【基礎科研】LIGO是怎麽回事？

LIGO測量出黑洞並合的引力波信號，是過去幾年最重要的基礎物理突破。但是雖然諾貝爾獎很快就給了，爭議還是有的。

本月初，Sabine Hossenfelder在她的博客上討論這個話題（原文在http://backreaction.blogspot.com/2019/09/whats-up-with-ligo.html ），後來我應《觀察者網》之邀翻譯了那一篇文章，不過至今他們還沒有決定是否要刊登，我想乾脆綫先在自己博客上和繁體字讀者分享。

這件事專業性很高，即使是科學從業人員，也不一定完全看懂Hossenfelder的意見，所以我在這裏也做些簡單的總結和評論：

1） LIGO的信號，已經足夠精確，可以排除因爲偶然雜訊造成統計噪音的可能。

2） 但是LIGO團隊並沒有解釋大約佔98-99%的非天文信號（他們叫做“差錯”）來自何處，這是很不嚴謹的態度。

3） 最後還有一個邏輯可能，就是所有的結果都是LIGO團隊有心假造的。這還無法經由客觀分析排除掉，但是從社會學的角度，可能性極小。畢竟在銀行業，Rogue Trader還可以永不休假，學術大佬不可能如此。

以下是Hossenfelder的文章：

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大約四年前，在2015年九月14日，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台）團隊首次探測到引力波，隨即在2017年因此獲頒諾貝爾物理獎。同年，歐洲的VIRGO Interferometer（室女座干涉儀）上綫，成爲兩座LIGO偵測器的補充。所以在過去兩年來，全球共有三座引力波偵測器一起監視時空背景的波動。

至今，LIGO/VIRGO總共發表了幾十次的偵察報告，包括雙黑洞並合，雙中子星並合，以及黑洞-中子星並合。然而並非所有的物理學家都相信這些報告的真實性。

例如在2017年，丹麥的Andrew Jackson就宣稱LIGO的數據分析大部分無法被複製。到了2018年十一月，Jackson斬釘截鐵地公開宣佈，除了第一個雙黑洞並合事件（GW150914，如下圖）之外，所有其他的所謂發現，都是子虛烏有。他說：“當我們對他們的數據做盲分析（Blind Data Analysis）的時候，什麽都找不到。我是丹麥人，所以很想說這是‘國王的新引力波’”。

原本2017年八月17日的雙中子星並合事件（GW170817）讓大部分物理學家安心了許多。這是因爲有好幾個電磁觀測器（即伽瑪射線、X光、光學和電波望遠鏡）也觀察到了同一個事件，似乎證明LIGO測量的是真實的天文現象，而不是雜訊。然而反對者指出最先報告這個事件的，其實是NASA的伽瑪射線觀察衛星，LIGO在40分鐘之後才趕上潮流，所以仍然不算是盲測試。而且後來天文物理界對這個事件是否真是雙中子星並合，至今還在爭議之中。

更加火上加油的，是去年Michael Brooks在《New Scientist》上的報導，他引用兩個LIGO的内綫消息，說連GW150914，也就是LIGO獲得諾貝爾獎的關鍵發現，都不是用盲分析得出的，而是“靠人眼”，並且“手動加强以利教學”。發表LIGO論文的期刊，到現在仍然拒絕做任何評論。

LIGO團隊本身也是守口如瓶，只放出一句話：“我們對所有發表的結果都有完全的信心，請大家耐心等待。”

今年四月，LIGO升級到第三階段（Observation Run 3），靈敏度提高了40%。很多人寄望這個升級會發現更多有電磁觀測佐證的雙中子星並合事件；幾個月過去了，並沒有發生。

從四月到現在，LIGO團隊一共宣佈發現了33個引力波事件（參見https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/），多少次有電磁觀測的佐證呢？一次都沒有。反而是LIGO在事後已經撤回了其中的9個結果，因爲後續分析證明它們有太大的可能是非天文因素產生的雜訊。

這樣的撤稿比率是很高的，不過在實驗剛剛升級，團隊還不適應的階段，是可以説得過去的。尤其爲了讓電磁觀測器能儘快對準可能的事件做觀察，也不可能花時間慢慢分析考慮，必須在第一時間就通報出去。

