फिजिक्स करके कैसे बेवकूफ बनाया जाए

कण भौतिकी और खगोल भौतिकविज्ञानी गलत परिणामों से बचने के लिए कई प्रकार के उपकरणों का उपयोग करते हैं

1990 के दशक में, न्यू मैक्सिको की राजधानी के उत्तर-पश्चिम में लगभग 55 किमी दूर लॉस एलामोस में एक प्रयोग में कुछ अजीब सा लगा।

वैज्ञानिकों ने न्यूट्रीनो को गिनने के लिए लॉस एंजेलिस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी के लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी में एक लिक्विड सिंटिल्टर न्यूट्रिनो डिटेक्टर विकसित किया है, जो तीन तरह के कण होते हैं जो शायद ही कभी अन्य पदार्थ के साथ बातचीत करते हैं। एलएसएनडी पर, उन्होंने न्यूट्रिनो दोलनों के प्रमाण की खोज की - न्यूट्रिनो का संक्रमण एक प्रकार से दूसरे में।

पिछले कई प्रयोगों में, ऐसे दोलनों के संकेत खोजे गए थे, जिनसे यह पता चलता है कि न्यूट्रिनो में छोटे द्रव्यमान होते हैं, जो कि मानक भौतिकी में शामिल नहीं हैं, जो कण भौतिकी का मुख्य सिद्धांत है। एलएसएनडी के वैज्ञानिक उन शुरुआती मापों की फिर से जांच करना चाहते थे।

एलएसएनडी में एक ही प्रकार के न्यूट्रिनो - म्यूऑन न्यूट्रिनो - के लगभग शुद्ध स्रोत का अध्ययन करने पर, हमें एक अन्य प्रकार के न्यूट्रिनो, इलेक्ट्रॉनिक में दोलनों के प्रमाण मिले। हालांकि, डिटेक्टर की तुलना में बहुत अधिक न्यूट्रिनो का पता लगाया गया था, जिसने एक और रहस्य को जन्म दिया।

यह अधिकता इस बात का संकेत हो सकती है कि न्यूट्रिनो तीन के बीच दोलन नहीं करते हैं, लेकिन चार अलग-अलग प्रकारों के बीच, जिसका अर्थ होगा एक नए प्रकार के न्यूट्रिनो, बाँझ - सिद्धांतवादियों ने इस मानक मॉडल में छोटे न्यूट्रिनो द्रव्यमान को शामिल करने का प्रस्ताव रखा।

या कोई और स्पष्टीकरण हो सकता है। सवाल है क्या? और वैज्ञानिक भौतिकी में त्रुटियों से खुद को कैसे बचा सकते हैं?

कुछ बिल्कुल नया

कई भौतिक विज्ञानी उन परिणामों की तलाश कर रहे हैं जो मानक मॉडल से परे हैं। वे भविष्यवाणियों का परीक्षण करने के प्रयोगों के साथ आते हैं; अगर उन्हें कोई असंगति मिलती है, तो इसका मतलब संभवतः किसी नई चीज़ की खोज हो सकता है।

"क्या हमें वही मानक मॉडल का उपयोग करके गणना की भविष्यवाणियां मिलती हैं?" पेरिस सर्फ़ास कहते हैं, सर्न के एक शोधकर्ता। “अगर ऐसा है, तो हमारे पास कुछ भी नया नहीं है। यदि नहीं, तो निम्नलिखित प्रश्न: “क्या परिणाम हमारे अनुमानों की त्रुटि सीमा में आता है? क्या परिणाम अनुमानों में त्रुटि के कारण हो सकता है? "और इसी तरह और आगे भी।"

संभावित कारकों की एक बड़ी सूची वैज्ञानिकों को यह विश्वास दिला सकती है कि उन्होंने एक खोज की। वैज्ञानिक अनुसंधान का एक महत्वपूर्ण हिस्सा उनकी पहचान और वास्तव में क्या हो रहा है यह सत्यापित करने के तरीकों का आविष्कार है।

येल न्यूट्रिनो यूनिवर्सिटी के भौतिक विज्ञानी बोनी फ्लेमिंग कहते हैं, "समुदाय में खोज के लिए बार बहुत अधिक है, और ठीक है,"। "हमें खुद को समझाने में समय लगता है कि हमने वास्तव में कुछ खोज लिया है।"

एलएसएनडी विसंगति के मामले में, वैज्ञानिक सोच रहे हैं कि क्या यह पृष्ठभूमि की घटनाओं के लिए बेहिसाब था, या क्या कुछ यांत्रिक समस्या के कारण माप में त्रुटि हुई।

