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現象的直接性、穩定性以及固執性

規程、設計、解釋和數據的認可共同鑄就了實驗的終結。其中的每個環節都影響著一部分證明以及人工物的分離,任何忽視了艱辛過程的科學記述都錯過了實驗室生活的真實內容。約束偶爾也起到了超乎尋常的作用——至少是在互相競爭的科學家和物理學家實驗之後的工作中。這時,其他的物理學家或許會根據一個實驗程序或一個理論上的考慮而將一個信號歸入背景,或是從無數的背景中分離出一個信號。正因為如此,認為實驗只要遵循了固定的實驗程序就能夠得到確定的實驗結果,而實驗結果不依賴之前的理論和實驗的想法是荒謬的。這本書中到處都是反例。

我想要按照歷史學家的方式引入約束的概念來指定限制性並非絕對嚴格。在這,我對於實驗過程的解讀明顯不同於某些科學社會學家,他們想要將實驗室的決策約減為履行主要理論「利益」的行為。中性流的事例是有指導意義的,因為關於中性流已經存在「有力」的社會學解讀。首先,社會學觀點認為,通過觀察所得的推論並不是獨一無二的:「加爾加梅勒的實驗者的解釋實踐原則上來說與絕對強制性的同意相距甚遠。」[1]短語「原則上來說」的深層含義是很重要的;他指的是一個可能但不需要存在與歷史記錄中的虛構的論點。

因此,當要捍衛「爭論可能永遠不會停止」這一觀點時,感興趣的理論家經常會引入這樣非歷史性的措辭:「每個人可以很容易地想像一位足夠堅定的批評者……」他能夠對闡釋中大量的特定行為假設提出異議。第二,社會學的解釋還在繼續,因為通過觀察或者實驗所得出的理論結論的不充分決定論,需要除理由以外的一些內容來穩固他們的想法。「這種穩定力是什麼?」「很簡單,」論點總結道,「粒子物學家接受了中性流的存在,因為他們能夠看見如何在中性流真實存在的一個世界中有利地從事他們的工作。」[2]更廣泛地說,每位科學家都可以選擇「通過拋硬幣來決定各自的立場」,但是世界並不是那樣無規矩的。該如何解釋這種一致性?「高能量物理學的世界是由社會產生的」。[3]

實驗是否可以還原為這樣的利益推演?如我們所看到的,E1A團隊有一段時間發現不存在中性流,他們就此寫信做出說明,甚至就結果起草了一份文件。直到1973年末,他們一直都相當依賴這份聲明。與並不存在中性流這一結論一致的意見會證明他們先前的謹慎是正確的;他們會反駁歐洲核子中心並且否定之前歐洲科學家的結論。因此,重新閱讀克萊因1973年12月10日的備忘錄是令人感到震驚的。備忘錄以簡單的陳述開始:「現在我不知道怎樣使這個效應消失。」這些話宣告克萊因放棄了他整個職業生涯對於不存在中性流這一理論的信奉。「利益」不得不屈服於那些宣佈古老信仰站不住腳的交織的思想聚集以及實證結果,即使那些信仰仍是「邏輯上可能的」。

因此,我認為宣稱早期或者後來的弱力理論從任何重要角度來說不可比較或在科學家的陳述中被設想不受測試影響是極其虛偽的。[4]在E1A實驗中,在建立廣角μ介子損失時有很多的困難,但絕對沒有任何測量或者運算涉及格拉肖-溫伯格-薩拉姆理論。當然,在現實世界中,背景計算包含理論,但是沒有什麼內容提到涉及的內容會使物理學家不可能(或者不合理的)從一種信仰,正如許多E1A的成員所做的那樣,得出否定起初假設的實驗結論。

這一切不是要說科學界的社會學不重要。我們已經看到數據簡化、設備設計,以及實驗目標是如何經常由科學界的集體信仰形成的。並且這些物理學家畢竟是人,激烈的競爭帶給E1A以及加爾加梅勒巨大的壓力,正如曼(Mann)所說,「在舞台的中央」,所有的注意力都放在提交結果上;當E1A沒有發現任何中性流時,這毫無疑問地促進了加爾加梅勒團隊再次在中心背景上加倍努力並且開展他們的質子串級測試。曼和克萊因之前的經歷很明顯地有助於推動他們用13英吋的鋼板重新做實驗。但自始至終地,參與者從事於論點的建立:圖片推理,運行蒙特卡羅法,按照位置、能量以及角度減少數據,以此來隔離原因與消除備選。

想到安德森放棄了他的資助人密立根的反熵理論;安德森不能不予考慮他曾經觀察的高能粒子。密立根控制了加州理工學院的財政大權,他在物理界的權力極大地掩蓋了安德森的光彩,並且如我們所見,密立根幾近癡迷地信奉他的初誕生理論。當然,安德森的實驗與闡釋形成於密立根方案塑造的環境中。但是,安德森最終還是提出了異議,因為他自己的數據越來越明顯的指出存在的粒子能量遠遠超過密立根所提出思想的範圍。

