編寫本書的首要目標有二：一是憑借充分的細節分析微觀物理學中的近代實驗，進而捕捉實驗者做出的影響「不會消失」這一決定背後的討論和假說；二是指出20世紀實驗投入方向的改變過程。後續的三章內容將分別著重介紹微觀物理學的3次進步。第2章介紹了基於宏觀力量和效果的實驗行為，第3章介紹了宇宙射線和放射性物質相關的小尺度散射實驗，而第4章介紹了20世紀晚期基於巨型加速器的實驗。
在每次實驗研究中，都面臨著終結實驗的決定，尤其是當主題涉及物理學發展的重要問題時，就會具有特別的利害關係。為了對不同實驗時代進行比較，在對每個時代的本質進行簡要討論後，後三章的內容範圍將進一步縮小，來詳細探尋在微觀物理學某些方面具有決定性的實驗問題。各章的關注點分別是兩個研究群體，通過介紹它們在同一問題上相反的研究途徑，突出了具有說服力的各自的特色論證方式。在每一項研究中，均包含了至少一項重要的、在同時代實驗者中引發過激烈爭論的觀察言論。這一論戰元素將有助於重構相關實驗者的理論和實驗導向。
即便是簡單瀏覽後文中的圖片資料，也無法無視那些我們感興趣的時期內實驗環境出現的重大變化。在20世紀30年代，先後出現了愛因斯坦/德哈斯實驗和μ介子實驗。在這個時期，絕大多數的實驗工作在室內進行，實驗室面積不過幾百平方英尺，實驗設備的尺寸也較為有限。與此形成鮮明對比的是後來建設的費米實驗室，它覆蓋了千餘英畝分散的土地，周邊被主要的環形實驗場地環繞，成群的水牛在這裡覓食，這裡的單項實驗探測器就花費了成百上千萬美元。後文中將介紹在此進行的一項高能實驗。隨著實驗器材的規模明顯擴大，器材對實驗操作的協助也確保了探測的進行。在接下來的幾章內容中，我們將首先對實驗物料限制相關情況進行回顧。
在第2章的開端，筆者對19世紀末實驗物理學的發展情況進行了簡要描述，這也是本書將要討論的三個實驗時代中的第一個。在這一時期，微觀物理學實驗還依賴於由宏觀數量的原子行為進行的推論。根據麥克斯韋（Maxwell）的描繪，儀器設備的本質即分析物理效應。這一本質是20世紀末實驗測量的基準，將在第2章實驗設備相關內容中加以闡釋。在19世紀40年代，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）所做的摩擦力相關實驗就是這一類宏觀實驗中的典型範例，實驗論證了熱量只是一定規模的原子運動的結果。其他宏觀實驗，如光譜學研究，在原子模型的建設中也起到了協助的作用。通過麥克斯韋對19世紀使用的儀器設備的描述，我們可以發現，首個個案研究中運用了典型的19世紀物理學儀器，儀器的功能目的是通過物質宏觀特性的研究探尋磁性和原子結構的本質。在愛因斯坦和萬德爾·德哈斯（W.J.de Haas）的磁性實驗中，兩人試圖試驗的想法之一便是安德烈·瑪麗·安培（AndreMarie Ampere）的猜想——永磁性是磁鐵中小的環形電流指示方向一致時的結果。借助於電子理論，愛因斯坦和德哈斯將安培的猜想更加深入地展現出來。他們推測，安培猜想的環形電流正是電子環繞原子核運轉產生的。更重要的是，通過電子軌道運轉的猜想，他們說明了角動量和磁矩的比值與環繞運動的電子數量無關，與環繞運動的軌道半徑、形狀和速度也無關係。由此，這兩名物理學家預測旋磁比（即角動量與磁矩的商）為定值。
兩位物理學家為了對模型進行測試，將未磁化的鐵製圓柱體懸浮於導體線圈中。線圈中電流為通路時，環形電流的磁矩將被定向，進而角動量也被定向。由於角動量守恆，他們推斷鐵磁體將會發生轉動，以抵消電子軌道定向引起的角動量增長。
