爆炸性發現竟是實驗設備bug，大型科學組織敗給了1根問題電纜

2011 年，義大利的中微子振蕩乳膠徑跡（OPERA）合作組宣布，在一次中微子實驗中發現了「超越光速的中微子」，如果這一結果真實可靠，將直接打破愛因斯坦在上個世紀創建的狹義相對論——OPERA 合作組織因此遭到了來自學界的巨大壓力和質疑，輿論也為之嘩然。

但隨後的驗證發現，超光速中微子並不存在：一根有問題的光纖電纜引起的問題造就了這一起令人尷尬的烏龍事件。時任 OPERA 合作組織發言人和領導者的物理學家安東尼奧·艾瑞迪塔托（Antonio Ereditato）引咎辭職。在 5 年之後的 2017 年末，艾瑞迪塔托又一次接受了媒體採訪，從一個親歷者的角度講述了事件背後的真理和錯誤、質疑和責任。

撰文 Ransom Stephens

翻譯 薛鈺

審校 金庄維

編輯 魏瀟

安東尼奧·艾瑞迪塔托（Antonio Ereditato）堅持通過 Skype 進行「面對面」的採訪。這位中年物理學家頭髮灰白，目光炯炯，下巴輪廓分明。他時常微笑，目光像是聚光燈一樣吸引著你的注意力，說話時帶有義大利口音。

我們聊了 15 分鐘後，他才同意進行錄音訪談。他對我說，他不希望記者把他的話加工成聳人聽聞的狗血故事。他之所以願意通過 Skype 接受我的採訪，是因為我不是記者，而是一個在實驗粒子物理學領域鏖戰過 13 年的物理學家和作家。他無法容忍一場（與外行之間）關於行為而不是科學的辯論。最後，他說：「好吧，我看過你的眼睛了，我相信你。也許是我太容易相信別人了，但我相信你。」他放鬆下來，笑著靠在椅子上，攤開雙臂。

現年 62 歲的物理學家安東尼奧·艾瑞迪塔托（Antonio Ereditato）

不可能的數據

艾瑞迪塔托（Ereditato）是中微子振蕩乳膠徑跡（OPERA）合作組織的前任領導。這個項目在 2000 年被首次提出，現在匯聚了來自 13 個國家的 160 位物理學家，目標是研究中微子物理。艾瑞迪塔托從 2008 年到 2012 年擔任 OPERA 的領導。2011 年初，不可思議的事情發生了。艾瑞迪塔托通過電腦屏幕告訴我：「當時正在查看數據的人打電話給我，他說，』我看到了一些奇怪的東西。』」那些數據表明，從瑞士到義大利，中微子在地殼中穿行454英里所花的時間，比光在真空中飛行同樣的距離還快 60.7納秒。這根本不可能！

上個世紀，愛因斯坦創建了狹義相對論，其基本定律之一就是：任何靜質量非零的物體，運動速度都不能超過真空中的光速。這已經成為我們理解宇宙的一塊基石。如果 OPERA 的測量是正確的，這將成為對相對論的首次挑戰——相當於在我們理解宇宙的最核心部分投下一顆原子彈。

我問艾瑞迪塔托，他有沒有想過這可能是一個錯誤。他告訴我：「如果我們一開始就認為結果是錯的，這隻能說明我們不能以客觀公正的角度看待自己的分析。當有跡象表明發生了驚人的事情時，我們的第一反應是：好吧，大家先來看看為什麼會是這樣。」

1930 年，奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）在解決一個簡單的問題時預言了中微子的存在。當時的實驗發現，原子核經歷 β 衰變時會釋放出電子或正電子（電子的反粒子），並出現能量虧損。這部分能量要麼就是被衰變過程中逃跑的未知物質帶走，要麼就是消失了。而任何過程（飛行，下落，移動，碰撞，衰變或者維持不變等等）的可重複實驗都從未出現過能量消失，因此泡利提出了中微子假說。他認為，「不可見」的中微子擁有「能使 β 衰變遵守熱力學第一定律」所需要的所有性質。「不可見」的意思是，它們穿過物質時幾乎不留下任何痕迹。正因如此，科學家花了近 30 年後才首次在實驗上觀測到中微子存在的證據——這項實驗由美國物理學家弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）和克萊德·科恩（Clyde Cowan）於 1956 年合作完成。

