• 一個(gè)不同的平行“世界”的代表，它可能存在于多元宇宙的其他領(lǐng)域，或者理論物理學(xué)家可以虛構(gòu)的任何其他地方。

是否存在另一個(gè)宇宙？我們居住的宇宙，也就是從大爆炸開(kāi)始就存在的宇宙，可能并不是唯一存在的宇宙。也許有一個(gè)是和我們同時(shí)被創(chuàng)造出來(lái)的，但是時(shí)間是向后而不是向前的。也許有無(wú)數(shù)的平行宇宙，由一個(gè)永遠(yuǎn)膨脹的宇宙產(chǎn)生?；蛘?，就像最近媒體報(bào)道的那樣，也許真的存在一個(gè)鏡像宇宙，在那里，我們所知道的粒子被另一種奇異的粒子所取代：鏡像物質(zhì)。

大多數(shù)涉及類(lèi)似這樣的平行宇宙的場(chǎng)景都是不可測(cè)試的，因?yàn)槲覀儽幌拗圃谖覀冏约旱挠钪嬷?，與任何其他的宇宙都沒(méi)有聯(lián)系。然而，如果有一個(gè)特定的想法是正確的，那么可能會(huì)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)等待我們的完成。但即使它產(chǎn)生了積極的結(jié)果，你也不應(yīng)該相信它。為什么？

• 從大爆炸余輝中以某種特定方式偏振的光將證明引力是一種內(nèi)在的量子力。但是，將BICEP2聲稱的極化信號(hào)錯(cuò)誤地歸因于引力波是混淆信號(hào)與噪聲的一個(gè)經(jīng)典例子。

當(dāng)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)或觀察的結(jié)果，你不能用你目前的理論來(lái)解釋，你必須把它記下來(lái)。不符合我們預(yù)期的可靠測(cè)量結(jié)果可能是零。比如：

1. BICEP2合作組織聲稱探測(cè)到了來(lái)自膨脹的引力波，

2. OPERA實(shí)驗(yàn)中聲稱比光還快的中微子在，

3. 或者幾年前在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，雙光子“撞擊”被認(rèn)為是新粒子存在的證據(jù)。

在所有這些情況下，要么是研究團(tuán)隊(duì)分析的方式出現(xiàn)了錯(cuò)誤，要么是將信號(hào)的組成部分歸因于錯(cuò)誤，要么是實(shí)驗(yàn)設(shè)置出現(xiàn)了錯(cuò)誤，要么觀察到的效應(yīng)只是隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)。

• 2015年的ATLAS和CMS雙光子碰撞，在750 GeV左右明顯相關(guān)。這一提示結(jié)果在大于3-sigma時(shí)是顯著的，但隨著更多的數(shù)據(jù)完全消失。這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的例子，它是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中容易使科學(xué)家誤入歧途的“離題”之一。

然而，有時(shí)確實(shí)有一些結(jié)果看起來(lái)令人困惑：如果宇宙以我們認(rèn)為的方式運(yùn)行，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果就不應(yīng)該是我們想象的那樣。這些結(jié)果往往是我們即將發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)的預(yù)兆，但它們也常常是無(wú)用功。更糟糕的是，他們可能會(huì)變成啞彈，他們之所以看起來(lái)有趣，只是因?yàn)橛腥嗽谀硞€(gè)地方犯了一個(gè)錯(cuò)誤。

也許介子的異常磁矩會(huì)把我們帶到某個(gè)有趣的地方。也許來(lái)自LSND和MiniBooNe的奇怪中微子將預(yù)示著新物理學(xué)的到來(lái)。也許AMS實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的無(wú)法解釋的正電子過(guò)剩意味著我們即將檢測(cè)到暗物質(zhì)。

• 費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室微型布恩實(shí)驗(yàn)方案。一束高強(qiáng)度的加速質(zhì)子束被聚焦在一個(gè)目標(biāo)上，產(chǎn)生的介子主要衰變?yōu)榻樽雍徒樽又形⒆?。由此產(chǎn)生的中微子束由微型布恩探測(cè)器表征。

