理论预设在科学实验中的致错机制探析，本文主要内容关键词为：科学实验论文,探析论文,机制论文,理论论文，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：G302 文献标识码：A 文章编号：1003—5680（2006）03—0034—04
实验是现代科学的实证基础，实验的方法也是现代科学的主要方法之一，然而实验过程中出现的科学失误在科学史上不胜枚举，它常常会使科学家失去做出重大科学发现的机会，以致影响整个科学的发展进程，因此，有必要对与实验相关的科学失误作进一步探讨。
越来越多的学者认为，“我们对科学的信念，正逐步从传统实证哲学的想法中，慢慢蜕变为‘以人为中心’的历史哲学或建构哲学。”[1] 在这种蜕变过程中，汉森（Rttssell Hanson,1924—1967）1958年在《发现的模式》中提出“感觉渗透理论”新的科学认识论，即科学实验中人们的感觉总是具有一定的“理论预设”(theory—loaded)，感觉深受理论的影响和指导，绝对中性的观察并不存在。后来，这一理论成为以库恩(Tomas Kuhn,1922—1996)为代表的历史学派的认识论基础，对后世产生了很大影响。此后，这一理论不断得到科学哲学和科学社会学界学者的完善和发展，并得到心理学、神经科学以及细胞染色体技术等研究领域的支持。近年来，对“理论预设”这一问题的理论探讨颇多，本文尝试运用这一理论对科学家在实验中形成失误的致错机制进行探析。
事实上，科学实验总是和特定的假说相联系。瓦托夫斯基(Marx William Wartofsky，1928—）认为实验直接受相关理论影响，他把科学实验看作是“本身需要某种有意安排的受控观察，他的相关意义部分地由它所想要加以检验的假说所决定，而且进一步取决于那种为解释实验结果提供依据的这个理论体系。”[2] 并认为，“实验受到其观察语言、测量、设计该实验的理论、可供利用和已知相关的仪器以及观察者的预期这一十分重要的方面等所控制。”[3] 这样，以往的理论框架就可能限定了实验的发展方向，它渗透在实验的整个过程中，形成了现实实验的理论背景，并对实验事实的陈述和实验结果的解释以及实验报告发布都起着引导性的作用。
理想地说，实验应具有可重复性，即不同的科学家采用相同的实验程序和方法能得出相同的实验结果，这是保证观察和实验客观性的必要前提，也是科学发现有效性的基本要求。然而，具体的实验境况总是受实验参与者控制，也是观察者适当选择的结果。这样，由于观察者的参与使实验同时具有了主观性的特征。这正如瓦托夫斯基所言，“实验的设计、参数和仪器的选择、把这种或那种情况当作有意义的而加以注意的倾向，超出实验技巧的机制的范围，超出理论所设定的预见结构的范围，这是一种主观的可变因素，它不仅影响着实验，而且支持着实验。因而，我们应该对涉及到一个实验有效的客观性条件与那些导致选择或设计出要做的实验的条件加以区分。在作为一种程序的实验本身外，存在对实验结果的解释，而且还确实存在着关于把什么当作相关的结果这类决定。”[4] 既然观察者的参与使实验不可避免受到观察者的影响，那么不同观察者对实验影响也会各不相同。这正如库恩所言“科学并不进行所有可能的实验操作，它只选择那些当范式与直接经验（它已部分地由范式决定）相参照时，显出比较相关的实验来进行。其结果，拥有不同范式的科学家就进行不同的实验操作”[5]。在这样的情形下，若观察者的知识不充分或理论有缺陷，就可能导致观察者在实验设计、观察陈述以及对实验结果进行解释等各个实验环节上出现较大的科学失误，观察者可能观察不到应有的科学事实，或对正确的科学事实作出了错误的判断和解释。所有这些，都构成了理论预设对科学实验的基本致错形式。
一 理论预设在实验设计过程中的致错机制
