试论实验与理论的共生关系——从“中性流”的发现过程谈起，本文主要内容关键词为：试论论文,过程论文,理论论文,关系论文,发现论文，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。
一、问题的由来
1967～1973年期间，高能物理共同体内存在着两种相互竞争的理论，一是费因曼和盖尔曼建构的V—A理论，二是温伯格和萨拉姆提出的W—S理论。这两个理论在其对K°介子弱衰变、中微子与电子以及中微子与核子的散射所作的描述中分别给出各自的预言结果。如在中微子与电子的散射过程中，V—A理论预言将有荷电流即W[+]粒子流的存在；W—S理论则预言有中性流即Z°粒子流的存在。从科学发现的逻辑来看，理论之争应该由实验来裁决，因为实验通常被认为是独立于理论的，其客观性和公正性是不言而喻的。于是，参予和关注这场争论的科学家们都将他们的目光转向实验室，期望实验室能给出客观而公正的仲裁。
1973年7月，位于日内瓦的欧洲核子研究中心“巨人”实验室传出消息，声称他们找到了中性流即Z°粒子流存在的证据，时隔不久，美国一家实验室又声称重复了该实验结果，从而证实了W—S理论。至此，一场重大的，旷日持久的理论之争在高能物理共同体内遂得以解决，以至于原先站在V—A理论阵营的科学家们纷纷改换门庭投奔到W—S帐下。此后无论是物理学家还是科学史家在撰写这段历史时都将这段史实毫无保留地接受下来。倘若果真如此，本文无异是画蛇添足。
然天有不测风云，高度一致的背后仍有人对此将信将疑，兼物理学家与科学社会学家于一家的安德·皮克林（A·Pickering）就是其中一位。争论平息若干年后，他步入“巨人”实验室。他查阅了当年的全部实验档案，对完整保存下来的290，000张照片经仔细核审后发现，除了象当年该实验室所声称的那样约有100张显示中性流即Z°粒子流存在的证据之外，尚有约400张显示了荷电流即W[+]粒子流存在的证据。
皮克林的这一“再发现”迅即在科学界、科学史、科学哲学及科学社会学界掀起一场轩然大波：是实验室在弄虚作假？不是，因为确有证据为他们的实验报告提供事实的承诺，况且这家实验室在科学界素来享有极高的声望，他们一贯严谨的作风似乎不容人们说三道四。那么，是什么原因导致他们忽视了那么多的反例或对其视而不见呢？为什么就没有第三家、第四家实验室站在他们的反面试图去证伪它呢？这些都迫使我们反思实验室的基本功能、实验室的运作过程和实验与理论的关系，对此，本文将本着公正、对称和宽容的态度从哲学、经济学及社会学多维视角作些探讨并愿借此抛砖引玉。
二、实验前夕的理论背景回溯
众所周知，V—A理论在同W—S理论的最初竞争中是占据优势地位的，它因其立论基础是统治60年代高能物理共同体理论范式的传统场论而为共同体的大多数成员所看好，以致于这一期间的基本粒子物理学界的智力投入方向明显向这一领域倾斜。相比之下，W—S理论却陷于门可罗雀，无人问津的境地，提出该理论的那篇论文在发表后的最初几年内未引起任何反应。不过到了70年代，W—S理论的境遇开始好转，也许是因其朝着弱电统一理论迈出重要一步进而有可能走向爱因斯坦晚年的宏愿——建立大统一场理论的缘故而受到人们的关注。总之，W—S理论在沉睡了数年之后竟奇迹般站了起来，且一发而不可收。这一巨变可从科尔曼对温伯格和萨拉姆于1967年所发表的那篇论文所作的引证率统计中得到佐证，见下图：
图1 引证率统计
为醒目起见，此处用直角坐标系表示如下：
图2 引证率变动分析
由图1和图2所知，这篇论文在1967～1969年期间的引证频次为零，从1970年开始，引证频次开始缓慢上升，1972年突然跃起，1973年几乎呈直线上升的态势，若以前早年的引频次占全年1／2，那么，1973年的全年引证频次将高到324次之多。一篇论文在发表了5年之后竟能保持如此之高的引证率在科学计量史上可以说是空前乃至绝后的。引证分析表明W—S理论已经受到高能物理共同体的普遍重视，争论的天平明显向W—S理论阵营倾斜。用科学社会学中的“马太效应”理论来解释，W—S理论由于长期处于被冷落的境地，一旦得到人们的关注和亲睐，将会以超乎寻常的方式迅速得到社会承认。这就是“马太效应”中的“补偿现象”，它会导致一个曾经受过冷落的理论能够得到远远超过它应该得到的评价。
