本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
我一直在稍微研究義大利大獎賽（中微子部門）的事情。當然，關於這件事已經寫了很多，但幾周後讓我感到震驚的是，對可能探測到超光速中微子的公告的反應，有效地說明了實際的科學研究是如何進行的。當然，這也揭示了，當意圖不是創造理解，而是掩蓋理解時，它看起來是什麼樣子。
首先，關於中微子本身。對於許多我與之交談的真正懂行的人（即不是我）來說，關於臭名昭著的超光速中微子團伙的問題不是它們是否會被發現，而是何時會被發現。
也就是說：雖然OPERA測量中報告的實驗技術足夠好，可以認真對待，但許多物理學家指出，對狹義相對論的挑戰記錄非常糟糕。許多其他觀測結果必須進行徹底的重新解釋，才能使從中微子從歐洲核子研究中心到格蘭薩索的旅行時間的測量結果成立，成為真正發現超光速旅行的證據。請參閱我之前的帖子，瞭解有關此主題的一些背景知識和一些有用的連結。
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一個例子：如果 OPERA 的結果成立，它將使（至少可以這麼說）對恆星坍縮中發射的中微子的極其精彩的探測結果的解釋複雜化，恆星坍縮產生了超新星 1987a。當超新星的母星坍縮時，這場災難產生了大約 1058 箇中微子。在被稱為中微子天文學的首次勝利中，三個位於不同位置的探測器總共探測到 24 個（反）中微子，它們都在彼此 13 秒內到達。
這些中微子確實在超新星爆發的光到達之前到達了地球。但是，這種時間上的怪異與超光速旅行無關。相反，它取決於超新星物理學的細節。中微子是在最初的恆星坍縮中產生的，並且由於中微子基本上不與任何東西相互作用——它們不受強核力或電磁力的影響——超新星中微子或多或少在爆炸的瞬間從垂死的恆星中飛出。相比之下，光是電磁輻射——並且很容易與帶電粒子相互作用。
這種性質導致超新星的光線在垂死的恆星內部四處碰撞，因為光子與手頭所有極具電磁能量的物質相互作用——這種舞蹈暫時阻礙了光子。幾個小時後，光線從超新星爆發的內部逃逸出來，可以開始不間斷地向我們這邊傳播。但到那時，它已經落後於中微子訊號，這就是造成中微子和光學探測事件之間差距的原因。
可以將其想象成恆星高峰時段的交通擁堵——1987a 的中微子（以高度隱喻的方式）乘坐軌道能夠避開的障礙物。這兩個訊號僅相隔數小時到達，這一事實僅僅意味著中微子的傳播速度接近或非常接近光速——而不是更快。如果中微子的傳播速度比光速快——即使是 OPERA 實驗提出的相當小的超速——它們也應該比它們實際到達的時間早得多——大約比爆炸的光早四年。
現在有一種方法可以擺脫這種看似矛盾的情況，因為超新星中微子的能量明顯低於 OPERA 實驗中測量的中微子——因此說這兩個結果不可能同時成立是不準確的。但即便如此，如果超光速中微子被證明是真實存在的，那麼為了解釋這一結果而可能發明的任何新的物理學都必須以一種仍然允許超新星 1987a 的中微子表現得像觀察到的那樣的方式進行。
這就是對知識基本支柱的任何挑戰的問題：如果新的觀測結果是正確的，那麼它必須以一種能夠容納所有先前工作的方式來理解，這些先前工作與正在審查的舊觀點的觀點一致。正如物理學普及者總是指出的那樣：愛因斯坦的引力理論——廣義相對論——給出的結果會坍縮為牛頓早期理論的結果，這適用於牛頓物理學工作良好的尺度範圍。如果不是這樣，那麼這將是一個訊號，表明較新的理論存在問題。
因此，這裡的利害關係顯而易見。鑑於狹義相對論——如果超光速中微子被證明存在，則面臨風險的概念——一位物理學家朋友將其描述為更像是宇宙的屬性，而不是“僅僅”是自然法則，我認為，這變得清楚了為什麼這個結果如此引人入勝。如果中微子真的比光速快，那麼就面臨著巨大的挑戰，要提出一個理論解釋正在發生的事情，該理論要允許 OPERA 的中微子能夠競速，而超新星 1987a 的中微子則以僅僅的光速緩慢前進——僅舉一個需要解決的問題。
也就是說：事實本身是孤兒。它們需要審問者有意識地決定才能獲得意義。在愛因斯坦提出狹義相對論的同一年發表的一篇文章中，偉大的數學家和物理學家亨利·龐加萊問道“誰來選擇在科學中值得獲得城市自由的事實”。對於龐加萊來說，答案是顯而易見的：這個選擇“是科學家的自由活動”——也就是說，這取決於理論家來思考一個事實如何與另一個事實並列，融入一個連貫的框架，該框架可以經受住更多事實的考驗，包括已知的事實和即將被發現的事實。
