新奥资料免费精准新奥生肖卡,由实验驱动是科学进步的方式，更多时候，它们只是糟糕的科学

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当您是一名科学家时，获得意想不到的结果可能是一把双刃剑。当今最流行的理论可以告诉你，当你向自然界提出有关自然界的问题时，你应该期望获得什么样的数据，但只有通过现实世界的科学探究来面对你的预测——包括实验、测量和观察——你才能将这些理论付诸实践。最常见的是，结果与主要理论的预测一致;毕竟，这就是为什么它们首先成为主导理论的原因。尽管如此，重要的是在新的和未经测试的制度中不断推动即使是最成熟的理论的前沿，就好像会有新的科学突破一样，它的第一个迹象将来自大自然以前从未经历过的实验和观察。

这就是为什么科学家们每隔一段时间就会得到与我们的理论预期相冲突的结果时，它如此引人注目。一般来说，当这种情况发生在物理学中时，大多数人默认使用最怀疑的解释：实验、数据或分析存在问题。一般假设是：

• 一个无意的错误，

• 或妄想性的自欺欺人，

• 或者是彻头彻尾的故意欺诈案件。

但也有可能一些非常奇妙的事情正在发生：我们正在看到宇宙中一些新的和意想不到的事情的初步迹象。同时保持怀疑和开放的心态很重要，正如科学史上的这五个例子清楚地说明的那样。

迈克尔逊干涉仪背后的想法是，光源可以通过分束器等设备将其一分为二，分束器将一半的原始光沿着两条垂直路径中的每条路径发送。在路径的末端，镜子将光线反射回其来源，然后这两束光束重新组合，在屏幕上产生干涉图案。如果每条路径的光速不同，干涉图案也会随之改变。图片来源：Polytec GmbH/Wikimedia Commons

故事 1：现在是 1880 年代，科学家们以非常好的精度测量了光速：299,800 公里/秒左右，不确定度约为 0.005%。这足够精确，如果光穿过固定且不变的空间介质，我们应该能够判断该光何时以及是否与地球围绕太阳的运动（30 公里/秒）一起移动、逆向或以一定角度移动。

迈克尔逊-莫雷实验旨在准确测试这一点，预计光将以不同的速度穿过太空介质（当时称为以太），具体取决于地球相对于该装置的运动方向。然而，当实验进行时，它总是给出相同的结果：结果表明光速在任何时候在所有方向上都是恒定的。无论设备的方向或何时在地球轨道上进行测量等因素，都会观察到这种恒定性。这是一个出乎意料的结果，与当时的领先理论背道而驰，但执行得如此精致，以至于结果对在基本层面上研究自然的更广泛的物理学家群体极具吸引力。

大质量原子核中核 β 衰变的示意图。只有当包括（缺失的）中微子能量和动量时，这些量才能守恒。从中子到质子（以及电子和反电子中微子）的跃迁在能量上是有利的，额外的质量会转化为衰变产物的动能。质子、电子和反中微子结合产生中子的逆反应在自然界中从未发生过。图片来源：Inductiveload/Wikimedia Commons

故事 2：现在是 1920 年代后期，科学家们现在已经发现了三种类型的放射性衰变：α、β 和 γ 衰变。在 α 衰变中，不稳定的原子核发射一个 α 粒子（氦-4 原子核），其中两个“子”粒子的总能量和动量似乎是守恒的，并且等于“母”粒子的能量和动量。在伽马衰变中，伽马粒子（光子）从不稳定的原子核发射出来，其中能量和动量从初始状态到最终状态都是守恒的。据观察，这种能量和动量守恒也适用于所有非衰变粒子和反应;它们似乎是不变的自然法则。

然而，随后出现了 β 衰变。在 β 衰变过程中，原子核发射出一个 β 粒子（电子），该原子核转化为元素周期表上的不同元素：向上一个元素。然而，在 β 衰变中，观察到的两个子粒子（发射的电子和新原子核）的总能量小于母粒子（旧原子核）的总能量，并且在此过程中动量不再守恒。预期是能量和动量是两个在粒子相互作用中总是守恒的量，因此看到能量损失而净动量凭空出现的反应违反了这两个规则，在任何其他粒子反应、碰撞或衰变中都从未见过。