W—S理论的迅速崛起给实验室送去了强烈的脉冲信号，反过来，实验室共同体也在时刻关注这一理论动态，他们决不会放弃这样好的投资机会，因为对他们来说，如果能证实这一走向弱电统一进而走向大统一的理论，他们的名字将会同理论建构者的名字一同载入诺贝尔奖史册和科学史史册，即使从眼前利益考虑，也会加强它在科学界的声望、地位并加快实验室的可信用性循环，其产出和投入之比是怎样的一个数量级是可想而知的。可以预见，上述因素将直接渗透到实验室对这场理论之争所采取的态度，所持的动机和所充当的角色之中。
三、实验室决策的类经济行为
W—S理论突然“走红”的现象引起了诸大实验室的关注，若能抓住机遇率先证实，那么，不仅可以在科学发现的意义上分享W—S理论的成功，而且还会在经济学、社会学方面得到经费的回报和知名度的提高。一般说来，一家实验室能有证实可能问鼎诺贝尔奖的重大理论发现的机会，哪怕只有一次也就足以使它名垂青史了。然而，期望参予角逐的和有资格参予角逐的从来都是不等量的。道理很简单，实验室的运行是类经济的，尤其是高能物理实验室，从事这样的实验是要高成本投入的。之所以说它是类经济运行，是因为实验室不可能象厂商那样，有一个明确的目标——追求利润最大化。由于科学知识的公有主义属性，实验室的目标只能是检验科学理论，追求社会承认并争取政府资助。
由此可见，维系实验室生产运行的资本要素和劳动力要素要靠政府投入。从经济学意义上讲，实验室的类经济运行主要取决于政府行为，而不是市场行为。多年来的实验室研究表明，即使在发达国家，实验经费相对充裕的条件下，实验室决策者也不会轻易承接实验项目，何况实验经费都程度不同地体现稀缺性呢。欧洲核子研究中心“巨人”实验室的生存就是靠西欧诸国所提供的经费来维系的。我们在将实验视为检验理论真伪的标准工具乃至实践是检验真理的唯一标准时，却未考虑到经费的稀缺性和实践的代价。相反，人们都不约而同地假定了有无限供给的经费资源和无限可付的各种成本供我们去生产科学知识和追求客观真理。
80年代以来，科学社会学研究有了可喜的变化，有个别学者开始用可信用性循环的类经济运行模式来探讨实验室的成本投入与知识产出的关系。遗憾的是此类研究不是基于应用就是基于开发，这类实验在决策之初就是市场定位的，它可以从市场上直接收回投资而获得回报。而对于以探索物质结构，追求客观真理的基础科学实验室是不能向市场直接输入其知识产品的，经费的主要来源是国家自然科学基金。如果说在70年代由于东西方冷战的战略需要，各国的自然科学基金有意向基础科学，尤其是基本粒子物理学倾斜，类似于欧洲核子研究中心的这类实验室尚可得到充裕的实验经费，保证了它的这项实验的进行，那么，随着冷战时代的结束，国家自然科学基金投入方向发生根本性的变化，类似于“巨人”实验室的这耗资宏大的实验还能不能进行是很成问题的。
基于经费的稀缺，实验室决策者只能将他们有限的经费投入到有远大前途的实验项目上。为此，他们在作出决策之前就要对实验的意义及实验的风险及实验的结果作出评价和预期。欧洲核子研究中心的“巨人”实验室对证实W—S理论的意义及其风险和结果是有评价和预期的。一旦证实这一理论，就可能将这一理论的提出者推到诺贝尔奖领奖台上，而自己也会以此获得殊荣，此类利益动机是解释该实验室为什么如此匆忙地公布其实验结果的一个重要因素。此类动机决不是个别现象，只要我们稍稍回顾一下80年代席卷全球的“超导”旋风就有所感受。当然，迫于竞争以及“优先权”的压力也会促使实验室草草公布其实验结果。
综上所述，实验室在面对重大理论，尤其是相互竞争的理论时是否进行实验，如果进行，是支持理论A还是支持理论B要由实验室的决策者根据其对待所检验理论的评价和预期来作出抉择，之所以如此是因为相对于实验室的需要来说经费总是稀缺的。从这层意义上说，首先是“经费（金钱）就是知识”然后才是“知识就是力量”。简言之，以探索物质结构，揭示客观规律为目标的基础科学实验室总会因经费的稀缺而使自己的决策变得谨小慎微，使自己的初衷大打折扣。经济学的思考有助于我们加深对科学知识含金量以及真理纯度的理解。
四、实验的理论负荷
前文已述，实验室的决策是由理性预期定位的，经费的稀缺迫使实验室只能关注和偏爱有前途的少量实验项目。换言之，实验室的类经济运行对稀缺经费的投入方面和投入机会有很强的导向功能，但它尚不能详实说明实验的微观过程，如实验的设计，现象的观察，数据的处理，报告的表述等，所有这些过程均需要我们另换一个视角来考察。接下来就让我们从哲学与社会维度来分析中性流的发现过程。
