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引力波（下）

2018/06/28   維加斯新聞報
劉文旺

       2、空間維度的困惑

       多維空間理論的出現，是在試圖解決粒子物理中，相互作用的發散問題及把四種相互作用統一在一起時，在建立數學模型時們提出的假設。但是由於沒有在我們日常生活中見到這些多餘的空間，而假設這些空間在宇宙大爆炸時，由於四種相互作用還處於統一狀態。因此，我們沒有見到的那些空間發生了強烈的捲曲而存在於原始的很小的空間中，只有我們知道的三維空間舒展開來，成為我們今天見到的宏觀天體系統。

       在經典物理中，一般認為構成物質的粒子佔有空間的一個“點”狀粒區域，該理論所根據的“粒子模型”遇到一些無法解釋的問題。由於平方反比率的存在，在靠近粒子的地方的引力會增加至無限大。這就是粒子物理中出現的發散現象。 1968年由Gabriele Veneziano發現弦理論。這個理論認為所有的亞原子粒子都並非是小點，而是類似於橡皮筋的弦 。不同的粒子的區別僅在於弦振動的頻率不同。

       這是一個很好的理論，所不同的是，這理論需要對我們所描繪的宇宙進行一些調整。從數學上講,宇宙一定存在比我們所知的四維空間更多的時空維度。科學家認為這些隱藏的維度可能捲起到非常小以至於我們沒有發現它們。

       目前，最成功的弦理論是1990年愛德華•維頓提出的具有11度空間的M理論。

       我們知道，量子理論比較成功地解釋了三種基本作用力：電磁力、強力和弱力。弦理論則可能是量子引力的解決方案之一。超弦理論還包含了組成物質的基本粒子之一的費米子。特別地，這是一個強有力的統一理論：在低維中觀測到的不同粒子也可能是同一種粒子，在額外維數空間中，它們都是同一粒子不同方向的運動的表現。實際上，額外維數還是弦理論不可分割的一部分：弦理論的數學方程要求空間是9維的，再加上時間維度總共是10維時空。更進一步的研究表明，由M理論給出的更完全的認識揭示了弦理論的第10維空間方向，因此理論的最大維數是11維。人們推測通過觀測小距離情況下引力對平方反比定律的偏離，或者是在粒子加速上或者是通過超新星爆發中產生的粒子散射進入額外維度因而看起來象消失一樣等等奇怪的現象，也許我們現在就有能力探測到這些額外維度。

       這一推測部分得到如下的實驗檢驗：《環球科學》（2007.9）第10頁題目為《我們身處十維空間？ 》中提到美國的費米國家加速器實驗室在觀察MiniBooNE探測器發射μ中微子束，看看到底有多少粒子在飛行途中轉變成了電子中微子。 2007年4月，研究人員公佈了首批結果，基本上與粒子物理標準模型吻合。不過數據中也存在一個無法解釋的異常現象。科學家推測導致這一現象的原因在於世界上還存在另一種中微子，它能穿越弦理論所預言的額外維度，走出一條捷徑。這種粒子就是比其他三種中微子更詭異，它不像其他中微子那樣受到微核力的作用，只能通過引力與其他物質發生相互作用。他就是於20世紀90年代找到的惰性中微子。 （惰性中微子是溫暗物質的候選者，不參加除引力以外的任何相互作用。一項最新研究發現，如果中微子比通常認為的更重，那麼存在於星系團觀測和宇宙背景輻射測量結果之間的失配現​​象將有望得以解釋。該研究還表明：第4種未被發現的中微子或許真的存在。在一項星系團研究中，天文學家利用美國航空航天局的錢德拉X射線天文台和歐洲空間局的XMM-牛頓衛星，發現了一個神秘的X射線信號。一個有趣的猜測認為，這些X射線是來自惰性中微子的衰變。）

       當然，最近一段時間，弦理論漸漸被人們所放棄，研究弦理論的科學家逐漸減小。

       這個理論的錯誤性可從如下分析得到證明：

       宇宙大爆炸理論告訴我們，我們生存的三個空間維數正在膨脹，因此可以推測它們曾經是很小和高度彎曲的。因此可能存在與我們三個空間維數垂直的其它空間維數，這些額外空間維數曾經是但現在仍然是很小和高度彎曲的。由於這些維數的尺度足夠小以至於我們仍不能直接推測到。在宇宙的極早期，它誕生的10-43秒內，它的直徑僅有10-33厘米，含有豐富的十維空間，所有的空間維度平等地捲縮在一起。在那樣的空間中，宇宙的能量極高、溫度極高，所有四種力都融為一體，在這樣的環境下相對論和量子理論是一個統一的理論。

