点，而是类似于橡皮筋的弦 。不同的粒子的区别仅在于弦振动的频率不同。

       这是一个很好的理论，所不同的是，这理论需要对我们所描绘的宇宙进行一些调整。从数学上讲,宇宙一定存在比我们所知的四维空间更多的时空维度。科学家认为这些隐藏的维度可能卷起到非常小以至于我们没有发现它们。

       目前，最成功的弦理论是1990年爱德华•维顿提出的具有11度空间的M理论。

       我们知道，量子理论比较成功地解释了三种基本作用力：电磁力、强力和弱力。弦理论则可能是量子引力的解决方案之一。超弦理论还包含了组成物质的基本粒子之一的费米子。特别地，这是一个强有力的统一理论：在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子，在额外维数空间中，它们都是同一粒子不同方向的运动的表现。实际上，额外维数还是弦理论不可分割的一部分：弦理论的数学方程要求空间是9维的，再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明，由M理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向，因此理论的最大维数是11维。人们推测通过观测小距离情况下引力对平方反比定律的偏离，或者是在粒子加速上或者是通过超新星爆发中产生的粒子散射进入额外维度因而看起来象消失一样等等奇怪的现象，也许我们现在就有能力探测到这些额外维度。

       这一推测部分得到如下的实验检验：《环球科学》（2007.9）第10页题目为《我们身处十维空间？ 》中提到美国的费米国家加速器实验室在观察MiniBooNE探测器发射μ中微子束，看看到底有多少粒子在飞行途中转变成了电子中微子。 2007年4月，研究人员公布了首批结果，基本上与粒子物理标准模型吻合。不过数据中也存在一个无法解释的异常现象。科学家推测导致这一现象的原因在于世界上还存在另一种中微子，它能穿越弦理论所预言的额外维度，走出一条捷径。这种粒子就是比其他三种中微子更诡异，它不像其他中微子那样受到微核力的作用，只能通过引力与其他物质发生相互作用。他就是于20世纪90年代找到的惰性中微子。 （惰性中微子是温暗物质的候选者，不参加除引力以外的任何相互作用。一项最新研究发现，如果中微子比通常认为的更重，那么存在于星系团观测和宇宙背景辐射测量结果之间的失配现​​象将有望得以解释。该研究还表明：第4种未被发现的中微子或许真的存在。在一项星系团研究中，天文学家利用美国航空航天局的钱德拉X射线天文台和欧洲空间局的XMM-牛顿卫星，发现了一个神秘的X射线信号。一个有趣的猜测认为，这些X射线是来自惰性中微子的衰变。）

       当然，最近一段时间，弦理论渐渐被人们所放弃，研究弦理论的科学家逐渐减小。

       这个理论的错误性可从如下分析得到证明：

       宇宙大爆炸理论告诉我们，我们生存的三个空间维数正在膨胀，因此可以推测它们曾经是很小和高度弯曲的。因此可能存在与我们三个空间维数垂直的其它空间维数，这些额外空间维数曾经是但现在仍然是很小和高度弯曲的。由于这些维数的尺度足够小以至于我们仍不能直接推测到。在宇宙的极早期，它诞生的10-43秒内，它的直径仅有10-33厘米，含有丰富的十维空间，所有的空间维度平等地卷缩在一起。在那样的空间中，宇宙的能量极高、温度极高，所有四种力都融为一体，在这样的环境下相对论和量子理论是一个统一的理论。

       这样高维度、高能量、高温度的空间是极不稳定的，之后发生大爆炸。空间的维度被解散、能量释放、温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来形成了我们今天的宇宙；而另外六维的空间则仍然卷缩在普朗克尺度（即10-33厘米）以内。

       但是，这种推测与我们观测到的实验室是是不相容的。这些事实同样来自天体物理学。

       我们知道，按照这个理论我们锁住的三维空间实际上是从宇宙大爆炸中产生的，在此之前，同其他为空间一样是严重卷曲的。此时四种相互作用统一于一种相互作用。这就产生一个问题，其他维空间正是由于这里的相互作用而处于卷曲状态。这些维空间之间的相互作用之强甚至在宇宙发生大爆炸这样的极端情况下，都没有被打开。因此，这些维空间与我们生活所在的三维空间之间一定存在同样很强的相互作用。