已有理论是影响实验设计的重要因素。范·弗拉森（Bas Van Fraassen,1943—）对此曾阐述道“科学家的目的是发现关于世界的事实，是在世界的可观察要素中发现有关规律性的事实。为了发现这些事实，人们需要实验作为推理和反思的对立面。但是，那些规律性是极端微妙和复杂的，所以实验设计是极其困难的。因而需要建构理论，并且需要求助于先前建构的理论来指导实验的探索。”[6] 从这个意义上说，理论的预设和先导具有积极意义。然而，也正是这种理论预设和先导，在一定程度上限制了实验中其他一些有意义结果的顺利获取。因为，实验仪器和设备是科学概念和科学理论的具体化，是知识的物化。甚至有学者认为仪器所“遵循的度量衡、它本身所得以构造的理论背景、它对于对象的作用层面以及通过它反馈出来的量化结果，都负载了已接受的理论框架。采用某种工具，将同时限定了我们切入研究对象的路径方向，限定了我们会用怎样的理论观察视角观察那些‘能被观察到’的因素，而同时忽视那些‘不能被观察到’的因素”[7]。以实验设计为例，当人们开始实验之前，总要把各种仪器按一定的关系组合在一起并设计特定的流程以完成实验，这种组合与流程既体现了一定的理论背景知识，也体现了观察者对实验结果的某种期望。然而，也正是这样的理论预设同时也可能对实验产生负面效应。在磁生电实验中可以看到，理论预设是如何对实验设计产生负面影响的。
1820年，奥斯特(Hans Christian Oersted，1777—1851)发现电流的磁效应。1823年，日内瓦的科拉顿(Daniel Callodon,1802—1893)为探索磁是否有电流效应开始做磁生电的实验。在实验设计中，他把螺线管与电流计相连，为避免磁体对电流的影响，它把电流计用长导线连接到另一个房间。实验开始后，他把磁铁放入螺线管，然后跑到另一个房间观测电流计指针是否有偏移，结果自然是不可能发现偏移。因为磁铁放入螺线管的瞬间，变化的磁场的确可以产生感应电流，但科拉顿的电流计在另一个房间，当他跑过去后，磁场已稳定，感应电流也随即消失，电流计指针在此前的瞬间偏移动作在这样的实验设计中是难以被发现的。科拉顿实验的失误在于，他把电流计放到了另一个房间，使指针瞬间偏转现象不能马上被观测到。这一设计的不当使他没有观测到本应该观测到的现象。在实验设计中，虽然他也期望电流计指针偏转，但由于他不知道磁生电的条件，对电磁之间的关系也认识不清，从而导致实验失败。这是实验设计求助的理论不充分而导致实验失败的一个典型例证。由此可见，实验设计深受预设理论的影响，实验设计所求助的理论知识不充分或有缺陷，在实验中产生科学失误也就在所难免。
二 理论预设在实验观察中的致错形式
科学观察是科学家感知物质世界的基本通道，在实验过程中，观察并不简单地意味着调动感官运作，观察者的感知力是其理论背景的外在反映，虽然在实验中观察者有自由想象和构思的空间，但已有的理论背景会在一定程度上影响观察的客观性和相关指向性。观察者的理论背景直接影响观察者如何去观察以及对实验的期望，因此，理论预设就可能在这一环节导致负面效应。
需要说明的是，观察一个事实和观察到的某一事实是不同的，但二者都具有理论预设，都依赖于各种科学的理论前提或假说。实验观察者的理论背景不同，其认识世界的方式也不尽相同，因而在实验中观察到的事实也会出现相当大的差异。这就如汉森在《发现的模式》中所举的著名例子：不妨假设开普勒（Johannes Kepler,1571—1630）和第谷（Tycho Brahe,1546—1601）一同在山上看日出，他们观察的对象相同——都是太阳升起，呈现在他们眼前的是同一轮朝阳，在开普勒看来，太阳是固定的，地球在运动；而第谷看到的则是地球固定，其他天体绕地球旋转。因此汉森总结到“尽管两个观察者的视力水平正常，并从感觉上意识到他们观察的是相同的对象，但是他们却没有看到相同的东西，没有从同一材料出发。”[8] 关于日地关系的不同理论预设使他们在观察中看到了不同的事实，随之也作出不同的解释。约里奥·居里夫妇在实验中出现的科学失误则更明显地说明了这一点。
