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《实验是如何终结的?》子组、论据与历史

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不是所有的战后发展都会带着实验者走向集中化。起初可能会显得自相矛盾。科学论断的产生,特别是那些通过数据分析得来的,会经历局部的分散,就像将单独的大型实验移交给各式各样的子组。如果我们简要描述这些子组的结构以及他们的子分析目标,在E1A与加尔加梅勒内论据的组成会更加明晰,使我们能够了解一些关于大规模实验本质的大致情况。

E1A与加尔加梅勒都有各自的领导者:在欧洲的安德烈·拉加里格以及在美国的克莱因、曼恩以及鲁比亚这三位杰出的代表。然后,每个团队再次被拆分:美国派系被分为两个小组,一个在哈佛,另一个吸纳了来自麦迪逊、费米实验室以及宾夕法尼亚大学的人员。在欧洲研究的初期,一个子组集中注意力于强子中性流,而另一个主要致力于单电子搜索。甚至拆分这些子组是因为中性流的测试在主要背景研究上需要许多改变。实验者开始关注描绘高能物理学特性的高度网状的内部结构分项研究(见图6.3),而非描绘宇宙射线研究特性的实验联盟。

图6.3 高能物理实验内子组的抽象结构。每个方框选定一类背景研究,最终形成一份内部报告,例如在协作会议中陈述的技术备忘录

在大西洋两岸,一些参与者由于早期解释过的原因,开始了强烈倾向于相信中性流不存在的实验。以最宽广的角度,加尔加梅勒协作团队分成了两个组,一个主要对强子信号感兴趣,而另一个主要关注轻子信号(见图6.4)

图6.4 加尔加梅勒中性流背景的广泛示意图。图解了轻子和强子背景与任一背景下的主要任务之间的分离

实际上这些组群是高度复合的;未达到公开于内部发行物的子实验水平,必须再次细分。项目复杂度在于要确定“直接中子”(产生于荷电流的屏蔽下)不能解释类似中性流的事件。只有几个辅助演示是空间分布的论据,热力学平衡的论据,在欧洲核子中心的蒙特卡罗项目和奥赛的固定平均自由路径,以及缪塞、巴尔迪和普利亚提出的独立模型。其他的细分部分在宇宙射线和停止μ介子的背景计算范围之内。为了处理级联,小组必须模拟角度、能量以及弹性分布。

重要的是,轻子中性流背景与强子背景几乎没有共同点。特别是,对于单电子搜索,中子的问题并不存在,并且没有任何需要担心的来自原子核内部的复杂化物理学。反而,此证明要求实验团队排除电子中微子、污染束流是可能产生单电子的。此外,他们必须证明光子不应承担创建隐藏了正电子的非对称正电子对的责任,或者是承担将电子从原子中分离并呈现出来的责任。

在大西洋的西岸,E1A没有什么重大机会去记录中微子电子,即使克莱因考虑过那种可能性。他们的实验沿不同的线路拆分(见图6.5)。值得注意的是,加尔加梅勒的一些重要背景在E1A中被很轻易地排除了。更大的探测器使光子或中子几乎不可能穿透到机械设备用来接收事件的中心空间。

图6.5 在哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室实验中的两个主要背景互相矛盾。在他们的“第一次”实验中(基于哈佛),几乎没有穿透现象的实验并且更多的关注宽角度μ介子。在“第二次”实验中,实验队伍重新调整了硬件以消除或评估可能出现的宽角度μ介子问题。在这样做时,他们慢慢地意识到穿透现象已经成为一个重要的问题。

为详细看到协作是如何进行在大角度μ介子问题分析中的证明(“第一次”哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室实验),让我们以古典主义者剖析历史的方式拆分为期六周的论证中的步骤。结果是与图6.4和6.5所示的流程图不同的示意图。图6.6揭示了哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室报告的前四稿的演变。我称之为“动态谱系”,称之为“谱系”是因为它借鉴了古典文本在描绘手稿谱系树时的传统,动态是因为我们能看到是如何采用每次修改来增加直接性和稳定性的。

图6.6 针对在首次(基于哈佛)E1A实验中出现的宽角度μ介子问题动态谱系。日期指的是内部发布的时间。为简略起见,下面只详细说明μ介子减少。

在1973年8月3日发布的第一版谱系中,实验团队并排设置了哈佛和威斯康辛-蒙特卡罗法;他们得出结果的一致性论证了数据的稳定性。在8月18日那一版中,实验者通过改变探测器几何形状、中微子光谱以及波束宽度,进行进一步的数据稳定性测试。然后在9月3日那一版中,协作团队对数据进行了分析,根据每个事件是否在给出的向前水平角或垂直角之外存在射出粒子而做出标记。通过使用电脑,哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室团队将事件分为三类:不受限制事件,一个出射角受限的事件,以及两个出射角均受限的事件。此项积极提出的进一步稳定性测试使结论更加可靠。最后,在1973年9月14日那一版中,协作者能够说明计算出的μ介子分布和测量的结果一致,增加了测量的直接性。

