判决性实验问题的一种求解策略——基于宇称不守恒案例，本文主要内容关键词为：判决论文,策略论文,案例论文,宇称不论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N02
文献标识码：A
文章编号：1674-7062(2013)04-0006-07
自迪昂—蒯因论点对判决性实验的可能性提出质疑来，判决性实验问题一直是科学哲学争论的焦点。判决性实验是否可能?科学实践中是否存在判决性实验?在科学哲学和科学史中引起了很大的争论。格伦鲍姆曾就判决性实验问题进行过求解，但劳丹和魏德肯等人认为，格伦鲍姆的求解是不成功的，原因是，格伦鲍姆的论证存在着两处致命的硬伤。本文在格伦鲍姆论证的基础上，以宇称不守恒为例，尝试性地提出一种可能的求解策略。
一 判决性实验问题的症结
(一)迪昂—蒯因论点对判决性实验的质疑
1906年，法国物理学家迪昂(P.Duhem)在其代表作《物理理论的目的和结构》一书中，对判决性实验的可能性提出了质疑。他指出，“物理学中的判决性实验是不可能的”。[1]188原因是，“物理实验不是否定孤立的假说，而是否定整个理论整体。”[1]183到1950代初，蒯因(W.V.O.Quine)在《经验论的两个教条》中的进一步断言，“我认为，关于外部世界的陈述不是单个的，而是作为一个整体面对感觉经验的法庭。”[2]41-43使得“迪昂—蒯因论点”对判决性实验的质疑成为了一道难以克服的障碍。
迪昂—蒯因论点对判决性实验的意见主要体现在两个层面上，即证实与证伪的非同时性和证伪的不可实现性。劳丹(Laurens Laudan)认可迪昂—蒯因论点，“迪昂认为，要实现这一目标必须满足两个条件，即证伪程序无歧义和归谬论证被用于科学推理。以上两个条件都不可能得到满足。”[3]296依据迪昂—蒯因论点，判决性实验的逻辑条件涉及两个推论式，即：
判决性实验存在，当且仅当(1)式和(2)式必须同时满足。显然，(1)式不具有必然的逻辑通道。(2)式虽然在形式上具有必然的逻辑通道，但并不足以保证判决性实验的必然存在，还需两组递进关系作保证，即：第一，只存在两个竞争的假说
和
；第二，证伪是证实的必要条件，并且证伪必然有效。迪昂—蒯因论点对以上两组递进关系都提出了质疑，认为，即便容忍了截然的理论“二分法”成立，判决性实验还是不可能。因为逻辑推论式“
”尽管形式上无误，但在具体的科学实践中并非如此。具体的科学实践往往不是单个的理论 h必然推出实验证据e，而是理论整体h∧a必然推出e，即h∧a→e，这里的a指“辅助性假说”。所以，即使证伪可能，
e反驳的也只能是理论整体“h∧a”，而不是单一的理论h，即
。据此，我们无法在逻辑上保证一定能够得到h。既然这样，实验证据e就无法构成对理论 h的反驳。
(二)格伦鲍姆的求解
1960年，著名逻辑学家、科学哲学家格伦鲍姆(A.Grünbaum)在《科学哲学》(Philosophy of Science)上发表了题目为“迪昂论点”的文章，对迪昂—蒯因论点的意见进行了求解。根据格伦鲍姆的解读，迪昂—蒯因论点对判决性实验的质疑可以形式化为两组观点，即“(1)从逻辑上讲，证伪一个理论h和确证一个理论h，情形一样，都会涉及包含该理论在内的整个理论网络，是整个相互联系的理论网络面对检验，而不是单独的理论h面对检验；(2)理论 h是整个理论网络的一个组成成分，不可能单独地把理论h从整个理论网络中剥离出来，让它去面对实验证据的判决性反驳”。[4]76-77因此，格伦鲍姆模拟迪昂—蒯因论点，提出了两个形式化推论式：
