试评LIGO引力波实验

物理学的一些基本问题体现在对空间、时间、引力的看法上,由Newton建立的经典力学(CM)作了清楚的阐述.1905年Einstein提出的狭义相对论(SR)当中根本没有对引力的思考,而在1908年Minkowski说“从今以后空间、时间都将消失,只有这二者的结合保持为独立的实体”——他指的是spacetime概念,译作“时空”或“空时”.这概念立即体现在1916年问世的广义相对论(GR)中,并发展为引力波理论——质量使时空弯曲,当物体加速时它沿着弯曲时空(curved spacetime)以光速发出涟漪,即引力波.然而查遍计量学书籍文献也找不到一个独立的称为“时空”(或“空时”)的物理量.spacetime概念要表达什么,是模糊不清的;时空一体化是整个理论体系的基础,而这个“地基”令人怀疑.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”.这不像是真正令人完全相信、十分放心的科学发现方式,因为你无法确认它真的是由“引力波”造成的.虽然信噪比较高,但是它也可能来自别的原因.所用数值相对论(numerical relativity)方法并不很好,因它有许多误差源和非线性影响.至少可以说,目前的“发现”离1887年Hertz发现电磁波的实验还有很大差距,有待查明是事实还只是一种迹象.“引力速度”与“引力波速度”是不同的概念.很久以前许多著名科学家就知道引力传播速度比光速大很多(vG(》)c),他们普遍认为引力如以有限速度(光速c)传播,绕日运动的行星由于扭矩作用将不稳定.再者,说“引力波以光速传播”,似乎它也是电磁波谱上的一员,这是荒唐的.引力理论和电磁理论一直互相独立地、平行地发展;可以借鉴电磁学的成就和方法论,但凭什么把电磁波的速度(光速c)也拉过来安到引力波(假如存在)的头上？可以判定,GR所谓引力波和引力子一样,其存在性可疑,至少还需再作讨论.最后指出,引力场作用是唯一的不能充分与量子理论吻合一致的相互作用,而它是人类最先知道的物理作用.GR描述了这种作用,但它是非量子的,因而也是一种经典理论.GR也可以称为几何动力学;然而GR建立在时空一体化和必定有弯曲时空的基础上,令人疑虑.更何况,根据已发现的某些新的物理现象,由此认为需要寻找比GR更基本的理论.近年来国际上展开研究了“修正的Newton力学”,我们认为是重要的动向.     

LIGO实验采用迈克逊干涉仪不可能探测到引力波——引力波存在时光的波长和速度同时改变导致LIGO实验的致命错误

本文严格证明,LIGO实验的计算忽略了两个重要因素,导致致命的错误.一是忽略了引力波对光的波长的影响,二是没有考虑到引力波存在时光速不是常数.按照广义相对论,引力波对空间距离产生影响的同时,也会对光的波长的影响.同时考虑着两个因素,迈克逊干涉仪上激光的相位是不变的.此外按照广义相对论,引力波存在时,时空度规的空间部分发生改变,但时间部分却是平直的.由此导致引力波存在时光速不是常数,用时间差计算干涉图像变化的方法失效.因此LIGO实验设计的基本原理是错的,采用迈克逊激光干涉仪不可能观察到引力波.由于光速不是常数,LIGO实验中所有关于信号匹配的计算都将改变,就谈不上引力波的探测了.事实上,迈克逊当年也是采用迈克逊干涉仪,试图发现地球绝对运动.然而迈克逊实验得到的是零结果,由此导致狭义相对论的诞生.LIGO实验的基本原理与迈克逊实验的基本原理是一样的,在实验过程中光波的相位都是不变的.用迈克逊干涉仪做实验只能得到零结果,由此注定LIGO实验不可能发现引力波的.     

