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短期約束

最後,實驗的設計與闡釋可以通過特定的理論與模型,以及類似布羅代爾的「個體時代」的約束來構成。其中為數不多的不同的理論模型可以與任意綱領下的廣泛約束共存。但準確地說,因為這些模型會決定確切的數量預測,所以眾所周知,他們在控制實驗者做出終結實驗的決定方面是有效的。如我們所見,愛因斯坦有著一個綱領性的目標,要解釋或至少測試零點能量。在第一次與斯特恩(Stern)完成的模型失敗後,愛因斯坦回到起點,尋找一種能夠解釋這種神秘能量的原理。當愛因斯坦思考與斯佩裡的專利侵權訴訟時,他看到在航海陀螺羅盤中存在一個完美的類比:地球自轉與陀螺羅盤的關係就好像鐵棒旋轉與軌道電子的關係。

不僅僅是愛因斯坦對於對稱性的一般信仰,更確切地說應該是普遍原理、綱領性目標以及切實的物理模型的組合形成了不可阻擋的理論預設。因此,當愛因斯坦開始他的實驗,得出了著名的g=1結論時,他便以一種帶有傾向性的方式對系統誤差進行評估,從而認定實驗結束。

密立根也有特定的定量模型用於引導他從廣泛的形而上學的綱領性的信仰到用實驗方法能夠測量的數據。通過確定確切的數量預測,確切的模型有助於確定數據的可接受性或不可接受性。像在愛因斯坦與德哈斯的實驗中那樣,理論決定了密立根對於數據的評估。正像愛因斯坦與德哈斯在與他們預期不一致的數據中發現問題那樣,密立根也力圖通過攪動雲室中的氣流來動搖安德森的言論,他宣稱曾拍攝到更具活力的電子,已超出一直受到廣泛支持理論的允許範圍。

特定的模型是有餘理的,但並不一定是可視化的。奧本海默採用幾種簇射模型來規避完全運用量子力學運算這一棘手問題。一種模型僅僅是啟髮式的;而另一種是更加具體的,由與氣體擴散的類比構成。加爾加梅勒合作者必須塑造有穿透力的中子,即使沒有能夠描述這些粒子中通過混凝土與液體的粒子的基本物理定律。然而,有許多有用的現象學模型用於計算:一些粒子中含有移動固定距離的中子;而其他的則含有帶有不同能量的中子分散各處;最複雜的是讓中子在中子流中析出。對於哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室實驗團隊來說,需要類似的本土實驗方法。尤其是在第一次E1A實驗中,最迫切的需求是要建立μ介子的角分佈模型;在第二次實驗中,探求強子穿通防護鋼殼是至關重要的。

特定的現象定律起到了多方面的作用。他們可用於計算背景效應。也可用於確認本身的信號。在許多情況下,這些定律用於判斷設備是否可靠,如在測試結果違背描述電子或者熱力學的完善定律時。就卡爾森和奧本海默的簇射計算來說,他們的工作促成了一次引人注目的關於實體與效應的重新關聯。通過將量子電動力學理論與簇射現象建立一種定量關聯,奧本海默引發了對雲室徑跡應該符合用電子來作為解釋的效應分類這一意義深遠的重新考量。在1935年之前,物理學家認為簇射現象為「爆炸」,新物理的暗示;實驗者將直接徑跡作為高速原子違背量子電動力學的證據。在奧本海默之後,物理學家引證簇射作為普通量子電動力學事件的證據並展示直接徑跡作為一種新粒子的證據。奧本海默的工作重新描繪了高深理論與實驗數據的聯繫,引發了實驗方案的全新修訂。他重新對之前被認為是沒有問題的現象提出質疑,同時確保之前存在問題的效應不再出現問題。

引入短期實驗約束是因為在實驗者信任了一種設備之後,甚至在特定設備中,問題仍然存在:能夠相信這樣的實驗或者氣泡室圖片嗎?設備是不是給出了偽造的結果?在粒子物理學中,這些問題從某種意義上講構成了比年鑒學派所夢想的更加直白的歷史故事。因此,在此層面上,關於每個實驗結果、每條軌道以及每個信號的數據都必須分類。