自1914年起，愛因斯坦和德哈斯多次更換不同的實驗儀器，重複進行了這一實驗，結果發現測出的鐵磁體轉矩確實符合實驗預期。但在之後的數年中，他們的研究結果同其他一些科學家的研究成果間出現了直接矛盾。15年後，量子力學的模型顯示出的答案與愛因斯坦兩人的研究結果並不一致，反而與此正相反。我們不禁要問，愛因斯坦和德哈斯是如何發現預期的比值的呢？我們心中的迷惑又加深了一層。與愛因斯坦和德哈斯協力進行實驗幾乎同期，美國物理學家塞繆爾.J.巴奈特（Samuel J.Barnett）也獨立完成了一系列的實驗，但卻檢測到了相反的效應：轉動引起磁化，而非磁化引起轉動。1914年，巴奈特對他的研究數據進行了簡化，他的研究結果同後來被認作是正確的旋磁比數值是一致的。但是，在愛因斯坦和德哈斯實驗後不久，巴奈特卻獲得了符合愛因斯坦理論預期的結果。期間發生了什麼？巴奈特的理論假說又是什麼？
在20世紀20年代，又有一些實驗家使用不同的實驗儀器重複了這一具有難度的磁性實驗，總體的結果也漸漸清晰：愛因斯坦、德哈斯和巴奈特所宣稱的旋磁比數值並不正確。在第3章中，筆者將介紹為何愛因斯坦對自己的預測具有如此強的信心，以及他的理論信心是如何影響他自己和另兩名科學家對數據的解讀和錯誤的處理的。通過瞭解這些物理學家獲得實驗結果的理論和實驗性假說前提，我們可以追溯那些意義重大的力的統一、物質結構、愛因斯坦的專利工作和地球物理學的相關內容等，這些都已被後來的物理學所遺忘，在這些物理學家發表的作品中也未有明確的顯現。
在1910年至1930年間，第二個實驗時代逐漸取代了宏觀實驗的時代，代之以單個原子級別的觀察實驗。基於19世紀末期放射性的發現，物理學家們設計製造了不受熱、光、力、電等宏觀效應影響但對單條射線或單個粒子的通過具有靈敏度的儀器。除了粒子放射源外，奧地利物理學家維克托·赫斯（Victor Hess）很快又發現地球一直處於宇宙射線的照射下。在20世紀的前幾個十年中，物理學家們開始通過這些粒子來探索原子世界，並對製造和觀測出來的各種實體形象進行描繪。在α射線、β射線、X射線、γ射線和電子、質子這些原有的已知射線和粒子的基礎上，實驗者們在30年代又連續發現了中子、正電子、μ介子等。
20世紀30年代初期，理論物理學經歷了相對論和量子力學的雙重劇變，量子力學的部分內容被應用到了科學實際中。但即便是在量子力學中，粒子間的多元性相互作用仍然在科學家的計算能力之外。在這一時期，實驗物理學中開始推行更為先進的實驗儀器，如蓋革計數器和雲室等，獲得了相當多的實驗現象。計算的難題和令人困惑的現象將科學家們帶至了劇變的邊緣，這也正是眾多科學家一直期待的，足以與量子力學的誕生相匹敵。
由實驗角度來看，第3章中的內容是這一危機面臨變革和解決的頂點。從單一層面來講，20世紀20年代至30年代間進行的宇宙射線和放射性實驗中，實驗者力圖對宇宙射線的組成加以分析，這也是由傳統實驗基本過程向量子力學方法轉變的過程。在數年時間裡，物理學家羅伯特·A.密立根（Robert A.Millikan）和他的同事、合作者、學生對量子力學顯示出了不接受的態度。但其他宇宙射線研究領域的物理學家卻頻繁地使用了這一新興理論，至少在實驗規劃階段進行了利用。我們可以對這兩個科學家群體進行比較，概括而言，即一方是密立根、賽斯·內德梅耶（Seth Neddermeyer）、維克多·內爾（Victor Neher）、伊拉·S.鮑恩（Ira S.Bowen）、G.哈維·卡梅倫（G.Harvey Cameron），另一方是漢斯·貝特（Hans Bethe）、布魯諾·羅西（Bruno Rossi）、傑貝茲·科裡·斯特裡特（Jabez Curry Street）、愛德華·卡爾·史蒂芬孫（Edward Carl Stevenson）和托馬斯·約翰遜（Thomas Johnson）。雖然他們並非兩種不同理論和實驗傳統的擁護者，但卻幾乎同時得出了相同的結論，即物理學的效果解釋並不需要量子力學帶來的徹底重構，需要的是一種新的粒子。
