顛覆物理界的數據

斯蒂芬斯 錢磊

理性的科學家怎樣面對一個不可思議的結果？

安東尼奧·埃雷迪塔托堅持我們的采訪要通過Skype進行，并且雙方都開啟攝像頭。對面的他人到中年，頭發斑白，濃眉大眼，下巴輪廓分明。他輕松地微笑著，炯炯有神的目光像聚光燈一樣吸引著你的注意。他說話帶著意大利口音，在每個詞后都帶有額外的元音。

在他接受采訪之前，我們交談了15分鐘。他告訴我，他無意接受記者采訪，因為記者可能將他的話變成聳人聽聞、言不由衷的故事。他之所以同意與我進行Skype聊天，是因為我不是記者，而是一位物理學家和作家，并且在粒子物理實驗的戰壕里度過了13年。他不能容忍一個跟科學無關的爭論行為。

埃雷迪塔托是由160位來自13個國家的物理學家組成的“奧普拉”計劃團隊的前負責人，這個項目的目標是研究中微子物理。它于2000年成立，2008年至2012年由埃雷迪塔托負責。2011年晚冬，不可思議的事情發生了。“觀測數據的人打電話給我，”埃雷迪塔托說，“說他看到一些奇怪的事情。他看到的證據顯示，中微子穿過726.4千米的地殼，從瑞士到意大利只用了60.7納秒！這比光穿過地球外殼更快——這應該是不可能的。”

消息傳開，實驗室外的人們說這是違反相對論的，其結果會動搖物理學基礎。

愛因斯坦的狹義相對論認為，沒有巨大的物體可以比光在真空中的速度更快，這也是我們理解宇宙的一個基石。如果“奧普拉”的測量是正確的，將標志著第一次違反該理論：這是在我們理解宇宙的核心上投下的一枚原子彈。

我問埃雷迪塔托，他是否認為這一定是個錯誤。“我認為這么說是不公平的，”他說，“應該說我們的分析有偏差。所以，當看到這個跡象時，第一反應應該是，好吧，讓我們找出為什么會這樣。”

沃爾夫岡·泡利在1930年假設了中微子的存在，用以解決一個簡單的問題。當原子核發生β衰變時，除了電子之外，還有一種靜止質量為零、電中性、與光子不同的新粒子被放射出去，帶走了一部分能量，因此出現了能量虧損。1931年，泡利在美國物理學會召開的一場討論會中提出，這種粒子不是原來就存在于原子核中，而是衰變產生的。泡利預言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。這種粒子與物質的相互作用極弱，以致儀器很難探測得到。因此，近30年后，才由弗雷德里克·萊因斯和柯萬·克萊德發現了它存在的實物證據。

如今，中微子是粒子物理學標準模型的一個組成部分。中微子有三類，電子中微子、μ中微子和τ中微子。中微子可以從一種形式轉變到另一種形式。例如，一個電子中微子振蕩為μ中微子，μ中微子可以翻轉成一個τ中微子。“中微子振蕩是超越標準物理模型的第一個跡象，”埃雷迪塔托笑著告訴我，“這就是我喜歡中微子的原因。”

在“奧普拉”實驗中，假設中微子振蕩的證據是充足的，但所有這一切都來自一個“消失的”實驗，包括電子、μ中微子的證據消失。“存在的”實驗是必要的，而且是“奧普拉”的目標。位于日內瓦的歐洲核子研究所的科學家向454千米外意大利格蘭薩索地下實驗室的探測器發射了一束中微子。如果探測器發現了τ中微子，中微子就會發生振蕩。他們以CNGS（CERN Neutrinos to Gran Sasso）作為中微子源，主要目標是經由τ子作為中介，探測μ中微子到τ中微子的轉變速度。這在計劃中并沒有提到，但在2011年2月，“奧普拉”把大部分的精力集中在這里。