60年代以来的科学哲学和科学社会学研究所取得的重大成就之一就是揭示了实验的理论负荷特征，打破了实验独立于理论的先验假定。实验所负荷的理论与决策所持的利益动机常常是相吻合的。欧洲核子研究中心的“巨人”实验室进行这项实验的目的就是要寻找中性流存在的证据。因此，它所负荷的理论当然是W—S理论。从这层意义上说，决策的理性预期和实验的理论负荷已在暗示该实验室的实验家们已自觉或不自觉地站到了W—S理论阵营之中。科学哲学尤其是科学社会学的当代研究告诉我们，实验室们负荷着何种理论将直接关系到他们对实验程序的设计，实验现象的观察、实验数据的处理以及实验报告的表述。简言之，实验有从属于理论的特征，行家们只要品味一下著名的“三啧柱”实验就不致对此持有多大疑问。
在寻找中性流的实验中，“巨人”实验室前后摄下290，000张照片，而在照片的处理过程中，持理性预期及负荷W—S理论的观察者自然对出现Z°粒子流的照片是异常敏感的。正因为有了这种预期和负荷，才能有极度的耐心和执着的信念保证他们在堆积如山的照片中成功地分辨出约100张显示中性流存在的照片。此外，在对待和处理反例及大量无效照片时还是寻求解释和辩护的理由，在此，除可资的含法的误差理论处，还要寻求理论的支持和利用物理学共同体对证实该理论的一种社会期望，即成功是意料之中的。从科学心理学视角来看，这也算是一种情境因素。
毫无疑问，“巨人”实验室的实验工作者在寻找Z°粒子存在的证据过程中，遇到反例是情理之中的事，但将这些反例与大量的无效数据相比，其出现的几率只有400／289，900≈1／725°。故在他们专注于搜集Z°粒子流存在的证据过程中，即使每一起反例都能分辨清楚，但要在平均每隔700余张照片中才可能出现的那么一种反例是很难引起他特别注意的，何况还有大量的反例会被他视同无效照片而搁置一边呢。也许在社会学家和科学史家看来，正、反例之比是100∶400＝1∶4，那是因为他们未持有明确的预期，未负荷W—S理论所致，但在持有特定预期，负荷特定理论的实验室观察者看来，正、反例之比只能是100∶（400／289，900）≈1∶1／72500，如此之低的误差在实验误差理论中是可以忽略不计的，实验物理学家有充分的合理合法的理由将其排除的，退一步说，即使几现一些反例也是司空见惯的现象。正基于上述理由，“巨人”实验室便会在实验一结束就非常自信地及时发布证实W—S理论的消息。不过细究起来，这份实验报告的表述还是留有辩护余地的。它只声称找到了中性流存在的证据，而对实验中是否出现过反例避而不谈，事后声称重复这一实验结果的美国一家实验室的实验报告几乎持同样的口径留下了申诉的空间。
接下来的问题是为什么只需一家实验室的重复就足以使人们确信“巨人”实验室的实验结果，又如何理解实验的可重复性原则？从逻辑意义说，科学实验的基本特征就在于其结果具有可重复性，而且还需具有无限可重复性，但在高能物理实验中，将可重复性原则贯彻到底是不可能的，这里除经费稀缺的原因外，还在于观察者与被观察的实验对象之间的关系发生了变化。一方面作主体的观察者是负荷理论和持有预期的，另一方面，作为客体即实验室中呈现的实在是高度建构的，实验室实在是技术控制的实在，是负荷理论的实在，离开技术手段以及撇开理论的解释，实在就会还原为无意义的处于自在状态中的实在。再则，任何一项实验都是在实验室所能实现的特定条件、特定背景以及实验过程中所持有的不可言传的特定情境中进行的，实验室所体现出来的所有这些本土文化属性均会程度不同地渗透到实验结果中来，故即使在负荷同一理论，持同种预期且实验程度均相同的诸多家实验室具做同一个实验，要想找到两份完全相同的实验报告也是不可能的。可重复性本质上是几率分布的，它只能在0～1之间徘徊。事实上，人们的思维总是带有惯性，如同形式逻辑中的简单枚举法一样，只需列举若干例证之后，人们就开始加以归纳，故一项实验结果只要有一两家实验室声称重复，人们就不再加以怀疑。有些实验室常常利用人们的思维惯性及人们对实验权威性的盲从，从某些重大发现得到一两家实验室重复之后竟拼凑数据甚至未做任何工作就急忙发布重复实验结果的消息，对于这类实验室来说，即使在日后可能冒视证伪的风险，那也应该由前几家实验室承担，而变分享成功的果实则人人有份。