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《实验是如何终结的?》现象的直接性、稳定性以及固执性

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规程、设计、解释和数据的认可共同铸就了实验的终结。其中的每个环节都影响着一部分证明以及人工物的分离,任何忽视了艰辛过程的科学记述都错过了实验室生活的真实内容。约束偶尔也起到了超乎寻常的作用——至少是在互相竞争的科学家和物理学家实验之后的工作中。这时,其他的物理学家或许会根据一个实验程序或一个理论上的考虑而将一个信号归入背景,或是从无数的背景中分离出一个信号。正因为如此,认为实验只要遵循了固定的实验程序就能够得到确定的实验结果,而实验结果不依赖之前的理论和实验的想法是荒谬的。这本书中到处都是反例。

我想要按照历史学家的方式引入约束的概念来指定限制性并非绝对严格。在这,我对于实验过程的解读明显不同于某些科学社会学家,他们想要将实验室的决策约减为履行主要理论“利益”的行为。中性流的事例是有指导意义的,因为关于中性流已经存在“有力”的社会学解读。首先,社会学观点认为,通过观察所得的推论并不是独一无二的:“加尔加梅勒的实验者的解释实践原则上来说与绝对强制性的同意相距甚远。”[1]短语“原则上来说”的深层含义是很重要的;他指的是一个可能但不需要存在与历史记录中的虚构的论点。

因此,当要捍卫“争论可能永远不会停止”这一观点时,感兴趣的理论家经常会引入这样非历史性的措辞:“每个人可以很容易地想象一位足够坚定的批评者……”他能够对阐释中大量的特定行为假设提出异议。第二,社会学的解释还在继续,因为通过观察或者实验所得出的理论结论的不充分决定论,需要除理由以外的一些内容来稳固他们的想法。“这种稳定力是什么?”“很简单,”论点总结道,“粒子物学家接受了中性流的存在,因为他们能够看见如何在中性流真实存在的一个世界中有利地从事他们的工作。”[2]更广泛地说,每位科学家都可以选择“通过抛硬币来决定各自的立场”,但是世界并不是那样无规矩的。该如何解释这种一致性?“高能量物理学的世界是由社会产生的”。[3]

实验是否可以还原为这样的利益推演?如我们所看到的,E1A团队有一段时间发现不存在中性流,他们就此写信做出说明,甚至就结果起草了一份文件。直到1973年末,他们一直都相当依赖这份声明。与并不存在中性流这一结论一致的意见会证明他们先前的谨慎是正确的;他们会反驳欧洲核子中心并且否定之前欧洲科学家的结论。因此,重新阅读克莱因1973年12月10日的备忘录是令人感到震惊的。备忘录以简单的陈述开始:“现在我不知道怎样使这个效应消失。”这些话宣告克莱因放弃了他整个职业生涯对于不存在中性流这一理论的信奉。“利益”不得不屈服于那些宣布古老信仰站不住脚的交织的思想聚集以及实证结果,即使那些信仰仍是“逻辑上可能的”。

因此,我认为宣称早期或者后来的弱力理论从任何重要角度来说不可比较或在科学家的陈述中被设想不受测试影响是极其虚伪的。[4]在E1A实验中,在建立广角μ介子损失时有很多的困难,但绝对没有任何测量或者运算涉及格拉肖-温伯格-萨拉姆理论。当然,在现实世界中,背景计算包含理论,但是没有什么内容提到涉及的内容会使物理学家不可能(或者不合理的)从一种信仰,正如许多E1A的成员所做的那样,得出否定起初假设的实验结论。

这一切不是要说科学界的社会学不重要。我们已经看到数据简化、设备设计,以及实验目标是如何经常由科学界的集体信仰形成的。并且这些物理学家毕竟是人,激烈的竞争带给E1A以及加尔加梅勒巨大的压力,正如曼(Mann)所说,“在舞台的中央”,所有的注意力都放在提交结果上;当E1A没有发现任何中性流时,这毫无疑问地促进了加尔加梅勒团队再次在中心背景上加倍努力并且开展他们的质子串级测试。曼和克莱因之前的经历很明显地有助于推动他们用13英寸的钢板重新做实验。但自始至终地,参与者从事于论点的建立:图片推理,运行蒙特卡罗法,按照位置、能量以及角度减少数据,以此来隔离原因与消除备选。

想到安德森放弃了他的资助人密立根的反熵理论;安德森不能不予考虑他曾经观察的高能粒子。密立根控制了加州理工学院的财政大权,他在物理界的权力极大地掩盖了安德森的光彩,并且如我们所见,密立根几近痴迷地信奉他的初诞生理论。当然,安德森的实验与阐释形成于密立根方案塑造的环境中。但是,安德森最终还是提出了异议,因为他自己的数据越来越明显的指出存在的粒子能量远远超过密立根所提出思想的范围。

