كيف لا ينخدع عن طريق القيام الفيزياء

يستخدم فيزياء الجسيمات وعلماء الفيزياء الفلكية مجموعة متنوعة من الأدوات لتجنب النتائج الخاطئة

في التسعينيات ، في تجربة في لوس ألاموس ، على بعد حوالي 55 كم شمال غرب العاصمة نيو مكسيكو ، يبدو أنه قد تم اكتشاف شيء غريب.

طور العلماء جهاز كشف النيترينو السائل السائل في مختبر لوس ألاموس الوطني التابع لوزارة الطاقة في لوس أنجلوس من أجل حساب النيوتريونات ، وهي ثلاثة أنواع من الجزيئات التي نادراً ما تتفاعل مع المواد الأخرى. في LSND ، بحثوا عن أدلة على تذبذبات النيوترينو - انتقال النيوتريونات من نوع إلى آخر.

في العديد من التجارب السابقة ، تم اكتشاف علامات على مثل هذه التذبذبات ، والتي يستخلص منها أن النيوترونات لها كتل صغيرة غير مدرجة في النموذج القياسي ، النظرية الرئيسية لفيزياء الجسيمات. أراد العلماء في LSND إعادة فحص تلك القياسات المبكرة.

عند دراسة مصدر نقي تقريبًا من نفس النوع من النيوترينو - الميون نيوترينو - في LSND ، وجدنا دليلًا على حدوث تذبذبات في نوع آخر من النيوترينو ، إلكترونيًا. ومع ذلك ، تم اكتشاف عدد أكبر بكثير من النيوتريونات في الكاشف أكثر مما كان متوقعًا ، مما أدى إلى لغز آخر.

قد يكون هذا الفائض علامة على أن النيوتريونات لا تتأرجح بين ثلاثة ، ولكن بين أربعة أنواع مختلفة ، مما يعني وجود نوع جديد من النيوترينو ، نظري معقم قدموا مثل هذا الاقتراح لإدراج كتل نيوترينو صغيرة في النموذج القياسي.

أو يمكن أن يكون هناك تفسير آخر. السؤال هو ماذا؟ وكيف يمكن للعلماء حماية أنفسهم من الأخطاء في الفيزياء؟

شيء جديد تماما

يبحث العديد من علماء الفيزياء عن نتائج تتجاوز النموذج القياسي. لقد توصلوا إلى تجارب لاختبار التوقعات. إذا وجدوا أي تضارب ، فقد يعني هذا اكتشاف شيء جديد تمامًا.

"هل نحصل على تنبؤات الحسابات ، باستخدام نفس النموذج القياسي؟" يقول باريس سفكاس ، باحث في سيرن. إذا كان الأمر كذلك ، فلن يكون لدينا شيء جديد. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن السؤال التالي: "هل تقع النتيجة في حدود الخطأ في تقديراتنا؟ هل يمكن أن تكون النتيجة بسبب خطأ في التقديرات؟ "وهكذا دواليك وما إلى ذلك."

قائمة كبيرة من العوامل المحتملة يمكن أن تجعل العلماء يعتقدون أنهم اكتشفوا. جزء مهم من البحث العلمي هو تحديد واختبار طرق للتحقق مما يحدث بالفعل.

تقول بوني فليمنج ، عالمة فيزياء في جامعة ييل نيوترينو: "إن حاجز الاكتشاف في المجتمع مرتفع للغاية ، وهو محق في ذلك". "يستغرق الأمر بعض الوقت لإقناع أنفسنا بأننا حقًا اكتشفنا شيئًا ما."

في حالة حدوث خلل في LSND ، يتساءل العلماء عما إذا كان هذا بسبب عدم معرفة الأحداث الخلفية ، أو ما إذا كانت هناك مشكلة ميكانيكية أدت إلى حدوث خطأ في القياسات.

