一般來講，實驗者在構建論證體系之時，論證的說服力至少有一部分是來自過去既有成果中所獲得的理論和實驗知識。[1]那麼預設有哪些種類？他們又對實驗論證造成哪些影響呢？
雖然這些問題一開始貌似只有哲學意義，但它們的解決方式卻會產生直接的史學影響。舉例而言，假設史學家採信了這樣的觀點：實驗事實反映的是公開的、一定程度上毫無疑問的經驗，那麼實驗史的範圍將十分有限，歷史書寫的任務也將變成記述實驗技術要求、列舉實驗結果的理論性應用。
與此相反，如果實驗結果不具有獨立於理論之外的自主性，那麼書寫出的物理史將是另一種模樣。這樣的歷史闡釋將肩負不同的重任：實驗的歷史將幾乎僅僅集中於實驗的概念框架中，即對實驗自主性範圍的評判是與「哪些歷史因素需要被納入到實驗考量中」這一決策緊密連結在一起的。
雖然理論和實驗的哲學闡釋範圍較寬，但也並沒有必要對觀察的哲學或「理論」自「觀察」中的分離等相關著述進行過多的回顧。[2]實驗者是如何使用（或不使用）理論的？具有這兩個方面的寬泛梗概就已足夠。對於邏輯實證主義者而言——尤其是魯道夫·卡爾納普（Rudolf Carnap）等——實驗者無需訴諸理論即可說明現象。當然，從實際角度而言，實驗物理學家會使用「銅」這樣的簡略詞來代表一長串的感官數據語句，但這僅僅是出於節約時間、簡便易行的考慮。真正粗糙的「觀察報告」中沒有理論的存在，從卡爾納普的觀點來看就像是這個例子：「現在指針指向5，出現火花，同時發生爆炸，然後出現了臭氧的氣味。」[3]
理論與實驗的嚴格分離是卡爾納普純粹以邏輯（歸納法或推論法）為基礎進行科學重構的基石。觀察用語可以轉化為不含理論用語的習語，那麼它也可以是針對備擇假定的一個通用、中立的裁決者。因為記錄的原因理論假說也會對選擇、闡釋和數據成果造成影響，即便是這一點也受到了厭棄。這將累及科學研究經驗基礎的自主性。從邏輯實證論者的角度來看，當實驗者已經充分地整合了相關的報告內容時，決定實驗何時終結並不是問題，實驗的終結是獨立於理論之外的。
卡爾納普試圖通過逐漸積累基本觀察報告來證實理論，這一計劃被卡爾·波普爾（Karl Popper）否定了。波普爾之所以否定，其中的一個重點就在於，卡爾納普將觀察和理論闡述嚴格區分開來。波普爾認為，即便是「桌子上有一杯水」這樣的簡單闡述也是在一系列設置處理的基礎上才能夠使人瞭解的。比如，如果溫度下降到華氏32度以下，那麼液體會結冰；如果水杯受到撞擊，那麼凝固的冰塊將會破碎。雖然波普爾對不成熟的觀察報告所處的狀態有疑問，但他並沒有妨礙到邏輯實證論者的基本信仰——實驗毫無疑問的是理論的仲裁者。波普爾曾提出過一個著名的論斷：理論可通過「證偽」——即理論在面對實驗不一致時的開放程度——來進行評價，從本質上而言，這一評價是基於在面對清晰的實驗證明結果時，是否與其他矛盾理論具有匹配性。[4]
非常諷刺的是，那些自認是邏輯經驗主義者的哲學家們實際上對實驗行為並無興趣。佈雷思韋特（Braithwaite）就是一個例子，他認為應該研究觀察的基礎——感知心理學，或者觀察實驗檢驗與科學定律之間的聯繫。[5]但是正如我們一直以來所見，實驗的內容實際上與「觀察」——例如儀表讀數的感知——並無關聯。實證主義者的言論中真正缺少的是感知與確立的「實際」之間的論證場所。實驗室聚集了所有的興趣點，是實驗者集合論證、重組設備、測試儀器、修改說明技巧的地方。
而對於歷史文獻中理論重視程度的不對稱或許正是源於實證主義者的觀點。科學理論的構建具有至高的重要性，科學家們尋求的更多是偉大觀點的產生，而非實驗「事實」的發展。一直以來這一觀點較為盛行。成千上萬的文章和書籍已然詳盡記錄了狹義相對論和非相對論量子力學的發展歷程，但介紹實驗成型階段演化進程的資料卻少之又少。鑒於這一史學上的傾向性，實驗的歷史性問題很自然就被限定在這兩個問題上：「從技術上而言，一項特定的實驗何時能具有可行性？」——這一問題的實質往往會淪為對機器何時第一次被使用的歷史研究；而另一個問題是「實驗結果如何？」這些問題再一次被限定在了理論的發明和試驗上。實證主義者相信實驗觸及了實證工作的本質，但若將重點直接放在以理論為目標的實驗上，這一看法的基礎就岌岌可危了。
