斯蒂芬斯 錢磊

理性的科學(xué)家怎樣面對(duì)一個(gè)不可思議的結(jié)果？

安東尼奧·埃雷迪塔托堅(jiān)持我們的采訪要通過Skype進(jìn)行，并且雙方都開啟攝像頭。對(duì)面的他人到中年，頭發(fā)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(gè)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?yàn)橛浾呖赡軐⑺脑捵兂陕柸寺犅?、言不由衷的故事。他之所以同意與我進(jìn)行Skype聊天，是因?yàn)槲也皇怯浾?，而是一位物理學(xué)家和作家，并且在粒子物理實(shí)驗(yàn)的戰(zhàn)壕里度過了13年。他不能容忍一個(gè)跟科學(xué)無關(guān)的爭論行為。

埃雷迪塔托是由160位來自13個(gè)國家的物理學(xué)家組成的“奧普拉”計(jì)劃團(tuán)隊(duì)的前負(fù)責(zé)人，這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)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(fù)責(zé)。2011年晚冬，不可思議的事情發(fā)生了。“觀測數(shù)據(jù)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(jù)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(yīng)該是不可能的?！?/p>

消息傳開，實(shí)驗(yàn)室外的人們說這是違反相對(duì)論的，其結(jié)果會(huì)動(dòng)搖物理學(xué)基礎(chǔ)。

愛因斯坦的狹義相對(duì)論認(rèn)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(gè)基石。如果“奧普拉”的測量是正確的，將標(biāo)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(rèn)為這一定是個(gè)錯(cuò)誤?！拔艺J(rèn)為這么說是不公平的，”他說，“應(yīng)該說我們的分析有偏差。所以，當(dāng)看到這個(gè)跡象時(shí)，第一反應(yīng)應(yīng)該是，好吧，讓我們找出為什么會(huì)這樣?！?/p>

沃爾夫?qū)づ堇?930年假設(shè)了中微子的存在，用以解決一個(gè)簡單的問題。當(dāng)原子核發(fā)生β衰變時(shí)，除了電子之外，還有一種靜止質(zhì)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(xiàn)了能量虧損。1931年，泡利在美國物理學(xué)會(huì)召開的一場討論會(huì)中提出，這種粒子不是原來就存在于原子核中，而是衰變產(chǎn)生的。泡利預(yù)言的這個(gè)竊走能量的“小偷”就是中微子。這種粒子與物質(zhì)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(fā)現(xiàn)了它存在的實(shí)物證據(jù)。

如今，中微子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)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(zhuǎn)變到另一種形式。例如，一個(gè)電子中微子振蕩為μ中微子，μ中微子可以翻轉(zhuǎn)成一個(gè)τ中微子?！爸形⒆诱袷幨浅綐?biāo)準(zhǔn)物理模型的第一個(gè)跡象，”埃雷迪塔托笑著告訴我，“這就是我喜歡中微子的原因?！?/p>

在“奧普拉”實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)中微子振蕩的證據(jù)是充足的，但所有這一切都來自一個(gè)“消失的”實(shí)驗(yàn)，包括電子、μ中微子的證據(jù)消失。“存在的”實(shí)驗(yàn)是必要的，而且是“奧普拉”的目標(biāo)。位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究所的科學(xué)家向454千米外意大利格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室的探測器發(fā)射了一束中微子。如果探測器發(fā)現(xiàn)了τ中微子，中微子就會(huì)發(fā)生振蕩。他們以CNGS（CERN Neutrinos to Gran Sasso）作為中微子源，主要目標(biāo)是經(jīng)由τ子作為中介，探測μ中微子到τ中微子的轉(zhuǎn)變速度。這在計(jì)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(rèn)為任何科學(xué)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(gè)檢查清單：定時(shí)、接收器、GPS……你需要檢查一切。”一些檢查可以立即進(jìn)行，而其他的檢查需要等待，例如，歐洲核子研究所發(fā)射的光束無法停止。在這期間，埃雷迪塔托要求自己的團(tuán)隊(duì)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(gè)，檢查那個(gè)，做這個(gè)，做那個(gè)。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(fù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)備，都沒有發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤。”