       这些发生强烈卷曲的维空间与我们生活所在的三维空间之间存在很强的相互作用，那么，这些维空间不可能不影响我们生活的空间的形状。这种相互作用在宇宙发生大爆炸之初，会严重影响我们四维空间的形状，之后会在万有引力的作用下持续影响我们生存空间的扩张。以至于我们生存的空间应该是向这些发生卷曲的空间倾斜、弯曲，而不是平坦的。

       这是事实吗？我们继续分析下去。

       我们知道宇宙结构的标准是：假如两束平等光线越来越近，那么宇宙结构是球形的；假如两速平行光线越来越远，那么宇宙结构是马鞍型的；假如两束平行光线永远平行下去，那么宇宙结构则是平坦的。平坦宇宙的结构可以用欧几里德几何解释，不平坦的宇宙结构可用非欧几何解释。

       人们的天文观测给出了宇宙是平坦的结论。我们看下面的事实：

       宇宙结构是平坦的这一结构最早是由参加“银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目”的多国科学家得出的。

       科学家在1998年底将射电天文望远镜放置在氦气球上升到距地面约40公里的高空，在那里对特定宇宙区域进行了11天的观测，获得了迄今关于宇宙早期辐射最详实的数据。经过研究，科学家发现，在大尺度上，宇宙最初发出的光线并没有发生弯曲现象，也就是说当初的两束平行光线一直保持平行状态，这说明宇宙结构是平坦的，也就是说宇宙总质量恰好等于临界质量，宇宙将像现在这样一直膨胀下去。

       其实，早在1965年，科学家就已探测到宇宙空间中均匀分布著的宇宙背景辐射，其温度为零下270摄氏度。之后，1994年，美国宇宙背景控测卫星发现，宇宙背景辐射中存在着微小温度波动，这表明那时宇宙内已存在密度非常小的物质云团。正是这些云团。逐渐收缩形成了后来的星系。这恰好体现了宇宙的演化过程。

       也就是说，我们实际观测到的宇宙是平直的事实，对多维空间理论是一个打击。

       其实，在粒子物理中存在重子数、轻子数守恒现象。这些粒子从高能粒子加速器中产生时为什么不进入其他维空间那？那里的力场不是更强才造成空间的卷曲吗？现代人对多维空间的理解、诠释是有问题的，突出的问题是没有深入考虑空间的物质本质问题。

       3、引力波的困惑

       引力波的物质基础是什么？

       我们一般认为爱因斯坦提出了引力波。其实，问题不是这样简单。

       由前面的分析可知，从物质实体的角度上看，无论是牛顿还是爱因斯坦都没有解决引力产生的原因。牛顿本是以太学说的否定者，但是，在惠更斯的追问下他还是假设以太是万有引力的承载者；爱因斯坦为了回避这一问题，认为根本就不存在万有引力，存在的只是质量引起了空间的弯曲，行星环绕太阳的运动从本质上说是行星在太阳产生的弯曲的空间中的自然运动。爱因斯坦也认为不存在以太，这一点在他的狭义相对论中非常明显，但是，在广义相对论中他有假设存在以太，并认为所谓的以太其实就是空间弯曲的曲率。

       我们知道，曲率只是一个数学概念，它不能成为传递相互作用的载体。传递相互作用的必须是实实在在的物质。

       也就是说，爱因斯坦并没有回答太阳的质量是怎样在远离太阳的地方造成空间弯曲的，因为由于离心力的存在，约束行星运动的空间必须具有刚性。如果我们认为存在某种作用造成了空间的弯曲，那么，问题就更复杂了。

