【文/ 觀察者網專欄作者 姬揚】
利用巨大的干涉儀來探測微弱的引力波（LIGO國際合作專案）， 經過幾千名科技人員、幾十年的辛勤工作， 終於得到了回報， 不僅在科學上取得了重大的成功， 還在社會上造成了巨大的影響。
2016年2月， LIGO召開新聞發佈會， 宣佈第一次成功探測到引力波事件（GW150914）， 引發了全世界對引力波的廣泛關注， 特別是因為愛因斯坦正好是在100年前提出了廣義相對論， 也就是引力波的理論基礎。 此後， LIGO陸續發佈了幾次引力波的消息（GW151226和GW70104， 以及疑似的引力波事件LVT151012）， 但是卻無法再度吸引人們的注意力， 可能是因為只有兩個觀測站能夠測到信號的緣故。 今年9月底， LIGO宣佈， 三台引力波探測站（美國的兩個LIGO和歐洲的VIRGO）同時觀測到一個引力波事件（GW170814）， 對引力波的關注度才有所上升。 10月初， 諾貝爾獎委員會宣佈將2017年諾貝爾物理學獎授予為引力波探測做出巨大貢獻的三位科學家，
引力波探測是科學界的一件大事，
引力波探測（LIGO）是物理學的巨大勝利， 標誌著精密探測技術的巨大進步。 然而， 從科學意義上來看， 與其說他標誌著愛因斯坦廣義相對論的百年勝利， 不如說象徵著戰後幾十年來輝煌無比的“大科學”的走向衰亡， 歐洲大型粒子對撞機的負面結果只是另一個註腳而已。
又到了諾貝爾獎頒獎的時節了， 網上好像有很大的呼聲說， 這次的物理獎要給引力波了， 我是很不以為然的——不是說這個工作不重要， 而是說沒必要這麼著急。 一百年前給愛因斯坦授獎的時候， 那是多麼的謹慎， 仔仔細細地挑了個“光電效應”， 連相對論都不敢提；一百年後， 輪到引力波了， 難道就等不及再一個獨立的測量結果嗎？
我能理解這次諾獎為什麼頒發得這麼快， 因為可能的獲獎者都年事已高， 而對引力波探測有著重大貢獻的德雷弗教授今年年初就過世了， 其他人能挺多久肯定是個問題， 而且獨立的協力廠商測試結果肯定不是三年五載就可以出來的。
這些我在理智上都能理解， 但是在感情上卻很難接受：特別重要的成果應該接受特別嚴厲的檢驗， 畢竟這是要寫進物理學史的工作。 借著這次多信使天文觀測事件， 我想再說說為什麼我覺得引力波探測需要更多的檢驗。
表1
目前已經發現了5個引力波事件（表1），前4個都是雙黑洞融合產生的。這種事件僅僅以引力波的形式釋放能量，並沒有任何電磁信號，也就是說，唯一的證據就是幾台觀測站近乎同時地觀測到了類似的信號（或者說波形），與數值相對論的計算結果符合，而且排除了外界干擾造成了假信號這種可能。第5個也就是最近的一個引力波事件是兩個中子星融合產生的，伴隨著電磁信號的產生，伽馬暴和光學測量都得到了結果。
引力波是非常微弱的信號。我們以第5次引力波事件GW170817測量的“原始資料”為例，簡單說明一下引力波資料分析的困難。
據LIGO團隊說，這次測量的信噪比是最高的，三個觀測站的信噪比分別為LIGO Livingston的26.4、LIGO Hanford的18.8和VIRGO的2.0。圖一給出了LIGO Livingston在引力波發生時刻附近的應變資料：在幾秒鐘的時間裡，應變的變化範圍是10-17的量級，在幾毫秒的時間裡，應變的變化範圍也有10-20的量級。LIGO有很多的、各種各樣的感測器來探測外界的微小擾動，這樣才能把光滑的背景起伏消除，讓應變的數據從10-17的量級減小到10-20的量級，然後還要進行各種資料處理（主要是平均了），再與數值廣義相對論計算的各種模式進行對比，才能確認量級為10-22的引力波信號。