向后测量时间和距离（在“今天”的左侧）可以了解宇宙将如何演化和加速/减速到很远的未来。通过将膨胀率与宇宙的物质和能量含量联系起来并测量膨胀率，我们可以得出自热大爆炸开始以来经过的时间量的估计值。1990 年代后期的超新星数据是第一组表明我们生活在一个富含能量的暗宇宙中，而不是一个物质和辐射占主导地位的宇宙中;“今天”左侧的数据点显然偏离了在 20 世纪大部分时间里帮助影响的标准“减速”情景。图片来源：Saul Perlmutter/加州大学伯克利分校

故事 3：现在是 1990 年代后期，科学家们正在努力测量宇宙是如何膨胀的。不仅要回答“今天宇宙膨胀的速度有多快”这个问题，还要回答“宇宙的膨胀速度在其历史上是如何变化和演变的”这一补充问题。从理论上讲——这自 1920 年代以来就已经为人所知——如果你能回答这两个问题，你就可以精确地确定整个宇宙中存在的所有不同类型的物质和能量是什么，以及它们在宇宙历史中每个时间点的能量密度是多少。

地面观测和太空观测（包括当时相对较新的哈勃太空望远镜）的组合正在使用各种类型的距离指示器来测量这两个关键参数：

1. 哈勃常数（今天的膨胀率），以及

2. decelration 参数（引力如何减慢宇宙的膨胀）。

在多年远距离仔细测量许多不同类型的 Ia 超新星的亮度和红移之后，两个科学家团队试探性地发表了他们的结果。从他们的数据中，他们都得出了相同的结论：“减速参数”实际上是负的;随着时间的推移，更遥远的星系似乎正在加速它们明显的衰退速度，而不是引力减缓宇宙的膨胀。在一个由正常物质、暗物质、辐射、中微子和空间曲率组成的宇宙中，这种效应在理论上是不可能的;要么这些数据有问题，要么它是如何被解释的，要么我们的宇宙中一定存在某种奇异的能量形式。

将任何粒子送入数百公里的太空中，应始终导致粒子到达的速度不会比光子快。众所周知，OPERA 合作在 2011 年观察到了更快的结果。正如他们的探测器所记录的那样，中微子比预期的早了几十纳秒到达，这意味着速度比光速高出约 0.002%。图片来源：CNGS 布局/OPERA 实验

故事 4：现在是 2011 年，大型强子对撞机只运行了很短的时间。液氦系统于 2008 年首次启动后，液氦系统中的泄漏对机器造成了大面积损坏，需要多年的维修。现在，快速移动的质子束以令人难以置信的速度在其中循环，仅比光速低 3 m/s，第一批科学结果即将出现。利用这些高能粒子的各种实验正在进行中，试图测量宇宙的各个方面。其中一些涉及粒子在一个方向上的碰撞与粒子在另一个方向上以相同的速度移动;其他涉及“固定目标”实验，其中快速移动的粒子与静止粒子发生碰撞。

在后一种情况下，会产生大量的粒子，这些粒子都朝着同一个大致方向移动：粒子雨。这些所谓的“子粒子”继续以接近光速的速度向原始质子移动的方向移动。其中一些子粒子会迅速衰变，当它们衰变时会产生中微子。一项实验从数百公里外的下游位置成功测量了这些中微子，得出了一个令人震惊的结论：这些粒子的到达时间比预测的到达时间早了几十纳秒。如果包括中微子在内的所有粒子都受到光速的限制，那么这个“提前到达时间”在理论上应该是不可能的。

2015 年的 ATLAS 和 CMS 双子凸起一起显示，在 ~750 GeV 处明显相关。这个提示性结果在超过 3 西格玛时是显著的，但随着数据的增加而完全消失。这是统计波动的一个例子，是实验物理学的“红鲱鱼”之一，很容易使科学家误入歧途。图片来源：CERN、CMS + ATLAS 合作、Matt Strassler

故事 5：现在已经进入 2010 年代，大型强子对撞机已经运行多年。其首次运行的完整结果现已出炉，并且发现了希格斯玻色子：一项获得诺贝尔奖的发现。标准模型中最后一个未被发现的粒子现在已经被找到，许多其他标准模型粒子已经对其特性进行了前所未有的测试，没有显示出与它们预测的行为有明显的偏差。随着标准模型的所有部分现在都已牢固地就位，并且几乎没有什么不寻常的，粒子物理学似乎按原样安全，标准模型似乎比以往任何时候都更加健壮。

