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《实验是如何终结的?》短期约束

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最后,实验的设计与阐释可以通过特定的理论与模型,以及类似布罗代尔的“个体时代”的约束来构成。其中为数不多的不同的理论模型可以与任意纲领下的广泛约束共存。但准确地说,因为这些模型会决定确切的数量预测,所以众所周知,他们在控制实验者做出终结实验的决定方面是有效的。如我们所见,爱因斯坦有着一个纲领性的目标,要解释或至少测试零点能量。在第一次与斯特恩(Stern)完成的模型失败后,爱因斯坦回到起点,寻找一种能够解释这种神秘能量的原理。当爱因斯坦思考与斯佩里的专利侵权诉讼时,他看到在航海陀螺罗盘中存在一个完美的类比:地球自转与陀螺罗盘的关系就好像铁棒旋转与轨道电子的关系。

不仅仅是爱因斯坦对于对称性的一般信仰,更确切地说应该是普遍原理、纲领性目标以及切实的物理模型的组合形成了不可阻挡的理论预设。因此,当爱因斯坦开始他的实验,得出了著名的g=1结论时,他便以一种带有倾向性的方式对系统误差进行评估,从而认定实验结束。

密立根也有特定的定量模型用于引导他从广泛的形而上学的纲领性的信仰到用实验方法能够测量的数据。通过确定确切的数量预测,确切的模型有助于确定数据的可接受性或不可接受性。像在爱因斯坦与德哈斯的实验中那样,理论决定了密立根对于数据的评估。正像爱因斯坦与德哈斯在与他们预期不一致的数据中发现问题那样,密立根也力图通过搅动云室中的气流来动摇安德森的言论,他宣称曾拍摄到更具活力的电子,已超出一直受到广泛支持理论的允许范围。

特定的模型是有余理的,但并不一定是可视化的。奥本海默采用几种簇射模型来规避完全运用量子力学运算这一棘手问题。一种模型仅仅是启发式的;而另一种是更加具体的,由与气体扩散的类比构成。加尔加梅勒合作者必须塑造有穿透力的中子,即使没有能够描述这些粒子中通过混凝土与液体的粒子的基本物理定律。然而,有许多有用的现象学模型用于计算:一些粒子中含有移动固定距离的中子;而其他的则含有带有不同能量的中子分散各处;最复杂的是让中子在中子流中析出。对于哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室实验团队来说,需要类似的本土实验方法。尤其是在第一次E1A实验中,最迫切的需求是要建立μ介子的角分布模型;在第二次实验中,探求强子穿通防护钢壳是至关重要的。

特定的现象定律起到了多方面的作用。他们可用于计算背景效应。也可用于确认本身的信号。在许多情况下,这些定律用于判断设备是否可靠,如在测试结果违背描述电子或者热力学的完善定律时。就卡尔森和奥本海默的簇射计算来说,他们的工作促成了一次引人注目的关于实体与效应的重新关联。通过将量子电动力学理论与簇射现象建立一种定量关联,奥本海默引发了对云室径迹应该符合用电子来作为解释的效应分类这一意义深远的重新考量。在1935年之前,物理学家认为簇射现象为“爆炸”,新物理的暗示;实验者将直接径迹作为高速原子违背量子电动力学的证据。在奥本海默之后,物理学家引证簇射作为普通量子电动力学事件的证据并展示直接径迹作为一种新粒子的证据。奥本海默的工作重新描绘了高深理论与实验数据的联系,引发了实验方案的全新修订。他重新对之前被认为是没有问题的现象提出质疑,同时确保之前存在问题的效应不再出现问题。

引入短期实验约束是因为在实验者信任了一种设备之后,甚至在特定设备中,问题仍然存在:能够相信这样的实验或者气泡室图片吗?设备是不是给出了伪造的结果?在粒子物理学中,这些问题从某种意义上讲构成了比年鉴学派所梦想的更加直白的历史故事。因此,在此层面上,关于每个实验结果、每条轨道以及每个信号的数据都必须分类。