这种分析可能对于考虑许多其他的实验是有帮助的,通过提供一种语言来描述发生在从怀疑向证明过渡的阶段的动态过程。但对于高能物理中的大量实验来说,这个过程不会简单。第二份哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室报告中,在论证结构的起源方面甚至比第一份更加复杂。在很大程度上,更多人的参与,以及因此而形成的一个更加复杂的部分重叠的子组网络,使得论据的起源更难追溯。

下面看第二份哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室报告。最初,第二次试验忽视了宽角度的问题;那个问题是通过建造以及对于实验团队来说似乎是降低强子穿透性非常有效的钢板而解决的。是已经解决了吗?很快,穿通现象的解决方案开始在一次次的测试后动摇。测试结果显示一个背景问题的解决方案诱发了另一个问题,大致相同的,巴奈特在修复一个背景的实验的同时,也使它遭受一种新的类似效应的影响。

随着大规模实验被分解为构成实验的小组,一些困难已经解决。在类似的复杂实验中,对于发现在什么是重要的论据,以及什么时间发生的问题中存在这样根本的分歧,我们可能会感觉很困惑。但是一旦实验是已分化的,并且不再将团队视为单独个体,分歧似乎是完全自然的。克莱因会发现一个比鲁比亚和苏拉克的早期蒙特卡罗法更加令人满意的“黄金事件”论据,是不是很让人感到震惊?或者是μ1分析者(不受宽角度μ介子的支配)应该说服E1A的一些成员,反之,μ2数据分割(不受穿通效应支配)应该说服其他人?或者是维来尔、布鲁姆以及奥赛应该相信他们的蒙特卡罗法,反之,弗莱与海德特会信赖他们的方法?或者是佩金斯会对强子中性流比缪塞持有更多的怀疑。

在子组间当然会存在竞争。并且在特定的实验中,有些竞争会得到来自个人、机构或者甚至是国家间对抗的加强。然而,当了解到实验中的个人及子组都有着自己的历史背景、自己的疑惑、自己的专业知识,就不难理解这些竞争的存在。如果某位物理学家过去的经历导致他或她特别担心在某个电子实验中的一种背景影响,他或她可能会在背景影响排除后才会判断证明生效。在理论和实验角度,佩金斯有充足的理由去怀疑能否克服中子的背景影响。单电子事件有意义的发现说服了他。克莱因有着多年处理稀有事件的高分辨率气泡室图片的经验。他应该发现发生“黄金”中性流事件特别有说服力也是合理的。类似这样的事例说明大规模实验的历史不能够像单一想法产生的实验那样书写。我们面对这一种新的历史现象,这一现象必须符合真实、多样的共同体多重结构。

实验论证的构成整体来说延伸到任一个人或任一单体小组所能生产的范围之外。特定小组通过他们提出质疑的角度,明确了与待定义信号相对抗的背景影响。但是实验组总的来说,作为一个整体并相互作用,然后构成了此形式的论证:我们已经看到中性流因为我们已经展示了中性流候选无法归因于中子,无法归因于级联,无法归因于宇宙射线,无法归因于中性K介子,诸如此类的各个阶段。没有一位单独的个人完全按照每个蒙特卡罗法的细节去做,也没有任何人检查每个数据搜集的过程。只有作为一个团队,协作者才能归纳子组的实验结果为协调的整体。

在早期的实验中,研讨会为比较实验结果提供了讨论的平台。一般性问题可以在全体会议交谈中得到处理,并且实验的细节可以在专门的部门反复研究。1934年的伦敦研讨会就是一个很好的例子:对于参与者来说,讨论实验过程的细节是很有意义的,因为来自世界各地的实验团队几乎都在使用相同的工具:云室、盖革计数器、电离室以及符合电路。在1921年的索尔维会议中,对于理查德森、德哈斯等人来说是恰当的机会反复研究困难背景问题的细节。关于高能物理当然有全球性的会议。中性流实验者在波恩和普罗旺斯发布过重要的报告。但由于一些原因,最重要的问题不再可以有意图地在公开会议中处理。实验高能物理的转折点,例如决定从部分子转向为中性流研究,要求高改变度结构化的仪器,并且因此必须发生在协作范围内的会议中。

