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科學精神:兩件關於重力波研究的爭議給我們的啟示

2017/6/26 — 16:32

科學方法使我們理解宇宙。雖然我平時愛寫輕鬆的物理科普,讀者朋友也不難察覺我寫科學精神和科學方法特別認真。這篇文章討論科學研究出現爭議時,我們應該如何、以什麼態度處理。

有任何電磁波伴隨著觀察到的重力波嗎?

2016 年 2 月 11 號,位於美國的兩座激光干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,簡稱 LIGO)宣布他們已在 2015 年 9 月 14 號首次直接探測到愛因斯坦在百年前預言的重力波。這是史無前例的科學成就,說是人類文明的重大里程碑也不為過。

科學家發現這個重力波事件(稱為 GW150914)來自於一個雙黑洞系統:兩個黑洞互相環繞轉動,互繞過程中雙方強大的重力扭曲時空形成漣漪,把能量以重力波的形式輻射出去。由於能量流失,兩個黑洞的軌道會變得越來越靠近,最終碰撞在一起。這個過程歷時億萬年,而 LIGO 只能探測到最後零點幾秒的結合時的重力波。

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由於雙黑洞結合歷時這麼久,經過電腦模擬計算,四周所有物質應早已被兩個黑洞吸收得一乾二淨,因此結合的時候應早已沒有物質剩下了。沒有物質,就沒有能夠輻射電磁波的東西,所以科學家認為來自雙黑洞系統的重力波不會伴隨著電磁波。

然而,費米太空望遠鏡伽瑪射線暴監察器 (Fermi Space Telescope Gamma-ray Burst Monitor,簡稱 Fermi GBM)科研團隊當中的某些人並非這樣想。他們從 Fermi GBM 的數據中抽取出 LIGO 探測到 GW150914 前後時間的資訊,在一片雜訊的光變曲線中看見了一個微小的起伏。他們認為這就是伴隨 GW150914 而來的電磁波,並很快就寫好了一篇論文準備發表。

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其實我亦是 Fermi GBM 科研團隊的一員。不過,我與我的博士論文指導教授 Prof. Jochen Greiner(他更是 Fermi GBM Co-Investigator,是 Fermi GBM 德國團隊的最高負責人)懷疑 Fermi GBM 美國團隊的分析結果,向他們提出以較準確的方法重新分析數據、並應結合其他望遠鏡的結果重新寫過結論(地球上所有地面和太空望遠鏡完全探測不到他們聲稱的電磁波),因為這 Fermi GBM 數據中的微小起伏,很有可能只是雜訊——比較強的雜訊,碰巧出現在探測到重力波的前後時間而已。

可是,美國團隊中某些成員拒絕接納我們的建議。不知道是什麼原因,他們非常有信心這個微小起伏不是雜訊,而且有可能與重力波有關。無奈地,最後我與 Greiner 決定退出 Fermi GBM 團隊的論文,轉而聯同另外兩位天體物理學家,四人合寫了另一篇反駁論文。在論文中,我們以非常嚴謹的貝氏統計方法分析了 Fermi GBM 的數據,發現那微小起伏極之可能只是一般雜訊。

我們更結合了另一支伽瑪射線太空望遠鏡 INTEGRAL 的數據,模擬出 INTEGRAL 應該測量到的訊號大小。若然 Fermi GBM 的微小起伏是真的來自太空的訊號,那麼 INTEGRAL 應該會同時測量到同一訊號。結果顯示,INTEGRAL 應該會看見非常強的伽瑪射線!可是,事實上 INTEGRAL 的數據顯示該段時間除雜訊外什麼也沒有。因此,Fermi GBM 團隊發現的微小起伏不可能來自太空;既然不是來自太空,那當然不是伴隨重力波而來。只是雜訊,就像我們在電視上看到的雪花一樣。

可惜的是,縱使我們的論文通過了同儕審查,發表了在《Astrophysical Journal Letters》之上,證明了那個微小起伏只是純粹雜訊,而且黑洞演化理論模型亦指出 GW150914 這個雙黑洞系統根本沒有辦法產生出伽瑪射線能量的電磁波,Fermi GBM 團隊仍然不肯接受現實,拒絕承認出錯,更在不同場合攻擊我們的論文,指我們的分析方法有問題。

然而實際上,我們的論文中的所有分析步驟、工具、數據等,已經全部公開放在網絡之上,任何人都可以下載重複檢驗我們的結果。與之相對的,Fermi GBM 團隊始終沒有公開他們的數據分析軟件原始碼,而且他們的統計方法明顯錯誤,會得出高於實際數值的統計重要性。

對於他們不斷的攻擊和指控,我們不會再作理會,因為我們已經做了所有作為科學家應該做的事。數據本身就是最有力的反駁。

我們確定信號真的來自重力波而非雜訊嗎?