[2]即使存在着反常的实验证据e′，也可由h∧a′→e′得以消解。
对此，格伦鲍姆逐一进行了反驳论证：首先，格伦鲍姆认为，第一个推论式“
”作为一个否定后件式推理，形式上的确是有效的。但它有适用的条件限制，只有在以下的条件下才能使用实际的实验证据e′，即e′与由h和a的合取推导出的实验证据e是不相容的，因此，并没有充足的理由可以证明对h的反驳是非决定性的。其次，格伦鲍姆认为，无论是否定后件式推理，还是其他的逻辑形式都不能保证如下的推论式一定能成立，即
。再次，格伦鲍姆提出质疑，迪昂—蒯因论点凭什么保证对于任何 h和任何e，总存在着一套可作修改的挽救性假说a′，使得e′能从h和a′的合取中演绎出来，因为a′根本不是逻辑能够保证的。a′是否存在，只能根据科学实践中的每一种特殊情况作个别的、具体的证明才能确定。最后，格伦鲍姆用物理几何学的案例进一步为他的观点提供证据，即实验证据对理论的决定性反驳不仅在逻辑上是可能的，而且在科学实践中也是存在的。支撑格伦鲍姆进行案例论证的逻辑推论式是
。到此，格伦鲍姆得出结论，“迪昂论点的明确形式不仅是无理的推断，事实上是个错误。”[4]77
(三)劳丹和魏德肯的反驳
1965年，劳丹在《科学哲学》(Philosophy of Science)上发表了一篇题为“讨论：格伦鲍姆关于‘迪昂论点’”[3]295-299的文章，1969年，格雷·魏德肯(Gary Wedeking)也在同样的刊物上发表了题目为“迪昂、蒯因以及格伦鲍姆关于证伪性”[5]375-380的文章，针对于格伦鲍姆的求解，为迪昂—蒯因论点的意见进行了辩护论证。虽然劳丹和魏德肯各自的细节有所不同，但矛头都指向格伦鲍姆论证的两个方面，即：
格伦鲍姆心目中的迪昂论点带有个人的色彩，只能算是“强版本的迪昂论点”。[3]298真正的迪昂论点可能更弱，属于“弱版本的迪昂论点”。[3]298劳丹和魏德还试着分析了格伦鲍姆为什么会错误的原因。原因可能有两个：(1)格伦鲍姆只是针对迪昂的《物理理论的目的和结构》一书的主体文字作解读，并没有注意注解部分，因为正如前面所言，迪昂想展示给我们的并非不存在证伪，关键是如何获得无歧义的证伪；(2)虽然格伦鲍姆的文章标题是“迪昂论点”，但肯定把蒯因等人的观点融合在一起了，应当是“迪昂—蒯因论点”。
第二，科学案例的非决定性。劳丹和魏德肯认为，格伦鲍姆的物理几何学案例无力度，因为支撑格伦鲍姆案例的逻辑推论式“
”理由不充分。很明显，要想使该推论式成立的必要条件是a必然为真，而格伦鲍姆用来保证a的术语却只是“高度的可确证性”[5]376，高度的可确证性毕竟不等同于确证性!格伦鲍姆之所以会导致这样的错误，是因为他误解了迪昂，在迪昂那里，h和a是一个整体，只有a必然为真时，h才能从 h∧a的整体中分离出来，格伦鲍姆把h和a分开了，但没有给出分开的充足理由。
从以上考查不难看出，判决性实验问题的症结有两点：
(1)h∧a不可分；
二 一种可能的求解策略
(一)宇称不守恒的案例分析
(1)理论原由
