讀古今文學網 > 實驗是如何終結的? > 子組、論據與歷史 >

子組、論據與歷史

不是所有的戰後發展都會帶著實驗者走向集中化。起初可能會顯得自相矛盾。科學論斷的產生,特別是那些通過數據分析得來的,會經歷局部的分散,就像將單獨的大型實驗移交給各式各樣的子組。如果我們簡要描述這些子組的結構以及他們的子分析目標,在E1A與加爾加梅勒內論據的組成會更加明晰,使我們能夠瞭解一些關於大規模實驗本質的大致情況。

E1A與加爾加梅勒都有各自的領導者:在歐洲的安德烈·拉加裡格以及在美國的克萊因、曼恩以及魯比亞這三位傑出的代表。然後,每個團隊再次被拆分:美國派系被分為兩個小組,一個在哈佛,另一個吸納了來自麥迪遜、費米實驗室以及賓夕法尼亞大學的人員。在歐洲研究的初期,一個子組集中注意力於強子中性流,而另一個主要致力於單電子搜索。甚至拆分這些子組是因為中性流的測試在主要背景研究上需要許多改變。實驗者開始關注描繪高能物理學特性的高度網狀的內部結構分項研究(見圖6.3),而非描繪宇宙射線研究特性的實驗聯盟。

圖6.3 高能物理實驗內子組的抽像結構。每個方框選定一類背景研究,最終形成一份內部報告,例如在協作會議中陳述的技術備忘錄

在大西洋兩岸,一些參與者由於早期解釋過的原因,開始了強烈傾向於相信中性流不存在的實驗。以最寬廣的角度,加爾加梅勒協作團隊分成了兩個組,一個主要對強子信號感興趣,而另一個主要關注輕子信號(見圖6.4)

圖6.4 加爾加梅勒中性流背景的廣泛示意圖。圖解了輕子和強子背景與任一背景下的主要任務之間的分離

實際上這些組群是高度復合的;未達到公開於內部發行物的子實驗水平,必須再次細分。項目複雜度在於要確定「直接中子」(產生於荷電流的屏蔽下)不能解釋類似中性流的事件。只有幾個輔助演示是空間分佈的論據,熱力學平衡的論據,在歐洲核子中心的蒙特卡羅項目和奧賽的固定平均自由路徑,以及繆塞、巴爾迪和普利亞提出的獨立模型。其他的細分部分在宇宙射線和停止μ介子的背景計算範圍之內。為了處理級聯,小組必須模擬角度、能量以及彈性分佈。

重要的是,輕子中性流背景與強子背景幾乎沒有共同點。特別是,對於單電子搜索,中子的問題並不存在,並且沒有任何需要擔心的來自原子核內部的複雜化物理學。反而,此證明要求實驗團隊排除電子中微子、污染束流是可能產生單電子的。此外,他們必須證明光子不應承擔創建隱藏了正電子的非對稱正電子對的責任,或者是承擔將電子從原子中分離並呈現出來的責任。

在大西洋的西岸,E1A沒有什麼重大機會去記錄中微子電子,即使克萊因考慮過那種可能性。他們的實驗沿不同的線路拆分(見圖6.5)。值得注意的是,加爾加梅勒的一些重要背景在E1A中被很輕易地排除了。更大的探測器使光子或中子幾乎不可能穿透到機械設備用來接收事件的中心空間。

圖6.5 在哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室實驗中的兩個主要背景互相矛盾。在他們的「第一次」實驗中(基於哈佛),幾乎沒有穿透現象的實驗並且更多的關注寬角度μ介子。在「第二次」實驗中,實驗隊伍重新調整了硬件以消除或評估可能出現的寬角度μ介子問題。在這樣做時,他們慢慢地意識到穿透現象已經成為一個重要的問題。

為詳細看到協作是如何進行在大角度μ介子問題分析中的證明(「第一次」哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室實驗),讓我們以古典主義者剖析歷史的方式拆分為期六周的論證中的步驟。結果是與圖6.4和6.5所示的流程圖不同的示意圖。圖6.6揭示了哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室報告的前四稿的演變。我稱之為「動態譜系」,稱之為「譜系」是因為它借鑒了古典文本在描繪手稿譜系樹時的傳統,動態是因為我們能看到是如何採用每次修改來增加直接性和穩定性的。