尽管如此，数据中还是出现了一些异常的“颠簸”：在某些能量处出现的额外事件，而标准模型预测不应该有额外的事件。由于两个相互竞争的合作以 LHC 可以达到的最大能量碰撞粒子，并且都独立工作，明智的交叉检查是看看 CMS 和 ATLAS 是否发现了在相同能量和相同意义水平下发生任何颠簸的类似证据。值得注意的是，至少有一个位置，两个实验都看到了完全相同的 “额外” 信号，与数据中相同的 “颠簸” 一致，这是一个令人难以置信的暗示性证据。无论发生什么，它都与我们有史以来最成功的理论给出的理论预测不符，这让我们怀疑我们是否还没有处于发现新的基本粒子、相互作用或物理现象的风口浪尖。

为了产生聚变点火，国家点火设施的激光能量在装有可聚变燃料的装置（称为 hohlraum）内转换为 X 射线。然后，这些 X 射线加热并压缩燃料胶囊周围的区域，直到它内爆，从而产生高温、高压等离子体，在那里发生聚变。虽然热聚变已在实验室中多次实现，但冷聚变从未得到有力的证明，而是一个充斥着江湖骗子和无能者的伪科学领域。图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室

在每一种情况下，重要的是要认识到可能的结果是什么。一般来说，将要发生的事情有三种可能性。

1.） 这里真的没有什么可看的。被吹捧为潜在新发现的东西只不过是某种错误。无论是因为：

• 一个诚实的、无法预料的错误，

• 错误的设置，

• 实验无能，

• 破坏行为，

• 或江湖骗子故意实施的骗局或欺诈，

无关紧要;声称的效果不是真实的。

2.） 我们迄今为止所设想的物理规则并不像我们认为的那样，这个结果是一个暗示——也许是第一个关键暗示——我们的宇宙与我们迄今为止所认为的不同。这将需要一个新的物理定律、原则，甚至一个全新的现实概念来纠正事情。

3.） 宇宙中有一个新的组成部分——以前没有包含在我们的理论预期中的东西——它的影响在这些新结果中显现出来，这可能是第一次。

如果你自己是一名科学家，你会立即意识到你的默认假设应该是第一个，并且需要大量额外的支持证据来证明第二个或第三个选项（两者都是革命性的）反而是正确的。

这张图显示了 1550 颗超新星，它们是 Pantheon+ 分析的一部分，绘制为星等与红移的函数。几十年来（自 1998 年以来），超新星数据一直指向一个以特定方式膨胀的宇宙，这需要超越物质、辐射和/或空间曲率的东西：一种驱动膨胀的新能量形式，称为暗能量。超新星都沿着我们的标准宇宙学模型预测的路线落下，即使是红移最高、距离最远的 Ia 型超新星也遵循这种简单的关系。校准关系而不出现实质性误差至关重要。图片来源：D. Brout 等人/Pantheon+，ApJ 提交，2022 年

当然，对我们大多数人来说，现实根本不是这样的。如今，我们的许多科学同事很快就写了论文，提出了新颖的、边缘的想法，这些想法要么改变了物理学的规则，要么提出了新的、额外的粒子或相互作用作为这些结果的“主要解释”。你会在流行的，甚至是主流媒体上看到的大多数讨论都是关于一些新证据如何威胁到“打破宇宙”或同样耸人听闻的事情。但这些不是答案;这些只是追救车的例子：喧闹、华丽和新奇的东西吸引了各种关注，尤其是不择手段的关注，来自那些在道德上应该更了解的人。

我们将如何确定哪种解释是这些新观察的正确解释？科学过程只要求一件事：我们收集更多、更好的数据和独立的数据，以证实或反驳所看到的情况。应该考虑取代旧思想和理论的新思想和理论，只要它们：

• 在它们工作的地方重现与旧理论相同的成功结果，

• 在旧理论没有的地方解释新结果，以及

• 至少做出一个与原则上可以寻找和衡量的旧理论不同的新预测。

对意外结果的正确第一反应是尝试独立重现它，并将这些结果与其他互补的结果进行比较，这应该有助于我们在全套证据的背景下解释这个新结果。

中微子于 1930 年首次提出，但直到 1956 年才从核反应堆中检测到。从那以后的几年和几十年里，我们从太阳、宇宙射线甚至超新星中探测到中微子。在这里，我们看到了 1960 年代 Homestake 金矿太阳能中微子实验中使用的水箱的构造。这种在地下深处建造中微子天文台的技术，60 多年来一直是粒子物理学实验的标志。图片来源：布鲁克海文国家实验室

