本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
我一直在稍微研究意大利大奖赛（中微子部门）的事情。当然，关于这件事已经写了很多，但几周后让我感到震惊的是，对可能探测到超光速中微子的公告的反应，有效地说明了实际的科学研究是如何进行的。当然，这也揭示了，当意图不是创造理解，而是掩盖理解时，它看起来是什么样子。
首先，关于中微子本身。对于许多我与之交谈的真正懂行的人（即不是我）来说，关于臭名昭著的超光速中微子团伙的问题不是它们是否会被发现，而是何时会被发现。
也就是说：虽然OPERA测量中报告的实验技术足够好，可以认真对待，但许多物理学家指出，对狭义相对论的挑战记录非常糟糕。许多其他观测结果必须进行彻底的重新解释，才能使从中微子从欧洲核子研究中心到格兰萨索的旅行时间的测量结果成立，成为真正发现超光速旅行的证据。请参阅我之前的帖子，了解有关此主题的一些背景知识和一些有用的链接。
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一个例子：如果 OPERA 的结果成立，它将使（至少可以这么说）对恒星坍缩中发射的中微子的极其精彩的探测结果的解释复杂化，恒星坍缩产生了超新星 1987a。当超新星的母星坍缩时，这场灾难产生了大约 1058 个中微子。在被称为中微子天文学的首次胜利中，三个位于不同位置的探测器总共探测到 24 个（反）中微子，它们都在彼此 13 秒内到达。
这些中微子确实在超新星爆发的光到达之前到达了地球。但是，这种时间上的怪异与超光速旅行无关。相反，它取决于超新星物理学的细节。中微子是在最初的恒星坍缩中产生的，并且由于中微子基本上不与任何东西相互作用——它们不受强核力或电磁力的影响——超新星中微子或多或少在爆炸的瞬间从垂死的恒星中飞出。相比之下，光是电磁辐射——并且很容易与带电粒子相互作用。
这种性质导致超新星的光线在垂死的恒星内部四处碰撞，因为光子与手头所有极具电磁能量的物质相互作用——这种舞蹈暂时阻碍了光子。几个小时后，光线从超新星爆发的内部逃逸出来，可以开始不间断地向我们这边传播。但到那时，它已经落后于中微子信号，这就是造成中微子和光学探测事件之间差距的原因。
可以将其想象成恒星高峰时段的交通拥堵——1987a 的中微子（以高度隐喻的方式）乘坐轨道能够避开的障碍物。这两个信号仅相隔数小时到达，这一事实仅仅意味着中微子的传播速度接近或非常接近光速——而不是更快。如果中微子的传播速度比光速快——即使是 OPERA 实验提出的相当小的超速——它们也应该比它们实际到达的时间早得多——大约比爆炸的光早四年。
现在有一种方法可以摆脱这种看似矛盾的情况，因为超新星中微子的能量明显低于 OPERA 实验中测量的中微子——因此说这两个结果不可能同时成立是不准确的。但即便如此，如果超光速中微子被证明是真实存在的，那么为了解释这一结果而可能发明的任何新的物理学都必须以一种仍然允许超新星 1987a 的中微子表现得像观察到的那样的方式进行。
这就是对知识基本支柱的任何挑战的问题：如果新的观测结果是正确的，那么它必须以一种能够容纳所有先前工作的方式来理解，这些先前工作与正在审查的旧观点的观点一致。正如物理学普及者总是指出的那样：爱因斯坦的引力理论——广义相对论——给出的结果会坍缩为牛顿早期理论的结果，这适用于牛顿物理学工作良好的尺度范围。如果不是这样，那么这将是一个信号，表明较新的理论存在问题。
因此，这里的利害关系显而易见。鉴于狭义相对论——如果超光速中微子被证明存在，则面临风险的概念——一位物理学家朋友将其描述为更像是宇宙的属性，而不是“仅仅”是自然法则，我认为，这变得清楚了为什么这个结果如此引人入胜。如果中微子真的比光速快，那么就面临着巨大的挑战，要提出一个理论解释正在发生的事情，该理论要允许 OPERA 的中微子能够竞速，而超新星 1987a 的中微子则以仅仅的光速缓慢前进——仅举一个需要解决的问题。
也就是说：事实本身是孤儿。它们需要审问者有意识地决定才能获得意义。在爱因斯坦提出狭义相对论的同一年发表的一篇文章中，伟大的数学家和物理学家亨利·庞加莱问道“谁来选择在科学中值得获得城市自由的事实”。对于庞加莱来说，答案是显而易见的：这个选择“是科学家的自由活动”——也就是说，这取决于理论家来思考一个事实如何与另一个事实并列，融入一个连贯的框架，该框架可以经受住更多事实的考验，包括已知的事实和即将被发现的事实。