對邏輯經驗主義的反駁是不可避免的，其影響力較大且被廣泛傳播。傳統實證主義者堅信觀察先於理論。托馬斯·庫恩在其1962年的作品《科學革命的結構》（The Structure of Scientific Revolutions）中，對實驗的通用性裁決能力及其獨立於理論外的情況進行了抨擊。庫恩並不認為觀察必須先於理論的建立，正相反，他主張理論應先於觀察。庫恩認為，科學史已經充分地證實了理論在進行實驗、判讀數據和定義相關現象時所具有的不可或缺的地位。在天王星這一天體被認作是恆星的時候，庫恩在觀測中未能發現它的運動。當天文學家對該天體的真正身份產生質疑時，人們才能「見證」它的運動。同樣道理，在探討化學變革時，庫恩多次指出了拉瓦錫（Lavoisier）和普利斯特列（Priestley）所發現和未發現的問題，即普利斯特列意識到的是燃素的不足，而拉瓦錫預見到的是氧氣。
為了把握預期在觀察力構建中的作用，庫恩和諾伍德·羅素·漢森（Noruood Russell Hanson）使用了感知心理學的著名結論作為理論與實驗間的關係模型。[6]兩人均使用了格式塔意象圖（Gestalt images），如既可以被視作鴨子也可以被視作兔子的意象。在不同的「理論假說」下，意象中的紋路和曲線將具有完全不同的意義。首先，格式塔比喻法顯示，某些線條元素並不是人腦中所想的它在圖中的位置，困境在於：你看見的可能是鴨子或兔子，但不能同時看見兩者。在庫恩的眼中，這並不僅僅是一個比喻，也描繪出了科學的畫卷——穩定的理論框架逐漸發生改變，最終完全崩塌。這樣的整體更迭式科學實踐圖景中存在很多問題，具體內容我們將在後文中繼續探討。
庫恩援引了另一個心理學實驗以詳細說明想法的慣性。實驗者在實驗對像面前快速地展示按順序排列好的一副撲克牌，牌面為同一花色。若其中混雜了一張不同花色的紙牌，則在對像眼前飛速閃過之後，對像會簡單地認為這只是多數正常紙牌中的一張多餘的牌，這張牌閃過之後原先的序列將會繼續。[7]由此可見，先入為主的預期可能會將實驗者對世界的觀察局限在已有的經驗性現象中。同樣，若在基礎理論發生改變之前，研究者對一組實驗結果進行觀察，那麼觀察到的狀態和理論改變後觀察到的結果將並不相同。
在這些心理學模型中，庫恩著重強調了理論性預期是如何，以及何時深刻地影響了觀察結果的確立。然而，雖然他提及了感知心理學實驗，但並沒有繼續深入地瞭解其影響機制。理論假說到底是如何影響實驗的？一些史學家和社會學家已經試圖對此做出完整清晰的闡釋。在後面幾章的內容中，我們將瞭解到，在物理學科內外的普遍關注點是如何像貼切地定義特定理論預言一樣，決定了實驗的設計、實施和闡釋的方向。通過這些歷史性材料，我們將可以得出相應的結論，可以概括出不同級別的理論對結束實驗這一決定產生的影響。
某些科學社會學家支持庫恩的看法，認為理論（或基於理論的「範例」）遠遠先於觀察。他們還使用社會學的語言對「先驗信念」進行了重述：科學上的想法或投入都應該被解釋為對先前的社會學「利益」的滿足。這一利益大到階級或宗教利益，小到專業利益。[8]對於狹義的專業利益而言，爭論的焦點在於：前沿科學家努力投入數載獲得了特定的技能後，對這來之不易的技能的使用前景的利益將促使他們會以此為基準選擇接受或拒絕新的科研工作。[9]雖然許多社會學家會擁護這一觀點，但巴裡·巴恩斯（Barry Barnes）辯稱，科學家是通過觀察外部自然來獲得知識的，這一看法並不正確，知識應該以社會利益來闡釋，就如同社會力量設置的「常規性的藝術表現形式」一樣確信不疑。[10]