वैज्ञानिकों ने बाद के प्रयोगों को यह देखने के लिए विकसित किया है कि क्या वे परिणाम को पुन: उत्पन्न कर सकते हैं। Fermilab में एक MiniBooNE प्रयोग ने हाल ही में एक समान अतिरिक्त के संकेत दिए। अन्य प्रयोगों में, उदाहरण के लिए, उसी Fermilab में आयोजित MINOS में, ऐसी अधिकता नहीं पाई गई, जो केवल खोज को जटिल बनाती है।

"एलएसएनडी और मिनीबॉइन] स्पष्ट रूप से अपेक्षित संख्या की तुलना में घटनाओं की अधिकता को मापते हैं," मिनोस के प्रवक्ता जेनी थॉमस ने कहा, यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के एक भौतिक विज्ञानी। "क्या ये संकेत महत्वपूर्ण हैं, या यह सिर्फ एक गलत न्यायिक पृष्ठभूमि है?" यह वही है जो वे काम कर रहे हैं। ”

उम्मीदें प्रबंधन

सिग्नल को समझने का अधिकांश कार्य प्राप्त होने से पहले होता है। एक प्रयोग को विकसित करते समय, शोधकर्ताओं को यह समझने की जरूरत है कि भौतिक प्रक्रियाएं वांछित संकेत का पता लगा सकती हैं या उनका अनुकरण कर सकती हैं, और इन घटनाओं को अक्सर "पृष्ठभूमि" कहा जाता है।

भौतिक विज्ञानी सिमुलेशन या प्रयोगों के माध्यम से पृष्ठभूमि की भविष्यवाणी कर सकते हैं। कुछ प्रकार के पृष्ठभूमि डिटेक्टरों को "शून्य परीक्षणों" के माध्यम से निर्धारित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, एक खाली दीवार पर दूरबीन की दिशा। अन्य प्रकार की पृष्ठभूमि डेटा परीक्षणों का उपयोग करके निर्धारित की जा सकती है, "चाकू परीक्षण तह", जब डेटा को उपसमूहों में विभाजित किया जाता है - उदाहरण के लिए, सोमवार से डेटा और मंगलवार से डेटा - जो परिभाषा द्वारा समान परिणाम का उत्पादन करना चाहिए। कोई भी असंगतता वैज्ञानिकों को एक संकेत के बारे में चेतावनी देगी जो केवल एक उपसमूह में दिखाई देती है।

एक विशिष्ट सिग्नल की खोज में शोधकर्ता बेहतर समझने की कोशिश कर रहे हैं कि डिटेक्टर में अन्य भौतिक प्रक्रियाएं क्या संकेत दे सकती हैं। उदाहरण के लिए, MiniBooNE एक बीम का अध्ययन करता है जिसमें मुख्य रूप से म्यूऑन न्यूट्रिनोस होता है, जो यह मापता है कि वे कितनी बार अन्य प्रकारों में दोलन करते हैं। लेकिन कभी-कभी वह यादृच्छिक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो को उठाता है, और ऐसा लगता है कि म्यूऑन न्यूट्रिनो उनके रूप में बदल गया है। इसके अलावा, अन्य शारीरिक प्रक्रियाएं इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो से एक संकेत का अनुकरण कर सकती हैं।

फ्लेमिंग कहते हैं, "हम जानते हैं कि हम उनकी वजह से धोखा खाएंगे, इसलिए हमें यह समझने के लिए हरसंभव कोशिश करनी चाहिए कि कितने हो सकते हैं।" "और हमने जो अतिरिक्त पाया वह इन घटनाओं में जोड़ा जाना चाहिए।"

मनुष्य कणों की एक किरण से भी अधिक अस्थिर है। विज्ञान तथ्यों को वस्तुनिष्ठ रूप से मापने की कोशिश कर रहा है, लेकिन यह प्रक्रिया ऐसे लोगों के समूह द्वारा की जाती है, जिनके कार्य पूर्वाग्रह, व्यक्तिगत समस्याओं और भावनाओं से ग्रस्त हो सकते हैं। एक प्रयोग के परिणाम के बारे में एक पक्षपाती राय एक शोधकर्ता के काम को स्पष्ट रूप से प्रभावित कर सकती है।

"मुझे लगता है कि इस तरह के एक स्टीरियोटाइप है कि वैज्ञानिक इस तरह के अलोकतांत्रिक, ठंडे और वास्तविकता के पर्यवेक्षकों की गणना कर रहे हैं," ब्रायन कीटिंग कहते हैं, सैन डिएगो में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में एक खगोल भौतिकीविद्, जो हारने वाले नोबेल पुरस्कार के लेखक हैं, जो बताता है कि आप कैसे करना चाहते हैं। एक व्याकुलता की ओर ले जाने वाला इनाम वैज्ञानिक को सही व्यवहार से विचलित कर सकता है। “वास्तव में, हम इन प्रक्रियाओं में भाग लेते हैं, समाजशास्त्रीय क्षण हैं जो लोगों को प्रभावित करते हैं। स्टीरियोटाइप्स के बावजूद वैज्ञानिक, बिल्कुल वही लोग हैं। ”