深度学习在引力波数据处理中的应用初探

截至2018-01-16,LIGO已成功探测引力波事件6次.可以预期,引力波探测事件会越来越多,引力波天文学会很快进入到大数据阶段.深度学习在大数据处理方面近年来得到迅速发展.它在数据处理速度,准确度等方面都表现出极大的优势.深度学习在引力波数据处理中的应用讨论还不多.本文引入此问题,并对其进行初步研究.引力波数据最大的特点是强噪声、弱信号.现行的数据处理方法是利用匹配滤波的方式把引力波信号从强噪声中挖掘出来.同时,匹配滤波方法还可以确定引力波源的性质,定量确定其参数.匹配滤波方法的弱点是计算量巨大.这导致数据处理速度很慢.对于将来的大数据引力波天文学,这更将是一个巨大的隐患.匹配滤波方法的另一个潜在问题是,完备准确的理论波形模板是其工作的前提条件.这个潜在问题的后果是很难找到理论预期之外的引力波信号.深度学习的数据处理方法有可能在这些问题上提供出路.同时,深度学习也会遇到其自身的若干困难和问题.本文将从网络结构、训练数据制备、训练优化、对信号识别的泛化能力、对数据的特征图表示以及对特征数据遮挡的响应等方面来展开讨论.     

关于“引力波实验”的一点看法

在今年3月份哈佛-史密森天体物理中心宣布南极BICEP2望远镜首次探测到来自宇宙大爆炸的引力波证据时,学界一度认为这一发现填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图,让现代物理学的根基更加坚实。但现在越来越多的质疑指向这一数据可能是由银河系尘埃等其他原因造成的。6月25日,编辑部收到中国传媒大学教授黄志洵先生发来的信函,就＂引力波实验＂谈了自己的不同看法。编辑部认为原初引力波发现的结论仍有待通过更多的科学数据进行验证,今在建议与商榷栏目编发黄志洵先生的观点,希望能够引起国内理论物理学界的关注和讨论。     

引力理论和引力速度测量

引力是最早被认识的物理相互作用,它由Newton经典理论和Einstein的广义相对论描述。相对论包括狭义的( SR)和广义的( GR),其中空间和时间是一体化的,而GR也被称为几何动力学。在Newton理论中引力速度是无限大,而在Einstein理论中引力速度是光速。 GR认为引力与电磁力不同,是弯曲时空的纯几何效应。 GR还预言存在引力波,但即使经历了近百年的实验和寻找,它仍然只是物理学家头脑中的想象。本文认为空间、时间是物理学中的独立概念,所谓空时(或时空)在自然界并不存在,没有实在性。所谓空时(或时空)无法测量,故无科学意义。所谓“时间弯曲”更是无意义的不通的表述。在引力理论中,Newton平方反比定律( ISL)非常重要,而且极为精确。 Newton理论中引力首先是力,抓住了事物的本质。很久以前许多著名科学家就知道引力传播速度比光速大很多( vG ?c ),他们是I. Newton,P. Laplace, R. L?mmel,M. Born,A. Eddington,T. Flandern等;他们普遍认为引力如以有限速度(光速c )传播,绕日运动的行星由于扭矩作用将不稳定。1805年Laplace根据月球运动分析认为引力速度vG ≥7×106 c。人们考虑了不同的引力理论模型,例如把引力当作平坦时空中的力作用,从而研究得出引力速度大于2×1010 c———Flandern根据双星轨道计算得出此值。上述多个结果均与所谓引力波无关。电磁学中也有类似现象,当计算电荷产生的静电场,或天线近区的静态场,结合实验竟发现Coulomb场传播速度可为超光速, vs =(1.01~10) c。由于Coulomb场也是ISL,其结果与引力传播相似。虫洞和曲相推进完全是GR理论的产物,建基于时空一体化和弯曲时空的理念。虽然人人都知道SR断言“不可能有超光速运动”,但GR在实际上却否定了这一说法,表明相对论内部有不自洽性。但这些研究都断言需要有能量为负的奇异物质,证明加强对负能量研究是重要的。本文最后把引力传播、静态Coulomb场传播、量子纠缠态( QES)传播三者作比较,它们都存在超光速现象。虽然我们无法指出造成这些现象的原因,但却能找出现象的规律,并为自然界的奇妙感到惊奇。     