“我認為任何科學家，從一開始要非常、非常、非常懷疑，”埃雷迪塔托說，“你要做一個檢查清單：定時、接收器、GPS……你需要檢查一切。”一些檢查可以立即進行，而其他的檢查需要等待，例如，歐洲核子研究所發射的光束無法停止。在這期間，埃雷迪塔托要求自己的團隊拼命工作。“你不能想象我和我的同事怎樣處理這些問題——檢查這個，檢查那個，做這個，做那個。我們斷開鏈條，做一遍，再做一遍，我們從春天一直做到9月23日！我們反復檢驗數據和設備，都沒有發現任何錯誤。”

研究團隊嘗試測試軟件、硬件、理論以及他們認為的每種排列，認真檢查每一步，修正每一個漏洞，他們分析獲得的每一個數據，超過光速的中微子排列得和山一樣結實。接著，不可避免的事情發生了：數據泄露了。實驗室外的人們議論紛紛，說這是違反相對論的，這個結果動搖了1900年普朗克發現量子物理以來的物理學基礎。埃雷迪塔托告訴我，謠言“傳播的速度像光速那么快”。

“然后你會怎么做？想想自己發言人的身份。你如果說‘沒有，無可奉告’，每個人都會責怪你，記者會說：‘哦，你不能把它藏起來，我們想知道發生了什么事情。我們是納稅人，給予你們支持，我們有權知道！’或者你發表聲明，”埃雷迪塔托用陰暗的聲調接著說，“我們發現了超光速中微子。”

在這種情況下，一切并不是埃雷迪塔托能決定的。類似“奧普拉”的大型合作項目有處理爭議的章程，并由投票決定，大多數人同意公布結果，只有少數人投反對票。

2011年9月23日，“奧普拉”在歐洲核子研究所的特別研討會上宣布了這一結果，但他們沒有說觀察到的數據是違反相對論的，也沒有使用“證據”或“發現”之類的詞語，只提到了數據的“異常”。但關鍵的問題是，它從《紐約時報》的“微小的中微子可能打破宇宙速度極限”，到《每日電訊報》的“歐洲核子研究所的科學家突破光速”、《衛報》的“科學家最新研究，超光速粒子的發現”，再到《美國科學》的“發現傳播速度比光快的粒子”，變得不可控制。

最糟糕的數據比最好的理論強。如果你在尋找合理的結果，就絕不會有意想不到的發現。

另一方面，物理學界對公布出來的結果持懷疑態度，甚至冷嘲熱諷。沒有專業的物理學家愿意放棄狹義相對論，就如同1930年沃爾夫岡不愿意放棄能量守恒定律一樣。不過，如果放棄會怎樣？粒子物理學家怎么能抵制對希望的誘惑，這很可能開拓他們一生的領域呢！

即使是埃雷迪塔托也敢于希望。“你參加一個科學會議，說：‘嘿，伙計們，我有一些東西不明白。請幫助我們理解。’”他停了1秒，更像是對自己點點頭，而不是對我，“我認為謙虛是一個很好的選擇。其次，每個人都在夢想我們是正確的。每個人。”

能在一個方向奠定史詩般的里程碑，突破物理和其他潛在的尷尬，“奧普拉”應該等待嗎？他們已經花費了多少個月來分析和重新分析結果？埃雷迪塔托身體前傾，指著我的相機，“你不能停止……自然在和我們說話，并不是通過理論，而是通過實驗結果。最糟糕的數據比最好的理論強。如果你在尋找合理的結果，就絕不會有意想不到的發現。你只會有一個預期的發現——這是矛盾的。”

有一點是肯定的：公告使“奧普拉”得到了所需的幫助。幾天之后，他們和GNNS的操作員一起，開始研究新的測量方法。

因為光束在空間擴散，原來的分析必須使用統計技術確定中微子的到達時間。新的方法是在緊束中生成中微子，這樣它們就可以一起到達探測器，使得確定它們的到達時間更加容易。

過了兩個月，研究團隊用重新配置的中微子束來進行實驗并分析結果，得到了與之前相同的結果，中微子還是超過了光速。“然后我開始感到恐懼，”埃雷迪塔托說，“不僅是我，許多人都非常關注，在結果面前，他們沒有更多的爭論。”