最後,考慮到斯圖爾特、阿維德森以及貝克等沒有特殊聲望的細心的物理學家,他們都沒有提出完全清晰的理論模型來替代軌道電子。然而,他們三個人都接受了g=2這一結果,儘管是全然不顧理論的事實,更不必說愛因斯坦、德哈斯以及巴奈特的結合結果。斯圖爾特說:「事實不存在任何問題,因為這不僅僅是通過每條線還要通過每次觀察結果來表現。並且,觀察結果在數量上及質量上一致。」此結果仍頑固地存在,儘管他已用盡全力去消除:「不可能會造成被認為是理查森效應產生的任何改變,假如事情沒有超出可調整的範圍。」他的告誡警示需要技術來保持物品在可調範圍。「每個合理的測試都不會改變結果。」然後出現一批針對背景的論點:不管他以何種比率應用於退磁場,冒險也是一樣的;180°旋轉樣品並不會改變風險;在某一個特定的點上增加反向磁場也沒有改變結果,符合磁性飽和,並且因此斯圖爾特繼續下去。[5]

微觀物理學現象,像旋磁效應,並不是能夠簡單地觀察到的;他們需要通過各個層面的實驗、理論以及在實驗與背景效應之間建立的因果聯繫等要素作為媒介。然而,效應與實體媒介的品質並不能使他們柔化;實驗的結論非常頑固,不會因理論的變化而輕易地改變。在面對變更的條件時,正是這種穩定性給予實驗者自己深刻的印象,即使是在理論家提出異議的時候。

我想將這種可靠性用坐標軸來描述:分別代表測量直接性的增加和結果穩定性的增強。直接性[6]主要指實驗室的活動使得實驗推理向著包圍因果階梯[7]的方向前行:對預先估算的背景噪聲的測量(比如測試棒的磁化)或者之前對產生同一效果的兩個源一同測量,現在則分別對其進行測量(比如斯圖爾特為了估算螺線管和地球產生的場而採取的分離測量程序)。或者直接性可以指涉信號本身。開始時斯特裡特採用符合測量顯示粒子可以穿透厚鉛板。通過兩邊分別加了計數器的雲室他能夠直接顯示出單個粒子的穿透。另一個例子來自富塞爾:當他將薄板放入某室後,他能夠直接地展示——而非通過大量的爆發式現象推論出——散射粒子通過電子對產生。

通過穩定性我想要表達的是那些改變了實驗條件的某些特徵的程序:在實驗對像、儀器、秩序或者數據分析方面的改變使得結果能夠基本不變。每一個變化使得我們很難去假設一個替代的因果說明能夠滿足所有的觀察。

通觀本書,焦點已經被放在獲得穩定性和直接性的程序。實驗者在他們的決定中運用穩定性和直接性的數據將現象分為真實的或人造的。這種歷史研究方式必須定期取得有悖於理論家、歷史學家、社會學家或哲學家提出的標準的成果是不足為奇的,對於何時實驗者「應該」接受某個實體,他們有著自己的標準。例如,中性流事件的「利益分析」因以下兩個原因不予考慮亞琛單電子事件的說服力:第一,解釋已經開始,是「基於某個單一的事件」,並且

我認為展示缺少特定解釋實踐的強制力是很重要的。因為這是粒子物理學的老生常談。某個單一事件不能夠證明一個新現象的存在,在這方面無需更多的討論。[8]

事實上,粒子物理學中的許多過程在發現僅僅一個或兩個事件後實驗者已經予以接受。在物理學界,並且經常在教科書中重現的一些其他著名的例子有μ介子、Ω超子以及第一個「V」粒子。對於排除單一電子研究的重要性,以社會學角度所給出的第二個原因是這樣的:其他的物理學家引用關於此事件的加爾加梅勒報告少於強子中性流報告。但是到現在,在某個實驗中滿足人們的標準根據外部判斷能夠區別於科學家或者哲學家採用的標準是在意料之中的。

準確地說,因為純粹的輕子通道為此現象提供了一條更加直接的路線。無需任何關於核子內部的秘密或者難以控制的中子背景的假設。許多加爾加梅勒合作者發現有說服力的單電子事例。在某種意義上說,輕子與強子的信號是互補的:輕子信號不夠穩定(可再生性差)但更加直接;強子信號更加穩定但不算直接。對於一個作為整體的團隊,整合構成了他們的論點。然而,對於加爾加梅勒協作中的許多參與者來說,包括佩金斯(Perkins)、菲斯內爾(Faissner)以及莫芬在內,單電子事例是至關重要的。而對於其他人來說,可愛的畫面只是錦上添花。在協作中,這種觀點的差異性值得更進一步考慮,並且我們會立刻重新研究。

