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第6章規模、複雜性以及實驗的終結

論據的組合

按順序考慮,20世紀微觀物理學實驗的三個新時期展現了在規模方面翻天覆地的變化。從早期的平均值設備經過原始的單粒子探測器最終到高能量物理的機械設備,毫不誇張地說,實驗工作的物質基礎大幅地提高了。通過回顧這三個時期的論據整合,我們可以反思實驗規模對於實驗終結的意義。

經典儀器中相對便宜的機械設備使20世紀早期的實驗者可以依靠他們自己的能力來改變設備以應對各種干擾效應。當德哈斯想要與存在於測試氣缸與螺線管之間的錯位鬥爭時,他重新組裝了設備以便螺線管有形地纏繞在樣本上。他的實驗因此不受背景的影響,並且他的論據也會通過應對可能面對的反駁而得到鞏固。愛因斯坦更加關注另一個難題:當螺線管激活時,樣本磁化,在螺線管與磁鐵之間可能會有直接的磁相互作用。因此他建立一個電路,憑借短暫劇烈的脈衝而非緩慢平滑的循環來改變螺線管磁場。愛因斯坦和德哈斯有一個非常粗糙的頻率儀表;貝克用線和鉗夾組裝了一個更好的。來自柏林的物理學家必須通過眼睛來測量光波並且不得不放棄一些數據——因為振幅太小而無法感知;貝克組裝了一台攝影記錄器。每項舉措都施加了進一步的約束,共同通過明確區分客觀產生的結果與人為造成的結果確立了現象的真實性。

因為平均值儀器受到雲室和蓋革計數器使用壽命的控制,理論與其一起變得愈發複雜。起初,多量子過程隱藏了預測與實驗結果直接的聯繫。這在奧本海默的簇射計算出現前的一段時間是特別明顯的。在他的簇射計算中,單一軌跡與複雜簇射的現象顯露無餘,但他們對於狄拉克的「高深理論」中的原理的認同遠非清晰。在奧本海默提出連接計算方法時,這些計算方法有效地將術語「電子」與「新過程」轉化為筆直的成網狀的雲室軌跡。在實驗方面,儀器本身變得愈發複雜,涉及子系統的增加,包括放大器、邏輯電路、繼電器以及計數器。當雲室物理學家開始將他們的影像手段與電子相結合時,他們必須掌握更為複雜的混合技術。依據麥克斯韋的角度,宇宙射線和放射性實驗擁有了新的資源、新的能量傳送方法,以及,最重要的是,對古老風格探測方法的徹底顛覆。

儘管在用於研究微觀物理學的探測器的複雜程度有著質的增長,但實驗的機構並沒有大量地增加開銷,至少在開始時沒有。個人與小的團隊仍能夠管理實驗過程。

在旋磁和宇宙射線實驗中,我們看到了證據是如何逐漸地變得有說服力。在建設和論證論據的過程中,沒有任何單一步驟足以獲得眾人的一致認可,但累積的過程卻可以實現。實驗逐漸結束過程中的這些步驟是如何隨著大規模實驗的發展而改變的?首先可能是愛因斯坦先前的實驗與E1A所做實驗間明顯的類比。論證可能會繼續進行,每個人都在努力通過增加結果的直接性和穩定性來確定對結果的約束;團隊會改變實驗的條件,探索不同的背景,並最終精選出備選方案以縮小可能結論的範圍。

這樣的重建在幾個方面未能成功:第一個層面,規模上巨大的增長阻礙了從根本上改變儀器的打算;第二個層面,在得出實驗結論之前許多工作必須在儀器已經運行後開展。因此,不像麥克斯韋的儀器,對於終結一次現代粒子實驗的考慮必須估量數據分析在證明中的促進作用。但最驚人的是,錯誤地將大型粒子物理學實驗比作宇宙射線或者經典聚合實驗使得早期的個人實驗及後繼團隊浮出水面。我們將依次考慮這些因素。

大量的火花室是很難移動的,也很難改變大小。一旦安裝完畢,氣泡室或者混合電子探測器是極難改變的,因此當物理學家建造主要的探測器時,他們必須考慮到不僅僅是針對眼下的問題,還要著眼於未來的物理學。但是,如果不能預見到探索新奇現象必要的實驗條件,想做到這點是很難的。並且即使有此預見能力,價值數百萬美元的儀器也必須根據產生合理結果的即時項目交予資助機構保護。大規模儀器的建設必須調和對於現有物理學的適用性以及適應未知情況的靈活性。

例如,幾乎在E1A將目標轉向為對中性流的研究的同時,協作者意識到他們必須要擔心μ介子以大角度洩漏,一種在最初的設備設計中無法預期的可能性。如果他們計算規模是以磅為單位而不是噸,那麼將火花室的大小擴大一倍就會是很簡單的一個問題。反之,裝配上更大型的探測器是一項精細的、昂貴的工作,要求實驗停止幾個星期。建造、測試以及將各種更大的室組裝成儀器需要幾周的時間。同時,團隊減少了鋼製μ介子外防護的大小,也並非微不足道的任務。