時至今日，中微子已經是粒子物理學標準模型中不可或缺的一部分。中微子可以在這三種不同的類型——電子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子——之間相互轉化，這被稱為中微子振蕩。例如，電子中微子可以振蕩成 μ 子中微子，μ 子中微子可以振蕩成 τ 子中微子。艾瑞迪塔托說：「中微子振蕩是超出標準模型的第一個信號。」他笑著補充道，「這正是我喜歡中微子的原因。

這將我們帶回到了 OPERA 實驗。中微子振蕩的所有證據都來自消失型實驗（中微子振蕩實驗分為消失型實驗和出現型實驗，消失型實驗是指檢測到的中微子少於無振蕩情況下預期的中微子，而出現型實驗則是指檢測到了中微子源中不存在的中微子）。也就是說，要麼有電子中微子消失了，要麼有 μ 子中微子消失了。研究人員亟需出現型實驗證據的支持，這便是OPERA的目標。具體的構想是，位於日內瓦的歐洲核子中心（CERN）產生一束高能 μ 子中微子，射向 454 英里外深埋在義大利格蘭薩索山脈（Gran Sasso Mountain）的探測器。假如在那裡探測到了 τ 中微子，那就說明在這個過程中發生了中微子振蕩。根據粒子物理學的命名傳統，「中微子振蕩乳膠徑跡（Oscillation Project with Emulsion-tRracking Apparatus）」項目就簡稱為 OPERA。

這項提案沒有提到中微子束從 CNGS（CERN Neutrinos to Gran Sasso ）到達 OPERA 探測器這一過程的速度測量。但在 2011 年 2 月，OPERA 將研究重點轉向了這裡。

OPERA 的「探測器牆」。 來源：Alberto Pizzoli/AFP/Getty Images

撼動物理學的基石？

「我覺得我跟任何一位科學家一樣，從第一天起，我就非常、非常、非常地懷疑（實驗結果）。」艾瑞迪塔托說，「你得列一個檢查清單：計時、接收器、GPS、從接收器到探測器的傳送器，...所有這些你都得檢查。」其中一些可以即時檢查完畢，但還有一些需要等待。例如，CERN 的中微子束不能隨意關停。與此同時，艾瑞迪塔托和他的團隊得更加努力。「你想像不出我是怎麼和同事處理這件事的——檢查一下這個，再檢查一下那個，做做這個，再做做那個，切斷流程，做一次，再做一次——我們從春天開始直到 9 月 23 日，一直就是這樣！」

這個團隊嘗試並測試了他們所能想到的每一個軟體、硬體和理論的排列組合。通過每一個步驟，修復每一個 bug，還有不斷增加的每一點理解，都沒能改變超光速中微子出現的事實，這可謂鐵證如山。然後，不可避免的事情發生了：數據的消息泄露了。實驗之外的人們開始散播關於相對論被顛覆的傳言——這一結果可能會撼動物理學的基石。上一次物理學大廈風雨飄搖還是在 1900 年馬克斯·普朗克（Max Planck）發現量子物理學的時候。流言「簡直在以光速傳播」，艾瑞迪塔托感嘆道。

「這下怎麼辦？首先想想你可是在發言人的位置上。你能說：不，無可奉告嗎？那每個人都會指責你，所有的記者都會發難:『嚄，你隱瞞實情啊。我們想知道到底是什麼情況。我們是納稅人，給您的研究提供了支持，我們有權知道真相！』或者你也可以發表一個聲明，」他換成了一種邪惡的聲音接著說：「我發現了超光速中微子。」

在這件事情上，可不只是艾瑞迪塔托說了算。像 OPERA 這樣的大型實驗合作組織都有一套處理爭議的章程，投票結果是大部分成員同意公開實驗結果，只有少數人反對。「我非常尊重他們（少數派）的決定。而且最終證明，他們是對的，榮譽嘛。」

2011 年 9 月 23 日，OPERA 在 CERN 的一個特別研討會上宣布了結果。研究組並沒有聲稱他們觀測到相對論被違反的現象，也並沒有使用像「證據」或「發現」這樣的字眼，而只是稱其數據「異常」。但是，這一關鍵的警告被興奮的人們忽視了。相比《每日電訊報》(The Daily Telegraph) ——CERN 科學家「打破光速」、《衛報》(The Guardian) ——「科學家稱發現超光速粒子」和《科學美國人》(Scientific American) ——「發現粒子的傳播速度超過光速」，只有《紐約時報》(The New York Times)標題「小小中微子可能打破了宇宙速度極限」中還留著些許警告的痕迹。

