一根问题电缆,让他“打破”相对论:当事人亲述“超光速中微子”乌龙事件

作者: Ransom Stephens

来源: 环球科学

发布日期: 2018-01-27

2011年,意大利的OPERA合作组宣布发现超光速中微子,若属实将打破爱因斯坦的狭义相对论。后续验证发现是光纤电缆问题导致的错误,艾瑞迪塔托辞职。经过调查,确认数据错误源于光纤电缆的接触不良,最终结果符合狭义相对论。

2011 年,意大利的中微子振荡乳胶径迹(OPERA)合作组宣布,在一次中微子实验中发现了“超越光速的中微子”,如果这一结果真实可靠,将直接打破爱因斯坦在上个世纪创建的狭义相对论——OPERA 合作组织因此遭到了来自学界的巨大压力和质疑,舆论也为之哗然。

但随后的验证发现,超光速中微子并不存在:一根有问题的光纤电缆引起的问题造就了这一起令人尴尬的乌龙事件。时任 OPERA 合作组织发言人和领导者的物理学家安东尼奥·艾瑞迪塔托(Antonio Ereditato)引咎辞职。在 5 年之后的 2017 年末,艾瑞迪塔托又一次接受了媒体采访,从一个亲历者的角度讲述了事件背后的真理和错误、质疑和责任。

安东尼奥·艾瑞迪塔托(Antonio Ereditato)坚持通过 Skype 进行“面对面”的采访。这位中年物理学家头发灰白,目光炯炯,下巴轮廓分明。他时常微笑,目光像是聚光灯一样吸引着你的注意力,说话时带有意大利口音。

现年 62 岁的物理学家安东尼奥·艾瑞迪塔托是中微子振荡乳胶径迹(OPERA)合作组织的前任领导。

这个项目在 2000 年被首次提出,现在汇聚了来自 13 个国家的 160 位物理学家,目标是研究中微子物理。艾瑞迪塔托从 2008 年到 2012 年担任 OPERA 的领导。2011 年初,不可思议的事情发生了。艾瑞迪塔托通过电脑屏幕告诉我:“当时正在查看数据的人打电话给我,他说,’我看到了一些奇怪的东西。

’”那些数据表明,从瑞士到意大利,中微子在地壳中穿行 454 英里所花的时间,比光在真空中飞行同样的距离还快 60.7 纳秒。

这根本不可能!上个世纪,爱因斯坦创建了狭义相对论,其基本定律之一就是:任何静质量非零的物体,运动速度都不能超过真空中的光速。这已经成为我们理解宇宙的一块基石。如果 OPERA 的测量是正确的,这将成为对相对论的首次挑战——相当于在我们理解宇宙的最核心部分投下一颗原子弹。

艾瑞迪塔托说:“如果我们一开始就认为结果是错的,这只能说明我们不能以客观公正的角度看待自己的分析。当有迹象表明发生了惊人的事情时,我们的第一反应是:好吧,大家先来看看为什么会是这样。”

1930 年,奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)在解决一个简单的问题时预言了中微子的存在。当时的实验发现,原子核经历 β 衰变时会释放出电子或正电子(电子的反粒子),并出现能量亏损。

这部分能量要么就是被衰变过程中的未知物质带走,要么就是消失了。而任何过程的可重复实验都从未出现过能量消失,因此泡利提出了中微子假说。他认为,“不可见”的中微子拥有“能使 β 衰变遵守热力学第一定律”所需要的所有性质。

“不可见”的意思是,它们穿过物质时几乎不留下任何痕迹。正因如此,科学家花了近 30 年后才首度在实验上观测到中微子存在的证据——这项实验由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)和克莱德·科恩(Clyde Cowan)于 1956 年合作完成。

时至今日,中微子已经是粒子物理学标准模型中不可或缺的一部分。中微子可以在这三种不同的类型——电子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子——之间相互转化,这被称为中微子振荡。例如,电子中微子可以振荡成 μ 子中微子,μ 子中微子可以振荡成 τ 子中微子。艾瑞迪塔托说:“中微子振荡是超出标准模型的第一个信号。”

