第三节
物理学界对韦伯实验的批评

1969年7月在以色列举行的一次会议（会议记录于1971年出版）上，韦伯第一次报告地球自转影响其观测方式的地方。他在随后发表的论文中说：“这些数据证明了引力辐射已经被发现的结论是正确的。”从1970年开始先后有多个实验室复制韦伯的实验，但都没有成功，从而引发了韦伯与其反对者之间的争论。这场争论从1972年开始到1975年结束。

一、争论的早期阶段

事实上，早在1970年，对韦伯的质疑就已经在学术圈暗流涌动了。1970年，《物理评论》（ Physical Review ）的编辑萨姆·古德斯米特（Sam Goudsmit）就已经在地下出版物中暗自质疑韦伯的数据统计方法和韦伯关于恒星相关理论的研究了。 古德斯米特还曾对韦伯在《华尔街日报》上发表论文一事进行过阻挠，但该报主编在古德斯米特休假时将该文刊发了。

最早对韦伯的实验结果直接提出质疑的是莫斯科大学的物理学家弗拉基米尔·布拉金斯基（Vladimir Braginsky），大约是1972年，布拉金斯基在学术会议和私人信件中曾多次提醒韦伯：在他们的实验中并没有发现韦伯实验中所展示的数据统计的显著性。基本上，布拉金斯基对韦伯的批评是比较委婉的：“对一个信道中的数据做延时处理，就会发现重合现象的减少和重合点在恒星时中的分布情况，这是韦伯实验中支持爆炸的重要论据。然而在我们的实验方案中，没有出现[统计上显著的3个标准差]与天体物理学相悖的爆炸。” ^[1]

1973年，韦伯迎来了他学术生涯中比较艰难的阶段，在那一年先后有5个实验室对韦伯的实验结果发难，分别是：IBM实验室、贝尔实验室、位于罗马附近弗拉斯卡蒂（Frascati）的欧洲空间研究组织实验室（European Space Research Organisation Laboratories）和英国的格拉斯哥大学。其中，五所研究机构中IBM实验室的物理学家嘉文和詹姆斯·莱文（James Levine）的批评是最直接的。他们在《物理评论快报》（ Physical Review Letters ）上直接抨击韦伯说：“我们的实验表明：（a）1969—1970年的韦伯事件不是由引力波产生的，（b）在1969—1970年比较活跃的一个引力波源在1973年的活跃程度较低，（c）这些引力波的持续时间[长于]24毫秒。” ^[2] 贝尔实验室的托尼·泰森（Tony Tyson）也说：“我不对韦伯所观察到的结果进行推测，但是这些事件看起来不大可能是由引力辐射所引起的（飞溅、偏移或其他事件）。” ^[3] 格拉斯哥实验室在报告中说：“我们的结论是，韦伯在1970年报告的信号不太可能是由于持续时间不到几毫秒的引力辐射脉冲造成的，假设从那时起，辐射源没有发生显著变化。但我们目前的观测并不排除韦伯探测到持续时间更长的引力辐射爆发的可能性。” ^[4]

在争论的初期，韦伯对物理学界针对其实验结果的质疑所做的回应还是比较客气和友好的。1972年11月，韦伯在《自然》（ Nature ）杂志上发表了一篇论文。在这篇论文中，韦伯将他自1970年10月至1971年2月的实验数据公之于众。关于这篇论文，有两点值得注意之处：一方面，韦伯强调所有的数据计算均是由计算机来完成的，因此并不存在通过人为干预挑选实验数据或对实验结果进行干扰的情况；另一方面，韦伯在这篇论文中公布了“延时直方图”的数据统计方法，延长的时间为2秒钟。通过延时的方法可以避免在数据统计上出现峰值重合的情况，以便能够更加清晰和准确地表征出不同的数据参数及其来源，这样做有助于区分噪声和信号。延时直方图的工作原理如图2.9所示： ^[5]

在该文中韦伯所提供的延时直方图如图2.10所示：

延时统计的方法可以被看作是韦伯对于探测引力波实验在数据分析方面的一种贡献。在这篇论文的结尾，韦伯强调：“目前所公布的数据是不存在人为偏见的。对于预期脉冲的持续时间或其形状，不存在任何假设……毫无疑问，位于1000千米基线终端的引力辐射探测器所测到的信号来自一个共源极（common source），它不是由地震、电磁或带电宇宙线的相互作用所引起的。” ^[6] 接下来，在不到一年之后（1973年9月），作为确证，韦伯又在《物理评论快报》上发表论文，公布了三个直方图，涵盖了实验截至1973年所收集到的数据。所公布的数据直方图如图2.11所示： ^[7]