最后,考虑到斯图尔特、阿维德森以及贝克等没有特殊声望的细心的物理学家,他们都没有提出完全清晰的理论模型来替代轨道电子。然而,他们三个人都接受了g=2这一结果,尽管是全然不顾理论的事实,更不必说爱因斯坦、德哈斯以及巴奈特的结合结果。斯图尔特说:“事实不存在任何问题,因为这不仅仅是通过每条线还要通过每次观察结果来表现。并且,观察结果在数量上及质量上一致。”此结果仍顽固地存在,尽管他已用尽全力去消除:“不可能会造成被认为是理查森效应产生的任何改变,假如事情没有超出可调整的范围。”他的告诫警示需要技术来保持物品在可调范围。“每个合理的测试都不会改变结果。”然后出现一批针对背景的论点:不管他以何种比率应用于退磁场,冒险也是一样的;180°旋转样品并不会改变风险;在某一个特定的点上增加反向磁场也没有改变结果,符合磁性饱和,并且因此斯图尔特继续下去。[5]

微观物理学现象,像旋磁效应,并不是能够简单地观察到的;他们需要通过各个层面的实验、理论以及在实验与背景效应之间建立的因果联系等要素作为媒介。然而,效应与实体媒介的品质并不能使他们柔化;实验的结论非常顽固,不会因理论的变化而轻易地改变。在面对变更的条件时,正是这种稳定性给予实验者自己深刻的印象,即使是在理论家提出异议的时候。

我想将这种可靠性用坐标轴来描述:分别代表测量直接性的增加和结果稳定性的增强。直接性[6]主要指实验室的活动使得实验推理向着包围因果阶梯[7]的方向前行:对预先估算的背景噪声的测量(比如测试棒的磁化)或者之前对产生同一效果的两个源一同测量,现在则分别对其进行测量(比如斯图尔特为了估算螺线管和地球产生的场而采取的分离测量程序)。或者直接性可以指涉信号本身。开始时斯特里特采用符合测量显示粒子可以穿透厚铅板。通过两边分别加了计数器的云室他能够直接显示出单个粒子的穿透。另一个例子来自富塞尔:当他将薄板放入某室后,他能够直接地展示——而非通过大量的爆发式现象推论出——散射粒子通过电子对产生。

通过稳定性我想要表达的是那些改变了实验条件的某些特征的程序:在实验对象、仪器、秩序或者数据分析方面的改变使得结果能够基本不变。每一个变化使得我们很难去假设一个替代的因果说明能够满足所有的观察。

通观本书,焦点已经被放在获得稳定性和直接性的程序。实验者在他们的决定中运用稳定性和直接性的数据将现象分为真实的或人造的。这种历史研究方式必须定期取得有悖于理论家、历史学家、社会学家或哲学家提出的标准的成果是不足为奇的,对于何时实验者“应该”接受某个实体,他们有着自己的标准。例如,中性流事件的“利益分析”因以下两个原因不予考虑亚琛单电子事件的说服力:第一,解释已经开始,是“基于某个单一的事件”,并且

我认为展示缺少特定解释实践的强制力是很重要的。因为这是粒子物理学的老生常谈。某个单一事件不能够证明一个新现象的存在,在这方面无需更多的讨论。[8]

事实上,粒子物理学中的许多过程在发现仅仅一个或两个事件后实验者已经予以接受。在物理学界,并且经常在教科书中重现的一些其他著名的例子有μ介子、Ω超子以及第一个“V”粒子。对于排除单一电子研究的重要性,以社会学角度所给出的第二个原因是这样的:其他的物理学家引用关于此事件的加尔加梅勒报告少于强子中性流报告。但是到现在,在某个实验中满足人们的标准根据外部判断能够区别于科学家或者哲学家采用的标准是在意料之中的。

准确地说,因为纯粹的轻子通道为此现象提供了一条更加直接的路线。无需任何关于核子内部的秘密或者难以控制的中子背景的假设。许多加尔加梅勒合作者发现有说服力的单电子事例。在某种意义上说,轻子与强子的信号是互补的:轻子信号不够稳定(可再生性差)但更加直接;强子信号更加稳定但不算直接。对于一个作为整体的团队,整合构成了他们的论点。然而,对于加尔加梅勒协作中的许多参与者来说,包括佩金斯(Perkins)、菲斯内尔(Faissner)以及莫芬在内,单电子事例是至关重要的。而对于其他人来说,可爱的画面只是锦上添花。在协作中,这种观点的差异性值得更进一步考虑,并且我们会立刻重新研究。