所有這一切都是為了說明，即使在義大利的觀測結果在試圖複製該發現的嘗試中站穩腳跟或失敗之前，理論分析——認真思考——也可以在很大程度上決定超光速中微子是否“值得”在科學之城中佔有一席之地。
這就是讚揚一篇真正優秀的文章的迂迴方式，這篇文章由馬特·斯特拉斯勒撰寫，他是一位老朋友，他的日常工作是在羅格斯大學擔任理論粒子物理學家，這為他最近獲得的物理學博主的頭銜提供了資訊。關注他——不僅僅是這篇文章——因為，恕我直言，他正在迅速證明自己是真正深刻的東西的第一流的通俗翻譯者。
在連結的文章中，馬特寫到了波士頓大學的理論家安德魯·科恩和諾貝爾獎獲得者謝爾頓·格拉肖提出的一個論點。為了解釋馬特的闡述：科恩和格拉肖發展了一些早期的想法，這些想法最初側重於稱為切倫科夫輻射的現象。馬特在這裡討論了切倫科夫輻射——基本上它是高能粒子在介質（例如，水或空氣，而不是真空）中以快於光速的速度運動時發射的電磁輻射——正如馬特解釋的那樣，這並不違反狹義相對論。
中微子確實會發出這種輻射，非常微弱，但這並不是論點的關鍵；對於 OPERA 的結果來說，這種效應太小而無關緊要。相反，科恩和格拉肖指出，超光速中微子應該產生一種不同型別的發射，這種發射與切倫科夫效應大致相似——並且每次 OPERA 的中微子這樣做時，它都會損失大量能量——足以在 OPERA 儀器上記錄下來。正如馬特所說，這意味著
...科恩和格拉肖的說法是，OPERA 與自身不一致——它不可能在沒有能量失真的情況下看到速度超速，後者比前者更容易測量，但沒有觀察到。因此，結論是，OPERA 發現其中微子比預期到達得更早，不可能是因為它們在真空中以快於光速的速度傳播。可能是 OPERA 的預期出了問題，而不是中微子。
現在這是一個理論論證；它可能在很多方面都是錯誤的。在馬特的帖子的評論區，非常聰明的物理學家李·斯莫林指出了一種可能的物理情況，在這種情況下，科恩和格拉肖的命題將不成立。理論、解釋決定了哪些事實值得被瞭解——但理論當然是可以修改的，而且在那些一個或另一個事實頑固地拒絕服從判斷的情況下更是如此。
但我發現整個思想序列如此令人愉悅的是，它說明了科學實際發生的事情，而不是你在許多公眾敘述中看到的科學過程的拙劣模仿——尤其是在涉及具有政治意義的研究時。
OPERA 團隊盡了最大努力進行測量；當它拒絕屈服於他們尋找一些替代解釋時，他們公佈了結果，毫無疑問，他們有理由確信結果會受到無情的審查——在這種審查下，這項工作很有可能（並且仍然）被證明是錯誤的。科恩和格拉肖現在提供了一個正式的結構，在這個結構中，我們可以看到我們對宇宙實際運作方式的瞭解對 OPERA 的發現主張的有效性提出了重大的邏輯挑戰。最終的解決將取決於持續的實驗工作以及格拉肖和科恩提供的那種努力：努力弄清楚如果結果是真的意味著什麼——或者更好的是：我們現在有什麼理解表明結果是真實的還是錯誤的。
將此與右翼對氣候科學的批評進行對比，正如我在我的帖子中簡要討論的那樣，關於埃裡克·斯蒂格的對最近肯定（再次）主流氣候研究的結果的相當嚴厲的評論。在那裡，斯蒂格實際上寫道，對氣候科學的攻擊取決於拒絕接受一個直截了當的事實：對正在研究的過程的基本理論存在潛在的物理理解，這將是大氣化學成分變化驅動的氣候變化。該理論框架決定了經驗研究的路線，尋找值得被瞭解的事實
……對二氧化碳增加的擔憂的原因來自基本的物理學和化學，這在變暖趨勢實際可觀察到之前很久就闡明瞭……變暖趨勢是氣候物理學家在實際觀察到之前幾十年就預見到的事情。[原文中的斜體。]對觀察到的趨勢的細節感興趣的原因是為了更好地瞭解我們不瞭解其量級的事物（例如雲反饋），而不是作為對基本理論的檢驗。如果我們不從物理學中瞭解二氧化碳與氣候之間的聯絡，那麼任何變暖趨勢的觀察，無論多麼準確，本身都不會告訴我們人為全球變暖是“真實的”，或者（更重要的是）它將持續存在並可能增加。
這是另一種說法，即那些否認氣候變化現實並詆譭氣候研究人員榮譽的人的大部分噪音都跑題了。並非因為沒有理由測試任何測量的可靠性——無論是快速中微子還是樹木年輪序列——但因為這兩種情況下的問題都是理解我們已經知道的東西，然後在這種背景下迎接新結果的挑戰。
