重力的幽靈：關於實驗室、觀測，以及統計數據在21世紀的科學探險

內容簡介 越多不正確的結果公諸於世越好，只要它們展現出向更好的理解與更好的判斷，緩步前進的過程。

自從愛因斯坦在廣義相對論中提出「重力波」的概念，「如何偵測到遙遠宇宙傳來的訊息」成了天文物理學家近百年來念茲在茲的努力方向；而誰能先「看到」重力波，也成了科學界，甚或背後支援的國家機構，競逐資金、技術、學術地位的角力場。2017年，LIGO研究團隊中的三位科學家獲得諾貝爾物理獎，使得「重力波」，這個愛因斯坦最後的預言，成為該年度最夯的物理詞彙。
柯林斯為英國著名的STS（科技與社會研究）及社會學學者，他以重力波實驗室為田野地，從1972年開始對其研究社群進行超過四十年的近身觀察、研究，本書即是他多年田野成果，除了點出這群科學家究竟在努力些什麼、努力的意義為何；也以「科學社會學家」身分對所謂「科學研究」提出觀察與思考。
全書圍繞著2007年著名的「秋分事件」展開，柯林斯以故事性的方式描寫重力波偵測團隊的研究過程、科學家在實驗過程中的掙扎和內心戲，與各小組之間的牽制。同時以淺白方式穿插介紹重力波、重力波偵測、科學研究中的「盲植」概念，以及面對一個完全未知的領域，科學家如何以有限的經驗做出最佳的判斷。
不同於其他天文學觀測，重力波的偵測沒有圖像，只有數字。如何從一堆各種雜訊和意外事件的數字中，提取出重力波信號，需要非常多的統計與詮釋，不同的重力波偵測社群不僅對統計工具有所爭議，他們對於統計結果的主觀假設，也有可能影響研究的結果。這種科學並非是像相對論、量子力學的「精確科學」，而是更偏向氣象學、暖化趨勢這種「不精確的科學」；雖不精確，卻更與一般人日常生活密切相關、更適合進行社會學式的分析，並更有機會從中「發現」科學本質的價值。
科學的社會研究歷經三個階段的轉變。「第一波」將科學視為知識生產的卓越形式，而科學的社會研究就是找出社會能如何夠最適當地培育它。「第二波」使用了各種懷疑論工具，闡明先前位居主導地位的科學模式是錯誤的，那些佐證它的諸多科學成果案例都過於簡化。當涉及知識的形成，科學並沒有明顯的特殊保證。第三波科學的社會研究認可這一點，但認為現代社會進行決策仍須以技術作為基礎。因此，「第三波」旨在尋找建立科學導向思考之價值的另一種方式。
關於自然世界的知識，科學仍舊是我們所擁有最好的工具，科學程序仍是形成技術知識，最有價值的模型，只是重點在於：人在其中扮演了什麼角色。除了科學家的角色，也包括身為普羅大眾的我們該如何看待科學、看待專業。

科學家可能把事情弄錯，科學也一定會繼續向前行。在21世紀的科學，比真理更重要的是展現了一個具有誠信的專家，當他們有所不知時，如何下判斷；這也是科學對社會的指引。

哈利・柯林斯（Harry Collins, 1943～）
任教於卡地夫大學，科學社會學家，2012年當選為英國國家學術院院士。柯林斯自詡以「互動型專家」融入LIGO科學合作團隊（LIGO是雷射干涉儀重力波觀察站的縮寫，該團隊嘗試並成功地偵測到重力波），進行人類學式的觀察，並以重力波田野調查為長期研究志業。他的許多重要觀念衍生於此，特別是對專家與專業在21世紀的重新定位。
柯林斯關於重力波的著作尚有《重力的陰影》（Gravity's Shadow： the Search for Gravitational Waves）、《重力的幽靈和大狗》（Gravity’s Ghost and Big Dog）與《重力的親吻》（Gravity’s Kiss），另有與崔佛・平區合著的「科倫系列」：《科倫：人人對科學都該有的認識》（The Golem: What Everyone Should Know about Science）、《不羈科倫：你對科技該有的認識》（The Golem at Large: What You Should Know about Technology）、《科倫醫生吐真言：醫學爭議教我們的二三事》（Dr. Golem: How to Think About Medicine）


譯者簡介 劉怡維
清華大學物理系教授，專長領域為原子分子光學、雷射物理，研究方向包括：超冷原子分子碰撞的研究與操控、以精密量測檢驗基本原子物理，以及奇異原子的光譜學。對科學哲學與科學社會學長期保持關注。

