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「原子初啼」背後的信念

密立根和卡梅倫於1926年發表的論文是密立根之後數年一直不懈追求的主題的早期展示。除了他周圍的學生和同事之外,這一理論幾乎無人認可,那麼該理論為何對他具有如此大的吸引力?幾方面的因素在其中起到了作用。在初誕生理論的發展中,密立根對原子核結構和元素轉變(或進化)的早期興趣起到了何種作用,羅伯特·卡鞏(Robert Kargon)曾進行了闡釋。[1]羅伯特·賽德爾(Robert Seidel)認為,在20世紀20至30年代早期之間,密立根提出的觀點引人注目,對於宇宙射線研究的支持基礎而言,具有十足的誘惑力。[2]

另一方面的因素也必須被考慮在內:密立根的宗教思想與他的元素起源理論間的聯繫。密立根同亞瑟·康普頓(Arthur Compton)、亨利·羅蘭(Henry Rowland)、埃德溫·肯布爾(Edwin Kemble)等其他當時的美國物理學家一樣,也是牧師的兒子。實際上,密立根認為自己所受的宗教教育對之後的人生而言至關重要,在餘下的人生中,他的著作中一再顯示出了這一主題:嘗試在對上帝的信仰與對科學的探究之間進行調和。用他本人的話來說,「一個有思想的人若真正理解了科學與宗教的含義,就會明白實際上兩者之間並無牴觸,於我而言這一點是很明顯的、無可爭辯的」。[3]

密立根在其撰寫的《科學與生活》(Science and Life)一書中,曾有過以下的表述,這也是他在這些問題上的典型觀點:

在世界史中,曾出現過兩次重大影響,它們將美德變成了上帝觀念中的突出特點。第一次影響是拿撒勒的耶穌,另一次是現代科學的發展,尤其是進化論的發展。[4]

因此,「進化」在密立根的思想中佔據了獨一無二的地位。密立根通過它不僅瞭解了達爾文進化論的盲目變異和選擇性保留,而且對更為普遍的、適用於有機和無機研究領域的發展概念具有了一定的認識。廣泛傳播的美國式用法推廣了生物學概念,使其與社會和智力變化方式相融合,對進化的闡釋可以輕易地與此用法達成一致。因此,密立根將達爾文捧上了物種進行性變化之發現者的神壇時,這位《物種起源》(Origin of Species)的作者卻將自己的榮譽分給了倫琴、居里夫人和發現元素進化的亨利·貝克勒爾(Henri Becquerel)。[5]

密立根認為,反射性衰變這一發現的重要性在於,它說明了宇宙中的某處正發生著逆過程,阻擋了熱力學「熱寂」理論的傳播。「熱寂」現象是討論的熱點,指宇宙的熵達到最大值後,整個宇宙冷卻,所有生命消失。密立根在1912年寫道:「使用鐳和鈾時只能發現衰退結果。但是幾乎可以確定,這些元素一定還在某處以某種形式繼續形成著。在某個星體上的實驗室裡,可能正在進行著這些元素的組合。」[6]密立根一再辯稱,正如上帝會介入動物進化的進程一樣,上帝也會介入元素的進化過程。有機和無機進化促進了「進入思想世界的發展理念」,互相協助著開闢了宗教思想的最高階段。[7]

在密立根和卡梅倫「建立」了宇宙射線能譜之後,在1927至1928年的兩年間,他們轉向了對量化方法的改進。密立根把這一研究階段比作1910年前後對電子電荷的精確確定時期。[8]因此,這些前期實驗值得進行簡略的檢查。密立根曾使用鈾對雲室裡的空氣進行電離;噴入雲室的油滴獲得了電荷。施加強電場後,油滴的降落速度減慢,甚至會轉為上升。瞭解了霧滴降落定律和電場強度之後,密立根可以得到e值。在改進了實驗之後,每次連續運行的精確度均較之前得到提高。毋庸置疑的是,在初誕生理論的背景下,這些精細的改進在密立根提出實驗時已經在他的頭腦中形成了。

但是,密立根繼續深入進行了油滴研究工作。針對「密立根和菲力克斯·埃倫哈弗特(Felix Ehrenhaft)對電荷是否具有連續性」這一爭論,傑拉爾德·霍爾頓在其分析文章中表示,密立根的油滴實驗中不僅包括對電荷相關技術問題的爭論,也包括對方法學和哲學問題的爭論。[9]密立根支持原子理論,在總體上也支持自然界顆粒性質的看法。相比之下,當時維也納大學的副教授菲力克斯·埃倫哈弗特對原子理論表現出了愈加強烈的反對態度。[10]除了這一分歧外還存在著另一個問題:密立根表示「發現」了電子;他的方法務實,信奉的理念是實用主義。在歐內斯特·馬赫(Ernst Mach)和安頓·蘭帕(Anton Lampa)之後,埃倫哈弗特將電子的「本體」問題擱置一邊,傾向於僅通過預測值來判斷假說。