研究團(tuán)隊(duì)嘗試測試軟件、硬件、理論以及他們認(rèn)為的每種排列，認(rèn)真檢查每一步，修正每一個(gè)漏洞，他們分析獲得的每一個(gè)數(shù)據(jù)，超過光速的中微子排列得和山一樣結(jié)實(shí)。接著，不可避免的事情發(fā)生了：數(shù)據(jù)泄露了。實(shí)驗(yàn)室外的人們議論紛紛，說這是違反相對(duì)論的，這個(gè)結(jié)果動(dòng)搖了1900年普朗克發(fā)現(xiàn)量子物理以來的物理學(xué)基礎(chǔ)。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(huì)怎么做？想想自己發(fā)言人的身份。你如果說‘沒有，無可奉告’，每個(gè)人都會(huì)責(zé)怪你，記者會(huì)說：‘哦，你不能把它藏起來，我們想知道發(fā)生了什么事情。我們是納稅人，給予你們支持，我們有權(quán)知道！’或者你發(fā)表聲明，”埃雷迪塔托用陰暗的聲調(diào)接著說，“我們發(fā)現(xiàn)了超光速中微子?！?/p>

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(xiàng)目有處理爭議的章程，并由投票決定，大多數(shù)人同意公布結(jié)果，只有少數(shù)人投反對(duì)票。

2011年9月23日，“奧普拉”在歐洲核子研究所的特別研討會(huì)上宣布了這一結(jié)果，但他們沒有說觀察到的數(shù)據(jù)是違反相對(duì)論的，也沒有使用“證據(jù)”或“發(fā)現(xiàn)”之類的詞語，只提到了數(shù)據(jù)的“異?！?。但關(guān)鍵的問題是，它從《紐約時(shí)報(bào)》的“微小的中微子可能打破宇宙速度極限”，到《每日電訊報(bào)》的“歐洲核子研究所的科學(xué)家突破光速”、《衛(wèi)報(bào)》的“科學(xué)家最新研究，超光速粒子的發(fā)現(xiàn)”，再到《美國科學(xué)》的“發(fā)現(xiàn)傳播速度比光快的粒子”，變得不可控制。

最糟糕的數(shù)據(jù)比最好的理論強(qiáng)。如果你在尋找合理的結(jié)果，就絕不會(huì)有意想不到的發(fā)現(xiàn)。

另一方面，物理學(xué)界對(duì)公布出來的結(jié)果持懷疑態(tài)度，甚至冷嘲熱諷。沒有專業(yè)的物理學(xué)家愿意放棄狹義相對(duì)論，就如同1930年沃爾夫?qū)辉敢夥艞壞芰渴睾愣梢粯?。不過，如果放棄會(huì)怎樣？粒子物理學(xué)家怎么能抵制對(duì)希望的誘惑，這很可能開拓他們一生的領(lǐng)域呢！

即使是埃雷迪塔托也敢于希望?！澳銋⒓右粋€(gè)科學(xué)會(huì)議，說：‘嘿，伙計(jì)們，我有一些東西不明白。請(qǐng)幫助我們理解?！彼Ａ?秒，更像是對(duì)自己點(diǎn)點(diǎn)頭，而不是對(duì)我，“我認(rèn)為謙虛是一個(gè)很好的選擇。其次，每個(gè)人都在夢(mèng)想我們是正確的。每個(gè)人?！?/p>

能在一個(gè)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(yīng)該等待嗎？他們已經(jīng)花費(fèi)了多少個(gè)月來分析和重新分析結(jié)果？埃雷迪塔托身體前傾，指著我的相機(jī)，“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(shí)驗(yàn)結(jié)果。最糟糕的數(shù)據(jù)比最好的理論強(qiáng)。如果你在尋找合理的結(jié)果，就絕不會(huì)有意想不到的發(fā)現(xiàn)。你只會(huì)有一個(gè)預(yù)期的發(fā)現(xiàn)——這是矛盾的。”

有一點(diǎn)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?yàn)楣馐诳臻g擴(kuò)散，原來的分析必須使用統(tǒng)計(jì)技術(shù)確定中微子的到達(dá)時(shí)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(dá)探測器，使得確定它們的到達(dá)時(shí)間更加容易。

過了兩個(gè)月，研究團(tuán)隊(duì)用重新配置的中微子束來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并分析結(jié)果，得到了與之前相同的結(jié)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(guān)注，在結(jié)果面前，他們沒有更多的爭論?！?/p>