伊恩·哈金以類似於上述的觀點來爭論實驗實在論。通過關注實驗者的干預能力,就像斯圖爾特所做的,哈金認為實體是可以有根據的。「就我而言,」哈金說,「我從未過多地去考慮科學實在論,直到一位朋友告訴我一個以發現分數電荷〔夸克〕而正在進行的實驗。」「要改變一個測試鈮球上的電荷,」哈金的同事繼續說,「『我們在鈮球上噴上正電子以增加電荷或者噴上電子以減少電荷。』從那天起,我已經成為一名科學實在論者。就我個人而言,如果你能噴塗他們,他們就是真實的。」[9]

根據哈金所述,介入的特殊力量開始發揮說服作用。因為一旦我們能夠使用一個實體來探索新的現象,原來的實體與如此多不同的因果鏈有關,以至於它以另一種方式再現許多效應是不合理的。我們相信電子因為我們能夠製造「使用各種各樣的容易理解的電子因果屬性去干涉其他更多的自然組成部分的新設備」。[10]哈金認為這種操作在理論變化的條件下是穩健的,使得電子的討論在新的屬性歸因於電子時仍能繼續,甚至在若干年後仍不會減弱。

在關於實驗的哲學觀點中,我最贊同的是哈金的觀點。我與他存在分歧的地方是他提高了操作標準使其凌駕於其他所有標準之上。以此,他公開表示對黑洞的懷疑。[11]然而,如果我們想要重視實驗實踐,我們需要公開描述證明過程;正是這種公開性由直接性與穩定性這兩個共生思想所捕獲。哈金腦中的那類操作是穩定性的一個亞種,是在可控條件下,數據反應的一種特定的方式。但是也有實驗者發現有說服力的證據的其他方式:直接性取代穩定性,以及穩定性並不涉及干預的論點。讓我們先處理其中的第一點,然後在第6章中處理第二點。

阿爾瓦雷斯在他的單極言論中選擇了安德森的證明正電子存在的方法,他有意識地以一次實驗為例,在實驗中,實驗者不能操作實體;任何人想要像斯坦福直線加速器中心那樣噴射正電子需要數十年的時間。事實上,在阿爾瓦雷斯的報告中,他曾經暫停過,目的是譴責那些有其他想法的人:「安德森的發現這一事實是基於一個單一事件,這一單一事件應得到任何一位可能曾經批評過現在觀察依賴於單一事件的人的注意。」[12]安德森的證明的力量在於它的直接性,清晰的圖片,確定的軌道方向,明顯的軌道電離密度,以及明顯的軌跡曲率。磁場以光學與拍攝的過程著稱。結果,這是決定性的一點,此證明會消除貌似合理的備選方案,例如朝另一方向移動的電子。

安德森的「黃金事件」正電子證明的直接性,在近現代粒子物理學中得以傳承。但是證明的其他方面沒有呈現在早期的小規模的作坊式的物理學中。因為技術的改變以及物理學家團隊對於電腦和工業設備的探索,對特定過程進行協作式聚焦論證對於高能物理學來說是必要的。的確,在幾個方面我們的分析已經深入到能夠無需面對在20世紀的實驗中規模和複雜性的增長。接下來我們來看看這些問題。


註釋

[1] Pickering,「Against Phenomena,」Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):96.

[2] Pickering,「Against Phenomena,」Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):87.

[3] Pickering,Constructing Quarks(1984),406.

[4] Pickering,「Against Phenomena,」Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):409.

[5] Stewart,「Moment,」Phys.Rev.11(1918):112-113.

[6] 當然,在嚴格的邏輯意義上,沒有「直觀」的實驗。在此我贊同杜雷·夏沛爾,他以一種反對通常哲學魅力的方式書寫了關於對天體物理學的直接觀察,他使用「邏輯上可能的物體」並關注在執行實驗期間,特殊的背景信息是否存疑。參見Shapere,「Observation,」Philos.Sci.49(1982):517,「哲學家,而不是天體物理學家,使用了『直接觀察』一詞,這從中心上模糊了對知識的推論性和非推論性研究之區別的重要特徵。哲學家著迷於正式邏輯,將『推論』僅僅看做邏輯詞彙;並且在邏輯的意義上,太陽中子案例中包含的計算和推導都必須被歸類為『推論』——就像對背景信息重要性的要求……以使得那些計算和推導成為事實。但是在認識的重要意義上——這種意義在追求知識的過程中是居於中心的——推論被提及是與推理和結論相關聯,這些推理和結論我們都有特別的理由相信其是存疑的。」

[7] 卡特萊特的《實驗主義者的反擊》(Empiricist Defense)探索了許多關於實驗與因果故事的確定之間關係的話題。

[8] Pickering,「Against Phenomena,」Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):93.

[9] Hacking,Intervening(1983),22-23.

[10] Hacking,Intervening(1983),265.

[11] Hacking,Intervening(1983),274ff.

[12] Alvarez,「Monopole,」Stanford(1975),968.