       這樣高維度、高能量、高溫度的空間是極不穩定的，之後發生大爆炸。空間的維度被解散、能量釋放、溫度降低。三維的空間和一維的時間無限延伸開來形成了我們今天的宇宙；而另外六維的空間則仍然捲縮在普朗克尺度（即10-33厘米）以內。

       但是，這種推測與我們觀測到的實驗室是是不相容的。這些事實同樣來自天體物理學。

       我們知道，按照這個理論我們鎖住的三維空間實際上是從宇宙大爆炸中產生的，在此之前，同其他為空間一樣是嚴重捲曲的。此時四種相互作用統一於一種相互作用。這就產生一個問題，其他維空間正是由於這裡的相互作用而處於捲曲狀態。這些維空間之間的相互作用之強甚至在宇宙發生大爆炸這樣的極端情況下，都沒有被打開。因此，這些維空間與我們生活所在的三維空間之間一定存在同樣很強的相互作用。

       這些發生強烈捲曲的維空間與我們生活所在的三維空間之間存在很強的相互作用，那麼，這些維空間不可能不影響我們生活的空間的形狀。這種相互作用在宇宙發生大爆炸之初，會嚴重影響我們四維空間的形狀，之後會在萬有引力的作用下持續影響我們生存空間的擴張。以至於我們生存的空間應該是向這些發生捲曲的空間傾斜、彎曲，而不是平坦的。

       這是事實嗎？我們繼續分析下去。

       我們知道宇宙結構的標準是：假如兩束平等光線越來越近，那麼宇宙結構是球形的；假如兩速平行光線越來越遠，那麼宇宙結構是馬鞍型的；假如兩束平行光線永遠平行下去，那麼宇宙結構則是平坦的。平坦宇宙的結構可以用歐幾里德幾何解釋，不平坦的宇宙結構可用非歐幾何解釋。

       人們的天文觀測給出了宇宙是平坦的結論。我們看下面的事實：

       宇宙結構是平坦的這一結構最早是由參加“銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目”的多國科學家得出的。

       科學家在1998年底將射電天文望遠鏡放置在氦氣球上升到距地面約40公里的高空，在那裡對特定宇宙區域進行了11天的觀測，獲得了迄今關於宇宙早期輻射最詳實的數據。經過研究，科學家發現，在大尺度上，宇宙最初發出的光線並沒有發生彎曲現象，也就是說當初的兩束平行光線一直保持平行狀態，這說明宇宙結構是平坦的，也就是說宇宙總質量恰好等於臨界質量，宇宙將像現在這樣一直膨脹下去。

       其實，早在1965年，科學家就已探測到宇宙空間中均勻分佈著的宇宙背景輻射，其溫度為零下270攝氏度。之後，1994年，美國宇宙背景控測衛星發現，宇宙背景輻射中存在著微小溫度波動，這表明那時宇宙內已存在密度非常小的物質雲團。正是這些雲團。逐漸收縮形成了後來的星系。這恰好體現了宇宙的演化過程。

       也就是說，我們實際觀測到的宇宙是平直的事實，對多維空間理論是一個打擊。

       其實，在粒子物理中存在重子數、輕子數守恆現象。這些粒子從高能粒子加速器中產生時為什麼不進入其他維空間那？那裡的力場不是更強才造成空間的捲曲嗎？現代人對多維空間的理解、詮釋是有問題的，突出的問題是沒有深入考慮空間的物質本質問題。

       3、引力波的困惑

       引力波的物質基礎是什麼？

       我們一般認為愛因斯坦提出了引力波。其實，問題不是這樣簡單。

       由前面的分析可知，從物質實體的角度上看，無論是牛頓還是愛因斯坦都沒有解決引力產生的原因。牛頓本是以太學說的否定者，但是，在惠更斯的追問下他還是假設以太是萬有引力的承載者；愛因斯坦為了迴避這一問題，認為根本就不存在萬有引力，存在的只是質量引起了空間的彎曲，行星環繞太陽的運動從本質上說是行星在太陽產生的彎曲的空間中的自然運動。愛因斯坦也認為不存在以太，這一點在他的狹義相對論中非常明顯，但是，在廣義相對論中他有假設存在以太，並認為所謂的以太其實就是空間彎曲的曲率。