粒子物理實驗是復雜的，建設大型探測器和粒子加速器，在獲得第一個數據的幾年前就要開始設計和施工。探測器和對撞機的啟動和運行時間，開發的分析軟件，對數據進行篩選，從背景分離信號。這樣，當他們“打開盒子”時，他們的測量不應該被任何有意或無意的希望賦予偏見。

然而，在“奧普拉”項目中，持續得出了超光速中微子的數據。下一步將尋求的，是“奧普拉”之外的獨立確認。這是常見的做法。例如希格斯粒子（按照標準模型的要求，希格斯作為一個奇特的標量玻色子必須存在，它既可以和傳遞力的粒子相互作用，也可以和構成物質的粒子相互作用），它就是ATLAS和CMS實驗的獨立觀察結果。

埃雷迪塔托說：“這是真正折磨人的實驗。”研究團隊查閱了5年以來“奧普拉”所有的數據資料，發現有一個時期“奧普拉”的時間出現了大約73納秒的誤差。然后，一個錯誤被發現：“奧普拉”的時鐘頻率并沒有鎖定光束的時間。

時間問題的源頭追溯到了連接格蘭薩索地表GPS接收器和“奧普拉”探測器之間的光纜，它出現了松動。埃雷迪塔托說：“電纜似乎被移動過。一周前我們開始時電纜狀況良好，當我們再次檢查一切時，它也在合適的位置。令人討厭的事情是，在我們記錄有關中微子速度的數據時，電纜卻在一個奇怪的位置。”

隨著發現并修復錯誤，“奧普拉”對中微子速度的測量與愛因斯坦的狹義相對論完全一致。“我很自豪，”埃雷迪塔托告訴我，“我應該很坦率地說，我總是想辦法解決一些非常奇怪的現象。我從來沒有想過這樣的事情（電纜），從來沒有。”埃雷迪塔托沒有夸大實驗數據，也沒有發表毫無根據的聲明。事實上，他根本沒有說什么，只是與其他團隊密切合作。

然而，在2012年3月，隨著塵埃落定，“奧普拉”舉行了一次投票，確定合作者是否對實驗的領導人有信心，各成員機構都有一票表決權。16比13，還有7張棄權票。雖然這遠低于罷免領導人所需要的2/3票，但在看到投票結果后，“奧普拉”的領導者埃雷迪塔托和團隊協調人達里奧辭職。

埃雷迪塔托在他的辭職信中明確表示，他辭職是為了團隊的利益：“……由于媒體的極大關注，‘奧普拉’發現自己處在某些方面的異常壓力之下……導致失去科學目標的潛在危險……這個風險太大。為了避免它，個人的利益必須退居二線。”

但埃雷迪塔托做錯了什么？人都會犯錯。連接器失敗的原因很多，它有成千上萬的通道，沒有哪個粒子物理實驗不需要處理一兩個連接器。有人說“奧普拉”應該做更多的測試，但他們反復檢查了6個月，排除了所有可能的實驗誤差，包括月球潮汐的影響、地球自轉的影響、地震的影響、溫度和云層對GPS信號傳遞的影響等，他們還要花多少個月？

我問埃雷迪塔托如何反思整個實驗。他回答說：“社會喜歡黑色和白色，但科學中的答案并不總是能爽快地得出。我們必須小心，因為如果我們給人的印象是，科學不能說是或不是，而是永遠說也許是，那么人們會說：‘好吧，那我不應該相信科學。’如何傳遞這個消息是非常微妙的。”

如今，埃雷迪塔托是伯爾尼大學高能物理實驗室的主任，并繼續參與中微子實驗。同時，也有其他人領導著“奧普拉”實驗，繼續尋找中微子振蕩和收集τ中微子。