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長期約束

在區分形成實驗背景的理論假設標準時,打比方說,我們能夠從歷史的另一分支吸取教訓。面對描繪整個文明歷史的艱巨任務,年鑒學派的創始人之一,費爾南德·布羅代爾(Fernand Braudel)將歷史時期分為若干個不同等級。在布羅代爾關於地中海文明的作品中,他發現將事件置於他稱之為「地理時代」、「社會時代」以及「個體時代」中是非常有用的。[1]例如,地理時代包含了對於文明發展的廣泛趨勢在山區(發展成為農業民主制)及平原(發展為更為集中的政治形態)所存在的差異的描述。因此,地貌的宏觀特徵是以障礙物的形式呈現——並非絕對的障礙,但是可視為人類文化發展的阻力。布羅代爾將包羅萬象的歷史與「社會時代」區分開來,指的是更加嚴格的中期發展,在這一階段,包括封建主義在內的社會經濟制度興衰更迭。在布羅代爾的方案中,上述提到這兩種時代均區別於短期的「個體時代」,指的是在某一歷史事件中,指定的國王發佈聲明及訂立條約。每一層級均針對歷史的行動者的行為給予相應的約束。通過瞭解這些地理、社會以及個體約束的交點,布羅代爾試圖對於做出特定決定的原因給出更加詳實的解釋,例如宣戰。

在物理學的歷史中,我們可以將布羅代爾針對通史所提出的長期、中期以及短期約束的思想,拓展為明晰早期的實驗及理論信仰是以何種方式幫助那些實驗者為採用合理的信仰及行為縮小選擇範圍。實驗者通過使用所有可用的工具、計算方法、建設方法、解讀方式、操作方式以及類似的工藝來尋求排除某一現象的可替代選擇。此排除過程在決定結束一項實驗項目時得以告終。

什麼是實驗者工作時需要經歷的長期理論約束?這些可能包括對方法論的形而上學承諾以及超越關於事物本質的特定信仰興衰更迭的目標。例如,在19世紀末期,能量守恆定律提出了一項長期的理論約束,對於任何實驗者來說,這一理論約束都要設定在實驗的設計或闡釋中;如果實驗結果與能量守恆定律相矛盾,實驗者會重新檢查實驗的儀器及流程。某些約束條件可能是由實驗者不自覺地強加進去;而其他的可能是由於沒有注意特定紀元的理論而必須面對的。這樣的假設為布羅代爾的地理時代提供了模擬,因為他們不會附加於任何單一研究小組的目標中,甚至通常不會附加於某個單一科學領域。

另一個長期承諾的例子是考慮理論假設,假設特定的解釋應該是有目的性的。這不是那種科學家引入僅僅使用一個為期三個月的設想,而是要持續幾個世紀的信仰。有時,正如傑拉爾德·霍爾頓所提出的,跨文化承諾可能會以有主題的配對形式出現,以此信仰為例:性質必須用連續或獨立的物質來解釋。[2]像這些慢慢演變的形而上學約束即使是在基於特定制度構建的短期項目經歷盛衰時通常仍能保持穩定。

關於旋磁實驗,愛因斯坦帶著對幾個截然不同的層次的期待開始這個實驗。在普遍性的最高層次,愛因斯坦致力於統一原則。正如我們所看到的,在近一個世紀以前,安培已將磁學和電學的統一視為自然哲學的理想目標。因此,愛因斯坦在對統一的熱衷方面很難做得獨一無二。公平地說,對於愛因斯坦,幾乎沒有什麼能夠比為之前認為不同的兩種現象假定一種解釋能產生更大的吸引力。安培假說及洛倫茲電子剛好符合要求。

像愛因斯坦一樣,密立根憑借堅定的信念開始新射線的研究。在普遍性的最高層次,密立根堅信賦予這個世界不斷前進力量的上帝是不會允許宇宙停止運轉,驅散熱量並終結生命。這是一個廣泛流傳的信仰,不僅僅限於物理領域、加州理工學院以及美國,甚至20世紀初期。為達到我們的目的,此信仰是有重大關係的。因為密立根認為他能夠確定一種原理,能夠證明大自然通過遞升次序來避免熱寂現象。物質能夠自然地組成更高級的元素。在密立根的絕大部分科學生涯中,他對於宇宙射線的興趣是受到將此哲學信仰引入到物理過程的可能性的鼓舞。

在規範物理學的時代,那些特定的長期宗教約束,例如密立根所採用的,很明顯是不切正題的。但聯合各種力量的願望仍是關係重大的,可以作為理論建設的動力指南;也可以作為格拉肖、溫伯格,以及薩拉姆等人的規範理論的一種美學建議。當E1A小組試圖勸說羅伯特·威爾遜——他們團隊中的實驗者及主管領導批准他們進行這項實驗,以此拉開新型加速裝置的序幕時,他們將自己比作過去偉大的統一者:「我們現在可以與150年前的奧斯特、安培以及法拉第平起平坐,就像他們嘗試引出電與磁間的聯繫那樣偉大。」引發此類豪言的理論發展來到一個極高的抽像層面上。赫拉德·特霍夫特已經證明了整類規範理論的可重正化性——一項很基本的數學事實。總之,關於規範理論的理論興奮點引起對理論種類的關注。其中格拉肖-溫伯格-薩拉姆模型脫穎而出。作為統一理論之一,特霍夫特使其更加引人注目。並且此理論預測了一種與荷電流效應足夠相似的效應,可以在現有設備上按照他們所熟悉的荷電流比例加以應用。