圖6.6 針對在首次(基於哈佛)E1A實驗中出現的寬角度μ介子問題動態譜系。日期指的是內部發佈的時間。為簡略起見,下面只詳細說明μ介子減少。

在1973年8月3日發佈的第一版譜系中,實驗團隊並排設置了哈佛和威斯康辛-蒙特卡羅法;他們得出結果的一致性論證了數據的穩定性。在8月18日那一版中,實驗者通過改變探測器幾何形狀、中微子光譜以及波束寬度,進行進一步的數據穩定性測試。然後在9月3日那一版中,協作團隊對數據進行了分析,根據每個事件是否在給出的向前水平角或垂直角之外存在射出粒子而做出標記。通過使用電腦,哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室團隊將事件分為三類:不受限制事件,一個出射角受限的事件,以及兩個出射角均受限的事件。此項積極提出的進一步穩定性測試使結論更加可靠。最後,在1973年9月14日那一版中,協作者能夠說明計算出的μ介子分佈和測量的結果一致,增加了測量的直接性。

這種分析可能對於考慮許多其他的實驗是有幫助的,通過提供一種語言來描述發生在從懷疑向證明過渡的階段的動態過程。但對於高能物理中的大量實驗來說,這個過程不會簡單。第二份哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室報告中,在論證結構的起源方面甚至比第一份更加複雜。在很大程度上,更多人的參與,以及因此而形成的一個更加複雜的部分重疊的子組網絡,使得論據的起源更難追溯。

下面看第二份哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室報告。最初,第二次試驗忽視了寬角度的問題;那個問題是通過建造以及對於實驗團隊來說似乎是降低強子穿透性非常有效的鋼板而解決的。是已經解決了嗎?很快,穿通現象的解決方案開始在一次次的測試後動搖。測試結果顯示一個背景問題的解決方案誘發了另一個問題,大致相同的,巴奈特在修復一個背景的實驗的同時,也使它遭受一種新的類似效應的影響。

隨著大規模實驗被分解為構成實驗的小組,一些困難已經解決。在類似的複雜實驗中,對於發現在什麼是重要的論據,以及什麼時間發生的問題中存在這樣根本的分歧,我們可能會感覺很困惑。但是一旦實驗是已分化的,並且不再將團隊視為單獨個體,分歧似乎是完全自然的。克萊因會發現一個比魯比亞和蘇拉克的早期蒙特卡羅法更加令人滿意的「黃金事件」論據,是不是很讓人感到震驚?或者是μ1分析者(不受寬角度μ介子的支配)應該說服E1A的一些成員,反之,μ2數據分割(不受穿通效應支配)應該說服其他人?或者是維來爾、布魯姆以及奧賽應該相信他們的蒙特卡羅法,反之,弗萊與海德特會信賴他們的方法?或者是佩金斯會對強子中性流比繆塞持有更多的懷疑。

在子組間當然會存在競爭。並且在特定的實驗中,有些競爭會得到來自個人、機構或者甚至是國家間對抗的加強。然而,當瞭解到實驗中的個人及子組都有著自己的歷史背景、自己的疑惑、自己的專業知識,就不難理解這些競爭的存在。如果某位物理學家過去的經歷導致他或她特別擔心在某個電子實驗中的一種背景影響,他或她可能會在背景影響排除後才會判斷證明生效。在理論和實驗角度,佩金斯有充足的理由去懷疑能否克服中子的背景影響。單電子事件有意義的發現說服了他。克萊因有著多年處理稀有事件的高分辨率氣泡室圖片的經驗。他應該發現發生「黃金」中性流事件特別有說服力也是合理的。類似這樣的事例說明大規模實驗的歷史不能夠像單一想法產生的實驗那樣書寫。我們面對這一種新的歷史現象,這一現象必須符合真實、多樣的共同體多重結構。

實驗論證的構成整體來說延伸到任一個人或任一單體小組所能生產的範圍之外。特定小組通過他們提出質疑的角度,明確了與待定義信號相對抗的背景影響。但是實驗組總的來說,作為一個整體並相互作用,然後構成了此形式的論證:我們已經看到中性流因為我們已經展示了中性流候選無法歸因於中子,無法歸因於級聯,無法歸因於宇宙射線,無法歸因於中性K介子,諸如此類的各個階段。沒有一位單獨的個人完全按照每個蒙特卡羅法的細節去做,也沒有任何人檢查每個數據搜集的過程。只有作為一個團隊,協作者才能歸納子組的實驗結果為協調的整體。

在早期的實驗中,研討會為比較實驗結果提供了討論的平台。一般性問題可以在全體會議交談中得到處理,並且實驗的細節可以在專門的部門反覆研究。1934年的倫敦研討會就是一個很好的例子:對於參與者來說,討論實驗過程的細節是很有意義的,因為來自世界各地的實驗團隊幾乎都在使用相同的工具:雲室、蓋革計數器、電離室以及符合電路。在1921年的索爾維會議中,對於理查德森、德哈斯等人來說是恰當的機會反覆研究困難背景問題的細節。關於高能物理當然有全球性的會議。中性流實驗者在波恩和普羅旺斯發佈過重要的報告。但由於一些原因,最重要的問題不再可以有意圖地在公開會議中處理。實驗高能物理的轉折點,例如決定從部分子轉向為中性流研究,要求高改變度結構化的儀器,並且因此必須發生在協作範圍內的會議中。