有时,可接受性的标准是常规的。事件是否高于特定的能量?附近是否有其他的径迹?其他的测试,通常不是那么的正式,经常用于评定仪器在特定运行或实验中的性能。这样的决定在局外人看来是极其武断的。教科书中不会告诉你成群的物理学家聚集在欧洲核子中心周围反复讨论实验备选方案。这可能是由于那个经久不衰的言论,至少在采集数据的层面上,人为干涉不应该发生在实验中,或者是如果发生了,任一选择标准均应完全符合预先提到的规则。但在这里,像在每一个科学的流程中,实验程序是既不守规则统治也不是武断的。刻板和无序这种错误的二分法是不适用于数据的分类以及所有其他的解决问题的活动。数据采集需要像修改原理应用或设计设备那样多的判断,这是不是让人感到很惊讶?

准确地说,打破常规使得一位历史学家评价艾伯特·迈克尔逊(Albert Michelson)干涉仪“更像是艺术而非科学”,并且引用了一则趣闻赞美迈克尔逊的设备为“如果由迈克尔逊操作的话,这将是一件非同寻常的仪器”。[1]当迈克尔逊记录道:“经常发生的是,由于一些细微的因素(其中由于受热天花灯弹起)条纹会突然改变位置,在这种情况下,这一系列的观察结果被驳回,另一个新的系列观察开始。”[2]从中得到的教训并不是实验是反复无常的或者实验者是“有偏见的”。而是我们必须将实验室判断从始至终视为实验过程中细微但又至关重要的一部分。迈克尔逊用训练有素的眼睛及双手来估计什么时候甚至其他光学专家都不会注意到的图像中瞬间的振动能成为停止运行的理由。

要总结构成实验活动框架的不同实验与理论约束,带有实例的图表是很有帮助的:

以这种方式划分理论和实验约束的优点是避免传统的科学印象如同不可分割的网从高深理论降低为观察规律。从哲学角度来说,看起来较高层次的原理对于证明低层次的原理是必要的;然而,在科学实践中实验者很可能会放弃更加抽象以及更高层次的信念而去保持那些低层次的。安德森放弃了“初诞生之啼哭”理论图景,保持低层次的信念不去改变大多数为研究宇宙射线能量而设计的实验程序。巴奈特通过地磁学、古老的量子理论以及完全成熟的量子力学继续他的研究。当支配一切的理论架构被遗弃时,逻辑相关的低层次模型也必定会被摒弃,这不是不可避免的。历史,并不是先验的推理,必须确定在一个可靠的信号与背景的分离过程中这些层次所起到的作用。

由于认识论及史料编纂的原因,我们必须承认实验训练与理论训练、技术以及判断并不是必须同延的。未来,随着自然科学的其他分支经历理论与实验的分裂,我们将需要一个关于理论者与实验者关系的更好的定性描绘。必须在没有暗示他们从未互相影响的情况下,赢得局部自主性。此关系的一个模型可能来自于文化历史,其中历史学家必须定期地努力克服单一社会内多元的亚文化。卡罗·金兹伯格(Carlo Ginzburg)对于一位16世纪磨坊主的宇宙学的杰出研究阐明了这个问题。[3]金兹伯格解释了这位磨坊主是如何收集成熟的基督教神学的片段并将他们植入具体的物质主义的背景中,将创作本身比作奶酪中自然产生的蛆虫。通过探索农民世界观的内部一致性,金兹伯格描绘了一个农民的“低阶”文化,不仅仅是高阶文化的“变形”,也不完全受高雅文化支配。每种文化都会借鉴其他文化,将借鉴的内容转化并合并到其核心内容中。文艺复兴协会同时接受高阶及低阶的文化。同样地,我们可以将更大的物理学科视为同时包含了实验者的文化与物理学家的文化,这两种文化拥有各自的规范标准、对方法的信奉,以及规划的目标。两种文化的区别存在于20世纪大部分时间里,但高能物理学的规模与复杂度已经拉大了存在的差距。


注释

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

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

[3] Ginzburg,Worms(1983).