物理学家正面临一系列新的难解之谜

本文转自：中国科学报

■武夷山

3月，美国Doubleday出版社出版了Harry Cliff（哈利·克利夫）的第二部科普著作Space Oddities：The Mysterious Anomalies Challenging Our Understanding of the Universe（本文作者译为“太空异象：挑战我们宇宙认知的神秘怪异现象”）。

作者克利夫是英国剑桥大学粒子物理学教授，深度参与欧洲核子研究中心大型强子对撞机的工作。他一向热心于面向公众的科学传播。2021年8月，他出版了第一部科普著作《如何从头开始做一个苹果派：从原子起源到大爆炸，探索我们宇宙的配方》，该书于次年在国内出版。这一书名源自美国天文学家、科普大师卡尔·萨根的话：“想要从头开始做一个苹果派，你必须先创造宇宙。”克利夫还在伦敦科学博物馆策划过两个科普展览：“对撞机”（2013）和“太阳”（2018）。他常常作科普讲座，深受欢迎。

克利夫在新书中展现的一些证据有颠覆旧有的模型、观念和规则之势。他想回答的问题是：书中叙述的那些反常现象是自然界的偶然事件，还是指向了广阔的未知新世界？

他认为：“科学进步不是展开为一条从无知变为理解的直线。”“科学进步是混乱的过程，充满着起步不当、转向错误和死胡同。”

对于物理学家正面临一系列新的难解之谜，克利夫是有资格对此加以解释的。过去几十年来，科学界曾志得意满，好像什么都解释清楚了，但最近几年，一系列反常现象打破了原来的确定性。

例如，为什么宇宙膨胀的速度高于预期？为什么中微子的行为与理论模型预测的不一样？偶尔从南极冰层下喷发出的高能量粒子是怎么回事？若对这些问题回答得好，可能引起全新的物理实在观。

可问题是，我们有可能一睹对物理世界深刻的新视角的风采，还是会被残酷的数据把戏所捉弄？

在思考这些问题的过程中，克利夫走访了世界各地的相关研究设施——从智利北部阿塔卡马沙漠中的ALMA望远镜，到深埋地下的粒子对撞机，再到南极冰盖上空的监测气球，继而对试图回答这些问题的一些科研人员进行了访谈。充满着不确定性的新物理学能否成功，无人知晓，耕耘于该领域的科学家其实在用自己的职业和声誉打赌。

长期以来，对复杂的数学模型深信不疑的理论家与专注于开展实验和寻找关联的观察者之间一直存在矛盾。双方都在探寻新的范式和定义实在的新的方式。由于不确定性无所不在，偶然的数据波动或抖动可能造成“新发现”的假象，尤其是数据集较小的时候。

比如在2015年12月，通过世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机，科学家曾认为，他们或许发现了一种全新的粒子，激动万分。可是，最后发现，这个“发现”只不过是实验数据波动导致的结果。

为避免出现类似错误，就要尽量多做数据，不要一看到3个西格玛的结果（结果出错的概率不到0.3%）就过于激动。

在粒子物理学界，大家习惯于采用的人为判断准则是：3个西格玛的结果被视为“证据”（也就是说，值得关注是否出现了新效应，但离你订机票去斯德哥尔摩领诺贝尔奖还远着呢）；5个西格玛的结果（出错概率约为0.023%）才被视为一次“观察值”或“发现”。5个西格玛的这一金标准保障科学家不被统计结果愚弄。

本书缺点是，尽管克利夫努力用通俗的语言来说明问题，但宇宙学和粒子物理学实在太复杂艰深了，某些章节不容易看懂。具备高等物理学背景的读者会觉得本书的一些内容充满魅力，一般读者则可能“啃”不动。

但不管怎么说，克利夫的乐观、幽默和对所述主题的热情还是给读者留下了深刻印象。他写道：“大自然不会轻易出让其秘密，要想获取秘密就得奋斗。不过到头来……这一曲折的道路终将通向更深刻的理解。”