3LIGO实验采用迈克逊干涉仪不可能发现引力波

1LIGO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——梅晓春）（1黄志洵）（2PolicarpoUlianov)3(俞平）4(（1）福州原创物理研究所,中国（2）中国传媒大学信息工程学院,北京（3）EqualixTecnologiaLTDA,Brazil（4）CognitechCalculationTechnologyInstitute,USA内容摘要本文严格证明，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。关键词：引力波，LIGO实验，广义相对论，狭义相对论，迈克逊干涉仪，一．前言LIGO（美国激光干涉引力波天文台）采用迈克逊激光干涉仪，声称在四个月内探测到两次引力波爆发事件GW150914和WG151226【1】、【2】，以及一次疑似引力波爆发事件LVT151012【2】。本文证明采用迈克尔逊干涉仪不可能探测到引力波，LIGO实验的基本原理存在原则性的错误，所谓发现两个黑洞合并，导致引力波爆发的实验结果是不可信的。LIGO实验原理是，按照广义相对论，引力波会引起空间伸缩，导致迈克尔逊干涉仪两臂的长度差改变。沿两臂传播的激光汇合后就会产生相位差，引起干涉条纹变化，从而观察到引力波。实际计算可以采用两种方法，一种是计算干涉仪上两光到达干涉屏时的位相差，另外一种是计算两光到达干涉屏时的时间差。在LIGO的实验中，两种方法计算都被使用，证明引力波会引起干涉图像改变。但这种计算方法的前提是，光的传播速度是一个常数。众所周知，光波的相位不但与传播距离有关，还与波长有关。空间伸缩也会引起波长发生改变，从而影响光波的相位。本文指出，LIGO实验的计算忽略了引力波对光的波长的影响。如果同时考虑引力波对空间距离和波长的影响，迈克尔逊干涉仪上传播的激光的相位是不变的，因此LIGO实验是不可能观察到引力波的。另一方面，LIGO实验计算中始终将光的速度视为常数。本文严格按照广义相对论证明，在引力2波存在的情况下，光的运动速度不是常数。如果沿迈克尔逊干涉仪的一条臂的速度小于真空光速，沿另外一条臂的速度大于真空光速。考虑到引力波存在的情况下光速不是常数，光沿迈克尔逊干涉仪两臂运动就不存在时间差。因此用第二种方法计算，采用迈克尔逊干涉仪，LIGO仍然无法探测到引力波。本文最后简述了LIGO实验存在的其他原则问题，结论是LIGO实验并没有探测到所谓的两个黑洞合并爆发引力波的事件，发现的所谓引力波信号只可能是某种偶然原因产生的噪音。二.LIGO实验中迈克逊干涉仪激光相位不变的证明按照广义相对论，在弱场条件下，引力场的度规张量写为：）（xhxg)(（1）其中是平直时空度规，)(xh是一个小量。代入爱因斯坦引力场方程，可以证明引力波辐射是四极矩模式。在空间范围不大的情况下，计算可得)()(thxh。当引力波沿x轴传播时强度为)11th（，沿y轴传播时强度为)22th（，同时可以证明二者存在关系))2211thth（（【3】。因此引力波存在时，引力场的时空度规是：222211222)](1[)](1[dythdxthdtcds（2）可见引力波存在时引力场时空度规的时间部分是平直的，空间部分弯曲。另一方面，按照广义相对论，光在引力场中运动时四维弧元为零，即02ds。设引力波在z轴方向传播，当光x分别沿x轴方向和y轴方向传播时，就有【4】：0)](1[211222dxthdtcds0)](1[222222dythdtcds（3）显然这两个度规的时间部分是平直的，空间部分是弯曲的。因此引力波的存在会使光的传播形式发生改变。考虑到111h，122h，以及))2211thth（（，得：dtthcdthcdx)(21111111（4）dtthcdthcdy)(21111122（5）图1迈克尔逊干涉实验原理3LIGO实验用迈克逊激光干涉仪测量引力波，迈克逊干涉仪的其本工作基本原理如图1所示。光从光源S发出，经过发光镜分成两路，光线1穿过分光镜后到达反射镜1M，然后折回并被反射到E。光线2直接被反射到2M后折回，与来自1M的光线叠加，在E处产生干涉条纹，观察者在E处观察。我们先讨论最简单的情况。设干涉仪一条臂的长度等于0L，令hth)(11常数，光沿一条臂来回运动一周的时间是212tt，将（4）和（5）式对这个时间区间积分，得：)2/1(20hLx)2/1(20hLy（6）其中cL0。沿两条臂运动的光的路程差为hLxyL02。设激光的振幅是：)cos(0kxtEEx)cos(0kytEEy（7）其中/2k，2，c。按照普通光学的计算，两光振幅叠加后平方，得到光强为：）（）（cos122022EEEEyx（8）相位差是：)2)(xyxyk（（9）如果没有引力波，02Lxy，则0。如果有引力波通过，按照现有理论，两光在汇合后的相位差是：hLxy04)2（（10）因此引力波会使激光干涉仪的条纹产生变化，通过观察干涉条纹的变化，就可以探测到引力波。然而以上计算是有问题的。首先，严格按照广义相对论，公式（1）和（2）只使用于真空中两个自由粒子之间的距离。