طور العلماء تجارب لاحقة لمعرفة ما إذا كان يمكنهم إعادة إنتاج النتيجة. ذكرت تجربة MiniBooNE في فيرميلاب مؤخرًا وجود علامات على وجود فائض مماثل. في تجارب أخرى ، على سبيل المثال ، في MINOS التي أجريت في نفس Fermilab ، لم يتم العثور على مثل هذا الفائض ، مما يعقد عملية البحث فقط.

وقالت جيني توماس المتحدثة باسم الفيزياء في جامعة كوليدج بلندن: "[LSND و MiniBooNE] تقيسان بشكل واضح الفائض من الأحداث مقارنة بالعدد المتوقع". "هل هذه الإشارات مهمة ، أم أنها مجرد خلفية خاطئة؟" هذا هو ما يعملون عليه ".

إدارة التوقعات

تتم معظم أعمال فهم الإشارة قبل استلامها. عند تطوير تجربة ما ، يحتاج الباحثون إلى فهم العمليات الفيزيائية التي يمكن أن تعطي أو تقلد الإشارة المطلوبة ، وغالبًا ما تسمى هذه الأحداث "الخلفية".

يستطيع الفيزيائيون التنبؤ بالخلفية من خلال المحاكاة أو التجارب. يمكن تحديد بعض أنواع كاشفات الخلفية من خلال "اختبارات صفرية" ، على سبيل المثال ، اتجاه التلسكوب على جدار فارغ. يمكن تحديد أنواع أخرى من الخلفية باستخدام اختبارات البيانات ، "اختبارات سكين قابلة للطي" ، عندما يتم تقسيم البيانات إلى مجموعات فرعية - على سبيل المثال ، بيانات من يوم الاثنين وبيانات من يوم الثلاثاء - والتي بحكم تعريفها يجب أن تنتج نفس النتائج. أي تناقضات ستحذر العلماء من إشارة تظهر في مجموعة فرعية واحدة فقط.

يحاول الباحثون الذين يبحثون عن إشارة محددة أن يفهموا بشكل أفضل العمليات الفيزيائية الأخرى التي يمكن أن تعطي نفس الإشارة في الكاشف. على سبيل المثال ، تدرس MiniBooNE حزمة تتكون أساسًا من النيوترونات الميونية لقياس مدى تذبذبها إلى أنواع أخرى. لكنه في بعض الأحيان يلتقط النيوتريونات العشوائية للإلكترون ، ويبدو أن الميوتونات النيوتونية قد تحولت إليها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للعمليات الفيزيائية الأخرى محاكاة إشارة من النيوترينو الإلكتروني.

يقول فليمنغ: "نحن نعلم أننا سنخدع بسببهم ، لذلك يجب علينا أن نفعل كل شيء ممكن لفهم عددهم". "ويجب إضافة الفائض الذي وجدناه إلى هذه الأحداث."

البشر غير مستقرون أقوى من شعاع الجسيمات. يحاول العلم قياس الحقائق بموضوعية ، لكن هذه العملية تنفذها مجموعة من الأشخاص الذين قد تعاني أفعالهم من التحيز والمشاكل الشخصية والعواطف. إن الرأي المتحيز حول نتيجة التجربة يمكن أن يؤثر بشكل غير ملموس على عمل الباحث.

يقول برايان كيتنج ، عالم فيزياء فلكية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو ، مؤلف كتاب The Losing Nobel Prize ، "أعتقد أن هناك صورة نمطية تجعل العلماء من غير المراقبين الذين يعانون من البرد ويحسبون الحقيقة". المكافأة التي تؤدي إلى الهاء يمكن أن تصرف انتباه العالم عن السلوك الصحيح. في الواقع ، نحن نشارك في هذه العمليات ، هناك لحظات اجتماعية تؤثر على الناس. العلماء ، على الرغم من الصور النمطية ، هم بالضبط نفس الأشخاص ".