在所有這些情況下，以及其他許多情況下，重要的是要同時(shí)做好理論和實(shí)驗(yàn)工作。從理論的角度來(lái)看，這意味著要對(duì)新理論預(yù)測(cè)的預(yù)期信號(hào)與主流理論預(yù)測(cè)的背景信號(hào)有很強(qiáng)的定量理解。你必須理解你的新理論和它試圖取代的理論應(yīng)該產(chǎn)生什么樣的信號(hào)。

從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)看，這意味著理解你的背景/噪音，并尋找疊加在背景上的多余信號(hào)。只有將觀測(cè)到的信號(hào)與預(yù)期的背景進(jìn)行比較，并觀察到明顯的過(guò)量，才有希望進(jìn)行魯棒檢測(cè)。只有當(dāng)希格斯玻色子的證據(jù)具有一定的意義時(shí)，我們才能聲稱發(fā)現(xiàn)了確鑿的證據(jù)。

• 幾年前CMS和ATLAS合作宣布了對(duì)希格斯玻色子的第一個(gè)健壯的5-sigma檢測(cè)。但是希格斯玻色子在數(shù)據(jù)中并沒(méi)有產(chǎn)生一個(gè)“尖峰”，而是由于其內(nèi)在的質(zhì)量不確定性而產(chǎn)生了一個(gè)擴(kuò)展的凸起。它的質(zhì)量是125 GeV/c^2，這對(duì)理論物理學(xué)來(lái)說(shuō)是一個(gè)謎，但實(shí)驗(yàn)員不必?fù)?dān)心，我們可以創(chuàng)造它，現(xiàn)在我們也可以測(cè)量和研究它的性質(zhì)。

我們可以非常肯定的是，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)2012年首次宣布的信號(hào)與希格斯玻色子標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)完全一致，因?yàn)殡S后的測(cè)量證實(shí)了它的預(yù)期性質(zhì)，比最初的結(jié)果顯示的精度更高。但還有其他一些信號(hào)要模糊得多。它們可能預(yù)示著新的物理學(xué)，但它們可能有更簡(jiǎn)單、更平凡的解釋。

一個(gè)明顯的例子是DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)量一個(gè)孤立探測(cè)器內(nèi)發(fā)生的碰撞。如果暗物質(zhì)在銀河系中流動(dòng)，那么當(dāng)我們逆著暗物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)就會(huì)被放大，而當(dāng)我們跟著暗物質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)就會(huì)減弱。你看，當(dāng)我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們確實(shí)看到了一個(gè)年調(diào)制一致的信號(hào)。

• 有一個(gè)真實(shí)的、魯棒的信號(hào)，它表明DAMA暗物質(zhì)探測(cè)器中發(fā)生的任何事情都會(huì)周期性地增加到峰值的102%，并降低到峰值的98%，周期為一年。這是由于暗物質(zhì)還是其他信號(hào)尚不清楚，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)無(wú)法解釋其背景信號(hào)的來(lái)源和大小。

現(xiàn)在，真正的問(wèn)題是：這是暗物質(zhì)的年度調(diào)制證據(jù)嗎？盡管實(shí)驗(yàn)的支持者聲稱，我們不能說(shuō)這是真的。我們看到的信號(hào)強(qiáng)度的大小是錯(cuò)誤的，等于100%的信號(hào)來(lái)自暗物質(zhì)，或來(lái)自暗物質(zhì)加上一個(gè)預(yù)期的背景。其他獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)則不支持暗物質(zhì)對(duì)DAMA信號(hào)的解釋。在我們理解背景的起源和組成之前我們不能聲稱我們理解它上面觀察到的信號(hào)。

不過(guò)，如果這能引出一個(gè)暗物質(zhì)模型，并能由另一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，那將是一件有趣的事情。雖然在這種情況下這還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但有另一個(gè)領(lǐng)域的研究可能會(huì)更有成果：中子，當(dāng)你用兩種不同的方式測(cè)量它們時(shí)，它們的壽命是不同的。