圖1、引力波事件GW170817的“准原始資料”。資料來自於LIGO網站（Data release for event GW170817 https://losc.ligo.org/events/GW170817/）
根據LIGO給出的三個觀測站的靈敏度（圖2），LIGO Livingston在100Hz附近（這是引力波信號的典型頻率）是10-23/Hz1/2,根據採樣定理，這裡的噪音就應該是10-22的量級——也就是說，噪音跟信號大小相仿。作為一次性事件的測量，很難顯著地提高信噪比。
其實，不用糾纏於這些數字的具體大小（這裡也僅僅是估計），我們也可以說，引力波是非常微弱的信號，僅僅拿幾個觀測站測量結果之間的一致性以及和數值廣義相對論計算結果的符合作為判斷依據，恐怕還不足以讓所有的人都服氣。
圖2 、LIGO Livingston、LIGO Hanford和VIRGO的探測靈敏度。取自Phys.Rev.Lett.119.141101(2017)。
幸運的是，還有第5次引力波事件，它得到了其他觀測結果的支持。但是，這唯一的“多信使天文觀測”事件，也有一些讓人尷尬的地方。
這次事件的第一個預警來自于伽馬暴監測衛星Fermi，它在檢測到伽馬暴GRB 170817A（2017年8月17日12:41:06 UTC）以後僅僅14秒鐘，就自動發出了預警。LIGO儘管更早（大約早了1.7秒種）發現了GW170817（12:41:04 UTC），但是在6分鐘後才發出預警，而且還是較低的級別，因為這是根據LIGO Hanford資料給出的；大約40分鐘後才發出了正式預警。人工分析的結果表明，在引力波事件發生的時候，LIGO Livingston碰巧發生了一個時間很短（幾個毫秒）但幅度很大的暫態擾動，導致LIGO自動報警程式認為不是兩個探測器同時檢測到了信號（因為它認為測量被污染了）。VIRGO也沒有報警，因為資料傳輸出現了問題，而且巧合的是，引力波傳來的方向碰巧是VIRGO干涉儀最不靈敏的方向（這個巧合對於確定引力波事件發生的方位卻非常有利）。
對LIGO有利的是，伽瑪暴預警差不多每天都有一兩次，而LIGO運行9個月的O2期間只預警了GW170817這一次與中子星有關的引力波（正好又趕上了Virgo投入使用），而且指認的空間範圍比伽馬暴方法小得多（圖3）、並且給出了距離的估計，從而有力地促進了其他觀測組的興趣，也得到了後續觀測結果的進一步支援——實際上，預警發出之後不到11個小時，天文望遠鏡就在預警的區間裡觀測了信號。
但是，LIGO畢竟晚了一步，而且是在伽馬暴預警的提醒下才確認的。再說，伽馬暴的定位雖然比LIGO／VIRGO的定位差一些，但也不是不可接受（圖三中淺藍色圓環和深藍色大圓的重疊區域），即使沒有LIGO的結果，也很難說就不會有接下來的X射線和可見光觀測。在我看來，LIGO並沒有起到絕對不可替代的作用，我更好奇的是，天文學家們為什麼要耐心地陪著LIGO團隊玩沉默遊戲，真的只是為了造一個大新聞嗎？
這次事件的公佈是在諾貝爾物理學獎宣佈之後。LIGO團隊和天文學界的保密工作做得很好，“暴風雨前的寧靜”，幹得漂亮。當然，圈內人肯定都是知道的，諾貝爾委員會當然也不會不知道。九月底公佈GW170814（三個引力波觀測站第一次同時觀測到信號）前的騷動，更別說八月份的網上洩密、Nature報導了，只能提示我們製造大新聞需要做多少權衡了。