當然,增大的規模在構成證明時有利有弊。最明顯的是中微子,因為他們很少發生交互作用,所以他們必須有一個數噸級的目標使其從根本上發生交互作用,越大越好。更微妙的是,加爾加梅勒協作團隊成功地在很大程度上為中性流營造了一個有說服力的論據,因為容器對於中子在可視的體積內發生相互作用是足夠大的。如果中子發生相互作用的平均距離大於氣泡室的面積,粒子會創建與「真正的」中微子碰撞分佈相同的無μ介子事件。

雖然這些事例是特殊的,但現象是普遍的:物理學的目標需要規模的擴大,但是論據不斷地延長從提案到發佈的時間,這使得物理學的目標會隨著實驗的進程而改變。然而,一旦他們建造了一個設備,隨著時間的推移實驗者將別無選擇,只有在老化的設備的物質約束下探求新的問題。

奪回已失去的操作大型機械設備的能力的一種方式是在電腦上模仿他們的行為。在某種意義上,電腦模擬能夠使實驗者看到——至少通過中央處理器的眼睛能夠看到——倘若在地板上是一個更大的火花室,如果防護層更厚,或者數噸的混凝土牆被移除的情況下,將會發生什麼。

蒙特卡羅方案能夠做的更多。它能夠模擬自然界中不可能存在的情況。如果電與磁都不存在的話信號會是什麼樣的?變化的宇宙是在為實驗者服務。加爾加梅勒證明的一部分是這樣進行的:假設世界僅僅有荷電流中微子交互作用。會有多少中性流的替代品?從數據上說,他們將處於容器中的什麼位置?加爾加梅勒團隊的一些成員將多餘的測定的替代品通過電腦的模擬,將其視為中性流強有力的證據。類似地,在E1A,有說服力的證據在於很大一部分顯示,當脫離的μ介子憑借電腦模式化並且從中性流候選總數中去掉時,就會存在過量的情況。

在某些方面,蒙特卡羅方案的作用就像是理論計算法,而在其他方面則像是實驗方法。像一個計算方法時,物理學家根據方程式與數學運算方法寫下他們的蒙特卡羅模擬,而不是通過附上表格或者焊接電路板。然而,不像一個計算方法時,從頭到尾具有分析性地遵循一個典型的模擬是不可能的,因為太複雜了。相反地,如我們在加爾加梅勒案例以及E1A中所見,實驗者會比較不同方案的產出就像實驗者比較相關實驗的結果那樣。或者,像在某個實驗中,蒙特卡羅記錄器能夠改變輸入參數以求看到相應的運行良好的輸出。回想起弗萊(Fry)與海德特證明的重要性,他們的模擬法指出,即使是他們極大地改變了輸入參數,級聯的中心仍不能對中性流數量作出解釋。那麼,在這裡是對於一種新的在改變設備中未曾發現的穩定性。反之,穩定性的出現是根據新舊蒙特卡羅方案的比較,使用新的參數進行古老的操作,或者甚至是以新穎的方式削減數據。

如果穩定性在高能物理實驗中能以一個新的形式存在,那麼直接性也會有。貝克能夠測量愛因斯坦所計算的數據:當E1A團隊想要用一個測量好的模型替換他們現有的部分子模型μ介子分佈時,他們通過從電腦分析的數據中提取數據做到了這點。當加爾加梅勒團隊選擇用測定的數量替換中子穿透度設想數據時,他們用電腦繪製了相關事件的信息。因此,此類直接性與穩定性仍用於表達使一個證明有力的行動。但是,如今那些步驟的形式以一種完整方式與電腦相結合。

因為電腦模擬取得了新的重要意義,很自然的他們也會引發爭議;畢竟,他們其中也存在著理論與試驗的假設。μ介子分佈從何而來?混凝土屏蔽層的理想化幾何形狀是什麼樣的?應假定什麼樣的電波?在粒子通過儀器的通道中應使用哪種近似值?所有這些問題的出現是由於物理學家採用模擬的方法來探索正在尋求的結果以及可能會模仿這種結果的背景效應的特點。至於中性流,像在這麼多現代粒子物理學實驗中,電腦不是一個可選擇的用於校對數據的省時裝置。電子數據處理既是對於實驗規模擴大的應對也是實驗規模擴大的來源。直到20世紀60年代末期,電子數據處理已經成為一項實驗結束不可分割的一部分。麥克斯韋的三部分組成——能量來源、傳遞方法以及探測方式——必須由第四階段來補充,即數據分析,如今從計算誤差線提升為對物質與人力資源的主要投入。