这五个历史故事中的每一个都有不同的结局，尽管它们都有可能彻底改变宇宙。按顺序，以下是发生的事情：

1. 正如进一步的实验所证明的那样，光速与所有观察者在所有参考系中测得的速度相同。不需要以太;相反，我们对事物如何在宇宙中运动的概念是由爱因斯坦的相对论而不是牛顿定律支配的。

2. 能量和动量实际上都是守恒的，但那是因为有一种新的、看不见的粒子也在 β 衰变中发射出来：沃尔夫冈·泡利 （Wolfgang Pauli） 在 1930 年提出的中微子。中微子，几十年来只是一个假设，终于在 1956 年，也就是泡利去世前两年被直接检测到。

3. 最初遭到怀疑的是，两个独立的团队（超新星宇宙学项目和高 z 超新星搜索团队）继续收集有关宇宙膨胀的数据，但怀疑论者并没有被说服，直到来自宇宙微波背景的改进数据和大尺度结构数据都支持同样不可避免的结论。宇宙除了已知形式的物质和辐射外，还含有暗能量，这是观察到的加速膨胀的根本原因。

4. 最初由 OPERA 合作报告为 6.8 西格玛结果，使用相同设置的其他实验（例如 ICARUS）未能确认其结果。最终，OPERA 团队发现了一个实验错误，这是导致他们异常结果的原因：有一根松动的电缆给出了这些中微子的飞行时间的错误读数。修复错误后，异常消失了。

5. 即使有来自 CMS 和 ATLAS 的数据，这些结果（双玻色子和双氟子凸起）的显著性也从未超过自吹自擂的 5 西格玛阈值，或统计显著性的“黄金标准”。随着数据的增加，最初数据中的“凸起”只是简单地回归到平均值，这表明这些最初有希望的结果只是统计波动。现在 LHC 的金库中有更多的数据，没有证据表明这些颠簸已经存在了。

在 LHC 的 Run I 早期，ATLAS 合作看到了在 2,000 GeV 左右出现二双色子“凸起”的证据，这表明存在一种新粒子，许多人希望这是 SUSY 的证据。不幸的是，这个信号消失了，随着更多数据的积累，人们发现它只是统计噪声，所有这些波动也是如此。学分：ATLAS 和 CMS 合作

另一方面，有大量的合作太快了，以至于无法观察到异常，然后根据这一观察结果提出非凡的主张。DAMA 合作声称已经直接探测到暗物质，尽管存在一大堆危险信号和失败的确认尝试。Atomki 异常观测到特定的核衰变，看到了该衰变角度分布的意外结果，声称存在一种具有一系列前所未有的特性的新粒子 X17。有许多说法表明已经实现了冷聚变，这违背了核物理学的传统规则。

有人声称无反作用、无推力的发动机，这违背了动量守恒的规则。真正的物理学家，例如阿尔法磁谱仪或 BICEP2 提出了一些非凡的主张，这些主张的解释是平凡的，而不是非凡的。最近，有人声称围绕一种称为 LK-99 的物质存在室温超导性，现在已知根本不会超导，以及 μ 子 g-2 异常，这似乎是一项实验胜利，但伴随着一项误差被严重低估的理论计算。

关于 μ 子磁矩理论预测的最新晶格 QCD 结果与旧的 r 比率方法的预测强烈不同，而是指向与实验数据的高度一致。看起来早期的理论方法在某个地方存在缺陷。图片来源：A. Boccaletti et al.， arXiv：2407.10913， 2024

每当你做一个真实的、真实的实验时，重要的是你不要偏向于得到你预期或更糟糕的是，希望的任何结果。作为科学家，你需要对自己的设置持最怀疑的态度，对你的错误和不确定性最诚实，对你的方法及其可能的缺陷最坦率。您需要尽可能负责任，尽一切可能正确校准您的仪器并了解所有误差和不确定性的来源，但最终，无论您看到什么，您都必须诚实地报告您的结果。这将取决于科学界的其他成员来验证或反驳你的发现，如果你在此过程中的任何时候都不择手段，你最终会被曝光。

合作得出的结果没有被后来的实验证实，不应该受到惩罚;特别是 OPERA、ATLAS 和 CMS 合作在发布他们的数据方面做得令人钦佩，但需要注意所有适当的警告。当异常的第一个迹象出现时，除非实验者（或实验者）有特别明显的缺陷，否则无法知道它是实验缺陷、看不见的组件的证据，还是一套新物理定律的预兆。只有拥有更多、更好和独立的科学数据，我们才有希望解决我们的调查揭示的关于自然世界的任何谜题。