圖3、引力波事件GW170817和伽馬暴事件GW70817A的定位。深藍色的大圓是Fermi衛星伽馬暴檢測的定位範圍，淺藍色的圓環是根據Fermi和INTEGRAL伽馬暴探測的時間差得到的定位範圍。淺綠色的長條是兩台LIGO的定位結果，而深綠色的小區間是LIGO/VIRGO共同定位的結果。取自Astrophy.J.Lett.848:L12(2017)
總結一下，已經報導了5次引力波事件，前4次沒有其他支援，而第5次也就是唯一一次得到其他支援的，又跑得慢了一些。這樣的成績，恐怕很難讓人特別安心的。
即使我們全盤接受這5個事件，它們的統計性質也有些讓人不安。兩個觀測期各觀測到兩次黑洞融合事件，可是觀測期間的長度卻有很大的差別（分別是49天和117天），而且距離近的多、遠的少（分別是410、440、540和880Mpc）。而對於這種事件預期的發生幾率，應該是跟時間長度和空間體積成正比的。
考慮半徑為2的一個球，其中，半徑為1的球核體積，僅僅是半徑1-2的球殼體積的1/7，我們自然會預期發生在球殼裡的幾率要大7倍了。對於類似於GW170817（距離為40Mpc）的雙中子星融合事件，LIGO團隊估計LIGO Livingston、LIGO Hanford、VIGRO的探測範圍分別是218Mpc、107Mpc和58Mpc（119.141101(2017)）。簡單地估計一下，類似的事件發生的範圍僅為LIGO/VIRGO同時探測範圍的1/3，僅為兩台LIGO同時探測範圍的5%，更是LIGO Livingston的探測體積的0.6%。也許我們應該預期更多的雙中子星事件，也許僅僅被兩個LIGO甚至只有一個LIGO“聽到”。
當然，這很可能是因為檢測到的事件還太少。所以，我們還需要更多的引力波事件，特別是雙中子星融合這樣的多信使天文事件。不幸的是，這可能需要很長的時間——等得不耐煩的人很多，不僅是可能的諾獎獲得者，也不僅是諾貝爾委員會。
其實，我最好奇的是，LIGO團隊說過，他們可以“注入”信號而不讓別人知道。除了少數的幾個人，LIGO團隊（幾千個人）可以把資料分析半年、卻發現不了“信號”是注入的——這就很有意思了。
我理解，注入信號是為了檢驗LIGO工作是否處於正常狀態，但是，所有的測量結果當然都有時間標記（time tag），所有的操作當然都有日誌記錄（log book），那麼，為什麼會有“注入”而不被覺察呢？
在我看來，引力波探測確實是科學界的一件大事，但是，諾貝爾物理學獎恐怕還不能算是對引力波探測結果的肯定，而是對引力波探測團隊多年努力工作的支持。我們需要更多的觀測結果來說話，比如說，再來100個黑洞融合事件，或者10個雙中子星融合事件，或者其他什麼還沒有看到的多信使天文事件。
在此之前，LIGO團隊除了進一步提高系統的靈敏度和穩定性以外，也許還應該努力做好兩件事：讓資料分享過程更快一些，至少應該比伽馬暴預警快一些；讓資訊控制過程更寬鬆一些，不要總想著造個大新聞。
表1
目前已經發現了5個引力波事件（表1），前4個都是雙黑洞融合產生的。這種事件僅僅以引力波的形式釋放能量，並沒有任何電磁信號，也就是說，唯一的證據就是幾台觀測站近乎同時地觀測到了類似的信號（或者說波形），與數值相對論的計算結果符合，而且排除了外界干擾造成了假信號這種可能。第5個也就是最近的一個引力波事件是兩個中子星融合產生的，伴隨著電磁信號的產生，伽馬暴和光學測量都得到了結果。
引力波是非常微弱的信號。我們以第5次引力波事件GW170817測量的“原始資料”為例，簡單說明一下引力波資料分析的困難。