密立根廣泛的方法論假設帶來了實驗物理學的直接結果。由於堅定信仰的力量,他未將同電荷原子假說不一致的測量值納入考慮範圍中。因為觀察條件不夠理想,他並未採用部分油滴數據。比如,若一滴油滴的可觀測時間較短,不足以記錄下較佳數據,則相對於長而謹慎的操作而言,受到的重視程度較低。但是在其他情況下,對不採用某次操作的理由並無明確解釋,實驗結果與平均值e相差較大,足以使它們被摒棄。鑒於許多「失敗」的操作都是由特定的原因(電池故障、霧化器失靈、對流)引起,密立根有時可以假設裝置並未工作,或假設觀察到的現象本身就是「背景」效應;他曾在手冊中記錄下了「e=4.98一值說明它不可能是油滴」。[11]

由此,密立根的務實態度對他的實驗物理學研究造成了直接影響。他認為自己測量的是真正電子所帶的電荷:當他得到的電荷同其他測量值大相逕庭時,他會將其歸因於其他原因。根據其他假設進行研究的物理學家可能會將這樣的測量值認作是可靠數據。回顧看來,密立根所做的部分數據選擇貌似是有問題的。但是,即便他像競爭對手埃倫哈弗特一樣,將所有測量值都囊括進考慮範圍內,面臨的結果也將是同樣的:每個可預想到的e值都同樣具有大量幾乎無效的數據。從愛因斯坦-德哈斯效應情況來說,武斷地宣佈「實驗方法」並無裨益,密立根面臨著一個選擇:忽略所有引起混亂的預期,或者死板地追隨前期觀點、使實驗者無法發現新的結果。在這種情況下,密立根充滿經驗的眼光發揮了重要的作用。他的e值證明了物理學具有無邊際的應用範圍,而埃倫哈弗特對一切結果的嚴格記錄最終卻一無所獲。

鑒於密立根早期的成功,我們可以瞭解到他對宇宙射線能量離散能帶的迷戀。他認為自己對宇宙射線的研究將要達到一個足以同後來的油滴實驗相比擬的時期,該時期是指一個實驗階段——他希望能帶的離散是來自背景作用,如同17年前原子電荷概念的清晰化一樣。此外,在密立根早期的方法論規則中,我們可以發現一些線索:他對很容易顯現的、原子核的直覺模型的支持,以及對高度抽像的、唯心的量子力學及其波函數和非交換代數的反感。這樣的考量必定與密立根為自己和同事規劃的謹慎、務實的項目相距甚遠。因此,奧本海默對約束效應和克萊茵-仁科方程式的高級理論無法動搖密立根的信念,也就不足為奇了。

實用性、宗教性、方法論的和科學性興趣的集合將密立根同初誕生理論的基本宗旨緊密聯繫在一起。但是反對意見開始逐漸增多了。有一個人可以直接被密立根加入他的直接防禦名單中,這個人就是他的博士生卡爾·安德森。


註釋

[1] Kargon,「Birth Cries,」Analytic Spirit(1981).

[2] Seidel.thesis(1978).esp.chap.7.「Cosmic Rays.」關於密立根和工業家們的熱烈討論,參見Kargon,Rise of Millikan(1982).

[3] Millikan,Science and Life(1924),43.亦見Kevles,「Millikan,」Sci.Am.(January 1979):142-151.

[4] Millikan,Science and Life(1924),59.

[5] 對密立根而言,這種無機演化的推論並不特殊;比如,埃丁頓也有類似猜測。Bromberg,「Particle Creation,」Hist.Stud.Phys.Sci.7(1976):161-191,note 39,and Kargon,「Birth Cries,」Analytic Spirit(1981).更多關於美國文化泛化「進化論」,參見Hofstadter,Social Darwinism(1959).

[6] Millikan,「Radium,」talk,Washington,reprinted in Science and Life(1924),27-28.

[7] Millikan,Evolution(1973),81.

[8] Millikan and Cameron,「Bands,」Phys.Rev.31(1928):922.

[9] Holton,「Dispule,」in Imagination(1978),25-83.另一個關於密立根對數據處理的討論,參見Franklin,「Oil Drops,」Hist.Stud.Phys.Sci.11(1981):185-201.

[10] Holton,「Dispute,」78-79.

[11] Holton,「Dispute,」69.