宇称守恒是空间反射对称性的结果。现代物理学对宇称守恒的研究开始于1924年奥特·拉波特(Otto Laporte)的工作——对铁原子发射的射线谱的研究。通过实验研究，拉波特发现，能够把铁原子划分为两种不同的状态，即“正状态”和“负状态”。并且，放射现象只发生在原子从它的“正状态”向“负状态”的转变过程中。当时，拉波特不能对这种规则(后来物理学界称之为“拉波特规则”)提供正确的解释。1927年，埃吉·魏格纳(Eugene Wigner)用宇称守恒概念对拉波特规则进行了解释。魏格纳认为，拉波特所说的“正状态”和“负状态”，就是“正宇称”和“负宇称”。由于原子所放射的光子的内禀宇称是负的，为了保持系统的总宇称守恒，原子状态的宇称必须改变。因此，放射现象只发生在原子状态的转变之中，即从正宇称状态到负宇称状态，或从负宇称状态到正宇称状态。根据宇称守恒，相同的宇称状态，转变禁止发生。从此，宇称守恒概念迅速地成为了物理学中的一个稳定规则。亨里(Henley)曾风趣地说，“由于空间反射下的不变性非常直观，宇称守恒迅速地成为了一头神圣的牛”。[6]11
然而，达里兹(R.H.Dalitz)通过对τ+介子的衰变过程进行精细的研究后指出，θ和τ有相反的宇称!粒子物理学天空中漂来的这朵“乌云”，无疑掀起了粒子物理学的一场革命。根据阿兰·弗兰克林(Allan Franklin)的考查，李政道(T.D.Lee)和杨振宁(C.N.Yang)于1956年初就对“θ-τ疑难”有了清楚的认识，但成熟的设想却直到1956年的10月份才以题目“弱相互作用中宇称守恒问题”[7]254-258发表在美国的《现代物理评论》杂志上。可见，他们对问题的调查和研究是非常谨慎的。李政道和杨振宁研究了以往的关于宇称守恒的实验资料，让他们觉得惊讶的是，虽然在强相互作用和电磁相互作用中宇称守恒有精确度很高的实验证据作支持，但弱相互作用中的全部实验资料，没有任何支持宇称守恒的证据。弱相互作用中的宇称守恒，只是一个理论上的想当然推论!起初，李政道和杨振宁同其他物理学家一样，试图在传统的守恒框架内解决这一疑难，但都没能成功。重新计算宇称破缺的相关数据后，他们认识到，也许只有到旧的理论框架之外才能找到解决的办法。李政道本人是这么说的，“问题最后让我清楚地意识到，解决θ-τ疑难必须考虑得更深层，或许，宇称是不守恒的，θ和τ是真正的同种粒子……”[6]13于是，李政道和杨振宁大胆地提出了“弱相互作用中宇称不守恒”假说，并建议可用“极化核的β衰变”和“π→μ→e的序列衰变”[6]16等实验进行检验。
(2)著名实验
为了更好地理解吴健雄(C.S.Wu)、伽温(R.L.Garwin)等人的著名实验，我们有必要先弄清楚真实世界与镜像中电子自旋与动量之间的方向关系：我们可以先假设一个定向的或极化的核存在，它的自旋向上，假设来自这种核的β衰变的电子运动方向与核自旋的方向相反，那么电子的动量向下。如果我们执行一维反演，就可以得到，核自旋的镜像方向与电子的动量方向相同。
[吴健雄及同事的实验]
吴健雄及同事完成的实验是“极化核的β衰变”。
实验的基本思想：“一种相对简单的可能，是测定来自极化核的β衰变的电子的角度分布。假设θ是电子的动量与定向母核之间的夹角，电子在θ与180°-θ之间分布的不对称是β衰变中宇称不守恒的明确证据。”[6]16
技术准备：通常情况下，原子核是非极化的，即核自旋杂乱无章。为此，必须外加磁场使核极化，保证核的自旋有序；低温(0.01K以下)保存极化核(样品)。
实验结果：吴健雄及同事发现，出射角大于90°的电子比小于90°的电子多40％，从而有力地证明了李政道和杨振宁的预测。
[伽温、弗雷德曼等人的实验]