       我们在用这样的理论解释太阳系中行星的运动时，假如既考虑这种造成空间弯曲的作用，又考虑晚间弯曲的存在——就像爱因斯坦解释光线的引力弯曲是一样。那么，这种相互作用将是我们熟知的引力的二倍。这会使现有太阳系中行星的运动变得不稳定——轨道半径应该减小。但这不是事实。

       可能是出于这个考虑，爱因斯坦才假设存在以太。如果真是这样，是以太产生了时空的弯曲，那么，从爱因斯坦方程中得到的引力波将是以太波。但是我们分析过，从物质本性的角度，从实验的角度都没有发现以太的存在。

       这是爱因里斯坦理论无法解释的问题，所以，从历史上看，当有人从他的公式推导出引力波时，爱因斯坦的第一反应就是反对引力波的存在。

       我们简单介绍一下引力波。

       引力波在广义相对论里，是时空本身的涟漪，是由带质量物体的加速度运动所生成。简单地说，可以把它想像成水面上物体运动时产生的水波。引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。在其传播的路径上，会在垂直于传播方向上引起时空的变化——挤压和拉伸（人们正是根据这一特性，测量引力波的）。

       中国科学院地质与地球物理研究所2012年12月26日下午在北京宣布，由该所汤克云研究员领衔、中国地震局和中国科学院大学有关科研人员组成的科学团组，经过10多年的持续探索，在多次日食期间的固体潮观测后，发现现行地球固体潮公式实际上暗含着引力场以光速传播的假定，从而提出用固体潮测量引力传播速度的方法。借此他们测量出了引力波的传递速度就等于真空中的光速。

       在还没有搞清引力波的物质本质的情况下，人们就开始在宇宙中寻找引力波。说来奇怪在天文观测方面，人们还“真的”发现了引力波的存在。我们看下面的“事实”。

       人们认为，两颗中子星的对撞或两个极重的黑洞对撞产生的引力波会造成地球上各处相对距离的变动。计算表明这些变动的数量级应该顶多只有10-21。据说LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这也是LIGO引力波侦测器的双臂做得很长的原因。

       我们知道，早在1974年，拉塞尔•赫尔斯和约瑟夫•泰勒发现赫尔斯－泰勒脉冲双星。这双星系统在环绕质心公转时，由于不断发射引力波而失去能量，因此会逐渐相互靠近，这现象为引力波的存在提供了首个间接证据。后来，在2016年2月11日LIGO科学团队与处女座干涉仪团队共同宣布人类对于引力波的首个直接探测结果，其所探测到的引力波是源自于双黑洞并合。 2017年，莱纳•魏斯、巴里•巴利许与基普•索恩因成功探测到引力波，而获得诺贝尔物理学奖。 2017年10月16日，全球数十家科学机构联合宣布，从约1.3亿光年外，科学家们首次探测到壮丽的双中子星并合产生的引力波，及其光学对应体。

       按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。这会产生另一个问题，原子中的轨道电子在发生能级跃迁时，会有变速运动。这样，其拥有的动能一部分转化为光子，一部分转化为“引力波”。但是，原子吸收光谱与发射光谱是一一对应的。没有发现因为“引力波”辐射的存在，而产生异常。有人会说，原子中轨道电子辐射的“引力波”能量是微不足道的。但是。不要忘了这些元素存在上百亿年了，不知道发生能级跃迁多少次。这里的积累效应是一个很大的数字。经过无数次的能级跃迁的能量损失，可能使轨道电子的能量发生变化，而出现吸收光谱与辐射光谱的差异，而此不是事实。

       下面，我们分析一下引力波的发现。

       发现引力波的实质

       2017年 8月17日，LIGO与Virgo的三台探测器先后接收到引力波信号GW170817。在探测到引力波信号GW170817后的1.7秒，美国国家航空航天局（NASA）的费米卫星探测到了一个伽马射线暴GRB170817A。在此之后的不到11个小时，位于智利的Swope望远镜报告在长蛇座星系NGC4993中观测到与之对应的光学源。在接下来的几周里，无数望远镜将目光对准这片天区，记录下这一事件发生之前100秒至之后几周的信号，这包括我们中国的天文观测。