據LIGO團隊說，這次測量的信噪比是最高的，三個觀測站的信噪比分別為LIGO Livingston的26.4、LIGO Hanford的18.8和VIRGO的2.0。圖一給出了LIGO Livingston在引力波發生時刻附近的應變資料：在幾秒鐘的時間裡，應變的變化範圍是10-17的量級，在幾毫秒的時間裡，應變的變化範圍也有10-20的量級。LIGO有很多的、各種各樣的感測器來探測外界的微小擾動，這樣才能把光滑的背景起伏消除，讓應變的數據從10-17的量級減小到10-20的量級，然後還要進行各種資料處理（主要是平均了），再與數值廣義相對論計算的各種模式進行對比，才能確認量級為10-22的引力波信號。
圖1、引力波事件GW170817的“准原始資料”。資料來自於LIGO網站（Data release for event GW170817 https://losc.ligo.org/events/GW170817/）
根據LIGO給出的三個觀測站的靈敏度（圖2），LIGO Livingston在100Hz附近（這是引力波信號的典型頻率）是10-23/Hz1/2,根據採樣定理，這裡的噪音就應該是10-22的量級——也就是說，噪音跟信號大小相仿。作為一次性事件的測量，很難顯著地提高信噪比。
其實，不用糾纏於這些數字的具體大小（這裡也僅僅是估計），我們也可以說，引力波是非常微弱的信號，僅僅拿幾個觀測站測量結果之間的一致性以及和數值廣義相對論計算結果的符合作為判斷依據，恐怕還不足以讓所有的人都服氣。
圖2 、LIGO Livingston、LIGO Hanford和VIRGO的探測靈敏度。取自Phys.Rev.Lett.119.141101(2017)。
幸運的是，還有第5次引力波事件，它得到了其他觀測結果的支持。但是，這唯一的“多信使天文觀測”事件，也有一些讓人尷尬的地方。
這次事件的第一個預警來自于伽馬暴監測衛星Fermi，它在檢測到伽馬暴GRB 170817A（2017年8月17日12:41:06 UTC）以後僅僅14秒鐘，就自動發出了預警。LIGO儘管更早（大約早了1.7秒種）發現了GW170817（12:41:04 UTC），但是在6分鐘後才發出預警，而且還是較低的級別，因為這是根據LIGO Hanford資料給出的；大約40分鐘後才發出了正式預警。人工分析的結果表明，在引力波事件發生的時候，LIGO Livingston碰巧發生了一個時間很短（幾個毫秒）但幅度很大的暫態擾動，導致LIGO自動報警程式認為不是兩個探測器同時檢測到了信號（因為它認為測量被污染了）。VIRGO也沒有報警，因為資料傳輸出現了問題，而且巧合的是，引力波傳來的方向碰巧是VIRGO干涉儀最不靈敏的方向（這個巧合對於確定引力波事件發生的方位卻非常有利）。
對LIGO有利的是，伽瑪暴預警差不多每天都有一兩次，而LIGO運行9個月的O2期間只預警了GW170817這一次與中子星有關的引力波（正好又趕上了Virgo投入使用），而且指認的空間範圍比伽馬暴方法小得多（圖3）、並且給出了距離的估計，從而有力地促進了其他觀測組的興趣，也得到了後續觀測結果的進一步支援——實際上，預警發出之後不到11個小時，天文望遠鏡就在預警的區間裡觀測了信號。
但是，LIGO畢竟晚了一步，而且是在伽馬暴預警的提醒下才確認的。再說，伽馬暴的定位雖然比LIGO／VIRGO的定位差一些，但也不是不可接受（圖三中淺藍色圓環和深藍色大圓的重疊區域），即使沒有LIGO的結果，也很難說就不會有接下來的X射線和可見光觀測。在我看來，LIGO並沒有起到絕對不可替代的作用，我更好奇的是，天文學家們為什麼要耐心地陪著LIGO團隊玩沉默遊戲，真的只是為了造一個大新聞嗎？