伊恩·哈金以类似于上述的观点来争论实验实在论。通过关注实验者的干预能力,就像斯图尔特所做的,哈金认为实体是可以有根据的。“就我而言,”哈金说,“我从未过多地去考虑科学实在论,直到一位朋友告诉我一个以发现分数电荷[夸克]而正在进行的实验。”“要改变一个测试铌球上的电荷,”哈金的同事继续说,“‘我们在铌球上喷上正电子以增加电荷或者喷上电子以减少电荷。’从那天起,我已经成为一名科学实在论者。就我个人而言,如果你能喷涂他们,他们就是真实的。”[9]

根据哈金所述,介入的特殊力量开始发挥说服作用。因为一旦我们能够使用一个实体来探索新的现象,原来的实体与如此多不同的因果链有关,以至于它以另一种方式再现许多效应是不合理的。我们相信电子因为我们能够制造“使用各种各样的容易理解的电子因果属性去干涉其他更多的自然组成部分的新设备”。[10]哈金认为这种操作在理论变化的条件下是稳健的,使得电子的讨论在新的属性归因于电子时仍能继续,甚至在若干年后仍不会减弱。

在关于实验的哲学观点中,我最赞同的是哈金的观点。我与他存在分歧的地方是他提高了操作标准使其凌驾于其他所有标准之上。以此,他公开表示对黑洞的怀疑。[11]然而,如果我们想要重视实验实践,我们需要公开描述证明过程;正是这种公开性由直接性与稳定性这两个共生思想所捕获。哈金脑中的那类操作是稳定性的一个亚种,是在可控条件下,数据反应的一种特定的方式。但是也有实验者发现有说服力的证据的其他方式:直接性取代稳定性,以及稳定性并不涉及干预的论点。让我们先处理其中的第一点,然后在第6章中处理第二点。

阿尔瓦雷斯在他的单极言论中选择了安德森的证明正电子存在的方法,他有意识地以一次实验为例,在实验中,实验者不能操作实体;任何人想要像斯坦福直线加速器中心那样喷射正电子需要数十年的时间。事实上,在阿尔瓦雷斯的报告中,他曾经暂停过,目的是谴责那些有其他想法的人:“安德森的发现这一事实是基于一个单一事件,这一单一事件应得到任何一位可能曾经批评过现在观察依赖于单一事件的人的注意。”[12]安德森的证明的力量在于它的直接性,清晰的图片,确定的轨道方向,明显的轨道电离密度,以及明显的轨迹曲率。磁场以光学与拍摄的过程著称。结果,这是决定性的一点,此证明会消除貌似合理的备选方案,例如朝另一方向移动的电子。

安德森的“黄金事件”正电子证明的直接性,在近现代粒子物理学中得以传承。但是证明的其他方面没有呈现在早期的小规模的作坊式的物理学中。因为技术的改变以及物理学家团队对于电脑和工业设备的探索,对特定过程进行协作式聚焦论证对于高能物理学来说是必要的。的确,在几个方面我们的分析已经深入到能够无需面对在20世纪的实验中规模和复杂性的增长。接下来我们来看看这些问题。


注释

[1] Pickering,“Against Phenomena,”Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):96.

[2] Pickering,“Against Phenomena,”Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):87.

[3] Pickering,Constructing Quarks(1984),406.

[4] Pickering,“Against Phenomena,”Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):409.

[5] Stewart,“Moment,”Phys.Rev.11(1918):112-113.

[6] 当然,在严格的逻辑意义上,没有“直观”的实验。在此我赞同杜雷·夏沛尔,他以一种反对通常哲学魅力的方式书写了关于对天体物理学的直接观察,他使用“逻辑上可能的物体”并关注在执行实验期间,特殊的背景信息是否存疑。参见Shapere,“Observation,”Philos.Sci.49(1982):517,“哲学家,而不是天体物理学家,使用了‘直接观察’一词,这从中心上模糊了对知识的推论性和非推论性研究之区别的重要特征。哲学家着迷于正式逻辑,将‘推论’仅仅看做逻辑词汇;并且在逻辑的意义上,太阳中子案例中包含的计算和推导都必须被归类为‘推论’——就像对背景信息重要性的要求……以使得那些计算和推导成为事实。但是在认识的重要意义上——这种意义在追求知识的过程中是居于中心的——推论被提及是与推理和结论相关联,这些推理和结论我们都有特别的理由相信其是存疑的。”

[7] 卡特莱特的《实验主义者的反击》(Empiricist Defense)探索了许多关于实验与因果故事的确定之间关系的话题。

[8] Pickering,“Against Phenomena,”Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):93.

[9] Hacking,Intervening(1983),22-23.

[10] Hacking,Intervening(1983),265.

[11] Hacking,Intervening(1983),274ff.

[12] Alvarez,“Monopole,”Stanford(1975),968.