在某种程度上,这是竞争带来的问题。凭借爱因斯坦和德哈斯相对简单的仪器,一组物理学家都处于建议关于可能的方法的状态。理查德森、斯图尔特、爱因斯坦、德哈斯、阿维德森以及贝克都面对着电磁场和磁棒的横向磁矩直接耦合的问题。但是对于加尔加梅勒和E1A来说,重要的问题包括详细的计算机模拟,取决于当地条件的特质。加尔加梅勒协作团队以外的人,谁可以有效地判断该模拟是否已经覆盖了符合欧洲核子中心标准的特定建筑中线圈的分布或者混凝土防护层?E1A以外的人,谁能够评估穿通效应?

完整的合作会议必须以一次会议要基于与会专家的判断尝试做出结论的方式,检查各种背景效应。同时,加尔加梅勒团队决定在1973年3月召开的一次会议中发布他们的单电子发现。甚至更专业的会议召开,以协作小组的身份聚集在一起为不同事件类别设立标准,并且讨论数据、背景以及设备性能。因此,关于强子子组协作的那两次在巴黎召开的会议意义是重大的,因为这两次会议召集了协作的努力去搜寻中性流。其他的会议涉及的范围更窄,例如从中性流候选中筛选单体事件、宇宙射线以及中子。

为把握共识在共同体内形成的过程,我此前谈到过不断扩展的信念。回顾过去,很明显,事实上有几个扩展圈。在亚琛,一群单电子的热衷者设立必要的论证来说服更大比例的协作团队:从哈泽到菲斯内尔、佩金斯、坎迪、莫芬,并向外扩展到更大的协作范围。从欧洲核子中心和米兰延伸出的下一波信奉者包括缪塞、普利亚以及奥科拉蒂(Osculati),接下来是鲁塞、拉加里格、菲奥里尼,到最后是来自远方的协作者。弗莱和海德特细致的级联计算结果将有说服力的影响延伸到第三批群体。断断续续地,在一个地方突然发现单电子,在别处增量式发展蒙特卡罗法,证明从奇特的新机械设备,通过证明指向“合理的根据”的一个阶段,最终转变为新物理学中一个实证根基。

竞争、会议、自主研究、层级、发表,以及补充论据在一个非常重要的实验中的投入标志着一种新活动的建立。科学生活的每个方面,之前以一个整体发生在实验领域,如今在单独的实验中发现了轨迹。在生物学中,一个庄严的信条充分体现在海克尔(Haeckel)著名的格言中:“胚胎重演律”,说的是物种进化史的许多特点在个体胚胎发育中重复出现。在现代实验的历史中,个体实验重述了实验领域显而易见的动力学。在个体大规模实验的发展中,可以发现之前出现于试验间交互作用中的熟悉流程的内部模拟。现在,存在内部竞争、内部会议、内部发表、内部评判方法、内部理论假设以及内部模型建立。

通过聚集、改进、评判以及论据合成,做出了实验终结的决定。这是一个社会过程吗?对于这个问题的答案是绝对肯定的。对实验进行的社会影响随处可见,从计划到接收。竞争形成了应对策略、被迫的决定,并促成了现在立刻停止的决定。然而最重要的是,大规模实验的社会方面体现在分析部门,因为那里是实验的社会与证明结构同时存在的地方。谁担心哪些背景?哪类证明会说服他们?需要什么才能使一个特定的实验小组放弃确定的信念?但是坚持工作组与证明的覆盖结构不会迫使一个人就实验结论的问题站在根本上相对主义者的立场上。

此书的总体主旨是要传达实验是关于有说服力的论据的组合,那些通过他们对于背景因果关系树许多清晰分支的探索能够站得住脚的论据。探索是通过在两个广泛的意义上约束结果而进行,通过改进实验的直接性并使结果更加稳定。并且实验的内容成型于信念强化的阶段。通过将科学描述为可以被分为一个变化无常的发现环境以及一个受规则制约的辩护环境,哲学家可以使唯一真正有趣的实验室科学环境难以理解。现实的实验室生活不属于上述提到的任何一个环境。

在否定赖兴巴哈对于变化无常的发现与受规则制约的辩护之间的划分的过程中,我们的任务既不是要为发现制定理性的规则——最喜欢的哲学消遣方式——也不是要减少对于职业兴趣的海洋表面波的物理论据。手头的工作是要把握关于我们周围世界有说服力论据的构建,即使在缺少逻辑学家的确定性时。