颠覆物理界的数据

斯蒂芬斯 钱磊

理性的科学家怎样面对一个不可思议的结果？

安东尼奥·埃雷迪塔托坚持我们的采访要通过Skype进行，并且双方都开启摄像头。对面的他人到中年，头发斑白，浓眉大眼，下巴轮廓分明。他轻松地微笑着，炯炯有神的目光像聚光灯一样吸引着你的注意。他说话带着意大利口音，在每个词后都带有额外的元音。

在他接受采访之前，我们交谈了15分钟。他告诉我，他无意接受记者采访，因为记者可能将他的话变成耸人听闻、言不由衷的故事。他之所以同意与我进行Skype聊天，是因为我不是记者，而是一位物理学家和作家，并且在粒子物理实验的战壕里度过了13年。他不能容忍一个跟科学无关的争论行为。

埃雷迪塔托是由160位来自13个国家的物理学家组成的“奥普拉”计划团队的前负责人，这个项目的目标是研究中微子物理。它于2000年成立，2008年至2012年由埃雷迪塔托负责。2011年晚冬，不可思议的事情发生了。“观测数据的人打电话给我，”埃雷迪塔托说，“说他看到一些奇怪的事情。他看到的证据显示，中微子穿过726.4千米的地壳，从瑞士到意大利只用了60.7纳秒！这比光穿过地球外壳更快——这应该是不可能的。”

消息传开，实验室外的人们说这是违反相对论的，其结果会动摇物理学基础。

爱因斯坦的狭义相对论认为，没有巨大的物体可以比光在真空中的速度更快，这也是我们理解宇宙的一个基石。如果“奥普拉”的测量是正确的，将标志着第一次违反该理论：这是在我们理解宇宙的核心上投下的一枚原子弹。

我问埃雷迪塔托，他是否认为这一定是个错误。“我认为这么说是不公平的，”他说，“应该说我们的分析有偏差。所以，当看到这个迹象时，第一反应应该是，好吧，让我们找出为什么会这样。”

沃尔夫冈·泡利在1930年假设了中微子的存在，用以解决一个简单的问题。当原子核发生β衰变时，除了电子之外，还有一种静止质量为零、电中性、与光子不同的新粒子被放射出去，带走了一部分能量，因此出现了能量亏损。1931年，泡利在美国物理学会召开的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。这种粒子与物质的相互作用极弱，以致仪器很难探测得到。因此，近30年后，才由弗雷德里克·莱因斯和柯万·克莱德发现了它存在的实物证据。

如今，中微子是粒子物理学标准模型的一个组成部分。中微子有三类，电子中微子、μ中微子和τ中微子。中微子可以从一种形式转变到另一种形式。例如，一个电子中微子振荡为μ中微子，μ中微子可以翻转成一个τ中微子。“中微子振荡是超越标准物理模型的第一个迹象，”埃雷迪塔托笑着告诉我，“这就是我喜欢中微子的原因。”

在“奥普拉”实验中，假设中微子振荡的证据是充足的，但所有这一切都来自一个“消失的”实验，包括电子、μ中微子的证据消失。“存在的”实验是必要的，而且是“奥普拉”的目标。位于日内瓦的欧洲核子研究所的科学家向454千米外意大利格兰萨索地下实验室的探测器发射了一束中微子。如果探测器发现了τ中微子，中微子就会发生振荡。他们以CNGS（CERN Neutrinos to Gran Sasso）作为中微子源，主要目标是经由τ子作为中介，探测μ中微子到τ中微子的转变速度。这在计划中并没有提到，但在2011年2月，“奥普拉”把大部分的精力集中在这里。

“我认为任何科学家，从一开始要非常、非常、非常怀疑，”埃雷迪塔托说，“你要做一个检查清单：定时、接收器、GPS……你需要检查一切。”一些检查可以立即进行，而其他的检查需要等待，例如，欧洲核子研究所发射的光束无法停止。在这期间，埃雷迪塔托要求自己的团队拼命工作。“你不能想象我和我的同事怎样处理这些问题——检查这个，检查那个，做这个，做那个。我们断开链条，做一遍，再做一遍，我们从春天一直做到9月23日！我们反复检验数据和设备，都没有发现任何错误。”

研究团队尝试测试软件、硬件、理论以及他们认为的每种排列，认真检查每一步，修正每一个漏洞，他们分析获得的每一个数据，超过光速的中微子排列得和山一样结实。接着，不可避免的事情发生了：数据泄露了。实验室外的人们议论纷纷，说这是违反相对论的，这个结果动摇了1900年普朗克发现量子物理以来的物理学基础。埃雷迪塔托告诉我，谣言“传播的速度像光速那么快”。

“然后你会怎么做？想想自己发言人的身份。你如果说‘没有，无可奉告’，每个人都会责怪你，记者会说：‘哦，你不能把它藏起来，我们想知道发生了什么事情。我们是纳税人，给予你们支持，我们有权知道！’或者你发表声明，”埃雷迪塔托用阴暗的声调接着说，“我们发现了超光速中微子。”

在这种情况下，一切并不是埃雷迪塔托能决定的。类似“奥普拉”的大型合作项目有处理争议的章程，并由投票决定，大多数人同意公布结果，只有少数人投反对票。

2011年9月23日，“奥普拉”在欧洲核子研究所的特别研讨会上宣布了这一结果，但他们没有说观察到的数据是违反相对论的，也没有使用“证据”或“发现”之类的词语，只提到了数据的“异常”。但关键的问题是，它从《纽约时报》的“微小的中微子可能打破宇宙速度极限”，到《每日电讯报》的“欧洲核子研究所的科学家突破光速”、《卫报》的“科学家最新研究，超光速粒子的发现”，再到《美国科学》的“发现传播速度比光快的粒子”，变得不可控制。