       LIGO科学合作组织爆发源分析组联席主席、英国格拉斯哥大学教授、北京师范大学特聘外国专家Ik Siong Heng表示说，“这是我们迄今观测到强度最强的引力波信号，比第一次观测到的双黑洞引力波信号要强得多。”，它与之前的双黑洞绕转产生的引力波信号非常类似，但持续时间更长。 “探测器中GW170817信号持续时间超过1分钟，之前的双黑洞并合引力波信号只有1秒左右。”

       实际上，这次引力波的发现，是美国宇航局（NASA）的费米卫星伽马射线暴监视器首先发现了伽马射线爆发。得知这一信息后，LIGO的引力波观测团队才在其仪器上找到了早于这一信号1.7秒的引力波记录。这都无所谓，值得疑问的是，为什么引力波的出现与伽马射线爆发一一对应。

       科学家提出的使用激光干涉仪探测引力波的方法，与当年的迈克尔逊—莫雷测光速的方法是一样的。

       我们看下面的疑问：

      （1）宇宙大爆炸过程，是最强烈的动态过程，因此，会产生大量的包括各种可能频率的引力波，成为宇宙引力波背景辐射，这观测到了吗？它的存在应该使引力波探测仪产生干涉条纹的强烈而持续存在的变化。而此不是观测事实。

       2014年3月17日17日，哈佛大学史密森天体物理中心宣布，他们首次直接探测到宇宙大爆炸第一波震荡，即原始引力波。可是后来发现，这是一起乌龙事件。

      （2）引力波是像光子一样，一份一份的吗？它的能量满足E=hν吗？还是像机械波，如水波一样是一个连续体？原则上，引力波在各个频率上都有。科学家们认为可能可以被探测到的引力波频率，应该在107 Hz 到1011Hz之间。但是，宇宙大爆炸过程是一个极端的过程，应该能产生各种高频的引力波而被我们的仪器测到。但这不是事实。若是像机械波那样，在三维立体空间中展开，经过13亿年就会至少展布在一个半径13亿光年的球里。它的能量密度太小了，这还能探测到吗？

       例如，天狼双星在其附近产生的引力波功率可达到1.1×1015瓦，

       遥远的 黑洞的撞击、超新星剧烈膨胀或坍缩、中子星旋转以及致密双星合并这一类突发事件会发出强大的引力波。这种引力波的波长大约300公里到3万公里，频率在10到1000赫兹。激起的引力波可以将附近一个太阳大小的恒星推开，但它们到达地球上时仅仅剩下1.3×10-24瓦，微弱得只能将一个电子震动。所以人们只能想办法间接地“观看”它的存在。北相科学家季灏等发表在《北京相对论研究快报》2016.2上的文章“LIGO能测到的不是双黑洞合并时产生的引力波”一文中指出，太阳距地球的距离是，1,5х1013cm，此合并的黑洞距离地球的距离约是1.2х1027cm，黑洞辐射能力是太阳的106倍.由于引力波按平方反比规律衰减。因此，就太阳的活动产生的引力波的强度是这一合并的黑洞的6.4х1021倍，因此，若真的探测到了这一合并黑洞产生的引力波，则更应该能探测到太阳活动产生的引力波。还至于到太空中寻找吗？

       还有，据研究人员估计，两个黑洞合并前的质量分别相当于３６个和２９个太阳质量，合并后的总质量是６２个太阳质量，３个太阳质量的能量以引力波的形式在不到１秒的时间内释放，释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约５０倍。

       这样说的依据是什么？我们怎么知道65个太阳质量的总质量中，就有3个太阳质量的能量转化为引力波？在这一过程中应该有更多的能量以电磁辐射的形式存在。为什么没有见到这一现象。

      （3）引力是空间的弯曲，行星运动产生的离心力都不能改变这种弯曲，引力波是怎样改变时空弯曲进而产生以光速传播的引力波的？

      （4）引力波能改变空间大小的，因此会同时改变管道的长度与光子的波长，从而，不能改变光子的运行时间，这又怎么能在两个互相垂直的光路上产生光程差，从而形成干涉条纹的变化那？