長期約束不需要理論性。實驗工作不會隨著理論的創新而徹底改變。頻繁發生的是,同一個人使用相似的儀器跨越理論上的分歧繼續他們的工作。旋磁實驗開始於玻爾的首件原子模型誕生之前;工作通過舊量子論甚至憑借成熟的量子力學的起源以一種實質上連續的方式得以延續。安德森在密立根的理論困擾他之前就建立了雲室,並且他憑借那些早期理論以及量子力學繼續研究工作,一直延續到20世紀50年代拉開現代高能物理序幕的粒子的發現。E1A與加爾加梅勒實驗者通過部分子模型帶來了用於W研究的專業知識、設備與技術,並將其引入到20世紀70年代的弱電規範物理中。

實驗文化是基於專門的技術——消除各種背景的能力及對設備有效限制直覺般的熟悉感。此類的判斷經常僅僅通過反覆使用特定的儀器來實現。直到曼恩與魯比亞研究E1A時候,他們是火花室與普遍電子裝置的專家。同樣地,他們在歐洲的眾多同行擁有經久不衰的用於氣泡室的知識:攝影、光學、掃瞄,在更早的氣泡室工作或乳劑與雲室的研究中掌握的影像、光學及掃瞄技術。

在這我們看到一段隱藏的物理歷史的跡象,理論分歧並沒有劃分它的時期。在第3章和第4章,我們一次又一次地目睹了兩種截然不同風格的實驗。一種包含了視覺探測器,例如在薄膜上刻有個別事件細節的雲室與氣泡室。電子監測儀周圍形成的完全不同的傳統,以第3章中提到的電子邏輯電路以及第4章中提到的帶有邏輯電路的火花室與之抗衡。與這兩個傳統有關的是關於證明的信仰和態度。形象傳說中的實驗者懷疑有一些隱藏的機制可能作用於邏輯傳統宣稱的結果中。美國國家先進製造項目機構針對羅西的符合實驗的質疑便是最好的例證。另一方面,邏輯傳統仍堅持提供大量事件的描述,以對抗被斯特裡特貼切地稱之為對「任何事情終會發生」的恐懼。

當受到挑戰時,傳統的優勢經常是很明顯的。當克萊因由氣泡室的圖像傳統轉向E1A的電子邏輯探測器時,他繼續探究曾在他職業生涯早期起到重要作用的「黃金事件」,即使其他火花室的科學家從未採用過這種形式的證明。

在這些例子中,我們逐步降低了原來高層級的物理觀點。這些觀點似乎認為此學科中所有引人矚目的問題都是由高深的理論構成的。對於實驗文化的一段恰當的長期歷史,我們必須降低另一個層次到通過學徒期從一代到下一代的儀器實驗。在較低的層次,會看到三個疊加的歷史延續:有一段技術發展的歷史,在這段歷史中特定的設備及實驗對於統一風格的承襲儀器是共同的;有一段教育連續性的歷史,會延續一個相同風格但通過不同的探測設備展示給學生;有一段辯論的歷史會包含數據及黃金事件的不同用途。只有在20世紀80年代初期,這兩個傳統合併,在那時電子探測設備能夠製作計算機設備構建的高分辨率圖像,使得個別事件獲得了意義。

整個領域在很大程度上未被探索。[3]雲室物理學家是如何並且為什麼要轉向氣泡室及核乳膠領域?對立面的物理學家是如何創造並應用火花室及絲室的?誰喜歡大量統計數據並且是誰發現了在「黃金事件」中最有利的證據?關於此類儀器史只進行了第一步,但這樣的描述對於提供物理目標及構成實驗室生命的靜態技能間的聯繫是至關重要的。


註釋

[1] Braudel,Mediterranean(1972),21.In On History(1980),31.布羅代爾說道:「一些結構,因為壽命較長,變成了無盡的代際更迭中的穩定元素。他們進入歷史,阻礙歷史的洪流,同時塑造著歷史。另一些結構則壽命很短。但是所有這些皆同時提供支撐和阻礙……只要想一想打破地理框架的難度,一些特定的生物學現實,一些來自生產力的限制,甚至是特別的精神上的約束:精神上的限制也能夠形成長久的精神桎梏。」

[2] Holton,Thematic Origins(1973),esp.28ff.

[3] 使用儀器的歷史沿著這些線索發展的初級階段可參見:Galison,「Experimental Workplace,」In Achinstein and Hannaway,Experiment(1985).