二甲醚发动机燃油喷射过程的实验与数值模拟

针对采用普通油泵-油管-油嘴燃油系统的二甲醚发动机,建立了燃油喷射过程的数学模型,通过对不同工况下燃用二甲醚和柴油的燃油喷射过程的数值模拟与计算结果的试验验证,揭示了二甲醚发动机燃油喷射过程的物理本质及其特性参数的变化规律．研究表明,由于二甲醚具有较高的可压缩性,致使其泵端与嘴端压力上升及下降都较柴油缓慢,压力上升始点延迟,实际喷油始点滞后,嘴端油管压力峰值较低,高压油管中的残余压力较高,较易出现二次喷射现象。     

翼型流激噪声计算及实验研究

针对翼型绕流产生的湍流边界层脉动压力激励结构振动易引起流激噪声的问题,设计了三种不同尾缘(尖锐型、方型和鱼尾型)结构的翼型,采用大涡模拟(LES)和声振理论计算了其流场和声场,并在水洞中开展了声振特性实验研究,得到了不同攻角下各翼型的声振特性:各翼型的振动加速度总级和总声压级均随着攻角的增大而增大,其频谱曲线除峰值点外...     

HRTF在虚拟3D立体声中的应用及实验

为了探讨虚拟 3D立体声技术在实践中的应用 ,依据人体头部相关传递函数 (HRTF)的原理 ,采用美国 MIT媒体实验室测得的 KEMAR假人头 HRTF数据 ,利用多媒体计算机合成了两通道虚拟 3D立体声。通过对 HRTF频谱的分析 ,提出了改善合成效果的相应措施。实验结果证实 ,改善后的 HRTF数据对提高声源前后定位有明显的效果 ,表明 HRTF频谱中的峰点和谷点在声源前后定位中起着关键的作用。     

实验动物兔子心电图奇异性检测：进化谱方法

基于小波变换的进化谱分析能够揭示非平稳信号特定时刻的时一频域特性．实验动物兔子左冠状动脉前降支结扎实验,可以模拟早期心肌缺血症状的不同生理变化过程．左冠状动脉病变引发心肌缺血是急性心肌梗死等冠心病的早期主要征兆．文中提出了基于连续复小波变换的进化谱估计算法,在满足时一频域不确定性原理条件下,为获得非平稳信号的瞬时频谱提供了一种有效的新方法,它能够识别生命系统数据中的局部奇异性．应用这种算法对实验动物兔子的多种心电图数据的进化谱分析结果表明,QRS波群进化谱特性的变化与早期心肌缺血有内在关联．QRS波群进化谱品质因数Q是心电图在时频域的一个特征参数,Q数值变异可能为识别早期心肌缺血提供一种新的医学诊断参考特征．     

引力波应该是非线性波

基于非线性引力场方程的引力波一般应该是非线性波,具有某些不同于电磁波的特性,笔者对此定量讨论了方程的一些解,指出了引力波的非线性特性来源于引力场的非线性本质.     

引力波干扰下,谐振腔场方程及其哈密顿量

讨论一个圆柱空腔电磁谐振系统对引力波的响应,在得到引力波作用下的电磁场方程的基础上,进一步把空腔的简正模结构处理为一个能级分立的体系,最后得到引力波作用下的体系的哈密顿量。     

多重天线引力波探测器

在材料相同及总质量相等的条件下,由多根小天线组成的符合探测器的灵敏度与单根大天线探测器的灵敏度相同。在机械振动干扰源至各小天线之间的传输通道中人为地引入不同的传输时延后,符合探测器可以辨别干扰信号、实现单机运转独立判断引力辐射脉冲事件的目标。     

小型低温引力波探测器

用高密度天线、升频式超导换能器、超导LC回路、DC SQUID和非相关检测电路构成一个小型低温引力波探测器。     

引力波传播速度求法的研究

据日全食时的现象能够得出:在真空中,引力波的传播速度和光波的传播速度相等.     

一类引力波的能量动量

给出了一般对角度规引力波广义协变的能量动量表达式，讨论了引力纵波，横波和引力孤立波的能量动量。     

重力场流分离实验研究

本文依据重力场流分离理论,应用笔者制作的分离微流道,进行了重力场流分离非金属聚合物聚氯乙烯颗粒的实验研究,给出了详细的实验数据,并结合理论模拟计算的结果进行了对比分析和讨论.     

关于引力红移专著论述的注评

指出了现有广义相对论专著中关于引力红移论述存在的含糊和混乱,并对这些含混内容给予了澄清.