伽温、弗雷德曼(J.L.Friedman)等人完成的实验是“π→μ→e的序列衰变”。
衰变反应式：①π→μ→ν②π→e+ν+ν
实验的基本思想：“在①式和②式的衰变中，可以研究μ子的动量与电子的动量之间的夹角θ的分布。如果①式和②式都满足宇称不守恒，那么，电子在θ与180°-θ之间的分布是不对称的。为此，我们可以先考虑μ子自旋的方向。如果①式中的宇称破缺，μ子应在它运动的方向被极化。在随后②式的衰变中，涉及θ的角度分布问题相似于来自极化核的β衰变的角度分布问题。”[6]18
(3)挽救性假说
为了消解“θ-τ疑难”，当时的物理共同体基于已有的背景理论和实验证据，提出了五个挽救性假说[8]150试图拯救宇称守恒理论：
[1]较重的两粒子θ和τ，衰变成更轻的粒子Л时，伴随有γ射线放出；
[2]所有的奇异粒子能获得宇称极子，即存在着相等质量和寿命但宇称相反的粒子对，因此，除了θ和τ之外，存在着一种由
组成的极子；
[3]θ和τ可能是高自旋的；
[4]或许，衰变时，放出了一种无质量、无电荷、无能量和动量，仅仅携走宇称的奇特粒子；
[5]θ粒子在衰变中释放的
粒子是“真正的”粒子。
五个假说构成一个假说整体，这一整体决定了每一假说可能为真，也决定了每一假说可能为假。当时的物理共同体认为，如果挽救性假说存在的话，前三个假说最有可能，也最容易被测试。不久，阿尔伍兹(Alvarez)等人完成了实验的测定工作，他们并未检测到所预想的可能。后两个假说，在吴健雄、加尔文等人直接测定宇称不守恒的实验中，也发现不存在。
(4)逻辑结构
通过对弱相互作用中宇称不守恒的全面考查所获得的信息，我们可以把实验证据与理论之间的逻辑机制刻画如下：
(二)h∧a的分离策略
(1)迪昂—蒯因论点自身蕴涵了h∧a的可分离性
“如果我们对系统中的其他部分作出足够有力的调整，任何陈述都可以保持为真陈述。即使一个非常靠近边缘且面对顽强的反常经验的陈述，也可以诉诸幻觉或通过修改某些被称为逻辑规律的陈述保持为真。……我曾极力主张，可以通过对整个系统的各个可供选择的部分作任何可供选择的修改来适应顽强的经验。”[2]43-44
以上话语，是蒯因为迪昂所作的辩护，被学界公认为，进一步加强了迪昂的整体论思想。真是这样吗?很明显，蒯因的整体论只是一种预设。在蒯因的思想中，理论与辅助性假说的整体只是部分与部分组合而成的，这种组合是松懈的，能够被拆解。蒯因很明显地把理论整体分成了两部分，处在中心位置的是“硬核理论”，处于边缘外围的是“边际理论”。当然，这种分离不仅仅只是文字叙述上的分开。仔细品读蒯因的话语不难发现，如果把蒯因的整体论看做是一个命题，那么从某种角度上说，这个命题的前后是相矛盾的。试想一下，如果“硬核理论”和“边际理论”不能被准确的分离和拆解，蒯因又怎么去实现对“边际理论”的“调整”和“修改”呢?对于这样的设问，恐怕蒯因自己也只有两种可能的回应：第一，要么蒯因承认能够实现对“边际理论”的调整和修改，以保证他和迪昂所坚持的“证据地位的均等”原则有效。如若这样，就等于承认，理论与辅助性假说的整体能够被拆解。第二，要么蒯因坦白地承认，自己也做不到能够准确地调整和修改“边际理论”。如若是这样，迪昂和蒯因所坚持的理论与辅助性假说的整体就只能是牛顿·史密斯(W.H.Newton Smith)所说的那样，“是一种‘特设的(ad hoc)结合’，一种‘狡辩’和‘骗局’罢了”[9]646。可见，不管蒯因怎么回应，答案只能是：h∧a的分离是可行的!