       我們知道，曲率只是一個數學概念，它不能成為傳遞相互作用的載體。傳遞相互作用的必須是實實在在的物質。

       也就是說，愛因斯坦並沒有回答太陽的質量是怎樣在遠離太陽的地方造成空間彎曲的，因為由於離心力的存在，約束行星運動的空間必須具有剛性。如果我們認為存在某種作用造成了空間的彎曲，那麼，問題就更複雜了。

       我們在用這樣的理論解釋太陽系中行星的運動時，假如既考慮這種造成空間彎曲的作用，又考慮晚間彎曲的存在——就像愛因斯坦解釋光線的引力彎曲是一樣。那麼，這種相互作用將是我們熟知的引力的二倍。這會使現有太陽系中行星的運動變得不穩定——軌道半徑應該減小。但這不是事實。

       可能是出於這個考慮，愛因斯坦才假設存在以太。如果真是這樣，是以太產生了時空的彎曲，那麼，從愛因斯坦方程中得到的引力波將是以太波。但是我們分析過，從物質本性的角度，從實驗的角度都沒有發現以太的存在。

       這是愛因里斯坦理論無法解釋的問題，所以，從歷史上看，當有人從他的公式推導出引力波時，愛因斯坦的第一反應就是反對引力波的存在。

       我們簡單介紹一下引力波。

       引力波在廣義相對論裡，是時空本身的漣漪，是由帶質量物體的加速度運動所生成。簡單地說，可以把它想像成水面上物體運動時產生的水波。引力波的主要性質是：它是橫波，在遠源處為平面波；有兩個獨立的偏振態；攜帶能量；在真空中以光速傳播等。在其傳播的路徑上，會在垂直於傳播方向上引起時空的變化——擠壓和拉伸（人們正是根據這一特性，測量引力波的）。

       中國科學院地質與地球物理研究所2012年12月26日下午在北京宣布，由該所湯克雲研究員領銜、中國地震局和中國科學院大學有關科研人員組成的科學團組，經過10多年的持續探索，在多次日食期間的固體潮觀測後，發現現行地球固體潮公式實際上暗含著引力場以光速傳播的假定，從而提出用固體潮測量引力傳播速度的方法。藉此他們測量出了引力波的傳遞速度就等於真空中的光速。

       在還沒有搞清引力波的物質本質的情況下，人們就開始在宇宙中尋找引力波。說來奇怪在天文觀測方面，人們還“真的”發現了引力波的存在。我們看下面的“事實”。

       人們認為，兩顆中子星的對撞或兩個極重的黑洞對撞產生的引力波會造成地球上各處相對距離的變動。計算表明這些變動的數量級應該頂多只有10-21。據說LIGO引力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小於一顆質子直徑的千分之一。這也是LIGO引力波偵測器的雙臂做得很長的原因。

       我們知道，早在1974年，拉塞爾•赫爾斯和約瑟夫•泰勒發現赫爾斯－泰勒脈衝雙星。這雙星系統在環繞質心公轉時，由於不斷發射引力波而失去能量，因此會逐漸相互靠近，這現象為引力波的存在提供了首個間接證據。後來，在2016年2月11日LIGO科學團隊與處女座干涉儀團隊共同宣佈人類對於引力波的首個直接探測結果，其所探測到的引力波是源自於雙黑洞並合。 2017年，萊納•魏斯、巴里•巴利許與基普•索恩因成功探測到引力波，而獲得諾貝爾物理學獎。 2017年10月16日，全球數十家科學機構聯合宣布，從約1.3億光年外，科學家們首次探測到壯麗的雙中子星並合產生的引力波，及其光學對應體。

       按照廣義相對論，加速運動的質量會產生引力波。這會產生另一個問題，原子中的軌道電子在發生能級躍遷時，會有變速運動。這樣，其擁有的動能一部分轉化為光子，一部分轉化為“引力波”。但是，原子吸收光譜與發射光譜是一一對應的。沒有發現因為“引力波”輻射的存在，而產生異常。有人會說，原子中軌道電子輻射的“引力波”能量是微不足道的。但是。不要忘了這些元素存在上百億年了，不知道發生能級躍遷多少次。這裡的積累效應是一個很大的數字。經過無數次的能級躍遷的能量損失，可能使軌道電子的能量發生變化，而出現吸收光譜與輻射光譜的差異，而此不是事實。