有時,可接受性的標準是常規的。事件是否高於特定的能量?附近是否有其他的徑跡?其他的測試,通常不是那麼的正式,經常用於評定儀器在特定運行或實驗中的性能。這樣的決定在局外人看來是極其武斷的。教科書中不會告訴你成群的物理學家聚集在歐洲核子中心周圍反覆討論實驗備選方案。這可能是由於那個經久不衰的言論,至少在採集數據的層面上,人為干涉不應該發生在實驗中,或者是如果發生了,任一選擇標準均應完全符合預先提到的規則。但在這裡,像在每一個科學的流程中,實驗程序是既不守規則統治也不是武斷的。刻板和無序這種錯誤的二分法是不適用於數據的分類以及所有其他的解決問題的活動。數據採集需要像修改原理應用或設計設備那樣多的判斷,這是不是讓人感到很驚訝?

準確地說,打破常規使得一位歷史學家評價艾伯特·邁克爾遜(Albert Michelson)干涉儀「更像是藝術而非科學」,並且引用了一則趣聞讚美邁克爾遜的設備為「如果由邁克爾遜操作的話,這將是一件非同尋常的儀器」。[1]當邁克爾遜記錄道:「經常發生的是,由於一些細微的因素(其中由於受熱天花燈彈起)條紋會突然改變位置,在這種情況下,這一系列的觀察結果被駁回,另一個新的系列觀察開始。」[2]從中得到的教訓並不是實驗是反覆無常的或者實驗者是「有偏見的」。而是我們必須將實驗室判斷從始至終視為實驗過程中細微但又至關重要的一部分。邁克爾遜用訓練有素的眼睛及雙手來估計什麼時候甚至其他光學專家都不會注意到的圖像中瞬間的振動能成為停止運行的理由。

要總結構成實驗活動框架的不同實驗與理論約束,帶有實例的圖表是很有幫助的:

以這種方式劃分理論和實驗約束的優點是避免傳統的科學印象如同不可分割的網從高深理論降低為觀察規律。從哲學角度來說,看起來較高層次的原理對於證明低層次的原理是必要的;然而,在科學實踐中實驗者很可能會放棄更加抽像以及更高層次的信念而去保持那些低層次的。安德森放棄了「初誕生之啼哭」理論圖景,保持低層次的信念不去改變大多數為研究宇宙射線能量而設計的實驗程序。巴奈特通過地磁學、古老的量子理論以及完全成熟的量子力學繼續他的研究。當支配一切的理論架構被遺棄時,邏輯相關的低層次模型也必定會被摒棄,這不是不可避免的。歷史,並不是先驗的推理,必須確定在一個可靠的信號與背景的分離過程中這些層次所起到的作用。

由於認識論及史料編纂的原因,我們必須承認實驗訓練與理論訓練、技術以及判斷並不是必須同延的。未來,隨著自然科學的其他分支經歷理論與實驗的分裂,我們將需要一個關於理論者與實驗者關係的更好的定性描繪。必須在沒有暗示他們從未互相影響的情況下,贏得局部自主性。此關係的一個模型可能來自於文化歷史,其中歷史學家必須定期地努力克服單一社會內多元的亞文化。卡羅·金茲伯格(Carlo Ginzburg)對於一位16世紀磨坊主的宇宙學的傑出研究闡明了這個問題。[3]金茲伯格解釋了這位磨坊主是如何收集成熟的基督教神學的片段並將他們植入具體的物質主義的背景中,將創作本身比作奶酪中自然產生的蛆蟲。通過探索農民世界觀的內部一致性,金茲伯格描繪了一個農民的「低階」文化,不僅僅是高階文化的「變形」,也不完全受高雅文化支配。每種文化都會借鑒其他文化,將借鑒的內容轉化併合並到其核心內容中。文藝復興協會同時接受高階及低階的文化。同樣地,我們可以將更大的物理學科視為同時包含了實驗者的文化與物理學家的文化,這兩種文化擁有各自的規範標準、對方法的信奉,以及規劃的目標。兩種文化的區別存在於20世紀大部分時間裡,但高能物理學的規模與複雜度已經拉大了存在的差距。


註釋

[1] Swenson,Aether(1972),64.

[2] Michelson,「Luminiferous Ether,」Am.J.Sci.22(1881):125-126.

[3] Ginzburg,Worms(1983).