二、争论进入白热化阶段

韦伯试图通过公布他所有的实验数据和实验细节，以此为“武器”对当时的物理学界进行“劝说”，使其他物理学家相信他的实验结果。但是，令韦伯没想到的是这反而招致了学术界的反感，使得双方的矛盾逐步升级，最终达到了白热化的程度，其间主要经历了三个阶段：

（一）围绕着实验原理展开的争论

众所周知，探测引力波实验原理无可依附，只能按照爱因斯坦的广义相对论假说进行推测。1972年1月，在皇家天文学会（Royal Astronomical Society）上，英国物理学家马丁·里斯（Martin Rees）首先站出来说如果广义相对论是正确的，那么韦伯就是错的。里斯的说法是如果韦伯的结果是正确的，那么只有当质量急剧发生变化时，才会产生引力波。如果质量消耗过大，那么保持现有星系的引力就会变得非常少。同年，物理学家马克·卡夫卡（Marc Kafka）在提交给“引力研究基金会”（Gravity Research Foundation）的一篇论文中也提到，如果引力是均匀的，那么按照韦伯的实验每年将会有300万次引力辐射通过；之后包括物理学家基普·索恩（Kip Thorne）和特伦斯·谢诺夫斯基（Terrence Sejnowski）也撰文说如果韦伯测到的是引力波，那么按他的估算宇宙运动太频繁了，可能性不大。对于韦伯而言，他并没有急于解释，他把注意力投入实验中，在他看来，世界也许和我们的现有理论是不同的。 ^[8] 当年韦伯还有支持者——韦伯在马里兰大学的同事查尔斯·米斯纳（Charles Misner）为其进行了辩护：“如果按照银河中心理论，用同步模型（窄角、高和谐度）发射来看韦伯的结果的话，波的强度和频率都是合理的。” ^[9]

（二）针对韦伯的实验方法展开的争论

1.算法

韦伯采用的是非线性算法，“当有能量产生时，我们认为，用非线性算法而非线性算法，可以让两台探测器测到更多的信号”。 ^[10] 物理学家泰森和卡夫卡也曾尝试用非线性算法，但结果一无所获。所以，后来几乎所有的实验团队都改用线性算法，但只有韦伯坚持用非线性算法。韦伯的固执就如泰森所批评的：“所有的这些实验，包括我的、韦伯的、卡夫卡的——都是用相同的算法、用相同的方式测量脉冲。但是你就是认为你的（韦伯）实验比我们的强。” ^[11]

2.计算机程序

这是韦伯实验最被世人所诟病的问题，也是最终导致韦伯实验“不可信”的主要根源。所有探测引力波实验所采集到的数据都需要通过电脑收集并进行分析。在探测引力波实验中，不同的探测小组会相互交流他们的数据。最初是罗切斯特大学的大卫·道格拉斯（David Douglass）把自己的数据寄给了韦伯，经过比对，韦伯发现他的数据和道格拉斯的很接近。这让韦伯很兴奋，因为道格拉斯的结果即将成为证明他的实验成功的一个最好的证据。然而，韦伯却忽视了“时差”的问题——在韦伯与道格拉斯的数据之间存在最小值为1.2秒、最大值达到4个小时的延迟，这一事件被称为“四小时错误”（four hour error）。韦伯后来承认他的计算程序有误，但他拒绝承认他探测的信号不是引力波的结论：“磁带的副本送给了罗切斯特大学的道格拉斯教授。道格拉斯在未公布的重合数据中发现了程序错误和错误的值。他没有进一步的处理磁带就得出了错误的结论，认为每天都有零延迟溢出值。这个不正确的信息被嘉文博士和IBM的沃森实验室（Thomas Watson Research Laboratory）广为散播。” ^[12]