以這一較為激進的立場而言，不僅假說會影響特定時間進行的調查研究——這一觀點甚至連最為保守的實證主義科學哲學家也可以接受，在更激進的情況下，利益-理論這一解釋還會貶低自然的地位，假設科學家（被興趣支撐）的假說是取決於可接納的現象，那麼會表現為特定的理論及封閉、自我指涉的相關實驗。這樣看來，理論觀點連同擁護者所認為的相關實驗均將從後續的理論與實驗的結合中完全分離出來。
同實證主義者形成鮮明對比的是，一些利益理論者採納了這樣的觀點：實驗測試並不具有在理論間進行裁判的能力。安德魯·皮克林（Andrew Pickering）所著的關於當代物理學史的作品令人印象深刻，他的理論也被吸收到了本書的第4章中，在這個問題上他的立場尤為鮮明：「科學團體常常會拒絕與團隊理念相矛盾的數據，可是與此相反，對待與理念相符的現象時他們會調整實驗技術和方法，以便與其保持協調。」[11]這樣的闡述顯然是與實證主義者的想法大相逕庭：卡爾納普認為觀察是完全獨立的，而皮克林則認為它完全不具有獨立性。
援引皮克林的話來說，「科學家們只重視他們可以理解的那部分世界，這並沒有問題，為了這個世界他們奉獻出文化資源，但他們唯一無法勝任的就是（讓高能物理學家）無論何時均無法以易於理解的形式來描述事實」。由此來看，現象的自由選擇和解讀具有相當重要的意義：
所以任何人在嘗試構建對世界的看法時，都沒有重視20世紀科學內容的義務。在20世紀70年代末，粒子物理學家們樂於摒棄大多數的現象世界和解釋架構，而這些被摒棄的也正是他們在前一個10年間自己建設起來的。一個局外人是無需對當下的高能物理學（HEP）世界觀具有什麼敬意的。[12]
皮克林還辯稱，若確保實驗具有理論符合性，則不同的體系間確實沒有一個共同的衡量標準。
這一看法中存在著三個方面的問題：
其一，在實驗論證中追尋顛撲不破的內涵，發現實驗無法獲得邏輯性結論時就將實驗者的信念完全歸因於「利益」，這樣是有失公允的。但是誰又能想到實驗同數學運算如此相像？縱然實驗者對自己想法的信任並不是基於數學論證的形式，但在筆者看來，瞭解實驗者是如何進行推論、建立和自主測試，進而將具有說服力的證據整合起來的，這一點所具的意義更深。
其二，利益-理論歸因方式誇大了理論的靈活性。由此，「理論脫離實驗即無效」並非造成各種針對粒於物理學可行闡釋無法共存的唯一原因，數學和物理學上的限制條件並不能被輕易忽視。在利益理論家眼中，理論僅僅是一個模具，憑借其將黏土一樣的現象世界鍛造成既定的模樣。我們讚美鍛造者與被鍛造者之間的嚴絲合縫，在他們看來這並不足為奇。[13]在格式塔圖景中，當實驗結果與理論模型假設相契合時，實驗宣告結束；在社會建構圖景中，當實驗結果與處於優勢地位的理論家利益相一致時，實驗宣告結束。
最後一方面的問題與第二點緊密相關。利益理論者對實驗技巧與技術對實驗結論的約束關注不夠。其不會因為新理論的出現而突然完全改變。在這方面，理論優位者同邏輯實證主義者一樣，相對於實驗操作過程本身而言，他們對理論家對實驗的應用興趣更濃。在大衛·布魯爾（David Bloor）所著的《知識與社會意象》（Knowledge and Social Imagery）一書末尾，作者將社會學家（受到作者支持）與波普爾派哲學家（受到作者反對）的缺點進行了對比，得出的結論是：這兩個群體都是理論相對論者，對技術力量、實用性和手工藝的地位都進行了弱化。引用作者的原話即：
知識在社會學家的眼中是可推測的理論，任何東西都不是絕對的或不可更改的。因此，所有的知識都和思想者創造它時的具體情況有關，包括他們可能懷有的觀點和猜想、困擾他們的難題、周圍環境中假定與考證間的相互作用、創造知識的目標與用途，以及他們具有的經驗，採用的標準和含義。[14]
筆者並不同意布魯爾做出的「知識是相對的」這一結論。當然它具有一定的正確性，就如同前文引用的迪昂的話中提到「實驗中的矛盾現象並無將物理假設轉為無可辯駁的真理這樣的能力」。而且我們可以發現，即便是實體間的基本區分偶爾也會取決於工作的概念框架。普利斯特列和拉瓦錫的化學研究工作即是如此。在歷史上，闡釋性框架、測量方法和實驗設計均會出現、也確實出現了改變。但這並不能說明實驗的重要性是如此「狹隘」，以至於僅僅可以通過一個或多個支持性理論來進行衡量。理論家和實驗家都已經打破了各自的傳統，但兩者仍未能保持典型的同步性。