所有这一切都是为了说明，即使在意大利的观测结果在试图复制该发现的尝试中站稳脚跟或失败之前，理论分析——认真思考——也可以在很大程度上决定超光速中微子是否“值得”在科学之城中占有一席之地。
这就是赞扬一篇真正优秀的文章的迂回方式，这篇文章由马特·斯特拉斯勒撰写，他是一位老朋友，他的日常工作是在罗格斯大学担任理论粒子物理学家，这为他最近获得的物理学博主的头衔提供了信息。关注他——不仅仅是这篇文章——因为，恕我直言，他正在迅速证明自己是真正深刻的东西的第一流的通俗翻译者。
在链接的文章中，马特写到了波士顿大学的理论家安德鲁·科恩和诺贝尔奖获得者谢尔顿·格拉肖提出的一个论点。为了解释马特的阐述：科恩和格拉肖发展了一些早期的想法，这些想法最初侧重于称为切伦科夫辐射的现象。马特在这里讨论了切伦科夫辐射——基本上它是高能粒子在介质（例如，水或空气，而不是真空）中以快于光速的速度运动时发射的电磁辐射——正如马特解释的那样，这并不违反狭义相对论。
中微子确实会发出这种辐射，非常微弱，但这并不是论点的关键；对于 OPERA 的结果来说，这种效应太小而无关紧要。相反，科恩和格拉肖指出，超光速中微子应该产生一种不同类型的发射，这种发射与切伦科夫效应大致相似——并且每次 OPERA 的中微子这样做时，它都会损失大量能量——足以在 OPERA 仪器上记录下来。正如马特所说，这意味着
...科恩和格拉肖的说法是，OPERA 与自身不一致——它不可能在没有能量失真的情况下看到速度超速，后者比前者更容易测量，但没有观察到。因此，结论是，OPERA 发现其中微子比预期到达得更早，不可能是因为它们在真空中以快于光速的速度传播。可能是 OPERA 的预期出了问题，而不是中微子。
现在这是一个理论论证；它可能在很多方面都是错误的。在马特的帖子的评论区，非常聪明的物理学家李·斯莫林指出了一种可能的物理情况，在这种情况下，科恩和格拉肖的命题将不成立。理论、解释决定了哪些事实值得被了解——但理论当然是可以修改的，而且在那些一个或另一个事实顽固地拒绝服从判断的情况下更是如此。
但我发现整个思想序列如此令人愉悦的是，它说明了科学实际发生的事情，而不是你在许多公众叙述中看到的科学过程的拙劣模仿——尤其是在涉及具有政治意义的研究时。
OPERA 团队尽了最大努力进行测量；当它拒绝屈服于他们寻找一些替代解释时，他们公布了结果，毫无疑问，他们有理由确信结果会受到无情的审查——在这种审查下，这项工作很有可能（并且仍然）被证明是错误的。科恩和格拉肖现在提供了一个正式的结构，在这个结构中，我们可以看到我们对宇宙实际运作方式的了解对 OPERA 的发现主张的有效性提出了重大的逻辑挑战。最终的解决将取决于持续的实验工作以及格拉肖和科恩提供的那种努力：努力弄清楚如果结果是真的意味着什么——或者更好的是：我们现在有什么理解表明结果是真实的还是错误的。
将此与右翼对气候科学的批评进行对比，正如我在我的帖子中简要讨论的那样，关于埃里克·斯蒂格的对最近肯定（再次）主流气候研究的结果的相当严厉的评论。在那里，斯蒂格实际上写道，对气候科学的攻击取决于拒绝接受一个直截了当的事实：对正在研究的过程的基本理论存在潜在的物理理解，这将是大气化学成分变化驱动的气候变化。该理论框架决定了经验研究的路线，寻找值得被了解的事实
……对二氧化碳增加的担忧的原因来自基本的物理学和化学，这在变暖趋势实际可观察到之前很久就阐明了……变暖趋势是气候物理学家在实际观察到之前几十年就预见到的事情。[原文中的斜体。]对观察到的趋势的细节感兴趣的原因是为了更好地了解我们不了解其量级的事物（例如云反馈），而不是作为对基本理论的检验。如果我们不从物理学中了解二氧化碳与气候之间的联系，那么任何变暖趋势的观察，无论多么准确，本身都不会告诉我们人为全球变暖是“真实的”，或者（更重要的是）它将持续存在并可能增加。
这是另一种说法，即那些否认气候变化现实并诋毁气候研究人员荣誉的人的大部分噪音都跑题了。并非因为没有理由测试任何测量的可靠性——无论是快速中微子还是树木年轮序列——但因为这两种情况下的问题都是理解我们已经知道的东西，然后在这种背景下迎接新结果的挑战。
