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合作與交流

在每個考慮到的事例中,實驗者間的社會互動對於決定實驗如何結束是關鍵的。安德森與密立根挑戰了所有穿透粒子反證的有效性,他們的攻勢迫使斯特裡特重新組織了實驗策略。巴奈特所感受到的來自愛因斯坦的競爭也是同樣的例子。當巴奈特最終按照愛因斯坦和德哈斯所做的那樣重新組織他的工作時,他很突然地感受到愛因斯坦行星原子模型的數量衝擊性。在1915年之前,巴奈特的結論僅僅需要新的機制來描述地磁學;在愛因斯坦的實驗後,巴奈特的想法在數量上與電子軌道理論以及愛因斯坦和德哈斯的實驗結果相矛盾。作為回應,巴奈特做了所有物理教科書所能教他去做的。他盡可能大地改變了所用儀器的結構,以使新的探索最大程度上不受早期錯誤資源的影響。教科書中沒有提及的是:在改變儀器後,實驗者經常會失去細微的控制。經驗通常帶來熟悉的操作方法以及材料。突然地,巴奈特面對了一次全新的實驗安排,使用高敏感度的儀表和陌生的材料。

不是所有的競爭都是平等的。可以想像,巴奈特1917年在俄亥俄州立大學時,與愛因斯坦那個時代相比,當時美國的物理學很明顯是沒有威信的。當實驗結果以小於2的因數區別於先前的結果,並且所得的結果與愛因斯坦的結果一致時,他結束了實驗似乎不足為奇。後來,巴奈特發現他已經成為新系統錯誤的犧牲品。之所以未曾預料到,是因為這些錯誤在他之前的實驗中是不重要的。總之,改變實驗的安排消除了特定背景的同時又引入了其他的。

但是,旋磁和宇宙射線的實驗都不會以某一位實驗者的結論而結束。在某種程度上是因為研究旋磁效應的研究者同樣有著足夠多的實驗實踐,使他們能夠把握每項工作的難點並對比背景的處理方式。阿維德森、貝克、愛因斯坦、巴奈特、德哈斯以及斯圖爾特構成了一個小的群體,20多年後的宇宙射線物理學家也是這樣。每個人可能都強調過對某項技術的偏愛。但是到了20世紀30年代中期,密立根、尼德美爾、安德森、斯特裡特、斯蒂文森以及富塞爾在一次重要對話中分享了很多想法。例如,斯特裡特實際上採用了安德森在一次實驗中得出的數據來解釋他自己的實驗。

實驗間競爭的本質隨著大規模實驗的增加而發生了改變。從一些物理學家開始計劃主要的機械設備那一刻起,在實驗中便有多重勞動力分工。首先,有一批人從事實驗的設計與建設:在E1A,賓夕法尼亞大學負責建造和測試火花室,哈佛大學負責電子邏輯電路等。單獨一個人或者一個實驗室是不能監督所有的設備或者保證每個元件的可靠性的。大型探測器的建設和工業或軍事系統設計與雲室相比有著更多的共同點。

當他們的機械設備開始產生數據時,小組經過重組,不再受實驗室的嚴格組織限制。加爾加梅勒首批對強子中性流感興趣的小組來自於歐洲核子中心和米蘭。相似地,為E1A而聚集在一起構建磁鐵、火花室以及電子的小組與那些從事不同背景分析的人不是同延的。這樣的重組完全是高能物理學中所特有的。從第4章中可以獲悉,這為什麼會發生是很清楚的。追求特定種類數據分析所必須的技術和興趣並不一定要與那些用於組裝、測試、運輸以及維護硬件設備的技術和興趣相同。

為數據分析所做的勞動力分工伴隨著在高能量物理中論據建設的社會學的根本性轉變。在小規模實驗中,顯而易見的是特定「發現時刻」的想法令人絕望的不足,因為它隱藏了實驗者逐漸消除背景的關鍵活動。在大型實驗中,這個過程不僅僅需要個人遵循,還適用於每個,有時是重疊的子組,其中每個成員都有自己的技術和關注點。

假設我們像探索μ介子發現的實驗如何終結一樣探索加爾加梅勒證明中性流實驗的終結過程。中性流實驗是如何結束的?是以羅伯特·帕爾默從未還原的圖片中得出的「快速但粗略」的計算結果而結束的嗎?很明顯不是,因為他對於消除中子背景的嘗試沒有使任何人信服。帕爾默認為中子不能解釋效應的觀點對於他的同事來說是不充分的:他們必須得到更多的關於圖片中光學變形的信息以及更多關於所有事件類型的數據,特別是關於相關事件的。當首批簡化數據表明蒙特卡羅展示中性流候選均勻地分佈在容器內時,是否可以認為實驗已經結束?實驗是否以魯塞的熱力學分析而結束,由於它很簡易而且不需要任何模擬?實驗的終結是否應該歸因於弗萊和海德特詳細的蒙特卡羅理論終結了中子級聯能夠延伸中子範圍的可能性?