密立根和他的實驗團隊對宇宙射線本質的基礎研究作出了許多巨大貢獻，他們還發表了許多研究結果，這些結果很快就在其他實驗科學家中引發了爭論。舉例而言，當下人們已經廣泛地認可了，宇宙射線粒子中撞擊高層大氣的絕大多數是質子。由於質子帶電，在通過地球磁場時，多數會以漏斗的排列形狀流向南北兩極，流向近赤道緯度的粒子較少。密立根的研究團隊認為這樣的「緯度效應」並不存在，他們通過實驗論證獲得了滿意的結果。他們還主張，宇宙射線中並無穿透力強或高能量的帶電粒子。同時，他們還發現了宇宙射線的帶狀能譜等「效應」，這些在現代已經被公認是並不存在的。只有瞭解了這些多樣的「錯誤」是如何獲得「確信的一致性」的，我們才能辨識出實驗操作的理論假說前提。就愛因斯坦和德哈斯的實驗而言，我們可以釐清這些強勢的理論假說的本質和角色，其中密立根長期演繹著時刻存在且活躍的神一般的角色，他相信宇宙終結理論，堅持使用特定的實驗儀表，相信多種實驗證據的說服力。
例如，使用蓋革計數器的實驗家們報告稱，帶電粒子可以穿透幾米厚的鉛層，這一觀點在多個領域內都引起了反響。密立根和他的夥伴們對這些實驗家的實驗技術表示了懷疑。密立根稱，計數器顯示的數據對觀察者產生了誤導，這就和伽利略時期一些人認為望遠鏡會誤導天文學家一樣。與此同時，絕大多數的理論家將具有穿透力的輻射物的發現視為量子電動力學滅亡的前兆。根據量子電動力學理論的計算結果，電子是無法穿過厚鉛板的。在眾說紛紜的30年代中期，實驗的哪些部分基礎堅實，哪些部分又是沙上之城，這樣的區分並不清楚。那麼是這一理論無法被人接受？還是這些現象，這些儀表數據？理論家和實驗家們一點一滴地拼湊出了他們的計算技術、實驗儀表、數據整理方式，以及對粒子相關新學說具有的潛在信心。當我們沿著他們對問題和爭論的構建進行觀察，就可以回溯到有說服力的實驗論證的建設過程。
新粒子的呈現方式集中在獨立實驗上。一項實驗結果顯示，宇宙射線足以穿透厚鉛板，另一項實驗說明宇宙射線叢中的粒子可以引發更多的簇射。其他實驗者還論證出，這種具有誘發能力的粒子的穿透力並不強。多項實驗顯示：在同等能量條件下，簇射和無誘發能力的粒子在穿透能力方面具有區別。同X射線、γ射線的簡單指數吸收定律相比，宇宙射線與物質間的相互作用更為複雜。這樣複雜的射線幾何學對實驗設計專業度的日益提高起到了積極效果，這也是一個意料之外的後果。
理論的進步也對實驗的專業化造成了壓力。在20世紀20年代末至30年代，理論家開始將狹義相對論和量子力學綜合為量子電動力學。這一新理論的發展主要集中在電子和質子間的基本相互作用上。這些基本作用過程與照相底板中的核「爆炸」、核「爆發」間的關係還不清晰。這些令人矚目的核能現象是多個簡單作用過程的集合嗎？還是證明了這是迄今為止物理學界仍然未知的一種新型作用過程呢？新的理論工作亟待展開，基本量子場-理論過程需要獲得足夠的重視，以便對可觀測結果進行計算。J.羅伯特·奧本海默（J.Robert Oppenheimer）和他的實驗同伴進行了這樣的對「現象的」研究工作，為宇宙射線叢這一大難題的解決打開了一條通路。奧本海默認為，扇狀雲室徑跡不應被視為爆炸現象，而應被視為多個簡單反應的倍增性效果。鑒於此種情況，理論家們向實驗家們拋出了橄欖枝，實驗家也不得不對理論家加以協助。就在奧本海默宣佈了「倍增性」計算結果之後不久，宇宙射線相關的實驗者們就開始使用極薄板進行實驗，對單個的基礎反應過程進行探索。