       下面，我們分析一下引力波的發現。

       發現引力波的實質

       2017年 8月17日，LIGO與Virgo的三台探測器先後接收到引力波信號GW170817。在探測到引力波信號GW170817後的1.7秒，美國國家航空航天局（NASA）的費米衛星探測到了一個伽馬射線暴GRB170817A。在此之後的不到11個小時，位於智利的Swope望遠鏡報告在長蛇座星系NGC4993中觀測到與之對應的光學源。在接下來的幾周里，無數望遠鏡將目光對準這片天區，記錄下這一事件發生之前100秒至之後幾週的信號，這包括我們中國的天文觀測。

       LIGO科學合作組織爆發源分析組聯席主席、英國格拉斯哥大學教授、北京師範大學特聘外國專家Ik Siong Heng表示說，“這是我們迄今觀測到強度最強的引力波信號，比第一次觀測到的雙黑洞引力波信號要強得多。”，它與之前的雙黑洞繞轉產生的引力波信號非常類似，但持續時間更長。 “探測器中GW170817信號持續時間超過1分鐘，之前的雙黑洞並合引力波信號只有1秒左右。”

       實際上，這次引力波的發現，是美國宇航局（NASA）的費米衛星伽馬射線暴監視器首先發現了伽馬射線爆發。得知這一信息後，LIGO的引力波觀測團隊才在其儀器上找到了早於這一信號1.7秒的引力波記錄。這都無所謂，值得疑問的是，為什麼引力波的出現與伽馬射線爆發一一對應。

       科學家提出的使用激光干涉儀探測引力波的方法，與當年的邁克爾遜—莫雷測光速的方法是一樣的。

       我們看下面的疑問：

      （1）宇宙大爆炸過程，是最強烈的動態過程，因此，會產生大量的包括各種可能頻率的引力波，成為宇宙引力波背景輻射，這觀測到了嗎？它的存在應該使引力波探測儀產生干涉條紋的強烈而持續存在的變化。而此不是觀測事實。

       2014年3月17日17日，哈佛大學史密森天體物理中心宣布，他們首次直接探測到宇宙大爆炸第一波震盪，即原始引力波。可是後來發現，這是一起烏龍事件。

      （2）引力波是像光子一樣，一份一份的嗎？它的能量滿足E=hν嗎？還是像機械波，如水波一樣是一個連續體？原則上，引力波在各個頻率上都有。科學家們認為可能可以被探測到的引力波頻率，應該在107 Hz 到1011Hz之間。但是，宇宙大爆炸過程是一個極端的過程，應該能產生各種高頻的引力波而被我們的儀器測到。但這不是事實。若是像機械波那樣，在三維立體空間中展開，經過13億年就會至少展佈在一個半徑13億光年的球裡。它的能量密度太小了，這還能探測到嗎？

       例如，天狼雙星在其附近產生的引力波功率可達到1.1×1015瓦，

       遙遠的 黑洞的撞擊、超新星劇烈膨脹或坍縮、中子星旋轉以及緻密雙星合併這一類突發事件會發出強大的引力波。這種引力波的波長大約300公里到3萬公里，頻率在10到1000赫茲。激起的引力波可以將附近一個太陽大小的恆星推開，但它們到達地球上時僅僅剩下1.3×10-24瓦，微弱得只能將一個電子震動。所以人們只能想辦法間接地“觀看”它的存在。北相科學家季灝等發表在《北京相對論研究快報》2016.2上的文章“LIGO能測到的不是雙黑洞合併時產生的引力波”一文中指出，太陽距地球的距離是，1,5х1013cm，此合併的黑洞距離地球的距離約是1.2х1027cm，黑洞輻射能力是太陽的106倍.由於引力波按平方反比規律衰減。因此，就太陽的活動產生的引力波的強度是這一合併的黑洞的6.4х1021倍，因此，若真的探測到了這一合併黑洞產生的引力波，則更應該能探測到太陽活動產生的引力波。還至於到太空中尋找嗎？

       還有，據研究人員估計，兩個黑洞合併前的質量分別相當於３６個和２９個太陽質量，合併後的總質量是６２個太陽質量，３個太陽質量的能量以引力波的形式在不到１秒的時間內釋放，釋放的峰值能量比整個可見宇宙釋放的能量還要高出約５０倍。

       這樣說的依據是什麼？我們怎麼知道65個太陽質量的總質量中，就有3個太陽質量的能量轉化為引力波？在這一過程中應該有更多的能量以電磁輻射的形式存在。為什麼沒有見到這一現象。