與媒體的狂熱相反，物理學界對此持懷疑態度，冷嘲熱諷的言論一擁而上。1930 年，泡利不願意拋棄能量守恆定律，才預言了中微子的存在，現在也沒有哪一個專業的物理學家願意因為中微子超光速而拋棄狹義相對論。但是那又怎樣？自 1983 年歐洲核子研究中心（CERN）的 UA1 和 UA2 實驗確認了標準模型的核心原則以來，粒子物理學中的每一個發現（除了中微子振蕩）都在給這個權威的標準模型增加正確的籌碼。粒子物理學家們多麼希望能在有生之年看到突破——任何突破，都是他們抵擋不住的誘惑。

即使是艾瑞迪塔托也抱有這樣的希望。「你參加一個科學會議，或者一個研討會，然後你說：『嗨，夥計們，我有些東西不明白。請幫助我們弄明白它。』」他停頓了一下，更像是對他自己，點了點頭。「我覺得謙虛總是好的。不過，每個人都希望我們是對的。每個人！」

要麼是史詩般的突破，要麼是大寫的尷尬。OPERA 該再等等嗎？他們該分析、分析，再分析好幾個月？艾瑞迪塔託身體前傾，通過攝像頭指著我，解釋著為什麼科學家不能忽視一個看似荒謬的測量結果。「你不能武斷地否定……自然跟我們對話的方式不是通過理論，而是通過實驗結果。最差的數據也好過最好的理論。如果你尋求合理的結果，那你永遠不會有新發現，至少，不會有什麼意想不到的新發現。你只能得到些預期內的新發現，但這本身就是一個矛盾的說法——既然是在預期內，那就不是什麼新發現。」

漫長的檢驗

有一件事是肯定的：這一宣布使OPERA得到了他們所希望的幫助。幾天之後，他們便開始與 CNGS 中微子束的工程師一起，開發一種新的測量方法。原來的分析必須使用統計技術來確定中微子的到達時間，因為中微子束會飛往空間的各個方向。新方法將中微子束縛在一起，這樣它們就能全體到達探測器，從而方便研究人員確定它們的到達時間。

重新配置中微子束、進行實驗並分析結果，總共花了兩個月時間——就這樣複雜的實驗來說，速度可謂空前。

測量結果依然是，超光速。「那時我開始感到恐慌，」艾瑞迪塔托說，「我驚訝的都不知道該說什麼。不止是我，還有很多質疑之前結果的人，在這個結果面前，也都無話可說了。」

一位科學家正在研究 OPERA 的探測器。來源：Alberto Pizzoli/AFP/Getty Images

粒子物理實驗是由複雜的大型探測器系統和眾多粒子加速器組成。從設計施工到獲得第一批數據須等待數年。當探測器和對撞機啟動運行之際，實驗人員已經開發出了分析軟體來篩選數據：去除背景、提取信號，去除普通的數據、提取罕見的異常，去除雜訊、提取有用信號。他們採用盲分析，就像生物醫學研究中的雙盲測試，需要一個「隱藏的信號盒」。他們在模擬數據上進行測試（模擬數據是通過複製探測器硬體對已知過程的響應而生成的）。這樣，當他們「打開盒子」時，測量結果就不會被任何有意或無意的主觀意志所影響。

就算這樣，OPERA 的中微子數據結果也仍然是，超光速。下一步本該是在 OPERA 之外的其他實驗項目中尋找獨立的證據，這也是慣常的做法。例如，ATLAS 和 CMS 實驗獨立地觀測到了希格斯粒子。但至少在近幾年內不會有任何其它實驗可以證實或者否定 OPERA 的觀測。不過，在格蘭薩索基地「大體積探測器（LVD）」實驗至少可以檢驗 OPERA 的計時系統。這個實驗是通過比較宇宙射線中的 μ 子到達各個探測器的時間來確保實驗中的所有時鐘是同步的。

一根光纖電纜

「這是個『致命』的實驗，」艾瑞迪塔托告訴我。回顧過去五年 OPERA 的數據，研究團隊發現，OPERA的計時系統存在大約 73納秒的滯後。接著，他們在計時電路中發現了另一個錯誤，這影響了束流實驗的結果：OPERA的時鐘頻率並沒有鎖定束流時間。這兩個問題綜合起來就徹底解釋了為什麼 CNGS 的 μ 子中微子會提早到達 60 納秒。