这将我们带回到了 OPERA 实验。中微子振荡的所有证据都来自消失型实验。研究人员亟需出现型实验证据的支持,这便是 OPERA 的目标。具体的构想是,位于日内瓦的欧洲核子中心(CERN)产生一束高能 μ 子中微子,射向 454 英里外深埋在意大利格兰萨索山脉(Gran Sasso Mountain)的探测器。假如在那里探测到了 τ 中微子,那就说明在这个过程中发生了中微子振荡。

艾瑞迪塔托说:“我觉得我跟任何一位科学家一样,从第一天起,我就非常、非常、非常地怀疑(实验结果)。”他提到,团队尝试并测试了他们所能想到的每一个软件、硬件和理论的排列组合。通过每一个步骤,修复每一个 bug,还有不断增加的每一点理解,都没能改变超光速中微子出现的事实,这可谓铁证如山。

然后,不可避免的事情发生了:数据的消息泄露了。实验之外的人们开始散播关于相对论被颠覆的传言——这一结果可能会撼动物理学的基石。2011 年 9 月 23 日,OPERA 在 CERN 的一个特别研讨会上宣布了结果。研究组并没有声称他们观测到相对论被违反的现象,而只是称其数据“异常”。但是,这一关键的警告被兴奋的人们忽视了。

与媒体的狂热相反,物理学界对此持怀疑态度,冷嘲热讽的言论一拥而上。粒子物理学家们多么希望能在有生之年看到突破——任何突破,都是他们抵挡不住的诱惑。即使是艾瑞迪塔托也抱有这样的希望。“你参加一个科学会议,或者一个研讨会,然后你说:‘嗨,伙计们,我有些东西不明白。请帮助我们弄明白它。’”

有一件事是肯定的:这一宣布使 OPERA 得到了他们所希望的帮助。

几天之后,他们便开始与 CNGS 中微子束的工程师一起,开发一种新的测量方法。原来的分析必须使用统计技术来确定中微子的到达时间,因为中微子束会飞往空间的各个方向。新方法将中微子束缚在一起,这样它们就能全体到达探测器,从而方便研究人员确定它们的到达时间。重新配置中微子束、进行实验并分析结果,总共花了两个月时间——就这样复杂的实验来说,速度可谓空前。测量结果依然是,超光速。

“那时我开始感到恐慌,”艾瑞迪塔托说,“我惊讶的都不知道该说什么。不止是我,还有很多质疑之前结果的人,在这个结果面前,也都无话可说了。”粒子物理实验是由复杂的大型探测器系统和众多粒子加速器组成。从设计施工到获得第一批数据须等待数年。探测器和对撞机启动运行之际,实验人员已经开发出了分析软件来筛选数据:去除背景、提取信号,去除普通的数据、提取罕见的异常,去除噪声、提取有用信号。

有一根光纤电缆是问题的根源。它传输着自格兰萨索地表下行 8.3 公里到达 OPERA 探测器的 GPS 计时信号。这根电缆存在两大隐患:首先,如果电缆接触不良,接收器自然不会有任何反应。其次,电缆的连接器似乎离开了原位。随着错误的发现和修正,OPERA 对中微子速度的测量现在是世界上最精确的了。这下,它的观测结果完全符合爱因斯坦的狭义相对论了——寻找超出标准模型的新物理学的微弱希望彻底破灭。

不过,肯定有人在某个地方犯了错误。也许是连接电缆的人,或者是设计接收器的人,又或者是其他人。2012 年 3 月,随着“超光速”中微子事件尘埃落定,OPERA 合作组织又进行了一次投票,这次是为了确定大家是否对领导抱有信心。最终结果是除去一些弃权票,反对票占 16,支持票占 13。虽然远不到弹劾领导所需的三分之二,但也传达了强烈的不满。

艾瑞迪塔托的辞职信明确表示,他辞职是为了团队的利益:“……由于媒体的巨大关切,OPERA 合作组织处于反常状态,在某些方面受到了异常的压力……外部的紧张局势过不了多久就会转移到这个 150 多人的小组内部……这可能会导致危险的后果:失去科学目标……为了避免这么大的风险,个人地位必须退居其次。”

目前,艾瑞迪塔托是伯尔尼大学高能物理实验室的主任,并且继续参与各种中微子实验。与此同时,OPERA 组织由新的领导人带领,继续寻找中微子振荡并收集 τ 子中微子。到目前为止,他们已收集到了四个。

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