1930年，物理学家玻特（Walter Wilhelm Georg Bothe,1891—1957）用a粒子轰击铍元素(4Be)时把产生的射线假定为γ射线(亦称铍辐射)。1931年底，约里奥·居里夫妇（Joliot Frederic,1900—1958；Irene Cuire,1897—1956）在实验室做γ射线的探查实验，目的是为了探索这种射线的新特点，即铍辐射能否被石蜡所吸收，所以就在铍和辐射侦测仪装置之间放了一块石蜡，结果发现石蜡不仅没吸收铍辐射，在石蜡后面的辐射比没有石蜡时还要大很多。经测量石蜡后面的粒子质量是电子质量的1836倍。虽然已发现实验结果和铍辐射存在明显差异，但7射线的理论限制了居里夫妇对这一实验事实的认识。故二人仍然认为用α粒子轰击铍元素产生γ射线，把石蜡后面辐射增强的原因解释为γ射线的康普顿效应，并在实验报告中把石蜡后面的射线解释为“新γ射线”。现在，我们知道石蜡后面的辐射并非新γ射线，而是中子流。这一确认工作是由查德威克（James Chadwick,1891—1974）完成的。其时，查德威克一直在思考卢瑟福（Ernest Rutherford,1871—1937）1920年提出的中性粒子假说，当他得知约里奥·居里夫妇的实验结果后，很自然就想到了自己寻找了十多年的中子。经过实验以及对射线的仔细研究和思考之后，他发现，居里夫妇认为的“新γ射线”是一种新的未曾发现过的基本粒子——中子。为此，查德威克因发现中子而获得1935年的诺贝尔物理学奖。
从历史上看，是约里奥·居里夫妇在实验中首次制造出中子，但是二人在做实验过程中没有相关中子假说的理论背景，依据的是γ射线假说之前的理论背景。戴着γ射线假说的“透镜”看待观察到的事实，很难设想石蜡后面的辐射是完全不同的新粒子，从而与一次重大的科学发现失之交臂。在二人的实验中，虽然确实有中子这种物质存在，但是他们并没有“看到”中子。在同样的实验中，查德威克却看到了中子，他们的差别就在于做实验时各自的理论预设不同。
理论预设对观察的影响不妨用马尔凯(Michad MuIkay 1936—)的话作进一步说明：“来自心理学研究的一个基本结论是，观察从来不会像标准观点所要求的那样是被动的。文明从来不是简单地接收和记录来自外部世界的信息。相反，我们作用于这一世界，从而形成一系列明确的、但总是变化的有关其特征的意向；而且正是在这一认知行动中，观察者根据他所获得的文化资源对这些意向作出解释”。[9]
可见，理论预设对实验观察的渗透和影响是必然的。面对新事实，当理论预设有局限性且实验者不能突破这种局限时，实验失误则难以避免。
三 理论预设在实验事实陈述中的致错效应
实验中的事实“不管多么明确清晰，只有待我们从事实中选取某些要素并用语言形式加以表达时，它才能把事实呈现于我们面前”[10]。所以，对实验结果的陈述是科学实验的重要环节，但实验陈述不是由感觉刺激直接决定的，它不是直接描述一切复杂的原有实验活动，更不是记述在实验中所有零乱的直接感受。对实验的事实陈述只能运用惯用的科学范畴、科学语言去描述。因而，对观察事实以科学符号和语言形式表述出来是一个主观力图与客观相统一的过程，所以实验事实的陈述也是以理论预设为先决条件的。用科学语言表达出来的实验事实被汉森认为是“陈述事实的语言的逻辑形式，以某种方式塑造的，在我们看来，世界是根据这个‘铸模’，以确定的方式结合为一体的。”[11] 可见，实验事实的陈述深受到理论预设的强大影响。