إن إدراك ذلك واستخدام الطرق التي تقضي على التحيز أمر مهم بشكل خاص إذا كان بيان ما يعكس المعرفة القديمة - على سبيل المثال ، فهمنا للنيوتريونات. في مثل هذه الحالات ، يلتزم العلماء بأقوال شهيرة معروفة: تتطلب بيانات الطوارئ أدلة غير عادية.

يقول جون كانر ، باحث من معهد كاليفورنيا للتقنية: "إذا كنت تسير بجوار منزلك وترى سيارة ، فربما تفكر ،" هذه سيارة ". "لكن إذا رأيت تنينًا ، فقد تفكر:" لكن هل هو حقًا تنين؟ " هل أنا متأكد من أن هذا تنين؟ ستحتاج إلى دليل على مستوى مختلف. "

تنين أم اكتشاف؟

لقد عانى الفيزيائيون من التنانين من قبل. على سبيل المثال ، في عام 1969 ، أعلن العالم جو ويبر اكتشاف موجات الجاذبية: تموجات على نسيج الزمكان ، تنبأ بها ألبرت أينشتاين في عام 1916. مثل هذا الاكتشاف ، الذي اعتبره الكثيرون مستحيلاً ، سيثبت المبدأ الأساسي لنظرية النسبية. عرف ويبر الشهرة الفورية ، لكن فقط إلى أن اكتشف علماء الفيزياء أنهم لا يستطيعون إعادة إنتاج نتائجه.

لقد صدم هذا الاكتشاف الخاطئ مجتمع الباحثين من موجات الجاذبية ، والتي بدأت خلال العقود القليلة القادمة تشعر بالقلق من مثل هذه الإعلانات.

لذلك ، في عام 2009 ، عندما بدأ مرصد LIGO لموجة الجاذبية المتداخلة بالليزر في العمل في التجربة التالية ، توصل تعاون العلماء إلى طريقة جديدة للتأكد من أن أعضائه سيكونون متشككين في نتائجهم. لقد طوروا طريقة لإضافة إشارة خاطئة مقلدة إلى دفق بيانات الكاشف ، دون تحذير معظم الباحثين البالغ عددهم 800. أطلقوا عليه "ضخ عمياء". كان جميع أفراد المجتمع الآخرين يعرفون أن التسريب كان ممكنًا ، لكنه غير مضمون.

"لم نكتشف أي إشارات منذ 30 عامًا" ، قال Kanner ، أحد أعضاء LIGO. - ما مدى الوضوح أو الوضوح الذي يجب أن تكون عليه العلامة حتى يؤمن بها الجميع؟ هذا جعلنا نعتمد بشكل أكبر على الخوارزميات والإحصاءات والإجراءات ، وكذلك فحص علم الاجتماع ومعرفة ما إذا كان بإمكاننا إقناع مجموعة من الناس بهذا ".

في نهاية عام 2010 ، تلقى الفريق التحذير الذي كانوا ينتظرونه: تعرفت أجهزة الكمبيوتر على الإشارة. لمدة ستة أشهر ، انخرط مئات العلماء في التحليل ، وخلصوا في النهاية إلى أن الإشارة كانت مشابهة لموجات الجاذبية. لقد كتبوا عملاً يحتوي على وصف مفصل للأدلة ، وصوت أكثر من 400 شخص للموافقة عليه. ثم أخبرهم أحد مديري المشروع أن كل هذا تم تزويره.

قد يبدو إنفاق هذا القدر من الوقت لأخذ عينات من هذه الإشارة الاصطناعية ودراستها فارغًا ، لكن الاختبار نجح كما ينبغي. أجبر هذا التمرين العلماء على إيجاد كل الأساليب اللازمة لدراسة النتيجة الحقيقية عن قرب قبل ظهورها. وقد أجبر ذلك التعاون على تطوير اختبارات وأساليب جديدة لإظهار موثوقية اكتشاف إشارة محتملة حتى قبل وقوع حدث حقيقي.