秦先玉
陽明大學人文與社會中心兼任助理教授，研究領域為日常生活科技、性別與技術、台灣科技史、美國近代技術史。一直以來持續投入對工程師與醫療人士的訪談。

【推薦序】來自天上幽靈的一個應許 傅大為
【譯者序】

前言　Introduction
第一章　重力波探測　Gravitational Wave Detection
第二章　秋分事件：初期　The Equinox Event: Early Days
第三章　抗拒發現　Resistance to Discovery
第四章　秋分事件：中期　The Equinox Event: The Middle Period
第五章　統計檢測的隱藏歷史　The Hidden Histories of Statistical Tests
第六章　秋分事件：結局　The Equinox Event: The Denouement
第七章　重力的幽靈　Gravity’s Ghost
跋：21世紀的科學　Envoi: Science in the Twenty-First Century
後記：阿卡迪亞會議的反思　Postscript: Thinking after Arcadia

附錄1　2007年10月爆發小組的檢查清單　The Burst Group Checklist as of October 2007
附錄2　爆發小組為阿卡迪亞會議準備的摘要　The Burst Group Abstract Prepared for the Arcadia Meeting

致謝　Acknowledgments
參考資料　References

今日，前沿天文學中，所有人「看」的都是數字。這些數字代表著那些過去在古典物理學裡被看見的事物（儘管這些可能會在之後被計量，並以數字形式呈現出來）。看著數字而非事物，最大的好處在於得以彰顯出那些以任何直接的方式確認都還顯得太微弱的存在。因此，如果你想看到一些微弱的天體，你必須使其放射的光、無線電波、X射線、中微子，或任何東西，對你產生作用。如果你以自己的眼睛作為接收器則需要大量的放射。但如果你用的是一整個陣列的精巧電子設備，你就可以用很長的時間來計算出單一光子的作用，計算出是否有更多的光子是從天空中的那個角度而來，而非背景。那麼它就可以告訴你有東西存在在那裡並發射著光子，但其電平遠低於在你的視網膜產生作用所需要的。所以我們發展越來越聰明的方法來收集更少的光子，以確認出一個轉瞬即逝的「點」，這意味著觀測的前沿工作一直向外開展，將更晦暗的天體，涵蓋到我們的觀測視界之中。
這種進步的代價是直接轉向數字的統計學顯著性評估，無須事前雙眼視覺的介入。當然，沒有「直接」觀測這回事，但有時候間接的程度似乎拉扯了「觀測」這個概念，而產生斷點。
如果今天「看」這件事不是利用數字，就沒有重力波探測科學，因為重力波實在太微弱，無法以任何其他的方式「看」到。科學是關於，為了從每個巨型干涉儀所產生的微弱電流中提取所包含的意義，而進行的複雜精細計算。這些電流努力補償著比原子核小幾千倍的鏡片移動（整個裝置因此得以保持平衡狀態），而那引發了干涉儀內循環光子微小的平均相位變化。
再讓我們回到從太空中某個點發射出的光子，問題在於，是否有「比原先應該有的更多的光子」從「那個」點而來，而非背景，或其他可能引起光散射的大氣塵埃之類的東西。不可避免地，這計算涉及統計：「的確有更多一些的光子從該點而來，但會不會只是一個隨機的散射所創造的亮點，還是意味著真的有某個物體產生了一些真正的額外放射？」在重力波的狀況裡則是：「這些用數字呈現的鏡片運動，是否真的代表了一些特別的東西，或只是任何一種情況下都會偶爾發生的隨機運動？」
正如所見，答案以「不可能性」（unlikelihood）的形式出現。構成一個「觀測」的陳述為：「這種集中的光子／鏡片移動時間巧合，不太可能是偶然發生，它必須代表某種真實東西的出現。」
在發表的論文和讓其作者贏得諾貝爾獎的宣稱中，這個不可能性是由另一個數字表示。數字是一種我們認為「客觀」的東西。也就是說，數字的出現代表著一個定義良好的世界中，事物狀態的結果。我們可以爭論這些蘋果是一大堆或一小堆，但如果說是有56個蘋果，那麼「就是這樣了」（That’s it.）。這就是為什麼決策者喜歡用數字──數字的「就是這樣了」的性質似乎減輕了決策者判斷的責任。