इसे पहचानना और उन तरीकों का उपयोग करना जो पूर्वाग्रह को खत्म करते हैं, विशेष रूप से महत्वपूर्ण है यदि कोई बयान लंबे समय से स्थायी ज्ञान को उलट देता है - उदाहरण के लिए, न्यूट्रिनो की हमारी समझ। ऐसे मामलों में, वैज्ञानिक एक प्रसिद्ध कामोद्दीपक का पालन करते हैं: आपातकालीन बयानों को असाधारण सबूत की आवश्यकता होती है।

कैलटेक के शोधकर्ता जॉन कनेर कहते हैं, "अगर आप अपने घर से चलते हैं और कार देखते हैं, तो आप सोच सकते हैं," यह एक कार है। "लेकिन अगर आप एक अजगर देखते हैं, तो आप सोच सकते हैं:" लेकिन क्या यह वास्तव में एक अजगर है? " क्या मुझे यकीन है कि यह एक अजगर है? आपको एक अलग स्तर के सबूत की आवश्यकता होगी। ”

ड्रैगन या खोज?

भौतिक विज्ञानी इससे पहले ड्रेगन से पीड़ित हो चुके हैं। उदाहरण के लिए, 1969 में, वैज्ञानिक जोए वेबर ने 1916 में अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा भविष्यवाणी की गई अंतरिक्ष-समय के कपड़े पर तरंग: गुरुत्वाकर्षण तरंगों की खोज की घोषणा की। ऐसी खोज, जिसे बहुत से असंभव माना जाता है, सापेक्षता के सिद्धांत के प्रमुख सिद्धांत साबित होंगे। वेबर तुरंत प्रसिद्धि जानते थे, लेकिन केवल जब तक अन्य भौतिकविदों ने यह नहीं पाया कि वे उसके परिणामों को पुन: पेश नहीं कर सकते थे।

झूठी खोज ने गुरुत्वाकर्षण तरंगों के शोधकर्ताओं के समुदाय को झकझोर दिया, जो अगले कुछ दशकों तक ऐसी घोषणाओं से सावधान रहने लगे।

इसलिए, 2009 में, जब LIGO लेजर-इंटरफेरोमेट्रिक ग्रेविटेशनल-वेव ऑब्जर्वेटरी ने अगले प्रयोग के लिए काम करना शुरू किया, तो वैज्ञानिकों का सहयोग यह सुनिश्चित करने के लिए एक नया तरीका लेकर आया कि इसके सदस्य अपने परिणामों के बारे में संदेह करेंगे। उन्होंने अधिकांश 800 शोधकर्ताओं को चेतावनी दिए बिना, डिटेक्टर डेटा स्ट्रीम में एक गलत, नकली सिग्नल जोड़ने की एक विधि विकसित की। उन्होंने इसे "अंधा जलसेक" कहा। अन्य सभी समुदाय के सदस्यों को पता था कि एक जलसेक संभव था, लेकिन इसकी गारंटी नहीं थी।

"हम 30 साल के लिए किसी भी संकेत का पता नहीं लगा है," LIGO सहयोग के एक सदस्य, Kanner ने कहा। - इस पर विश्वास करना सभी के लिए कितना स्पष्ट या स्पष्ट होना चाहिए? इसने हमें एल्गोरिदम, सांख्यिकी और प्रक्रियाओं पर बहुत अधिक दुबला बना दिया, साथ ही समाजशास्त्र की जाँच की और देखा कि क्या हम इस के समूह को मना सकते हैं। "

2010 के अंत में, टीम को वह चेतावनी मिली जिसका वे इंतजार कर रहे थे: कंप्यूटर ने सिग्नल को मान्यता दी थी। छह महीनों के लिए, सैकड़ों वैज्ञानिक विश्लेषण में लगे हुए थे, और अंततः निष्कर्ष निकाला कि संकेत गुरुत्वाकर्षण तरंगों के समान था। उन्होंने सबूतों के विस्तृत विवरण के साथ एक काम लिखा, और 400 से अधिक लोगों ने इसे अनुमोदित करने के लिए मतदान किया। और फिर एक परियोजना प्रबंधक ने उन्हें बताया कि यह सब धांधली थी।