問題的根源在一根光纖電纜。它傳輸著自格蘭薩索地表下行 8.3 公里到達 OPERA 探測器的 GPS 計時信號。這根電纜存在兩大隱患：首先，如果電纜接觸不良，接收器自然不會有任何反應。如果接收器看到了光信號，它就會啟動發令槍，表明中微子射向探測器；如果接收器沒有看到光信號，則不應該啟動發令槍。但這兩種情況都沒有發生。這個特定的接收器需要 73 納秒的時間才能獲得足夠的光能去啟動發令槍並觸發電子設備；所以，發令槍其實在中微子離開CERN起跑線 73納秒之後才啟動。「我本該想到，要麼有信號，要麼沒有信號，不可能得到一個延遲信號。」艾瑞迪塔托說道。其次，電纜的連接器似乎離開了原位。他接著說：「在我們開始採集數據之前的一周，電纜狀況良好，當我們再次檢查所有設備時，它依然狀況良好。鬧心的是，就在這中間，我們採集中微子速度的數據時，電纜處於一種奇怪的狀態。」

隨著錯誤的發現和修正，OPERA 對中微子速度的測量現在是世界上最精確的了。這下，它的觀測結果完全符合愛因斯坦的狹義相對論了——尋找超出標準模型的新物理學的微弱希望徹底破滅。但 OPERA 團隊在數千個實驗設備的電子通道中找到一根鬆動電纜的表現是非常出色的。艾瑞迪塔托說：「我很自豪！坦率地說，我一直認為問題在於一些非常奇怪的效應，比如沒有人想過的二級效應。我從來沒有想過會是（電纜）的問題，從來沒有。」合作小組沒有誇大數據，也沒有作無根據的聲明。事實上，他們根本不曾作過任何斷言，而是一直在與其他團隊密切合作，進行調查。

誰之過？

不過，肯定有人在某個地方犯了錯誤。也許是連接電纜的人，或者是設計接收器的人，又或者是其他人。2012 年 3 月，隨著「超光速」中微子事件塵埃落定，OPERA 合作組織又進行了一次投票，這次是為了確定大家是否對領導抱有信心。每個成員機構都持有一票。最終結果是除去一些棄權票，反對票占 16，支持票占 13。雖然遠不到彈劾領導所需的三分之二，但也傳達了強烈的不滿。OPERA當時的領導者艾瑞迪塔托，和實驗協調人達里奧·奧蒂耶羅（Dario Autiero）辭職了。

艾瑞迪塔托的辭職信明確表示，他辭職是為了團隊的利益:「……由於媒體的巨大關切，OPERA 合作組織處於反常狀態，在某些方面受到了異常的壓力……外部的緊張局勢過不了多久就會轉移到這個 150 多人的小組內部……這可能會導致危險的後果：失去科學目標……為了避免這麼大的風險，個人地位必須退居其次。」

但艾瑞迪塔托做錯了什麼嗎？人人都會犯錯。我花了 13 年的時間在斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）、費米實驗室、康奈爾、歐洲核子研究中心、甚至是早已廢棄的超導超級對撞機上做實驗。也許我比那些沒有在計數房、布線和連接電纜的工作中團團轉的人更加寬容。連接器出現故障的原因有很多，數千個通道，可以肯定地說，沒有哪一個粒子物理實驗不需要處理一兩個「不在狀態」的連接器。它們通常很容易找到，但這次不是。有人說 OPERA 應該做更多測試，但在不信任投票的時候，一整年都過去了。他們當時應該再多花幾個月呢？對於狹義相對論的「忠誠」應該迫使他們一直等下去，直到有一天終於發現問題嗎？不，那樣他們會陷入一個荒謬的理念，即科學家必須死守科學信條。

也許，OPERA 合作組的不信任投票所表現出的挫敗感證明，科學家，尤其是實驗科學家們有多麼想找到新的、未知的東西，當希望溜走時他們有多麼懊惱。

我請艾瑞迪塔托評價這整段經歷。「公眾喜歡非黑即白，」他回答道。但科學上的答案並不總是那麼乾脆利落。「我們必須謹慎，因為如果我們給人的印象是科學從不說『是』或者『不是』，而總是說『也許』，那麼人們就會說:『好吧，那我就不該相信科學。』如何去傳達這個信息是非常微妙的。」大多數科學記者並不是科學家，「他們不懂裝懂，就像對待謀殺或綁架一樣對待科學信息。」至於他自己的角色呢？艾瑞迪塔托回應：「我想我們都是這個領域的演員。」

目前，艾瑞迪塔托是伯爾尼大學高能物理實驗室的主任，並且繼續參與各種中微子實驗。與此同時，OPERA 組織由新的領導人帶領，繼續尋找中微子振蕩並收集 τ 子中微子。到目前為止，他們已收集到了四個。

http://nautil.us/issue/55/trust/the-data-that-threatened-to-break-physics-rp

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