因此，超光速中微子故事的（也許是元）價值。這個實驗將必須克服狹義相對論的普遍影響、高能現象的物理學等等造成的障礙。這就是發現過程如何從誘人的初步印象走向確定的知識。理解這個過程揭示了氣候科學否認者面臨的障礙：為了推進他們的案例，他們必須將他們對主流氣候研究的批評與對輻射傳遞和不同氣體的熱特性的異常充分理解的基本物理學——以及來自直接觀測和正在進行的對不斷演變的氣候模型與我們所能看到的氣候本身之間的相關性的調查的大量證據相協調。
相比之下：斷章取義、不誠實地摘錄電子郵件不是科學。
哦——只要我們已經走了這麼遠，讓我補充一點關於對超光速中微子主張的另一個挑戰的說明，這個挑戰在我撰寫這篇文章的過程中已經出現。
在至少數十個努力剖析 OPERA 實驗實際運作方式的努力中，格羅寧根大學的羅納德·範·埃爾堡提出了他對（許多人）預期的系統誤差 t的候選解釋，該誤差可能欺騙 OPERA 研究人員，讓他們相信他們觀察到了一種不存在的效應。
埃爾堡將注意力集中在測量的顯然關鍵的要素之一，即校準用於計時中微子旅程的時鐘。為了進行這項觀察，該團隊依賴於用於同步來自全球定位衛星（GPS）的訊號的原子鐘。棘手的部分是，容納時鐘的衛星相對於地面實驗室和在源和探測器之間傳播的中微子處於運動狀態——而且速度也相當快。
當一個物體處於運動狀態，在與某些測量裝置不同的參考系中傳播時，狹義相對論就會發揮作用。正如《技術評論》的物理學 ArXiv 部落格描述這個問題時所說，這意味著
[即]從 GPS 衛星上的時鐘的角度來看，中微子源和探測器的位置正在變化。“從時鐘的角度來看，探測器正在向源移動，因此從時鐘觀察到的粒子傳播的距離更短，”範·埃爾堡說。
需要進行的校正以解釋從空間測量裝置的角度來看路徑的這種相對論收縮，幾乎與 OPERA 團隊認為他們探測到的中微子的明顯超速大小完全相同。這將意味著……
非但沒有打破愛因斯坦的相對論，超光速測量結果反而將成為對其的又一次證實。
事情並沒有那麼簡單。埃爾堡的論點假設 OPERA 團隊未能解釋 GPS 訊號上眾所周知的狹義相對論效應——雖然他們可能已經解釋了，但我們目前還不知道。與此同時，最初的 OPERA 論文報告了一些對實驗至關重要的計時檢查。我瞭解到，該小組正在研究對像這樣的具體建議做出必要回應的長長列表——同時也在準備對他們認為他們已經看到的效應進行更高精度的測量。
但更廣泛的觀點仍然是：實驗物理學是（並且一直以來都是）非常、非常難做的，它涉及到努力將精度限制推到任何當前標準之外。因為尋求的效應處於我們探測能力的極限（必然如此；如果很容易，我們早就看到了它），所以有大量的微妙知識被用來構建每個實驗的框架。機器不僅僅必須工作；您必須詳細瞭解量子力學和相對論以及廣泛思想的所有日益微妙的應用如何在所涉及的速度、能量和距離上發揮作用。瞭解實驗的微妙邊緣實際發生的事情——即使是看似簡單的實驗——結果證明非常困難。
有多難？如此之難，以至於阿爾伯特·愛因斯坦本人也犯了一個在某些方面與埃爾堡暗示可能發生在這裡的錯誤非常相似的錯誤。1930 年，在他與尼爾斯·玻爾的著名論戰中，愛因斯坦設計了一個思想實驗，以表明可以以比海森堡不確定性原理允許的精度更高的水平測量一個量。愛因斯坦的論點似乎無懈可擊，根據現場一位觀察者的說法，
這對玻爾來說真是一個打擊……他起初想不出解決辦法。整個晚上他都非常激動，他不停地從一位科學家走到另一位科學家，試圖說服他們這不可能，如果愛因斯坦是對的，那將是物理學的末日；但他想不出任何解決這個悖論的方法。我永遠不會忘記兩位對手離開俱樂部時的景象：愛因斯坦，身材高大，氣度不凡，平靜地走著，帶著淡淡的諷刺意味的微笑，玻爾小跑著跟在他旁邊，充滿興奮……第二天早上，玻爾取得了勝利。
結果證明，愛因斯坦在他的分析中遺漏了一個關鍵的物理思想：他自己的發現，廣義相對論，對實驗程式行為的影響。一旦將引力因素納入論證，量子不確定性就消失了。
這只是想說，中微子實驗學家很可能犯了一個從旁觀者來看似乎顯而易見的錯誤。但是，如果阿爾伯特·愛因斯坦可能會犯類似的錯誤，那麼這應該告訴我們所有人，對於任何一個人，甚至一個群體來說，要完全理解經驗的微妙之處是多麼困難。這就是為什麼科學以持續的批評和自我批評的方式運作。隨著中微子故事的展開，我們正在觀看科學應該如何運作。
正是因為這個原因，最終我們完成了漫長的回家之路，科學誠實地完成和描述在實踐和道德方面都與現在主導美國兩大政黨之一的思維的偽裝成科學的對這種發現模式的攻擊截然不同。
圖片來源：圖片 1：威廉·布萊克，《當晨星一同歌唱時》，1820 年。圖片 2：揚·維米爾，《天文學家》，約 1668 年