最糟糕的数据比最好的理论强。如果你在寻找合理的结果，就绝不会有意想不到的发现。

另一方面，物理学界对公布出来的结果持怀疑态度，甚至冷嘲热讽。没有专业的物理学家愿意放弃狭义相对论，就如同1930年沃尔夫冈不愿意放弃能量守恒定律一样。不过，如果放弃会怎样？粒子物理学家怎么能抵制对希望的诱惑，这很可能开拓他们一生的领域呢！

即使是埃雷迪塔托也敢于希望。“你参加一个科学会议，说：‘嘿，伙计们，我有一些东西不明白。请帮助我们理解。’”他停了1秒，更像是对自己点点头，而不是对我，“我认为谦虚是一个很好的选择。其次，每个人都在梦想我们是正确的。每个人。”

能在一个方向奠定史诗般的里程碑，突破物理和其他潜在的尴尬，“奥普拉”应该等待吗？他们已经花费了多少个月来分析和重新分析结果？埃雷迪塔托身体前倾，指着我的相机，“你不能停止……自然在和我们说话，并不是通过理论，而是通过实验结果。最糟糕的数据比最好的理论强。如果你在寻找合理的结果，就绝不会有意想不到的发现。你只会有一个预期的发现——这是矛盾的。”

有一点是肯定的：公告使“奥普拉”得到了所需的帮助。几天之后，他们和GNNS的操作员一起，开始研究新的测量方法。

因为光束在空间扩散，原来的分析必须使用统计技术确定中微子的到达时间。新的方法是在紧束中生成中微子，这样它们就可以一起到达探测器，使得确定它们的到达时间更加容易。

过了两个月，研究团队用重新配置的中微子束来进行实验并分析结果，得到了与之前相同的结果，中微子还是超过了光速。“然后我开始感到恐惧，”埃雷迪塔托说，“不仅是我，许多人都非常关注，在结果面前，他们没有更多的争论。”

粒子物理实验是复杂的，建设大型探测器和粒子加速器，在获得第一个数据的几年前就要开始设计和施工。探测器和对撞机的启动和运行时间，开发的分析软件，对数据进行筛选，从背景分离信号。这样，当他们“打开盒子”时，他们的测量不应该被任何有意或无意的希望赋予偏见。

然而，在“奥普拉”项目中，持续得出了超光速中微子的数据。下一步将寻求的，是“奥普拉”之外的独立确认。这是常见的做法。例如希格斯粒子（按照标准模型的要求，希格斯作为一个奇特的标量玻色子必须存在，它既可以和传递力的粒子相互作用，也可以和构成物质的粒子相互作用），它就是ATLAS和CMS实验的独立观察结果。

埃雷迪塔托说：“这是真正折磨人的实验。”研究团队查阅了5年以来“奥普拉”所有的数据资料，发现有一个时期“奥普拉”的时间出现了大约73纳秒的误差。然后，一个错误被发现：“奥普拉”的时钟频率并没有锁定光束的时间。

时间问题的源头追溯到了连接格兰萨索地表GPS接收器和“奥普拉”探测器之间的光缆，它出现了松动。埃雷迪塔托说：“电缆似乎被移动过。一周前我们开始时电缆状况良好，当我们再次检查一切时，它也在合适的位置。令人讨厌的事情是，在我们记录有关中微子速度的数据时，电缆却在一个奇怪的位置。”

随着发现并修复错误，“奥普拉”对中微子速度的测量与爱因斯坦的狭义相对论完全一致。“我很自豪，”埃雷迪塔托告诉我，“我应该很坦率地说，我总是想办法解决一些非常奇怪的现象。我从来没有想过这样的事情（电缆），从来没有。”埃雷迪塔托没有夸大实验数据，也没有发表毫无根据的声明。事实上，他根本没有说什么，只是与其他团队密切合作。

然而，在2012年3月，随着尘埃落定，“奥普拉”举行了一次投票，确定合作者是否对实验的领导人有信心，各成员机构都有一票表决权。16比13，还有7张弃权票。虽然这远低于罢免领导人所需要的2/3票，但在看到投票结果后，“奥普拉”的领导者埃雷迪塔托和团队协调人达里奥辞职。

埃雷迪塔托在他的辞职信中明确表示，他辞职是为了团队的利益：“……由于媒体的极大关注，‘奥普拉’发现自己处在某些方面的异常压力之下……导致失去科学目标的潜在危险……这个风险太大。为了避免它，个人的利益必须退居二线。”

但埃雷迪塔托做错了什么？人都会犯错。连接器失败的原因很多，它有成千上万的通道，没有哪个粒子物理实验不需要处理一两个连接器。有人说“奥普拉”应该做更多的测试，但他们反复检查了6个月，排除了所有可能的实验误差，包括月球潮汐的影响、地球自转的影响、地震的影响、温度和云层对GPS信号传递的影响等，他们还要花多少个月？

我问埃雷迪塔托如何反思整个实验。他回答说：“社会喜欢黑色和白色，但科学中的答案并不总是能爽快地得出。我们必须小心，因为如果我们给人的印象是，科学不能说是或不是，而是永远说也许是，那么人们会说：‘好吧，那我不应该相信科学。’如何传递这个消息是非常微妙的。”

如今，埃雷迪塔托是伯尔尼大学高能物理实验室的主任，并继续参与中微子实验。同时，也有其他人领导着“奥普拉”实验，继续寻找中微子振荡和收集τ中微子。