科学总要以一定的事实为基础。这种事实并非客观世界本身而是基于观察和实验所确立的事实，即人们用语言表述出来的事实。所以，这些被当作客观世界所反应的事实并非客观世界本身，而是观察者通过观察和实验，运用已有的背景知识，用科学的语言形式对客体的陈述。因此，对实验事实的陈述都是理论预设的。观察陈述的真理性或其他方面的判断依赖于形成背景的知识，因为判断是在这个背景知识上作出的。查尔默斯指出，“如果提供给我们用来描述我们观察范畴的知识有缺陷，以那些范畴作为先决条件的观察陈述同样有缺陷。”[12] 从安培（Andre Marie Ampere,1775—1836）对磁生电的实验事实陈述中，可以清楚地看出理论预设有缺陷是如何导致错误的观察陈述。
安培在研究电磁现象时提出了分子电流假说，以解释磁体呈现出磁性的原因。其分子电流说认为，在原子、分子、分子团等微粒内部存在环形电流，这种环形电流使每一个物质微粒形成微小的磁体，它们在外磁场的作用下呈现规则排列时，就使物体呈现出宏观磁性。1822年安培把多匝绝缘导线绕成的线圈与伏打电池相连，并将其固定在支架上，再将一小铜线环系细线挂在线圈内与线圈同心。当他给线圈通电并用蹄形磁铁移向铜环时，他发现铜环发生了偏转。这实际上观察到了电磁感应现象。安培也承认感应产生了电流。但，安培认为感应产生的电流与电动作用无关，认为通电瞬间铜环内因电磁感应产生的电流是分子电流的宏观表现。这样，他把铜环偏转产生的同轴感应电流的实验事实表述为分子电流。而法拉第重复安培的实验后，于1831年确认铜环中产生的是感应电流而非安培确认的分子电流，为此法拉第（Michael Faraday,1791—1867）完成了磁生电的伟大发现并获得发现的优先权。安培因过分笃信分子电流假说并依此判断并描述自己观察的实验事实，结果使他错失发现电磁感应的良好时机。可见理论预设的知识背景不全面或有缺陷会使观察陈述也出现一定的缺陷。
四 理论预设对实验结果解释的致错影响
瓦托夫斯基认为，“在作为一种程序的实验本身之外，存在着对实验结果的解释，而且确实还存在着关于把什么作为相关结果的这类决定(因为这种相关性也许表现得与起初预期的结果并不一致)。”[13] 而对实验的解释不单单是累积起来的观察事实，它总是力图用首尾一贯的、系统的方法来整理观察得到的科学事实，用已经领会和把握的模型理解新的实验现象。所以这个过程必然是一种具有高度理论性和推理性的活动，解释的过程也必然地融入了传统知识的因素。但是，有时实验结果往往并非已有理论能够完全概括与诠释的，因此，对实验结果的解释，包含了科学家的创造性在其中，甚至也包含了对已有理论或多或少的修正，甚至彻底摈弃。在这个意义上，实验结果与已有理论相互影响。
如前所述，科学家看待事物的方式总要受先前理论预设的某种影响，科学家对实验结果的解释也必然是理论预设的。当科学家囿于先前理论提供的世界图景，忽视了对新事实的洞察时，科学失误就很容易发生。在拉开近代化学革命序幕的氧化学说建立的过程中，我们会发现实验者理论图景的差异将导致对实验结果的解释是多么不同。
1774年，普利斯特列（Joseph Priesdey,1733—1804）开始加热氧化汞实验时，他用被普遍接纳的燃素说解释燃烧现象，把实验中释放出来的气体(氧气)看作是脱燃素空气，并用燃素说来解释氧气的特性、燃烧现象等一系列实验结果。当时，燃素说在解释燃烧现象时面临很多无法解决的困难，与他的实验结果经常发生矛盾。但是，普利斯特列仍然笃信燃素说，依然在燃素说的世界图景中去解释燃烧现象，认为只要测量出燃素的重量就能解决燃素说的困难。由于他固执地坚持燃素说，没有及时修正燃素理论使他对燃烧现象解释中没有发现氧气的价值，从而失去了建立一种新燃烧理论的机会。而拉瓦锡（Antoine Larrent Lavoisier,1743—1794）则彻底否定了燃素说，认为“燃素”根本不存在，他把普利斯特列实验结果中的“可燃素空气”命名为氧，进而用氧化学说解释了普利斯特列的实验结果，建立了氧化理论，最终完成了一次具划时代意义的化学革命。由此可见，作为理论预设的理论框架，如果和实验事实矛盾不能适应新的科学发现时，这一理论也就到了需要修正或寿终正寝的时候了。