इस तरह के एक कृत्रिम संकेत को नमूना करने और अध्ययन करने के लिए समय की इतनी राशि खर्च करना खाली लग सकता है, लेकिन परीक्षण में यह काम करना चाहिए। इस अभ्यास ने वैज्ञानिकों को सामने आने से पहले वास्तविक परिणाम का बारीकी से अध्ययन करने के लिए आवश्यक सभी तरीकों को पूरा करने के लिए मजबूर किया। इसने एक वास्तविक घटना से पहले ही संभावित संकेत का पता लगाने की विश्वसनीयता प्रदर्शित करने के लिए नए परीक्षणों और दृष्टिकोणों को विकसित करने के लिए सहयोग को मजबूर किया।

"एक तरह से, इस प्रणाली को निष्पक्ष होने के लिए डिज़ाइन किया गया था," कनेर कहते हैं। - इस प्रयोग के परिणामों के बारे में किसी भी हद तक किसी के अपने अनुमान या अपेक्षाएं हैं। अंधे जलसेक के विचार का एक हिस्सा इस पूर्वाग्रह को संबोधित करना था ताकि प्रकृति क्या दे, इस बारे में हमारी राय इतनी महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभाएगी। ”

और यह सब कड़ी मेहनत से भुगतान किया गया: सितंबर 2015 में, जब वास्तविक संकेत LIGO डिटेक्टरों तक पहुंच गया, तो वैज्ञानिकों को पता था कि क्या करना है। 2016 में, सहयोग ने गुरुत्वाकर्षण तरंगों की पहली पुष्टि की गई प्रत्यक्ष पहचान की घोषणा की। एक साल बाद, इस कार्यक्रम ने नोबेल पुरस्कार जीता।

कोई आसान जवाब नहीं

और यद्यपि अंधे इंजेक्शन ने गुरुत्वाकर्षण तरंगों का अध्ययन करने वाले समुदाय के लिए काम किया, भौतिकी के प्रत्येक क्षेत्र की अपनी अनूठी कठिनाइयां हैं।

न्युट्रीनो का अध्ययन करने वाले भौतिकविदों के पास डेटा का एक बहुत छोटा नमूना होता है, जिसके साथ वे काम कर सकते हैं, क्योंकि उनके कण बहुत कम बातचीत करते हैं। इसलिए, एनओएए प्रयोग और गहरे भूमिगत न्यूट्रिनो प्रयोग ऐसे विशाल डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं।

खगोलविदों के पास और भी कम नमूने हैं: उनके पास अध्ययन करने के लिए केवल एक ब्रह्मांड है, और नियंत्रण प्रयोगों का संचालन करने का कोई तरीका नहीं है। इसलिए, वे उन टिप्पणियों को बनाते हैं जो दशकों तक रहते हैं, जितना संभव हो उतना डेटा एकत्र करते हैं।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के शोधकर्ताओं ने अध्ययन के लिए पर्याप्त बातचीत की है - हर सेकंड में लगभग 600 मिलियन घटनाएं होती हैं। लेकिन तकनीक के विशाल आकार, लागत और जटिलता के कारण, वैज्ञानिकों ने केवल एक एलएचसी का निर्माण किया है। इसलिए, कोलाइडर के अंदर कई अलग-अलग डिटेक्टर होते हैं जो अलग-अलग संरचनाओं के डिटेक्टरों का उपयोग करके एक ही चीज़ को अलग-अलग तरीकों से मापकर एक-दूसरे के काम का परीक्षण कर सकते हैं।

और हालांकि परिणामों को सत्यापित करने के लिए कई सिद्धांत हैं - प्रयोग और उसके संदर्भ को समझना, सिमुलेशन चलाना और सत्यापित करना अच्छा है कि वे डेटा से मेल खाते हैं, परिणाम के लिए वैकल्पिक स्पष्टीकरण की जांच करें - सत्यापन की कोई व्यापक सूची नहीं है जिसे हर भौतिक विज्ञानी बाहर ले जाएगा। अलग-अलग प्रयोग अलग-अलग रणनीतियों का उपयोग करते हैं, समय-समय पर क्षेत्र और समय-समय पर अलग-अलग होते हैं।

वैज्ञानिकों को परिणाम को सत्यापित करने के लिए हर संभव प्रयास करने की आवश्यकता है, क्योंकि अंत में उन्हें स्वतंत्र समीक्षकों द्वारा परीक्षा पास करनी होगी। सहकर्मी नए परिणाम का विवाद करेंगे, इसे अपने स्वयं के विश्लेषण के अधीन करेंगे, वैकल्पिक व्याख्या देने का प्रयास करेंगे, और दूसरे तरीके से माप दोहराएंगे। खासकर जब बात ड्रेगन की हो।

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