重力波除了是廣義相對論的最後一個未被驗證的預測之外,來自極其遙遠的宇宙、從雙黑洞結合產生的重力波只會造成非常非常非常微弱的時空扭曲效應,其扭曲空間的程度比原子的直徑更短。以人類目前的科技水平來說,成功探測到小於原子尺度的時空波動,需要非常非常非常靈敏的儀器。

所以,這就自然引出一個問題:我們確定信號真的來自重力波,而非只是雜訊嗎?

LIGO 訊號的真確性依賴很多條件,例如雜訊處理、訊號分析、理論模擬等,而最重要的,是兩座分別位於華盛頓州和路易斯安那州的 LIGO 探測器都錄得同一個訊號。雜訊不會出現於兩個獨立運作的探測器,因此能被兩台儀器測量到的訊號都是真實的物理現象。研究人員把所有來自地球的物理現象如地震等排除在外後,就可以知道訊號確實來自外太空。

Creswell et al. 質疑:三個重力波事件可能都只是雜訊?

今年 6 月,Creswell et al. 發表了一篇預印論文(即仍未經過同儕審查),聲稱 LIGO 至今所發現的三個重力波事件有可能都只是雜訊。他們的理據是,跟隨 LIGO 的分析方法,他們發現兩座 LIGO 探測器的雜訊竟然是有關聯的。因此,驗證重力波真確的最重要因素——兩座獨立的探測器同時錄得同一訊號——就變得站不住腳了。

這聽起來很不可思議,為什麼兩座相隔 3000 公里的儀器錄得的雜訊,竟然會互相關聯?如果 Creswell et al. 的結論正確,這就是一個非常嚴重的問題,因為 LIGO 的所有觀測結果都會變得不可信。不過,就連 Creswell 等人亦未能解釋造成雜訊關聯的原因。

可想而知,Creswell et al. 的論文在天文學和物理學界引起了很大的迴響。有些學者開始懷疑 LIGO 結果的真確性,也有人認為必定是 Creswell et al. 的論文有錯。很明顯,這是個非常重要的科學問題。

在科學裡,解決問題的最好方法就是拿出數據,親自動手做一次研究。LIGO 團隊的 Ian Harry 寫了一篇文章,解釋了 Creswell et al. 的論文在哪裡出了錯。Ian 更親自把 Creswell et al. 論文中的所有分析重新做了一次,同時把所有數據和分析方法、步驟、工具等等都公開在程式分享網站 GitHub 之上,讓任何人都可以輕易地自己重做分析。

Ian 發現,原來 Creswell et al. 的論文在一開始就出錯了。Creswell et al. 把 LIGO 數據做快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,簡稱 FFT)時,忘記了 FFT 的一個前設:進行 FFT 的數據必須是循環的,即是最後一個數據點必須能接駁得到第一個數據點。而 Creswell et al. 在分析數據時,只把一小段時間的數據剪出來分析,導致數據頭尾不能相連,違反了進行 FFT 的前設,使得出的結果產生人為的效應,令兩座 LIGO 探測器錄得的數據出現實際上不存在的雜訊關聯。

不單如此,Ian 更清楚展示了,如果使用整段時間長度、符合循環條件的 LIGO 數據,進行 FFT 後兩座探測器的雜訊是完全隨機、毫無關聯的。他更示範使用隨機產生出來的模擬數據,重複 Creswell et al. 的錯誤步驟,兩個完全隨機的數據之間就出現了極高的關聯度。因此,Creswell et al. 的指控是錯誤的,人類的而且確探測到了重力波。

解決科學問題的態度

以上述說的兩個關於重力波的科研爭議,有著不同的結果,而當中最重要的,是我們客觀地分析問題,不可以被個人感覺左右我們的結論,否則我們的偏見就會造成盲點。

科學結論是客觀地仔細比對理論預測與實驗數據、以嚴謹和適當的統計方法分析、通過專業的學術期刊編輯和第三方專家審查後得出的結論。審查是專業的、數據是公開的、研究方法是可重複的、研究結論是可再現的、其統計重要性是非常高的,才能加入人類的知識庫裡。科學不是「朋友說」、不是「我感覺」,更不是投票、不是「權威」。

科學,是客觀地描述大自然的定律,謹此而已。

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