粒子物理實(shí)驗(yàn)是復(fù)雜的，建設(shè)大型探測器和粒子加速器，在獲得第一個(gè)數(shù)據(jù)的幾年前就要開始設(shè)計(jì)和施工。探測器和對(duì)撞機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)間，開發(fā)的分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，從背景分離信號(hào)。這樣，當(dāng)他們“打開盒子”時(shí)，他們的測量不應(yīng)該被任何有意或無意的希望賦予偏見。

然而，在“奧普拉”項(xiàng)目中，持續(xù)得出了超光速中微子的數(shù)據(jù)。下一步將尋求的，是“奧普拉”之外的獨(dú)立確認(rèn)。這是常見的做法。例如希格斯粒子（按照標(biāo)準(zhǔn)模型的要求，希格斯作為一個(gè)奇特的標(biāo)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(gòu)成物質(zhì)的粒子相互作用），它就是ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立觀察結(jié)果。

埃雷迪塔托說：“這是真正折磨人的實(shí)驗(yàn)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)查閱了5年以來“奧普拉”所有的數(shù)據(jù)資料，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)時(shí)期“奧普拉”的時(shí)間出現(xiàn)了大約73納秒的誤差。然后，一個(gè)錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn)：“奧普拉”的時(shí)鐘頻率并沒有鎖定光束的時(shí)間。

時(shí)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(xiàn)了松動(dòng)。埃雷迪塔托說：“電纜似乎被移動(dòng)過。一周前我們開始時(shí)電纜狀況良好，當(dāng)我們?cè)俅螜z查一切時(shí)，它也在合適的位置。令人討厭的事情是，在我們記錄有關(guān)中微子速度的數(shù)據(jù)時(shí)，電纜卻在一個(gè)奇怪的位置?！?/p>

隨著發(fā)現(xiàn)并修復(fù)錯(cuò)誤，“奧普拉”對(duì)中微子速度的測量與愛因斯坦的狹義相對(duì)論完全一致?！拔液茏院?，”埃雷迪塔托告訴我，“我應(yīng)該很坦率地說，我總是想辦法解決一些非常奇怪的現(xiàn)象。我從來沒有想過這樣的事情（電纜），從來沒有?！卑＠椎纤袥]有夸大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也沒有發(fā)表毫無根據(jù)的聲明。事實(shí)上，他根本沒有說什么，只是與其他團(tuán)隊(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)人有信心，各成員機(jī)構(gòu)都有一票表決權(quán)。16比13，還有7張棄權(quán)票。雖然這遠(yuǎn)低于罷免領(lǐng)導(dǎo)人所需要的2/3票，但在看到投票結(jié)果后，“奧普拉”的領(lǐng)導(dǎo)者埃雷迪塔托和團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)人達(dá)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(tuán)隊(duì)的利益：“……由于媒體的極大關(guān)注，‘奧普拉’發(fā)現(xiàn)自己處在某些方面的異常壓力之下……導(dǎo)致失去科學(xué)目標(biāo)的潛在危險(xiǎn)……這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)太大。為了避免它，個(gè)人的利益必須退居二線?！?/p>

但埃雷迪塔托做錯(cuò)了什么？人都會(huì)犯錯(cuò)。連接器失敗的原因很多，它有成千上萬的通道，沒有哪個(gè)粒子物理實(shí)驗(yàn)不需要處理一兩個(gè)連接器。有人說“奧普拉”應(yīng)該做更多的測試，但他們反復(fù)檢查了6個(gè)月，排除了所有可能的實(shí)驗(yàn)誤差，包括月球潮汐的影響、地球自轉(zhuǎn)的影響、地震的影響、溫度和云層對(duì)GPS信號(hào)傳遞的影響等，他們還要花多少個(gè)月？

我問埃雷迪塔托如何反思整個(gè)實(shí)驗(yàn)。他回答說：“社會(huì)喜歡黑色和白色，但科學(xué)中的答案并不總是能爽快地得出。我們必須小心，因?yàn)槿绻覀兘o人的印象是，科學(xué)不能說是或不是，而是永遠(yuǎn)說也許是，那么人們會(huì)說：‘好吧，那我不應(yīng)該相信科學(xué)?！绾蝹鬟f這個(gè)消息是非常微妙的。”

如今，埃雷迪塔托是伯爾尼大學(xué)高能物理實(shí)驗(yàn)室的主任，并繼續(xù)參與中微子實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，也有其他人領(lǐng)導(dǎo)著“奧普拉”實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)尋找中微子振蕩和收集τ中微子。