LIGO激光干涉仪固定在钢管中，钢管固定在地球表面上。激光仪的两个玻璃用纤维材料悬挂在干涉仪支架上。整个系统受电磁相互作用的支配，而电磁相互作用比引力信号作用强4010倍！因此引力波根本不可能克服电磁相互作用，使钢管的长度发生变化，或者克服纤维材料的应变力，使两个镜子之间的距离发生变化。是LIGO实验的致命伤，是无可救药的。这个问题在文献【5】中有详细讨论，就不重复。本文要讨论的重点是，以上计算没有考虑到引力波对激光波长的影响。如果引力波能使空间距离产生改变，同样也会使激光的波长产生改变，而且二者是同步的。因此引力波存在时，按照（6）式，沿x轴和y轴运动的波长就变成：)2/1(hx，)2/1(hy（11）两光在汇合后，相位差是：0222200LLxyxy（12）因此激光干涉条纹仍然不变，也就是说用迈克逊干涉仪是无法探测到引力波的。如果)(11th常数，可以将引力波写成以下形式：)(sin)(0011ththg（13）4其中g是引力波的振动频率，代入（5）和（6）式积分后得：dttchcxg)(sin22020)2/1(cos2cos200000ALchLg）（（14）dttchcyg)(sin220200)2/1(cos2cos200000ALchLg）（（15）其中：0000cos2cos）（gLchA（16）结果与（6）式一样，只不过用A代替h。在LIGO实验中，引力波的频率是Hz300~30，波长7610~10/c米。LIGO激光干涉仪的臂长30104L米。因此0L，在引力波通过LIGO干涉仪的空间范围内，引力的波长是固定的，仍然可以近似地用（11）式表示(用A代替h)。因此即使用（13）式描述引力波，LIGO实验仍然无法探测到引力波。二．引力波存在时光速不是常数从（2）式可知，引力波存在时，时空度规的时间部分是平直的，空间部分弯曲。从（4）和（5）式可以得出一个结论，即引力波存在时光速不是常数，我们有：chchcdtdxVx11112111chchcdtdyV1122y2111（17）这个结果会对LIGO实验产生很大的影响。但现有理论没有考虑到这个问题，总把引力场中的光速看成是一个常数。文献【4】和【7】对上式的解释是，引力波的作用使空间的折射率从1变成kkh1。因此在介质中光的速度要改变，就不是真空中的光速。更有趣的是，如果011h，则cVx，cVy，也就是说yV是超真空光速的。如何理解这个现象呢？现有引力波理论没有考虑这个问题。文献【7】还指出，“对于高斯光束等，光的时空间隔不为零。而在激光引力波探测装置中存在的通常是高斯光束。那么这种光是否存在于弯曲时空中吗？”按照更严格的计算，引力波存在时，高斯光束的传播速度是【7】：czkcVc2020)/2()(21（18）其中20是高斯光的斑点的尺寸，k是波矢，z是光沿z运动的坐标。LIGO通过干涉仪两臂之间信号波形的匹配来确定引力波，同时假设干涉仪上的激光和引力波都以光速传播。如果激光的速度不是真空光速，这种结果对LIGO实验的波形匹配会产生非常大的影响，原来与引力波样板匹配的信5号可能变得完全不匹配，所谓发现引力波的结论也得重新考虑。事实上，LIGO也承认引力波会对光的波长产生影响。但他们认为这不会改变激光的干涉图样，原因是干涉仪的臂长与光的波长之间存在差别（这个理由莫名其妙，物理意义不明确）。在LIGO官方网站（）的FAQ栏目中（frequentlyaskedquestions），我们可以看到以下的文字：“Agravitationalwavedoesstretchandsqueezethewavelengthofthelightinthearms.Buttheinterferencepatterndoesn'tcomeaboutbecauseofthedifferencebetweenthelengthofthearmandthewavelengthofthelight.”按照LIGO的解释，引力波存在时光速仍然不变，但干涉仪的臂的长度发生改变，使两光的波峰和波谷到达观察屏的时间是不同的，由此引起激光干涉图样的改变。“Insteadit'scausedbythedifferentarrivaltimeofthelightwave'screstsandtroughsfromonearmwiththearrivaltimeofthelightthattraveledintheotherarm.Togethowthisworks,itisalsoimportanttoknowthatgravitationalwavesdoNOTchangethespeedoflight.”在这段话中，LIGO团队强调引力波不改变光速，这是LIGO实验的基础。然而由于引力力波存在时，光的速度不是常数，因此LIGO的实验解释就不成立。引力场中的光速是否是常数，这是一个很多人实际上没有弄清楚的问题。测量速度需要先定义单位尺和单位钟。按照广义相对论，引力场使时空弯曲，我们有两种方式来定义单位尺和单位钟，即所谓的坐标尺和坐标钟，以及标准尺和标准钟。坐标尺和坐标钟是固定在引力场中每一点上的尺和钟，它们随引力场的强度而变。标准尺和标准钟是