当实验事实和已有理论预言相冲突时，科学家所应该做的不再是坚持以往理论和自己的已有信念，而应如奎因（Willard Vat Orman Quine,1908—2000）所说的那样，“当实验结果不是被检验的理论所预言的情况发生时，科学家必须设法去修正他的理论，至少他应该停止使用这种或那种共同包含了虚假预言的观念。”[14] 只有这样才有助于我们防止理论预设的局限性。
五 理论预设在科学实验中的致错机制的反思
当不受“理论预设”影响时，科学家可以避免某些陈腐的先入之见，使科研工作有所创新而获得成功。因提出核的壳层模型而共享1963年诺贝尔物理学奖的梅耶（Maiia Goeppert Mayer,1902—1972）和延森（Johannes Hans Daniel Jensen,1907—1973）为此提供了恰当的例证。在核的稳定性研究中，很多科学家受自旋一轨道耦合论的影响，并从此角度去研究“幻数问题”。而梅耶接受的物理训练中没有物理化学中自旋一轨道耦合论。她不知道这一观点，自然也不受这一观点的限制，她另辟蹊径提出了核的壳层模型，很好地解释了大多数原子核的基态自旋和宇称问题。同时延森也独立给出了相同的解释，同梅耶一样他也不知道自旋一轨道耦合观点。他们的成功都在于不受先前“理论预设”的影响。因此，默顿（Robert King Morton,1910—2003）甚至强调说，“汇聚在一起的天真和无知在科学中明显地都有其作用——尤其是对于那些根本不天真而是知识渊博的科学家。”[15]
但是，完全不受先前理论的影响是很难的。科学家总是在一定的理论预设背景下工作的。如果进一步分析科学家在实验室的角色与活动，那么实验者和仪器的关系就如同导演和演员的关系，演员的表演虽然有一定的主动性，但是总的来说要受到导演的控制，科学实验也好比一场话剧，同样也受实验者的控制并体现着实验者的期望。这就如拉图尔（Bruno Latour,1947—）在对巴斯德实验室的分析中所说的那样：“他们很善于在自己的背景框架中设置试验和仪器以便于使那些看不见的演员——显微镜清楚地显示出微生物的运动和生长的图景。”[16] 由此可见，科学实验并非是完全客观的过程，科学家的思维无时无刻不在影响实验的进程及其结果，更不论那些故意诱导的极端案例了。
需要说明的是，科学理论本身并不直接引起实验中的科学失误，是科学家对已往理论的不恰当运用，科学失误才得以展现。科学理论通过科学家渗透到实验的各环节，这种渗透是不可避免的，因为任何实验都是在既有的理论图景中进行的，正如劳丹（Larry Laudan,1941—）所言，“世界总是通过这种那种的概念框架的‘透镜’被感知的；概念框架及其所使用的语言在我们的所见所闻上印下了清除不掉的‘印记’。更准确地说，一切种类的问题(包括经验问题)都发生在一定的背景之中，因而部分地受到那一背景的规定，我们的期望，我们对什么感到惊奇、我们认为什么有问题，都受到我们关于自然秩序的理论前提的影响。”_[17] 美国科学、工程和公共政策委员会说，“科学成果必然是暂定的。科学家永远不能结论性地证明他们能完全精确地描述自然或物质世界的某些特性。”[18] 从这个意义上说，所有既成的科学理论都可能具有一定的局限性、是不完善的，而科学的发展和完善必然要突破传统理论和观念的限制。这就要求科学家在科学探索活动中，在运用传统理论的同时不能完全囿于传统之中，要灵活地、创造性地运用以往知识进行自由的想象和构思，才有可能减少因理论预设而导致的科学失误。用库恩的话就是：“科学家需要彻底依附于一种传统，但要取得完全成功又必将与之决裂。”[19]
最后值得强调的是，不应该认为理论具有如此的力量，以至于它可以造成客观实在的不确定。理论预设对科学家的影响，更多的依然表现在对科学家正确思维的干扰或误导方面。因此，研究失误不是目的，找到跳出失误的新路却是一种共同的期待。
【收稿日期】2005—10—18