3.数据分析方法

在普林斯顿大学举行的一次学术研讨会上，韦伯介绍说每过24个小时银河系的中心出现在我们头上，他的探测器就会测到一个非常明显的峰值，这些数据表明致密的星系核的引力波正在散射。当时，坐在前排的听众里就有天文学家泰森、惠勒、弗里曼·戴森（Freeman Dyson）。据泰森回忆：“听到这里我们全都跳了起来，对他提出质疑：‘韦伯稍等一下，引力波应该可以穿透地球，不是吗？’韦伯的结论有一个问题：既然引力波可以穿透地球，那么无论银河系在我们的头顶上还是脚底下，他的探测器都应该能探测到一组异常数据，因此这个周期应该是12个小时。在被指出他的推理有误之后，韦伯重新分析了数据，并在两周后得出了每过12个小时就会出现异常数据的结论。这种不严谨的数据分析方法加剧了人们对他的不信任。” 泰森曾经就他与韦伯实验在数据分析方法上的差异进行过这样的描述：“韦伯的做法是这样的：他不知道会发生什么，因此他和他的程序员在实验中或多或少地会做调整，在每个瞬间都尽量使零延迟值溢出。我想说的是，这种方法存在错误的可能性，不支持泊松统计。……我同意乔（韦伯）的观点。但我认为你必须要先有一个好的算法然后再来分析数据。” ^[13] IBM的嘉文也批评道：“……在CCR-5（在剑桥召开的广义相对论会议）上，马里兰团队在解释他们没有获得重合的正电荷过剩时说‘我们尽力了’，但马里兰团队却对数据进行了挑选（挑选了能代表重合的正电荷过剩的数据发表，而没有将那些代表没有正电荷过剩的数据公布出来）。” ^[14] 韦伯试图否认这些对他的指责：“说我们‘造假’是不对的。过去的6个月里我一直待在加利福尼亚大学欧文分校，没有在加利福尼亚遥控指挥（韦伯的团队及他的天线处在马里兰大学）。事实上，在这一年，参数并没有发生变化。我们所做的不过是用两种算法把它们记录下来。” ^[15]

由于之前韦伯拒绝了所有对他的指责，这无形中更加激化了双方的矛盾，使争论从最初对实验方法的质疑到对实验结果的质疑，甚至于演化成对韦伯的人身攻击。在所有的批评者中，IBM的嘉文对韦伯的批评是最猛烈的，他直接把韦伯的实验叫作“病态科学”（pathological science）——在他1974年2月7日发给韦伯的信中，他说：“我附了一篇朗缪尔（Langmuir）的论文《病态科学》。讲真的，对我来说这些年来你的结果越来越像朗缪尔描写的‘病态科学’。” ^[16] 两人最主要的矛盾爆发点发生在1974年在麻省理工学院召开的引力波理论研讨会上。会上，嘉文在会议礼堂当着全体参会科学家的面公开指责韦伯的结果不可信。此举使韦伯十分愤怒，两人随即大吵起来险些就动起手来。就当他们即将挥拳相向的时候，因患脊髓灰质炎而行动不便的天文物理学家菲利普·莫里森（Philip Morrison）用他手中的拐杖将两人分开。虽然，两人最终回到了各自的席位上，但是“韦伯摆出了不屈不挠的姿态，嘉文则是一脸轻蔑的表情”。 两人冲突的根源如嘉文所言：“韦伯一直按照他自己的信念行事，他认为他的信念是正确的，但其实从一开始就错了。” ^[17] 嘉文团队的另一位成员对韦伯的批评更直接：“在这一点上这就不是物理学。以前它是不是物理学问题，尚不清楚；但现在它肯定不是。” ^[18]

但是，在激烈对抗的同时，科学家们在争论的过程中也表现出了某种“惺惺相惜”。比如，1973年，与韦伯有过激烈冲突的嘉文在其论文中为韦伯的信号放大器的灵敏度进行了辩护，同时驳斥了泰森对韦伯的批评。 ^[19] 但同时，莱文还是对韦伯仪器的灵敏度提出了质疑，在其1974年的论文中，莱文谈道：“……由于忽视了用于降低宽带噪声的滤波器的影响，我们认为他们在很大程度上夸大了他们的系统的灵敏度。” 又如，泰森也曾经建造过一个引力波探测器，他强调他的探测器的灵敏度比韦伯棒的灵敏度高，但是，他什么也没测到。即便如此，在1973年，泰森承认他的探测器和韦伯的探测器对不同信号的敏感度是不一样的。

如果说理论物理学家的批评并没有动摇韦伯意志的话，那么来自实验物理学家的报告对韦伯的打击则是致命的。在相当长的一段时间里，共振棒引力波探测器的实验共同体几乎呈现出“一边倒”的倾向——几乎所有从事该领域研究的实验室都发表文章、公布数据说没有探测到引力波信号，韦伯的实验是不能被复制、不能被验证的。而不能被复制、不能被验证的实验，基本上可以被认定为失败的实验，这已经成为一条学界公理。于是，韦伯当时的处境可想而知。

1975年之后，尽管韦伯的实验还在继续，但是科学界已经基本上达成一种默契——认为韦伯实验是一个“失败的”实验。认定这一事实的标准主要体现在两方面：其一，韦伯自1975年之后几乎没有在权威期刊上发表过论文（但这并不意味着韦伯停止向权威期刊投稿或撰写论文，只是他的论文总是被“拒”）；其二，自此之后，韦伯很难从最主要的科研资助渠道（美国自然科学基金会）获得资金支持。