既然LIGO信號的真實性還沒有獨立而確切的證明，批評的聲浪自然此起彼落。最極端的是Alexander Unzicker，他曾寫過一本書叫做“希格斯粒子是假的”。Unzicker在德國媒體《Heise》上宣稱（德文原版https://www.heise.de/tp/features/Fake-News-aus-dem-Universum-4442282.html，英文翻譯參見https://www.heise.de/tp/features/Fake-News-aus-dem-Universum-4442282.html）GW150914的信號既是頭一個發現也剛好特別明確，所以很可能是所謂的“盲注入”（“Blind Injection”），也就是用來測試系統的假信號被當真了。LIGO團隊裏負責盲注入的三個人都指天畫地，賭誓絕對沒有在當天送進任何假信號，但是Unzicker指出程序就在那裏，其他人要偷偷啓動，並非不可行。

在前面提到的33個新信號裏面，最強的是S190425z。它應該是一次雙中子星並合，但是如前所述，電磁觀測器都沒發現任何對應的事件。當然這也有合理的解釋：首先它比GW170817遠了4倍，所以信號强度只有1/16；此外LIGO並不能精確定位；宇宙中也有很多能遮蔽電磁波的障礙。

更新的測量發生在八月14日，這應該是一個黑洞-中子星並合事件，然而全世界的電磁觀測器還是什麽都沒看到。這次的距離比GW170817遠了7倍，那麽信號强度當然更低。

不過一次又一次都沒有佐證，還是難免讓人失望，甚至起疑。支持者指出可能有其他的物理原因，例如那個黑洞吞噬中子星的過程太短太快，以致發出的電磁波能量不大。宇宙塵埃也又被提起。

最新的八月17日的事件，事後被撤稿了。

然後我們當然必須談一談“差錯”（“Glitch”）。

LIGO的所謂“差錯”指的是測量到的不明引力波事件，但是因爲頻譜沒有可對應的天文現象，只能被扔到一邊。我沒有内部消息來源，不知道確實已經有過多少個“差錯”，但是它們的編號是日期再加上兩位數字，所以至少有部分天數裏，發生的次數是超過10的。LIGO也借用一般民衆志願貢獻的計算機時間來分析數據，他們的這個組織叫做“Gravity Spy”（參見https://blog.gravityspy.org/），裏面特別强調各式各樣的“差錯”，包括“錦鯉”（“Koi Fish”）、“口哨”（“Whistle”）和“閃點”（“Blip”）等等。下圖是一些例子。 

這讓我也頭痛了：如果你不知道爲什麽偵測器會收到這許多你不想要的信號，那麽你怎麽能確定你喜歡的那少數幾個信號是真的呢？

Andrew Jackson的評論如下：

“LIGO可以說有些信號符合黑洞並合的樣板，但是如果要做出結論，說這些信號真的來自黑洞並合，那麽你就必須先證明它們不可能有其他的來源。”

“然而這些信號其實很普通。他們看到的是什麽？信號的强度和頻率一起增加，最後忽然消失。這描述的，基本是任何浩劫性（Catastrophic）事件。强度增强、頻率增高，然後進入新的平衡態。所以他們必須排除無數的地球現象，像是地震，或者布基納法索上空的雷暴…”

采訪者：“你認爲他們沒有排除這些可能性？”

Jackson：“是的。”

如果Jackson説的對，那麽我們必須同意LIGO實驗的問題太大，但是我實在想不出有什麽地球現象能複製黑洞並合的引力波信號，更別提LIGO/VIRGO團隊有三個偵測器可以互相驗證比較。事實上，和Jackson的説法相反，一個典型的浩劫性事件並不會有頻率增高的現象，更不會有忽然的靜寂。

拿地震為例子。絕大多數的地震是應力超過岩層承受能力的結果。地震的信號並不會造成頻率增高，在達到新穩定態之後，也不是忽然的靜寂，而是有很長的餘震。下圖是一個典型的地震波，它和黑洞並合的引力波信號毫無類似之處。

所以我不同意Jackson的結論。然而這些信號是否來自非天文的源頭，還是有邏輯上的不確定性的，因此必須有更嚴謹的研究分析，不能只靠我一個人花半個小時空想來下斷言。

總結來説，雖然我覺得LIGO的批評者言過其實，但是支持者也明顯過於鬆懈。一個諾貝爾獎就這麽給出去，但是這個信號是否是真的，卻還不能算是已經被明確證明了。我很難想象任何其他的科學領域，能如此輕鬆地把未知來源的大量測量結果當成假信號丟掉。然後我們必須考慮，爲什麽用電磁觀測器去測量共生信號會這麽困難？

LIGO的第三階段將會持續運行到2020年三月。目前來看，並不一定會有足夠的新發現能解答前面所討論的疑惑。我希望LIGO團隊和他們的支持者們肯多下一點工夫在解決這些嚴謹性的問題上。