頻率論和貝葉斯統計
在物理學中，是要使用貝葉斯統計還是頻率論，長期以來有著爭論。事實上，這種爭論是如此長期地存在，並存在著如此熱情，使雙方有時會開玩笑地把他們喜好的偏好當成是統計的「信仰」。有幾個原因值得讓我們看一下這個信仰。首先，檢視信仰之間的爭論是一個方法，得以顯示出統計數據的解釋總是主觀的，無論它看起來是如何的客觀。其二，如我將在本章所論證的，貝葉斯方法可以用來正當化涉及弱宣稱（weak claim）的發表策略。本章由第一個原因開始，以第二個原因作為結束，中間則探討其他統計主觀性的元素。
這兩個統計信仰之間關鍵的區別似乎是在於，貝葉斯統計相信，所有基於統計學聲稱核心的不可能性敘述，必須考慮到你已經相信的世界，也就是聲稱的「先驗概率」（prior probability），是真實的。頻率論則認為先驗概率過於主觀，不能出現在統計計算中；那樣只是產生了一個數字，而這個數字只反應了你所計算的可能性為何，並非計算可信與否。
很明顯地，在貝葉斯統計和頻率論對不可能性的評估中，先驗可信度扮演了一定的角色。如果頻率論正在尋找一個恆星，而計算暗示望遠鏡發現了天空中有頭噴火的巨龍，他們也不大可能進行舉報。在一封電子郵件中，我的受訪者是一位堅定的貝葉斯主義者，關於尋找重力波，他是這樣看的：

我覺得首次偵測的評斷標準多半是社會學的。要說服人，需要的是證據與團隊信譽的水準，我們看到的東西完全超出他們的經驗（重力源），並非全是他們所經驗過的東西（偵測器雜訊、飛機等等）。這個水準主要取決於我們希望說服的人所持的態度，以及他們對於將數據解釋為重力波的先驗傾向（prior predisposition）。一旦我們做到了這一點，重力波就會很神奇地進入他們的經驗之中。一切都變得更容易，我們就可以自由自在地，像個正常的天體物理學家。（即，瘋狂臆測並亂搞，而不會受到責備！）

先驗預期以更為不起眼的方式，扮演著它的角色。例如，在相隔遙遠的兩個偵測器上偵測到的信號有時間巧合，而背景中僅有極為少數的時間巧合，這樣的聲稱有賴於重力波的先驗模型，也就是重力波是來自於一個侷限的天區，並且是以光速傳遞。我們知道在這樣的速度下，相隔兩千英里的兩個偵測器之間的「時間巧合」，發出兩個信號的時間間隔不能超過1／100秒。這意味著，如果試圖找出可能只由雜訊所引起時間巧合的背景信號，可以忽略所有時間間隔超過1／100秒的事件──那些並非「時間巧合」。如果重力波是以音速傳遞，就必須要考慮包含兩個事件的間隔是三個小時（或更短）的「時間巧合」。而人們只好將兩個產生作用相隔三個小時以上的事件，當成背景並予以排除。就我們所知，在這種情況下是不可能進行重力波探測的。然而，卻也從來沒有實驗或觀測「證明」，重力波是以光速傳播──而它卻正是目前章節中所描述的科學重點的一部分。更具體地說，相同的迴圈也適用於所有試圖憑藉著模板的偵測，像在連續波與隨機背景的情況中，甚至是有賴於發射源的粗糙模型。頻率論中的等效先驗模型，也就是韋伯和羅馬集團的陽性宣稱受到批評的核心。
貝葉斯主義者只不過是說，在完成計算之前，所有的這些先驗預期應該是計算的一個明確部分，而且應該透過一個數字來表示。頻率論傾向「在事件發生後」否認不太可能出現的結果。在大多數的情況下，頻率論者和貝葉斯主義者會在計算結束時得到相同的結論，但並不總是如此。但這個「不總是」可能會是重要的。在這個故事中的確十分重要。
信仰的戰爭仍在繼續，因為貝葉斯主義者相信，頻率論丟棄或歪曲有價值的信息並（或）掩飾其運用，或者將其作為事後的決策機制。另一方面，頻率論者指出了一個事實，要正確地將一個數字賦予某些事的「先驗機率」，是非常困難的；將先驗資訊給予數字的形式，是試圖將「主觀」的猜測偽裝成「客觀」的資訊。貝葉斯主義者說，這也許是個猜測，但至少每個人都可以看到猜的是什麼，如果有人想要，他可以批評，也可以提出自己的猜測。貝葉斯主義者說，每個人都同意奇蹟（意想不到的效應）需要額外的證據，如果要證明的話，他們的做法是讓這項要求成為明確程序的一部分，而頻率論者只是頷首微笑同意，有些東西真是令人難以置信，然後默默接受。