因此，超光速中微子故事的（也许是元）价值。这个实验将必须克服狭义相对论的普遍影响、高能现象的物理学等等造成的障碍。这就是发现过程如何从诱人的初步印象走向确定的知识。理解这个过程揭示了气候科学否认者面临的障碍：为了推进他们的案例，他们必须将他们对主流气候研究的批评与对辐射传递和不同气体的热特性的异常充分理解的基本物理学——以及来自直接观测和正在进行的对不断演变的气候模型与我们所能看到的气候本身之间的相关性的调查的大量证据相协调。
相比之下：断章取义、不诚实地摘录电子邮件不是科学。
哦——只要我们已经走了这么远，让我补充一点关于对超光速中微子主张的另一个挑战的说明，这个挑战在我撰写这篇文章的过程中已经出现。
在至少数十个努力剖析 OPERA 实验实际运作方式的努力中，格罗宁根大学的罗纳德·范·埃尔堡提出了他对（许多人）预期的系统误差 t的候选解释，该误差可能欺骗 OPERA 研究人员，让他们相信他们观察到了一种不存在的效应。
埃尔堡将注意力集中在测量的显然关键的要素之一，即校准用于计时中微子旅程的时钟。为了进行这项观察，该团队依赖于用于同步来自全球定位卫星（GPS）的信号的原子钟。棘手的部分是，容纳时钟的卫星相对于地面实验室和在源和探测器之间传播的中微子处于运动状态——而且速度也相当快。
当一个物体处于运动状态，在与某些测量装置不同的参考系中传播时，狭义相对论就会发挥作用。正如《技术评论》的物理学 ArXiv 博客描述这个问题时所说，这意味着
[即]从 GPS 卫星上的时钟的角度来看，中微子源和探测器的位置正在变化。“从时钟的角度来看，探测器正在向源移动，因此从时钟观察到的粒子传播的距离更短，”范·埃尔堡说。
需要进行的校正以解释从空间测量设备的角度来看路径的这种相对论收缩，几乎与 OPERA 团队认为他们探测到的中微子的明显超速大小完全相同。这将意味着……
非但没有打破爱因斯坦的相对论，超光速测量结果反而将成为对其的又一次证实。
事情并没有那么简单。埃尔堡的论点假设 OPERA 团队未能解释 GPS 信号上众所周知的狭义相对论效应——虽然他们可能已经解释了，但我们目前还不知道。与此同时，最初的 OPERA 论文报告了一些对实验至关重要的计时检查。我了解到，该小组正在研究对像这样的具体建议做出必要回应的长长列表——同时也在准备对他们认为他们已经看到的效应进行更高精度的测量。
但更广泛的观点仍然是：实验物理学是（并且一直以来都是）非常、非常难做的，它涉及到努力将精度限制推到任何当前标准之外。因为寻求的效应处于我们探测能力的极限（必然如此；如果很容易，我们早就看到了它），所以有大量的微妙知识被用来构建每个实验的框架。机器不仅仅必须工作；您必须详细了解量子力学和相对论以及广泛思想的所有日益微妙的应用如何在所涉及的速度、能量和距离上发挥作用。了解实验的微妙边缘实际发生的事情——即使是看似简单的实验——结果证明非常困难。
有多难？如此之难，以至于阿尔伯特·爱因斯坦本人也犯了一个在某些方面与埃尔堡暗示可能发生在这里的错误非常相似的错误。1930 年，在他与尼尔斯·玻尔的著名论战中，爱因斯坦设计了一个思想实验，以表明可以以比海森堡不确定性原理允许的精度更高的水平测量一个量。爱因斯坦的论点似乎无懈可击，根据现场一位观察者的说法，
这对玻尔来说真是一个打击……他起初想不出解决办法。整个晚上他都非常激动，他不停地从一位科学家走到另一位科学家，试图说服他们这不可能，如果爱因斯坦是对的，那将是物理学的末日；但他想不出任何解决这个悖论的方法。我永远不会忘记两位对手离开俱乐部时的景象：爱因斯坦，身材高大，气度不凡，平静地走着，带着淡淡的讽刺意味的微笑，玻尔小跑着跟在他旁边，充满兴奋……第二天早上，玻尔取得了胜利。
结果证明，爱因斯坦在他的分析中遗漏了一个关键的物理思想：他自己的发现，广义相对论，对实验程序行为的影响。一旦将引力因素纳入论证，量子不确定性就消失了。
这只是想说，中微子实验学家很可能犯了一个从旁观者来看似乎显而易见的错误。但是，如果阿尔伯特·爱因斯坦可能会犯类似的错误，那么这应该告诉我们所有人，对于任何一个人，甚至一个群体来说，要完全理解经验的微妙之处是多么困难。这就是为什么科学以持续的批评和自我批评的方式运作。随着中微子故事的展开，我们正在观看科学应该如何运作。
正是因为这个原因，最终我们完成了漫长的回家之路，科学诚实地完成和描述在实践和道德方面都与现在主导美国两大政党之一的思维的伪装成科学的对这种发现模式的攻击截然不同。
图片来源：图片 1：威廉·布莱克，《当晨星一同歌唱时》，1820 年。图片 2：扬·维米尔，《天文学家》，约 1668 年