      （5）爱因斯坦不承认以物质形式存在的以太，他认为以太只是一种空间度规。那么，物质波的物质存在形式是什么？能说物质波就是一种空间度规波吗？度规只是一个数学概念呀。

      （6）在广义相对论里，爱因斯坦不相信太阳质量的万有引力约束著行星的运动，而是认为太阳的质量使空间发生弯曲，行星在弯曲的轨道上有序运动。这就产生一个问题，太阳的质量是怎样使远离太阳的地方的空间发生弯曲的？完全一样地，引力波是怎样使仪器及所在的空间在垂直与传播方向上发生变化的。这里的物理机制是什么？ ！理论物理学家与实验物理学家都相信，这种波的能量经13亿年的传递已经很弱了，它是怎样在不损耗能量的前提下，使空间、仪器发生形变的？为什么我们需要消耗大量的能量才能使仪器发生形变？

       为了解释引力波发现的实质，我们先要明白，这个实验不是在绝对真空中进行的。我们简单分析如下：

       我们知道，真空是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。确切地说，真空是指低于大气压力的气体的给定空间，即每立方厘米空间中气体分子数大约少于两千五百亿亿个的给定空间。用现代抽气方法获得的最低压力，每立方厘米的空间里仍然会有数百个分子存在。

       按气体压强大小的不同，通常把真空范围划分为：低真空1×105 -1×102Pa，中真空1×102-1×10-1Pa，高真空1×10-1-1×10-5Pa，超高真空1×10-5-1×10-9 Pa，极高真空1×10-9Pa以下。

       从上面的分析可知，在我们的实验环境根本不存在真空。

       世界上最强的真空管——例如美国使用的真空管中也存在克级空气。我们知道这杨的真空管中含有1022个空气粒子以上。因此，这时实验并不是在理想的正空管中进行的。一个简单的事实就是M-M实验中发现了光速不变，而在天体观测中发现的光性差现像中，光速时刻变的。

       我认为，这与菲索实验室类似的。针对干涉条纹的变化一种可能的解释是:外在的一高能伽马射线暴冲进地球大气层，从而在大气中产生电磁冲击。这一过程产生的变化的电磁场、及这一过程产生的高能粒子，冲进了仪器中，加速了（冲击了）真空管中的稀薄气体，使其产生了微弱的定向加速运动，这一冲击在冲击力的方向上改变了介质的轨道电子能量，从而破坏了真空管中的稀薄气体的各向同性：沿外在的脉冲运动方向，介质原子或分子向前加速使其能量增加，轨道电子ω0增大，代入折射率公式：

       n2=1+4πNe2/m（ω02-ω2-iγω）

       其中，N是介质单位体积内的原子数，当N=0时就是真空，所以n=1、m为电子质量、ω为光子震荡角频率、ω0是电子震荡角频率，γ为阻尼衰减系数、 i是复数单位。

       我们发现介质的折射率减小，光速增加。从而像菲索实验一样，使光速沿脉冲方向加快。进而出现干涉条纹的变化。这一变化，使我们误认为观测到了引力波。

       这也是为什么“引力波”的出现总是伴有宇宙伽马射线暴的原因。

       我们可做如下实验加以验证：在真空管所在的方向上加一高强度的变化电磁场，就会产生干涉条纹的移动。

       自太空的能量伽马射线爆发曾经冲击过我们的地球。 2011年，一个研究小组在日本发现，一些古老的雪松树上有一种不同寻常的放射性碳—碳14。研究人员还在南极冰盖上发现了放射性铍—铍10。这些同位素产生于强烈的辐射冲击上层大气中的原子产生的，根据树木年轮和冰的数据研究人员确定，这一事件发生于公元774年和公元775期间。这洋的爆发作用于LIGO上会产生明显的干涉条纹的移动。

       一个沿LIGO运动的观测者，会因为空间的收缩而引起干涉条纹的移动吗？不要再自欺欺人了。

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