上述两种指标宣告探测引力波实验的“韦伯时代”结束了。如果说在这场争论的最初韦伯还能得到一些零星支持者的支持，那么到了争论的后半程韦伯则几乎是在以一己之力对抗整个科学界，这使韦伯看起来有点像个悲情的“英雄”。 ^[20] 事实上，如果说韦伯的实验有这样或那样问题的话，他的批评者们的实验也并不是“完美”的。有人评论莫斯科国立大学的布拉金斯基的实验：“我不认为布拉金斯基的结果非常可靠，因为他提供的数据太少，只有五六天的数据，没有更多了……他说如果有情况发生——如果是韦伯所说的那种情况——他一定能测到。” 罗切斯特大学的戴夫·道格拉斯（Dave Douglass）的实验问题在于噪声太大，无法区分信号。贝尔实验室的问题和罗切斯特大学的问题差不多，也是仪器的灵敏度太差，甚至都没有达到韦伯实验的那个水准。罗纳德·德雷弗（Ronald Drever）所在的格拉斯哥大学的仪器灵敏度还不错，但是仪器很小，而且他的棒是裂开的，和韦伯的很不一样。IBM的嘉文设计的棒更小，有人甚至开玩笑说他的探测器就是个“玩具”。只有弗拉斯卡蒂实验室的卡夫卡的共振棒设计与韦伯的最接近，但是他却选择了与韦伯不同的算法。也就是说，上述实验室没有一个是在真正意义上复制了韦伯的实验，他们或多或少都对实验本身做了改动。那么，批评者们批评韦伯的依据何在？

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[1] V.Braginsky,B.Manukin,I.Popov,N.Rudenko,A.Khorev,"Search for Gravitational Radiation of Extra-Terrestrial Origin", JETP Letters ,1972,p.111.

[2] Richard Garwin & James Levine,"Single Gravity-Wave Detector Results Contrasted with Previous Coincidence Detections.", Physical Review Letters,Vol.31,No.3,p.180.

[3] Atony Tyson,"Null Search for Bursts of Gravitational Radiation", Physical Review Letters ,Vol.31,No.5,p.329.

[4] Ron Drever,James Hough,R.Bland,and G.Lesnoff,"Search for Short Bursts of Gravitational Radiation", Nature ,Vol.246,No.7,1973,p.344.

[5] Joseph Weber,"Computer Analyses of Gravitational Radiation Detector Coincidences", Nature ,Vol.240,No.3,1972,p.28.

[6] Joseph Weber,"Computer Analyses of Gravitational Radiation Detector Coincidences", Nature ,Vol.240,No.3,1972,p.30.

[7] Joseph Weber,M.Lee,D.J.Gretz,G.Rydbeck,V.L.Trimble,and S.Steppel,"New Gravitational Radiation Experiments", Physical Review Letters ,Vol.31,No.12,p.780.

[8] Joseph Weber,"Gravitational Radiation Experiments", Physical Review Letters ,Vol.24,No.6,1970,pp.276-279.

[9] C.Misner,"Interpretation of Gravitational-Wave Observations", Physical Review Letters ,Vol.28,No.5,1972,p.994.

[10] Joseph Weber,"Weber Responds", Physical Today ,Vol.28,No.11,1975,p.246.

[11] Allen Franklin, Can That Be Right?:Essays on Experiment , Evidence and Science ,Spring Science+Business Media Dordrencht,1999,p.23.

[12] Joseph Weber,"Weber Responds", Physical Today ,Vol.28,No.11,1975,p.247.

[13] Allen Franklin, Can That Be Right?:Essays on Experiment , Evidence and Science ,Spring Science+Business Media Dordrencht,1999,p.27.

[14] Richard Garwin,"Detection of Gravity Wave Challenged", Physics Today ,Vol.27,No.1,1974,pp.9-10.

[15] Allen Franklin, Can That Be Right?:Essays on Experiment , Evidence and Science ,Spring Science+Business Media Dordrencht,1999,p.28.

[16] Harry Collins, Gravity's Shadow:The Search for Gravitational Waves ,Chicago:The University of Chicago Press,2004,p.170.

[17] Harry Collins,"Son of Seven Sexes:The Social Destruction of a Physical Phenomenon", Social Studies of Science ,Vol.11,No1,1981,p.46.

[18] Harry Collins,"Son of Seven Sexes:The Social Destruction of a Physical Phenomenon", Social Studies of Science ,Vol.11,No1,1981,p.47.

[19] James Levine & Richard Garwin,"Absence of Gravity-Wave Signals in a Bar at 1695Hz.", Physical Review Letter ,Vol.31,No.3,1973,p.178.

[20] Harry Collins, Gravity's Shadow:The Search for Gravitational Waves ,Chicago:The University of Chicago Press,2004,p.111. +S0laSSaALnnLq0qKLUUb5tFqOVMBaPqMCALHCmwATGs9iJgiSDiAv3Zofvmq6LK