如在80年代席卷全球的冷核聚变以及前文述及的“超导”旋风中，就有这样的一批实验室，他们既想在科学的前沿阵地争得发言权又无条件进行实验或有条件但来不及做实验就声称重复了某项实验结果，借此显示自己以及一个民族在科学界的地位，以致于著名超导物理学家朱经武博士事后曾对新界披露：世界上二十几家国家级实验室所发表的消息有90%是靠不住的。国内有些学者，如物理学家庆承瑞教授也为此大声疾呼，期望建立一门“病态科学”专门研究实验中的弄虚作假现象。但呼吁也好，谴责也好，谁也不能保证实验室共同体不再出现这类现象，对此我们似要正视现实，从科学社会学视角进行心平气和的探讨。
五、实验与理论的共生关系
诸多因素的分析有助于我们加深对实验室文化的理解，有助于我们加深对实验室何以常常支持处于上升的理论，而不愿拯救衰落的理论的理解。从某种意义上讲，实验室往往偏爱甚至崇拜“明星”理论，成为科学界的“追星族”，此趋炎附势的做法与科学内在的怀疑主义精神气质形成了鲜明的对比。那么，是否允许我们对重复了的实验结果持彻底的怀疑主义态度呢？答案是否定的，且不论经费资源的稀缺，就是在逻辑上也会陷于自相矛盾的境地，只要我们坚持怀疑主义原则，实验室A的结果需要实验室B的重复，而B结果的真伪又需要C来检验，C是否成立又需要D来裁决，如此下去，势必导致实验室的“无限倒推”。问题的最终解决是经济的和社会学的，而不是逻辑的，其结果只允许我们以有限的怀疑态度、采用社会协商的办法去对待重复或未重复的实验结果。
幸运的是怀疑主义在实验室文化中还是有成功先例的，不过需要改变策略，建立“反实验室”。此思想来自于科学史家和科学社会学家对“N射线”所做的案例分析。本世纪初的“N射线”发现曾被人们认为是继“X射线”发现后的又一次重大发现，世界上稍有名气的各大实验室几乎都声称他们重复了这项实验结果，甚至还发展出N射线物理学、N射线临床医学，其影响之大、波及范围之广丝毫不亚于X射线的发现，可以说N射线的发现已具有牢固的逻辑基础和社会基础。然对此持怀疑态度的美国一位物理学家在这场风潮持续数年之后，来自访问发现N射线的实验室并不惜施行间谍手段终于揭开了N射线纯属子虚乌有的事实真象，“反实验室”的思想由此形成。
“反实验室”旨在对正实验室的实验报告实行“听政”，必要时证伪正实验室的实验结果有利于打破一两家实验室的专制。与正实验室相对应，它也是持有预期和负荷理论的，不过是符号相反而已。“反实验室”的出现使原实验室共同体划分为理论负荷意义上的“各为其主”的两大阵营，由此而将理论之争转化为实验室之争。换言之，实验室之争是理论之争的继续。正、反实验室之争的功能之一是有利于及时清除实验室共同体内的弄虚作假现象，功能之二是有助于发展出亦此亦彼的统一理论，这在光的本性之争中表现得最为突出，卷入这场长达300年之久的光的本性之争，不仅包括持微粒说和持波动说的两大理论家阵营，而且包括负荷各自理论，持各自预期的两大实验室阵营。确切地说，参予争论的两大阵营都有自己的理论家和自己的实验室，在两大阵营的长期较量中各自均有足够的证据为自己的理论进行辩护，可以说是此起彼伏，任何一方都不能战胜另一方，问题的最终解决是彼此协商，建立起为双方都能接受的波粒二象性理论。
从中我们不难发现，理论之争终将转化为实验之争，实验之争相持不下时又要回归到理论，同样，实验之争也可转化为理论之争，理论之相持不下时又会回归到实验。总之，理论与实验之间的关系并不总是单向的一个决定另一个的逻辑关系，往往是互动的，相互承诺和相互支持的共生关系。一方面，理论只有得到实验的支持才会获得合法化，而另一方面，实验只有得到理论上的解释才会获得意义，独立于理论的实验是没有意义的，故而我们说实验室存在的全部理由就社会学意义而言在于它充当了说服与被说服的工具。倘若我们将自己的研究结论运用于V—A理论与W—S理论的竞争中，尤其将光的本性之争的研究方法即正、反实验室的设置运用于其中时，那么，V—A理论与W—S理论之间的关系绝不会是非此即彼的证实或证伪的关系，问题的最终解决恐怕要靠理论家们去建构类似于波粒二象性的理论。如果有朝一日，果然有位科学泰斗建立起这样一种理论，那么，人们对本文的这种探讨方法自然会给出较高的评价。结果到底如何，我们将试目以待。