يقول كانر: "بطريقة ما ، تم تصميم هذا النظام ليكون عادلاً". - أي شخص لديه إلى حد ما التخمينات أو التوقعات الخاصة به حول نتائج هذه التجربة. كان جزءًا من فكرة التسريب الأعمى هو معالجة هذا التحيز حتى لا يلعب رأينا حول طبيعة ما دورًا مهمًا ".

وقد أثمر كل هذا العمل الشاق: في سبتمبر 2015 ، عندما وصلت الإشارة الحقيقية إلى كاشفات LIGO ، عرف العلماء ما يجب عليهم فعله. في عام 2016 ، أعلن التعاون عن أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية. وبعد مرور عام ، فاز هذا الحدث بجائزة نوبل.

لا توجد إجابات سهلة

وعلى الرغم من أن الحقن العمياء عملت لصالح مجتمع يدرس موجات الجاذبية ، إلا أن كل مجال من مجالات الفيزياء يواجه صعوبات فريدة.

يمتلك الفيزيائيون الذين يدرسون النيوتريونات عينة صغيرة للغاية من البيانات التي يمكنهم التعامل معها ، لأن جزيئاتهم تتفاعل نادرًا جدًا. لذلك ، فإن تجارب NOVA وتجارب النيوترينو العميقة تحت الأرض تستخدم هذه المستشعرات العملاقة.

لدى علماء الفلك عينات أقل: لديهم عالم واحد فقط للدراسة ، وليس هناك طريقة لإجراء تجارب السيطرة. لذلك ، يقومون بإجراء ملاحظات تدوم لعقود من الزمن ، حيث يقومون بجمع أكبر عدد ممكن من البيانات.

لدى الباحثين في مصادم هادرون الكبير تفاعلات كافية للدراسة - كل ثانية هناك حوالي 600 مليون حدث. ولكن نظرًا للحجم الكبير للتكلفة وتعقيدها ، فقد بنى العلماء LHC واحد فقط. لذلك ، يوجد داخل المصادم العديد من أجهزة الكشف المختلفة التي يمكنها اختبار عمل بعضهم البعض عن طريق قياس نفس الأشياء بطرق مختلفة باستخدام أجهزة الكشف عن الهياكل المختلفة.

وعلى الرغم من وجود العديد من المبادئ للتحقق من النتائج - من الجيد فهم التجربة وسياقها ، وإجراء المحاكاة والتحقق من مطابقتها للبيانات ، والتحقق من تفسيرات بديلة للنتيجة - لا توجد قائمة شاملة بالتحققات التي سيجريها كل فيزيائي. تستخدم التجارب المختلفة استراتيجيات مختلفة ، تختلف من منطقة إلى أخرى ومن وقت لآخر.

يطلب من العلماء بذل كل ما في وسعهم للتحقق من النتيجة ، لأنه في النهاية سيتعين عليه اجتياز الاختبار من قبل مراجعين مستقلين. سيعارض الزملاء النتيجة الجديدة ، ويخضعونها لتحليلهم الخاص ، ويحاولون تقديم تفسيرات بديلة ، وتكرار القياسات بطريقة أخرى. خاصة عندما يتعلق الأمر بالتنين.

يمكنك العثور على المزيد من المقالات حول موضوع العلوم الشائعة على موقع Golovanov.net . انظر أيضًا: لماذا نظرتنا للوقت غير متجانسة ؛ عندما ظهرت المادة المظلمة والطاقة المظلمة ؛ كيفية بناء برج يصل إلى الفضاء ؛ لماذا لا يرى هابل المجرات الأولى ؛ سلسلة اسأل إيثان من مقالات علم الكونيات.

أذكرك أن المشروع موجود فقط بفضل دعم القراء (البطاقات المصرفية ، Yandex.Money ، WebMoney ، Bitcoins ، ولكن على الأقل). شكرا لكل من قدم الدعم بالفعل!

يمكنك الآن دعم المشروع من خلال خدمة الاشتراك التلقائي في Patreon !