• 中子衰變的兩種類(lèi)型(輻射衰變和非輻射衰變)。β衰變與α或γ衰變相反，如果您未能檢測(cè)到中微子，則不會(huì)節(jié)省能量，但總是以中子轉(zhuǎn)換為質(zhì)子。

如果你把一個(gè)中子從它起源的原子核中剝離出來(lái)，讓它以自由粒子的形式存在，它就會(huì)衰變：平均壽命為879秒。但如果你用對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生中子，它也會(huì)衰變：平均壽命為888秒。這種差異可能仍然是一個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差，一個(gè)非常不可能的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，或者是信號(hào)分析或歸屬成分的一個(gè)基本問(wèn)題。

但我們不能假定其中一種解釋一定在起作用。這很有可能是一種真實(shí)的物理效應(yīng)，它是新物理學(xué)的先兆。能夠解釋這一現(xiàn)象的最有趣的想法之一是鏡像物質(zhì)的概念：除了基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型，還有鏡像粒子，它們的存在構(gòu)成了鏡像原子、行星、恒星等等。

• 標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子，質(zhì)量(單位為MeV)在右上角。費(fèi)米子構(gòu)成了左邊的三列；玻色子填入右邊的兩列。如果鏡像物質(zhì)的觀點(diǎn)是正確的，那么這些粒子可能都有對(duì)應(yīng)的鏡像物質(zhì)。

這似乎是一個(gè)奇特的解釋，但如果它是正確的，它應(yīng)該適合于實(shí)驗(yàn)簽名。具有鏡像物質(zhì)的宇宙的一個(gè)后果是，某些具有正確性質(zhì)的粒子可能會(huì)振蕩成與鏡像物質(zhì)等價(jià)的粒子。如果你有中子似乎憑空出現(xiàn)，或似乎憑空消失，或先消失后重新出現(xiàn)，這將為鏡像物質(zhì)的概念提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

最近有個(gè)新聞轟動(dòng)一時(shí)，有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中，試圖尋找鏡像物質(zhì)與平行宇宙的融合。其中最令人興奮的是橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Leah Broussard，他們將中子射向一個(gè)應(yīng)該能將它們?nèi)孔韪舻钠琳?，然后在另一邊尋找中子?/p>

• 橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Leah Broussard博士說(shuō)，在那里尋找到達(dá)屏障另一邊的中子可能表明了鏡像物質(zhì)的存在。

只有當(dāng)中子在與勢(shì)壘發(fā)生相互作用之前轉(zhuǎn)變成鏡像中子，然后在與探測(cè)器發(fā)生碰撞之前轉(zhuǎn)變回來(lái)，你才會(huì)在另一邊發(fā)現(xiàn)中子。實(shí)驗(yàn)應(yīng)該很簡(jiǎn)單。這一切都?xì)w結(jié)為：我們能讓中子穿過(guò)一堵墻嗎?答案是，如果你的墻夠厚的話，應(yīng)該是“不”。找到它們，你就發(fā)現(xiàn)了鏡像物質(zhì)的存在。

但是這種方法很容易與我們前面提到的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題相沖突。這種情況以前也發(fā)生過(guò)：在尋找冷聚變的支持下，電化學(xué)細(xì)胞試圖使氘與鈀發(fā)生反應(yīng)。許多自由中子被探測(cè)到，這就產(chǎn)生了冷聚變被觀測(cè)到的說(shuō)法。

• 1989年，科學(xué)家斯坦利·龐斯(左)和馬丁·弗萊施曼(右)在國(guó)會(huì)作證，展示他們關(guān)于冷聚變的有爭(zhēng)議的工作。盡管他們相信他們所看到的是一個(gè)真正的融合信號(hào)，但他們的結(jié)果無(wú)法被復(fù)制，隨后的研究也未能得出一致的結(jié)果。人們的共識(shí)是，這些科學(xué)家，以及許多從事這一課題的其他電化學(xué)家，進(jìn)行了不充分的定量分析。