(2)h∧a不能概括科学理论整体结构的全部
迪昂—蒯因论点刻画的科学理论整体结构“h∧a”并非科学实践的全部，科学理论整体还存在着其他的结构形式。说科学理论整体存在着其他的结构形式是指，在具体的科学实践中，科学理论整体能够被分解，能够自然地呈现出一种结构形式，即：
h∧b∧……
①
这里的“……”表示可作调整的动态因子。科学理论整体所呈现出来的结构形式具有以下特点：第一，科学理论整体结构虽然可以用逻辑模型进行刻画，但并非逻辑全然，它也是实践的，即在具体的科学实践中能找到与之对应的内容。第二，并非所有的科学理论整体都具有固定不变的相同结构，科学理论整体到底能呈现出什么样的结构，由理论整体自身的特殊情况决定，但结构一旦呈现出来，就具有其自身的稳定性。第三，科学理论整体结构能自发地进行演变，一旦理论整体受到了经验证据的质疑，它会自动地发生保护性的结构演变，以保证其自身的稳定性。
根据①式所刻画的科学理论整体结构模型可以看出，迪昂、蒯因以及劳丹等人把“科学理论整体”理解得过于简单，具体表现就是，他们都把b和a只看成是单一的a。其实，背景信念和辅助性假说有着明显的区别。对于具体的科学实践来说，b具有公理性无须证明，要么真要么假，泾渭分明，而a的真假则需要证明。拿前面已经考查过的宇称不守恒案例来说，B—宇宙自身的对称性，是公理性的，无须证明。由于格伦鲍姆把背景信念和辅助性假说都当成了辅助性假说进行论证，既降低了背景信念全真的概率，也给自己的论证留下了致命的瑕疵。
从宇称不守恒的案例得知，在具体的科学实践中，存在着没有辅助性假说的科学理论整体结构。科学理论整体由理论(硬核)、背景信念以及可作调整的动态因子共同组成，即①式。当出现反常的经验证据时，为了维持理论整体的稳定性，或者说，为了保护理论“硬核”免遭反驳，科学家们会寻找“挽救性假说a′”加以保护。因此，当反常的经验证据出现时，①式的结构会自动地发生保护性演变，演变成：
h∧b∧a′
②
可见，科学理论整体并不像迪昂、蒯因以及劳丹和魏德肯等人所描述的那样简单，只能用“h∧a”进行刻画的静态结构。科学理论整体的结构是动态的，其动态的精细结构由①、②两式共同刻画。科学理论整体的这种动态结构可以从宇称不守恒案例中得到确证。
至于理论整体自动进行的这种保护性的结构演变能否真正挽救弱相互作用中宇称守恒，还需要进一步论证。
(1)逻辑不能全然地约束科学实践
迪昂—蒯因论点坚持认为，实验不构成对理论的判决性反驳，然而，弱相互作用中宇称不守恒的案例告诉我们，具体的科学实践并不是这样。即便是不追究迪昂—蒯因论点的实践基础，暂且承认迪昂—蒯因论点描绘了逻辑上的全称情况，但逻辑不能全然地约束实践，在科学实践中，科学家还是具有选择性。事实上，科学家从未面临逻辑上所有可能的情况，他们面对的只是一定量的可能情况。他们分析、评价以及选择解决问题的方案，主要是依据已有的科学证据而不是别的，这一点，作为高能物理学家的阿兰·弗兰克林表示赞同。他曾与阿克曼(Bob Ackermann)在谈话中说道，“科学家评价可供选择的方案，根据现存的证据，一个能得到证据支持的方案，要远比得到其他(因素)支持的方案好得多……我确信，考虑一个问题，不是因为逻辑上的可能，而是基于物理上的兴趣或可能的有价值的假说。”[8]148在给伽里森(Galison)的著作《怎样结束实验》做评论时，弗兰克林进一步强调，“逻辑上可能的或许并非是物理上可行的”[10]413。
根据对迪昂—蒯因论点的解读，我们可以仿照由迪昂所推演的逻辑式，即：
h∧a→e
③
写出形式相同的逻辑表达式，即：
H∧B→E
④
诚然，依据格伦鲍姆一贯对迪昂的反驳，格伦鲍姆也会对⑥式提出质疑。凭什么做这样的演变?即便是承认这样的演变有效，凭什么断言A′存在?本文能让格伦鲍姆放心的是，遵照理论自身的保护性演变，我们更有可能直接反驳理论H。是的，要保证⑥式在逻辑上成立，必须满足一个条件，那就是A′必须存在。问题是，凭什么断言A′存在。其实，看似更为复杂的⑥式能在格伦鲍姆的帮助下变得更加简单而且理由充足。正如格伦鲍姆所说，A′的存在与否并不是逻辑规则能保证的，必须根据问题的具体情况才能做出断定。事实也正是如此，由案例的考查所知，当弱相互作用中宇称反常的实验证据出现时，理论的创立者——物理学家们立即实施理论自身的保护性演变。他们基于当时粒子物理的知识背景和已有的实验证据，在原理论框架内选择性地提出了五个挽救性假说，试图拯救宇称守恒，但最终都一一被实验所否定。
根据案例分析，由于不存在挽救性假说的情况已是科学事实。那么，当A′被证明不存在时，责难的矛头就直指“理论硬核—宇称守恒”[12]304。由于没有了A′，⑥式就自然回归到④式，⑦式就演变成：