這次事件的公佈是在諾貝爾物理學獎宣佈之後。LIGO團隊和天文學界的保密工作做得很好，“暴風雨前的寧靜”，幹得漂亮。當然，圈內人肯定都是知道的，諾貝爾委員會當然也不會不知道。九月底公佈GW170814（三個引力波觀測站第一次同時觀測到信號）前的騷動，更別說八月份的網上洩密、Nature報導了，只能提示我們製造大新聞需要做多少權衡了。
圖3、引力波事件GW170817和伽馬暴事件GW70817A的定位。深藍色的大圓是Fermi衛星伽馬暴檢測的定位範圍，淺藍色的圓環是根據Fermi和INTEGRAL伽馬暴探測的時間差得到的定位範圍。淺綠色的長條是兩台LIGO的定位結果，而深綠色的小區間是LIGO/VIRGO共同定位的結果。取自Astrophy.J.Lett.848:L12(2017)
總結一下，已經報導了5次引力波事件，前4次沒有其他支援，而第5次也就是唯一一次得到其他支援的，又跑得慢了一些。這樣的成績，恐怕很難讓人特別安心的。
即使我們全盤接受這5個事件，它們的統計性質也有些讓人不安。兩個觀測期各觀測到兩次黑洞融合事件，可是觀測期間的長度卻有很大的差別（分別是49天和117天），而且距離近的多、遠的少（分別是410、440、540和880Mpc）。而對於這種事件預期的發生幾率，應該是跟時間長度和空間體積成正比的。
考慮半徑為2的一個球，其中，半徑為1的球核體積，僅僅是半徑1-2的球殼體積的1/7，我們自然會預期發生在球殼裡的幾率要大7倍了。對於類似於GW170817（距離為40Mpc）的雙中子星融合事件，LIGO團隊估計LIGO Livingston、LIGO Hanford、VIGRO的探測範圍分別是218Mpc、107Mpc和58Mpc（119.141101(2017)）。簡單地估計一下，類似的事件發生的範圍僅為LIGO/VIRGO同時探測範圍的1/3，僅為兩台LIGO同時探測範圍的5%，更是LIGO Livingston的探測體積的0.6%。也許我們應該預期更多的雙中子星事件，也許僅僅被兩個LIGO甚至只有一個LIGO“聽到”。
當然，這很可能是因為檢測到的事件還太少。所以，我們還需要更多的引力波事件，特別是雙中子星融合這樣的多信使天文事件。不幸的是，這可能需要很長的時間——等得不耐煩的人很多，不僅是可能的諾獎獲得者，也不僅是諾貝爾委員會。
其實，我最好奇的是，LIGO團隊說過，他們可以“注入”信號而不讓別人知道。除了少數的幾個人，LIGO團隊（幾千個人）可以把資料分析半年、卻發現不了“信號”是注入的——這就很有意思了。
我理解，注入信號是為了檢驗LIGO工作是否處於正常狀態，但是，所有的測量結果當然都有時間標記（time tag），所有的操作當然都有日誌記錄（log book），那麼，為什麼會有“注入”而不被覺察呢？
在我看來，引力波探測確實是科學界的一件大事，但是，諾貝爾物理學獎恐怕還不能算是對引力波探測結果的肯定，而是對引力波探測團隊多年努力工作的支持。我們需要更多的觀測結果來說話，比如說，再來100個黑洞融合事件，或者10個雙中子星融合事件，或者其他什麼還沒有看到的多信使天文事件。
在此之前，LIGO團隊除了進一步提高系統的靈敏度和穩定性以外，也許還應該努力做好兩件事：讓資料分享過程更快一些，至少應該比伽馬暴預警快一些；讓資訊控制過程更寬鬆一些，不要總想著造個大新聞。