當(dāng)然，還沒(méi)有觀察到冷聚變;該小組在以數(shù)量方式說(shuō)明他們的背景方面做得不夠。如果橡樹(shù)嶺的團(tuán)隊(duì)也犯了同樣的錯(cuò)誤，很容易看出這會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果。

1. 在沒(méi)有打開(kāi)中子束的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣你就有了基本的背景。

2. 用中子束做實(shí)驗(yàn)，它會(huì)給你之前看到的背景加上一個(gè)信號(hào)。

3. 觀察您收集的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以發(fā)現(xiàn)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)和第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的某些方面的統(tǒng)計(jì)上的顯著差異。

報(bào)告任何陽(yáng)性結(jié)果，作為鏡像物質(zhì)存在的信號(hào)。

盡管有很多很多可以想象的解釋來(lái)解釋為什么你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能給出相同的結(jié)果，數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)，光束是開(kāi)著的還是關(guān)著的。

• 當(dāng)量子粒子接近勢(shì)壘時(shí)，它會(huì)與勢(shì)壘發(fā)生最頻繁的相互作用。但是有一個(gè)有限的概率，不僅反射出勢(shì)壘，而且穿過(guò)勢(shì)壘的隧穿。除了隧道效應(yīng)，中子也有可能產(chǎn)生大量的粒子，產(chǎn)生介子或中微子，它們會(huì)相互碰撞，在屏障的另一邊產(chǎn)生中子，或者隨機(jī)的放射性衰變會(huì)在探測(cè)器中產(chǎn)生中子。

這里潛伏著巨大的危險(xiǎn)。當(dāng)你在大范圍的能量范圍內(nèi)尋找統(tǒng)計(jì)異常值時(shí)，你預(yù)計(jì)5%的數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)顯示2，0.3%會(huì)顯示3，而0.01%會(huì)顯示4。搜索的粒度越大，就越有可能將波動(dòng)誤認(rèn)為信號(hào)。

這還不包括可能的污染源，如介子、中微子、中子碰撞產(chǎn)生的次級(jí)粒子或放射性衰變產(chǎn)生的中子。畢竟，通過(guò)直接探測(cè)尋找暗物質(zhì)的研究表明，所有這些來(lái)源都很重要。我們的目標(biāo)不僅僅是得到一個(gè)信號(hào)，而是得到一個(gè)可以在噪音背景下被理解的信號(hào)。

• 勒克斯探測(cè)器背景的預(yù)期效應(yīng)，包括放射性物質(zhì)豐度如何隨時(shí)間衰減。勒克斯所看到的信號(hào)僅與背景一致。隨著元素隨時(shí)間的衰減，反應(yīng)物和產(chǎn)物豐度發(fā)生變化。

任何時(shí)候，當(dāng)你從實(shí)驗(yàn)中得到一個(gè)積極的信號(hào)，你不能簡(jiǎn)單地把這個(gè)信號(hào)的表面值。信號(hào)只能與實(shí)驗(yàn)的噪聲背景相聯(lián)系才能被理解，而噪聲背景是促成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的其他所有物理過(guò)程的組合。除非你對(duì)這個(gè)背景進(jìn)行量化，并理解構(gòu)成最終信號(hào)的所有東西的來(lái)源，否則你不能指望得出這樣的結(jié)論你發(fā)現(xiàn)了一種新的自然現(xiàn)象。

科學(xué)每次只進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，而在任何時(shí)候評(píng)價(jià)我們的理論都必須考慮到它所提供的一整套證據(jù)。但是，沒(méi)有什么比指向一個(gè)在不甚了解的背景下提取的新信號(hào)的實(shí)驗(yàn)更大的錯(cuò)誤信號(hào)了。在推動(dòng)我們的科學(xué)前沿的努力中，這是一個(gè)需要最高水平的懷疑審查的領(lǐng)域。鏡像物質(zhì)，甚至鏡像宇宙可能是真實(shí)存在的，但如果你想做出這個(gè)非凡的論斷，你最好確保你的證據(jù)同樣非凡。