在20世紀物理學的多個分支中，實驗家與理論家的分立現象在學科的知識、社會和教育結構中均是重要部分。在20世紀的前20年，從根本上講物理學還是一門實驗科學，集中於理論研究的科學家少之又少，主要是歐洲的一些物理學家。後文中也將提到，即便是愛因斯坦也進行過實驗活動。在戰爭的間隙中，理論物理學的分支漸漸出現，集中點主要是對量子物理學相關問題的研究。直到「二戰」之後，理論物理學家的數量才與實驗家的數量漸漸持平。儘管如此，我們對近代物理學史的瞭解主要還是通過理論的眼睛和理論家的回憶錄。物理學領域內發展出了兩個文化群落，但這並不代表它們互相之間毫無往來，事實上兩者會共享體系、經費和世界觀。但是，這的確說明了捕捉到淺顯易見興趣點的實驗生活值得講述，而關於實驗者確信中微子、正電子和中性流存在的一切卻並非如此。
為了捕捉這些想法，有必要避開兩個觀點的誤區，即欲將觀察或理論「置於首位」。無論是認為觀察先於理論，還是認為理論先於觀察，這兩種觀點都僅僅是對實驗特徵的片面理解。若認為理論先於觀察，則許多理論性和實驗性假說被納入實驗是不言自明的。這些投身實驗室的假說被用於科學「真相」的建立。這些先驗知識是由實驗工作的測量、闡釋和構建階段生產出來，後文中也將加以詳細討論。此外，這些「顛覆」了實驗過程完全自主性的理論假說並不僅僅是「偏見」，同其他方面較為清晰的自然觀間具有牴觸性。如果沒有假說的存在，實驗無法開始，更無法結束。
從某種意義上來說，實驗是現象空間中設立的精密過濾器。通過實驗的構建具化了實驗者頭腦中的知識，如老生常談的現象規律、由經驗中吸取的材料工藝知識，以及群體為了判斷物理規律的合理性而援引的形而上學原則。但這並不代表實驗僅拘泥於先前的投入。實驗者不會因循守舊，對理論家們亦步亦趨，他們的實驗常常會涵蓋特定的多個甚至成組的理論。理論性和實驗性的改變一般不會同時出現。當理論家摒棄傳統時，不一定會引起實驗物理學主題、方法、步驟和儀表的混亂，特別是在近代物理學中，當理論家與實驗家是兩個獨立的群體時，認為它們會同時改變研究方向這一看法就越來越不合適了。
因此，理論上出現了概念性改變後實驗上也會出現改變，這一主張很難成立。巴恩斯所理解的庫恩理論是：
在真實的歷史情況中，新的理論框架出現時，整個概念結構將會出現相應的改變。論述與活動的二選一框架不得不經受評估。兩者的整體模式將被重構。[15]
在史學條件下，雖然在物理學發展過程中並沒有做出明確假設，但對抽像性較強的理論領域的恰當劃分並不一定是對實驗的恰當劃分。因此，某些實驗值得加以詳盡探討，以瞭解其理論假說和技術連續性。
註釋
[1] 大量的歷史學家和社會科學家已經對假說在20世紀物理學中所起的作用進行了探討。特別是傑拉爾德·霍爾頓著有大量關於此話題的文章，參見「Kepler's Universe」（1956年首次出版，1973年作為Thematic Origins的第2章重印）and「Hypothesen，」in Eranos Jahrbuch 31（1963）：351-425.其他關於假說的作品將會在後續章節中提及，典型案例參見Holton，「Millikan，」in Scientific Imagination（1978）；Stuewer.「Controversy，」in Experiment（1985）；Wheaton.Tiger（1983）；Trenn，Self-Splitting（1977）；Franklin.