      （3）引力是空間的彎曲，行星運動產生的離心力都不能改變這種彎曲，引力波是怎樣改變時空彎曲進而產生以光速傳播的引力波的？

      （4）引力波能改變空間大小的，因此會同時改變管道的長度與光子的波長，從而，不能改變光子的運行時間，這又怎麼能在兩個互相垂直的光路上產生光程差，從而形成乾涉條紋的變化那？

      （5）愛因斯坦不承認以物質形式存在的以太，他認為以太只是一種空間度規。那麼，物質波的物質存在形式是什麼？能說物質波就是一種空間度規波嗎？度規只是一個數學概念呀。

      （6）在廣義相對論裡，愛因斯坦不相信太陽質量的萬有引力約束著行星的運動，而是認為太陽的質量使空間發生彎曲，行星在彎曲的軌道上有序運動。這就產生一個問題，太陽的質量是怎樣使遠離太陽的地方的空間發生彎曲的？完全一樣地，引力波是怎樣使儀器及所在的空間在垂直與傳播方向上發生變化的。這裡的物理機制是什麼？ ！理論物理學家與實驗物理學家都相信，這種波的能量經13億年的傳遞已經很弱了，它是怎樣在不損耗能量的前提下，使空間、儀器發生形變的？為什麼我們需要消耗大量的能量才能使儀器發生形變？

       為了解釋引力波發現的實質，我們先要明白，這個實驗不是在絕對真空中進行的。我們簡單分析如下：

       我們知道，真空是指在給定的空間內低於一個大氣壓力的氣體狀態。確切地說，真空是指低於大氣壓力的氣體的給定空間，即每立方厘米空間中氣體分子數大約少於兩千五百億億個的給定空間。用現代抽氣方法獲得的最低壓力，每立方厘米的空間裡仍然會有數百個分子存在。

       按氣體壓強大小的不同，通常把真空範圍劃分為：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，極高真空1×10-9Pa以下。

       從上面的分析可知，在我們的實驗環境根本不存在真空。

       世界上最強的真空管——例如美國使用的真空管中也存在克級空氣。我們知道這楊的真空管中含有1022個空氣粒子以上。因此，這時實驗並不是在理想的正空管中進行的。一個簡單的事實就是M-M實驗中發現了光速不變，而在天體觀測中發現的光性差現像中，光速時刻變的。

       我認為，這與菲索實驗室類似的。針對乾涉條紋的變化一種可能的解釋是:外在的一高能伽馬射線暴衝進地球大氣層，從而在大氣中產生電磁衝擊。這一過程產生的變化的電磁場、及這一過程產生的高能粒子，衝進了儀器中，加速了（衝擊了）真空管中的稀薄氣體，使其產生了微弱的定向加速運動，這一沖擊在衝擊力的方向上改變了介質的軌道電子能量，從而破壞了真空管中的稀薄氣體的各向同性：沿外在的脈衝運動方向，介質原子或分子向前加速使其能量增加，軌道電子ω0增大，代入折射率公式：

       n2=1+4πNe2/m（ω02-ω2-iγω）

       其中，N是介質單位體積內的原子數，當N=0時就是真空，所以n=1、m為電子質量、ω為光子震盪角頻率、ω0是電子震盪角頻率，γ為阻尼衰減係數、 i是複數單位。

       我們發現介質的折射率減小，光速增加。從而像菲索實驗一樣，使光速沿脈衝方向加快。進而出現干涉條紋的變化。這一變化，使我們誤認為觀測到了引力波。

       這也是為什麼“引力波”的出現總是伴有宇宙伽馬射線暴的原因。

       我們可做如下實驗加以驗證：在真空管所在的方向上加一高強度的變化電磁場，就會產生干涉條紋的移動。

       自太空的能量伽馬射線爆發曾經衝擊過我們的地球。 2011年，一個研究小組在日本發現，一些古老的雪松樹上有一種不同尋常的放射性碳—碳14。研究人員還在南極冰蓋上發現了放射性鈹—鈹10。這些同位素產生於強烈的輻射衝擊上層大氣中的原子產生的，根據樹木年輪和冰的數據研究人員確定，這一事件發生於公元774年和公元775期間。這洋的爆發作用於LIGO上會產生明顯的干涉條紋的移動。

       一個沿LIGO運動的觀測者，會因為空間的收縮而引起干涉條紋的移動嗎？不要再自欺欺人了。