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終結實驗時的進退兩難

在我們所探討的物理學家們心中,使用一種頻率測量儀器取代另一種,或者用靈敏度更高的磁場探測器代替舊的探測器,這樣的對儀器設備的改變渴望十分強烈。雖然這些替代設備帶來了獨立測量的希望,但對其不熟悉也會造成危險。阿維德森曾創造出了一種新的頻率測量設備和一種新型精密光點偏移膠片記錄設備,用以檢查愛因斯坦和德哈斯效應。毋庸置疑,阿維德森的儀器靈敏度更高;總之,他獲得的結果與我們現在廣泛認可的數值較為接近。1917年,巴奈特也做出了一項類似的勇敢嘗試,他對實驗裝置進行了完全重建,添加了高靈敏度的磁力計,用以代替原來不夠完善的儀器。恰恰因為他對新的裝置不夠熟悉,一開始儀器反應的變化無常給他帶來了更嚴重的影響,尤其是新裝置帶來的新型系統性誤差。

與此類似,前期預期帶給實驗者的僅僅是「偏見」——這樣的幼稚觀點是行不通的。理論——更確切地說是理論的不同層面——除了稍稍改變清晰的世界觀之外,可以做的還有很多。以麥克斯韋的情況為例,恰恰因為他未進行量化預測,所以才無法瞭解目標效應的大小程度。很久之後,德哈斯以及德哈斯-洛倫茲說明了裝置傾斜弧度僅為0.00013。若麥克斯韋當時也能瞭解到這一點,可能就不會將其實驗作為電流無慣性性質的證據。同理,在1908年,對於預期的磁場強度數量級巴奈特並沒有進行量化預測,因此他更加難以發現目標效應。

因此,就粗略層面而言,理論的作用僅僅是指出旋轉與磁化作用之間可能存在的關聯。大範圍的假說當然同樣也可以將現象領域排除在外,如同19世紀末麥克斯韋派物理學家在描述電流時選擇的是場而非粒子。在更為具體的層面上,理論設置了一個數值標準:e/m約等於L/M。完全組裝之後的模型更為特別:負電子環繞著原子核旋轉。除此以外,另一個理論將現象聯合起來,確定了可以進行觀察的領域,為結果進行定量,使得實驗者確信背景效應已經得到了控制。

為了避免可取證據受到過度制約,實驗家是否可以簡單地決定保留所有數據?答案當然是否定的。在完成實驗之後,斯圖爾特發現粗導線很有可能產生過大的去磁效應,從系統上改變他的實驗結果,因此在g的平均值計算中排除了粗線的情況。同樣,巴奈特也將其1914年所做的實驗排除在外,這是由於在實驗完成時他就發現地磁場並未得到充分的中和。愛因斯坦和德哈斯也摒棄了過小以至於無法精確觀察的光點移動數據。基於理論與實驗的共同作用,此類判斷並非「不佳」實驗的特點,而是實驗事業的一部分。關於這一點已不必贅言。

所有這些因素將實驗家們置於持續的兩難境地中。一方面,若沒有了理論,面對物理他們將失去引導性的定性意識,對效應的大小也將無法進行量化預測。當目標被遮蔽於陰暗之中時,他們很難發現目標效應,也很難將它們從干擾因素中分離出來。從這一層面而言,理論——毋寧說是理論的多個層面——自發地向可取數據施加著必不可少的約束力。在繞軌電子假設的基礎上,任何欲嘗試旋磁實驗的人在得到過大的效應時,都會因為其與磁化鐵棒和地球磁場間的直接耦合具有一致性,而對該效應不予考慮。另一方面,考慮到量化預測情況,實驗家最終不得不(至少含蓄地)宣佈不存在更多的系統性誤差。雖然看起來自然而然,但是這個停止的點往往是預測結果的所在。核物理學家馬丁·德伊奇(Martin Deutsch)曾對這個謎題做出了這樣的解釋:

因為知識偏見,我們拒絕了同預期觀念難以協調的證據,因為無關宏旨的問題,又在追求儀器機巧中耗盡了日日夜夜,每位進行此類實驗的實驗者當然都有這樣的野心:想要獲得發現,想要在這樣的兩難境地——知識偏見和無關宏旨的問題——間安穩地破浪前行。[1]

在本書所探討的系列實驗中,面臨的兩難境地一邊是繞軌電子理論,另一邊是鐵棒與外部磁場的磁耦合、巴奈特的渦電流以及(愛因斯坦與德哈斯所使用的)柏林裝置所確定的並不充分的實驗參數。

人們可能會期望,在實驗中同時存在著具有說服力的理論假說和確切的定量預測。通常情況下,實驗者發現預期的結果時,無論其與後來發現的實際情況是否契合,都會終結實驗。實驗是如何終結的?在提出這一疑問時,我們就被迫放棄了對實驗結果的單純描述,轉向對儀器與理論的信仰,它們被隱藏在實驗實踐之中。我們發現哪些儀器是新型的、不熟悉的,哪些實際上是工匠之手的延伸。在約束實驗的各個理論層面之中,囊括的信仰範圍由包羅萬象的形而上學原則到半途而廢的詳細模型。


註釋

[1] Deutsch,「Evidence,」Daedalus(fall 1958):88-98 on 97-98.