最後，在第4章中，我們可以通過實驗操作、理論和儀表間的三重相互作用，瞭解大型加速器粒子實驗的特點，這也正是三個實驗時代中最後一個時代的標誌。在對組建高能實驗的難度進行概述後，我們將再次通過一組特定的調查研究來探討規模和複雜性加大後的實驗運作。20世紀70年代進行的中性流實驗激發了人們對70、80年代計量物理學的興趣，是「二戰」之後最重要的實驗研究之一。當時兩大實驗室協作組是如何確定他們研究的同一效應是真實可信的？我們將對此進行探尋。這兩個實驗室分別是加爾加梅勒重液氣泡室協作組和運用了火花室和熱量計的美國E1A。加爾加梅勒協作組使用的是位於日內瓦周邊的歐洲核子中心下的加速器中心的探測器，而E1A發現粒子的地點是位於伊利諾伊州巴達維亞的美國國家加速器實驗室（簡稱NAL，1974年5月被重命名為費米國家加速器實驗室，即FNAL，通常稱作「費米實驗室」）。
我們可以將這兩個實驗單位和它們的設備、理論預期和實驗類型加以對比。我們可以追溯兩項研究工程的革新軌跡：一是60年代早期對中間矢量玻色子的搜尋，二是60年代晚期對部分子模型的探索。1971年以後，終於出現了某些實驗，可以驗證格拉肖-溫伯格-薩拉姆（Glashow-Weinberg-Salam）弱電統一場論中所預測的中性流的存在。
在第2、第3章中，我們的研究目的在於描摹實驗過程，在這樣的過程中實驗證據具有了可信度。我們又一次受助於這樣的情況——一個研究群體獲得的暫時性結論同後來被接受的結果間具有強烈的不一致性。在之後的幾周裡，一些研究人員開始相信，實驗能夠說明統一場論中所說的中性流並不存在。和理論及反對方之間的不一致迫使研究小組對實驗過程進行了回顧檢查，編製的實驗記錄幾乎是以日為單位，記錄了在後台努力識別信號的過程。我們可以觀察，各個子工作組是如何將具有自己風格的論證組合在一起的。例如宇宙射線相關的研究工作，存在著雲室和計數器實驗兩種不同類型，中微子實驗使得中性流被接受，通過這一實驗我們可以對基於氣泡室和電子探測器的論證方法進行對比。由此，我們可以瞭解到過往的實驗工作是如何決定了物理學家對不同論證方式的回應態度。例如，一些具有經驗的氣泡室實驗人員更加相信「黃金事件」，而不是計算機模擬出的統計證明結果。那些更習慣於電子探測器的實驗人員的看法則正相反。
第5、第6章通過結論，對近100年微觀物理學相關的實驗論證進行了反思，對實驗的分裂與重組趨勢進行了描摹。碎片化是因為克服實驗更加複雜、高能和短效過程的日益專門化。在實驗論證的組建中，結構工程師、電氣工程師、計算機模擬專家、數據分析師和現象學家均扮演著重要的角色。重組則是因為在20世紀30年代不同的子工作組不可能像加爾加梅勒或E1A的器材規模一樣，每個小組擁有價值500美元的雲室，因此有必要進行重組。高能實驗物理學家在實驗的進行階段需要協調加入一部分獨立的研究，在實驗結束時也必須如此。因此，需要對這種分層性實驗協作的起源和推動力研究。
實驗的分裂反映出了技術和社會的進步。在後文的中性流實驗中，各類子工作組針對單一的問題不斷取得相互矛盾的進展，進而互相訂正和修改，最終將研究結果發表公佈出來。先前工作中獲得的專業知識在專業化勞動中實現了價值，這一專業勞動是為了分析特定儀器運行情況或其他物理學分支造成的干擾影響。在300年間，物理學的多個方面經歷了變革，現在以更小的規模——龐大實驗的子工作組——重現出來。借用胚胎學家的語言來說，近代高能物理學實驗的協作組所採取的實驗步驟就是對學科進步階段的概括。
在過去的數年中，科學史和科學哲學一直依賴於通過理論展示的實驗圖景。若要對實驗加以討論，它往往就會淪為觀察、觀察心理學和理論家對觀察結果的運用。對於這一針對實驗工作的嘲諷，伊恩·哈金（Ian Hacking）曾恰如其分地表達過反對意見：「牛津的哲學家們所認為的實驗狀態——對刻度盤的記錄和讀取——並沒有什麼意義。真正重要的是另一種觀察，即發現實驗儀器中的怪異、錯誤、具有啟迪意義或受到曲解的問題的神秘能力。」[1]現在我們關注的是線圈的扭轉、儀器的屏蔽、幾千磅的鋼板的起重以及計算機模擬出的結論。只有在實驗室裡，我們才能親眼見證淘金者是如何沙裡淘金的。
註釋
[1] Hacking，Intervening（1983），230.