在某種程度上,這是競爭帶來的問題。憑借愛因斯坦和德哈斯相對簡單的儀器,一組物理學家都處於建議關於可能的方法的狀態。理查德森、斯圖爾特、愛因斯坦、德哈斯、阿維德森以及貝克都面對著電磁場和磁棒的橫向磁矩直接耦合的問題。但是對於加爾加梅勒和E1A來說,重要的問題包括詳細的計算機模擬,取決於當地條件的特質。加爾加梅勒協作團隊以外的人,誰可以有效地判斷該模擬是否已經覆蓋了符合歐洲核子中心標準的特定建築中線圈的分佈或者混凝土防護層?E1A以外的人,誰能夠評估穿通效應?

完整的合作會議必須以一次會議要基於與會專家的判斷嘗試做出結論的方式,檢查各種背景效應。同時,加爾加梅勒團隊決定在1973年3月召開的一次會議中發佈他們的單電子發現。甚至更專業的會議召開,以協作小組的身份聚集在一起為不同事件類別設立標準,並且討論數據、背景以及設備性能。因此,關於強子子組協作的那兩次在巴黎召開的會議意義是重大的,因為這兩次會議召集了協作的努力去搜尋中性流。其他的會議涉及的範圍更窄,例如從中性流候選中篩選單體事件、宇宙射線以及中子。

為把握共識在共同體內形成的過程,我此前談到過不斷擴展的信念。回顧過去,很明顯,事實上有幾個擴展圈。在亞琛,一群單電子的熱衷者設立必要的論證來說服更大比例的協作團隊:從哈澤到菲斯內爾、佩金斯、坎迪、莫芬,並向外擴展到更大的協作範圍。從歐洲核子中心和米蘭延伸出的下一波信奉者包括繆塞、普利亞以及奧科拉蒂(Osculati),接下來是魯塞、拉加裡格、菲奧裡尼,到最後是來自遠方的協作者。弗萊和海德特細緻的級聯計算結果將有說服力的影響延伸到第三批群體。斷斷續續地,在一個地方突然發現單電子,在別處增量式發展蒙特卡羅法,證明從奇特的新機械設備,通過證明指向「合理的根據」的一個階段,最終轉變為新物理學中一個實證根基。

競爭、會議、自主研究、層級、發表,以及補充論據在一個非常重要的實驗中的投入標誌著一種新活動的建立。科學生活的每個方面,之前以一個整體發生在實驗領域,如今在單獨的實驗中發現了軌跡。在生物學中,一個莊嚴的信條充分體現在海克爾(Haeckel)著名的格言中:「胚胎重演律」,說的是物種進化史的許多特點在個體胚胎發育中重複出現。在現代實驗的歷史中,個體實驗重述了實驗領域顯而易見的動力學。在個體大規模實驗的發展中,可以發現之前出現於試驗間交互作用中的熟悉流程的內部模擬。現在,存在內部競爭、內部會議、內部發表、內部評判方法、內部理論假設以及內部模型建立。

通過聚集、改進、評判以及論據合成,做出了實驗終結的決定。這是一個社會過程嗎?對於這個問題的答案是絕對肯定的。對實驗進行的社會影響隨處可見,從計劃到接收。競爭形成了應對策略、被迫的決定,並促成了現在立刻停止的決定。然而最重要的是,大規模實驗的社會方面體現在分析部門,因為那裡是實驗的社會與證明結構同時存在的地方。誰擔心哪些背景?哪類證明會說服他們?需要什麼才能使一個特定的實驗小組放棄確定的信念?但是堅持工作組與證明的覆蓋結構不會迫使一個人就實驗結論的問題站在根本上相對主義者的立場上。

此書的總體主旨是要傳達實驗是關於有說服力的論據的組合,那些通過他們對於背景因果關係樹許多清晰分支的探索能夠站得住腳的論據。探索是通過在兩個廣泛的意義上約束結果而進行,通過改進實驗的直接性並使結果更加穩定。並且實驗的內容成型於信念強化的階段。通過將科學描述為可以被分為一個變化無常的發現環境以及一個受規則制約的辯護環境,哲學家可以使唯一真正有趣的實驗室科學環境難以理解。現實的實驗室生活不屬於上述提到的任何一個環境。

在否定賴興巴哈對於變化無常的發現與受規則制約的辯護之間的劃分的過程中,我們的任務既不是要為發現制定理性的規則——最喜歡的哲學消遣方式——也不是要減少對於職業興趣的海洋表面波的物理論據。手頭的工作是要把握關於我們周圍世界有說服力論據的構建,即使在缺少邏輯學家的確定性時。