[物理近代史小故事] 《微中子「快過」光速小明?》(The infamous faster-than-light neutrino anomaly)

最近幾個月,武漢肺炎#喺全球肆虐,染疾人數已超過3百萬人,差唔多全部國家都被逼鎖國、實行禁足令,唔知大家喺哩段時間過得好唔好呢?小弟work from home都就嚟兩個月,睇怕短期內仍然要繼續(因小弟唔喺香港)……

喺今次瘟疫,為咗了解同預測疫情嘅發展,唔少人都突然「流行病學家」、「數據分析師」上身,嘗試從公開數據去比較唔同國家各種抗疫手法嘅成效,寫文章去批評或表揚某啲國家所採取嘅抗疫手法,甚至包括大力讚揚強國嘅「果斷」。對哩個現象小弟有啲個人睇法,所以想籍哩個機會分享物理學近年嘅一個小故事。

#武肺是強國歷史上不可分割的一部分,請大家正名


微中子「快過」光速,相對論被推翻?(Neutrino travels faster than the speed of light?)

位於日內瓦嘅歐洲核子研究組織(CERN),除左用大型粒子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)搵之前未被發現,好似希格斯粒子(又叫「上帝粒子」*)嘅高能粒子外,入面仲有做一大堆與理論物理學相關嘅其他大型實驗。好似測量微中子(neutrinos)特性,研究微中子振盪(neutrino oscillation)嘅 OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)實驗。

*小弟其實唔係幾鍾意哩個「花名」

故事話說喺2011年3月,OPERA嘅物理學家做實驗,測量用粒子加速器製造出嚟嘅微中子,由日內瓦傳送至意大利山區另一實驗室所需嘅時間。佢哋竟然「發現」有質量嘅微中子,行得比光仲快,比光早咗大概60.7納秒(nanoseconds)到達,「打破」狹義相對論嘅光速限制[2]。當然作為嚴謹嘅科學家,團隊佢哋自己一開始都唔信係「真」,認為只係某運算或實驗部分出咗問題。

不過經過幾個月,團隊不斷反覆驗算實驗數據之後,仍然得出同樣嘅結論,統計學上嘅顯著性(statistical significance)甚至變得更強。雖然係咁,但佢哋仍然對結論抱有相當懷疑。於是班科學家就喺同年9月開咗記者會,公佈團隊嘅研究結果,邀請各地嘅物理學家一齊幫手驗證、搵出原因,或重現佢哋嘅實驗結果。

新聞一出,某啲對物理一竅不通嘅媒體、坊間大眾就即刻「打晒飛機」,大力宣告終於搵到行過快過光速嘅嘢,FF時光機、回到過去指日可待……唔少理論物理學家同時亦埋手研究、發表唔同嘅理論模型,去解釋有質量嘅微中子點解可以快過光速。


原來只係有人冇插好條線,空歡迎一場(The anomaly results were simply caused by an improperly attached fiber-optic cable, relativity is safe)

小弟當年仲係博士生,聽到哩個實驗結果都好驚訝,不過就唔太相信個結果。嗰時所屬嘅大學department都有一兩個seminars,請其他理論物理學家嚟,講解佢哋發表嘅理論模型,點樣可以解釋哩個同相對論有衝突嘅現象。

不過後來再過幾個月後,OPERA嘅團隊發現佢哋擺咗烏龍,原來只係實驗出咗問題。之前嘅實驗結果係因為有一條光纖cable冇插好,導致測量時間用嘅鐘行快咗。重新做過實驗後,最終發現微中子根本冇行得快過光速。

哩個故事教訓我哋:數據唔係一切,理解實驗嘅methodology,好似數據點得嚟、可唔可靠同樣好重要。純個人感想:見到啲人攞住強國喺今次瘟疫公佈嘅數據,就咁直接用嚟同其他地方比較,衡量唔同地方抗疫手法嘅可取之處,唔知點解諗起哩個物理故仔。

事實上,即使撇除好似強國哩類冇透明度嘅獨裁國家,比較唔同國家嘅疫情或防疫措施,仍然唔係一件簡單嘅事情,唔係就咁直接分析、模擬各地官方數據就可以得出一個正確嘅結論[4]。就好似檢測機制咁,檢測幾多人、邊類人可以優先檢測等等,唔同地方已經好唔同。單從確診人數、死亡數字就隨便作出判斷,仲要認為係真理,其實係好天真。

今次講到哩度,下次再講。

#samplingbias #datascience #datascientist #中國數字可信 #至於你信不信反正我信了


延伸閱讀:

[1] 維基百科 https://en.wikipedia.org/wiki/Faster-than-light_neutrino_anomaly

[2] (當年舊聞)《微中子超光速實驗— 打破宇宙速度極限?》,方勵之著,發表於2011年11月號科學月刊 https://pansci.asia/archives/9959

[3] 《Faster-Than-Light Neutrinos Aren’t》by Clara Moskowitz, SPACE.com on June 8, 2012 https://www.scientificamerican.com/article/faster-than-light-neutrin/

[4] 《Coronavirus: Why are international comparisons difficult?》https://www.bbc.co.uk/news/52311014

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