每次努力都以自身的物理假設開始。每次都關注不同的背景或者針對已考慮背景的新方法。如果中性流存在這一小組的結論不是任意單一背景研究的結果,這個結論最佳的描述方式是怎樣的?當考慮到宇宙射線時,對於每次都處理不同的背景的許多個體實驗的識別使我們錯過發現時刻。這證明了對於按照從各種其他物理效應中的信號漸進分化來考慮發現是有用的,有時是通過證明現象的穩定性,有時是通過增加顯示的直接性。

在表格頂部的旋磁實驗中,我們看到策略的實質變化是如何針對背景來部署可以經常被視為一項獨立的實驗。例如,回想起愛因斯坦、德哈斯、阿維德森、貝克以及斯圖爾特所面對的背景,其中兩個主要的背景是由於已磁化的樣本的直接相互作用,地球或者螺線管的磁場。這裡是實驗者為對抗干擾效應而做出的各自的選擇:

為便於與更加複雜的實驗比較,用正方形代表每個已公佈的實驗是很有幫助的,如圖6.1所示。

圖6.1 在研究附屬專業中獨立的子實驗

正如在20世紀30年代那樣,隨著實驗變得越來越複雜,自我支持的分項實驗的聚集變得越來越頻繁。我們看到這種情況在宇宙射線的實驗中發生過,例如,在宇宙射線的試驗中,斯特裡特制定富塞爾使用為使組合的簇射理論明確而設計的薄板來探索簇射效應;此外,斯特裡特指導了斯蒂文森和伍德沃德的工作。安德森、內爾以及皮克林在密立根的指導下工作;之後,安德森指導了尼德美爾的研究工作。通常發表的著作上會同時署有導師和學生的名字。為顯示在這類實驗中的這種緊密的同盟關係,可能需要附上帶有方框的表格來代表實驗,如圖6.2所示。方框A可代表密立根,方框B可代表早期安德森關於「次級電子能量」的研究,方框C可代表內爾的緯度效應測量等。每項輔助調查都用於遵循密立根提出的總體實驗項目因果關係的影響。在密立根的案例中,主要的光子假設引起了關於緯度變化以及次級電子能量分佈的預測。

圖6.2 一個研究組內局部獨立存在的附屬實驗

在E1A等高能物理實驗中,社會、技術以及論證結構本質上要比出現在早期實驗中的要複雜得多。起初,有三位主要研究者:魯比亞、克萊因以及曼恩,每位都負責選擇其他的教授、助理教授、博士後學生以及研究生。例如,克萊因選擇了一位叫做理查德·伊姆利的博士後學生;曼恩選擇了一位叫做梅辛的研究生;魯比亞則帶來了一位名叫蘇拉克的助理教授,蘇拉克進而在早期數據分析時聘用了參與「第一次」E1A實驗的哈佛研究生。在E1A之後的規模更大、時間更近的實驗中,這些遞階關係甚至更加明顯。在1983年的W發現實驗中,有超過130個實驗者的署名。[1]在歐洲核子中心中針對正負電子的既定實驗可能有數百個署名;如果建造超導超級對撞機的話,可能會有超過400名物理學家進行同一個實驗。

等級制度發展壯大的一個結果是形成政策決定集中化的趨勢。只有E1A和加爾加梅勒的領導能夠決定在何時何地發佈結果。例如,只有他們能夠決定哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室小組會使用改變的探測器來重複E1A實驗或者在關於費米實驗室會首先進行那項實驗的協商中做出方針決策。只有拉加裡格、魯塞以及其他少數人能夠就加爾加梅勒應該將安置超級質子同步加速器的決定直接地與歐洲核子中心管理部門討價還價。隨著實驗的規模越來越大,類似的決定必須集中到更少的人手中。民主原則除外,很容易看到只有很小一部分實驗物理學家會指揮重要的高能物理學實驗,如果每次實驗都需要花費上億美金。這樣的關於物理學結構的集中研究的影響會是很深遠的,並且應該細緻研究;其他科學分支,包括固體態物理學、生物化學以及天體物理學,快速地朝著更大規模來發展。


註釋

[1] Arnison et al.,「Large-Transverse Energy Electrons,」Phys.Lett.B 122(1983):103-116.