「Millikan's Data，」Hist.Stud.Phys.Sci.11（1981）；185-201；Pickering「Monopole，」Soc.Stud.Sci.11（1981）：63-93；Pickering，「Quark，」Isis 72（1981）：216-236；Pickering，「Against Phenomena First，」Stud.Hist.Philos.Sci.15（1984）：85-117；Collins，「Tacit knowledge，」Sci.Stud.4（1974）：165-186；Collins，「Replication，」Sociology 9（1975）：205-224；Collins.「Destruction，」Soc.Stud.Sci.11（1981）：33-62.為了得出扼要的評論和文獻，歷史學和社會學試圖把許多科學領域的科學結果與科學利益相連接，參見Shapin，「Sociological Reconstructions，」Hist.Sci.20（1982）：157-211.
[2] 針對區分「理論的」和「觀察的」的術語引發的問題進行的清晰爭論，參見Achinstein，Science（1968）.
[3] Carnap，「Protocol，」in Logical Positivism（1981），153.
[4] Popper，Logic（1968），e.g.，chap.5 and 424ft.
[5] 即使他們不同意他們中存在的其他觀點，卻沒有任何經驗主義者，尤其是亨普爾、佈雷思韋特、內格爾、波普爾，注意真實的實驗情況。沉默的背後是假定，當觀察（他們常常提及的觀察，頻率比實驗多）成為科學的基礎時，對被觀察物體的評估往往是相對沒有問題的。所以，在他們為面對的理論提供不容置疑的「事實」時，便有了實驗的興趣。在這種情況下，佈雷思韋特反駁卡爾納普的還原論與波普爾不謀而合。佈雷思韋特想要避免自己對將實驗數據簡化為「直接經驗」的可能性負責，但他卻不想挑戰邏輯實證主義者的實驗結果即明顯「事實」的觀點。因此，佈雷思韋特在《詮釋》（Explanation，1953）第4期中寫到：「我們現在關心的是科學定律的屬性，以及科學定律與觀察到的事實之間的關係。觀察到的事實通常是關於實物的行為的事實——物體運動，是測量儀器指針所指的範圍標記，是原子彈爆炸；亦是我們對事實之間的關係的興趣，是被科學定律約束的事實。」
[6] 庫恩認為：「科學家在使用熟知的儀器在曾經觀察過的地方進行觀察時，他們會發現新的、不同的事物……這是科學家的世界轉變的最基本原理，使用視覺格式塔進行類似展示可以引發興趣。在進化之前，科學家的世界是微不足道的。」參見Kuhn，Structure（1970），111.亦可參見Kuhn，Structure（1970），62-65 and 110-115，and Hanson，Patterns（1958），chaps.2 and 3.
[7] Kuhn，Structure（1970），62-63.
[8] 關於「利益」的不同感知，參見Shapin，「Sociological Reconstructions，」Hist.Sci.20（1982）：157-211，159-164。對「利益」思想的嚴謹評價參見Woolgar，「Interest，」Soc.Stud.Sci.11（1981）：365-394.
[9] Shapin，「Sociological Reconstructions，」Hist.Sci.20（1982）：164-175.
[10] Barnes，Interests（1977），2.
[11] Pickering，「Hunting，」Isis 72（1981）：236.
[12] Pickering，Constructing Quarks（1984），413.
[13] Pickering，Constructing Quaxks（1984），410.
[14] Bloor，Knowledge（1976），142-143.
[15] Barnes，T.S.Kuhn（1982），67.