理论、数据与仪器——析罗伯特#183;阿克曼关于知识增长的三维辩证互动模式，本文主要内容关键词为：罗伯特论文,互动论文,阿克论文,理论论文,仪器论文，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：N031 文献标识码：A 文章编号：1000-8934(2012)10-0111-05
1 对实验的忽视与传统哲学的困境
二十世纪的前四分之三是科学哲学迅猛发展的时期，从逻辑经验主义、批判理性主义到历史主义，哲学家们提出了一个又一个宏伟的理论体系。可是，在这些传统哲学家的思考中，科学的进步主要体现在概念和理论的进步，实验的作用严重被忽视。对此现象，实验物理学家、科学哲学家贝尔德(Davis Baird)和法斯特(Thomas Faust)曾批评道：“哲学家们依据理论和实验的术语来谈论科学，可是，一旦提到科学知识的进步，他们只提到理论。根据大多数哲学家的看法，进行实验只是为改进理论。”[1](p.147)
这种现象在科学史领域也比较普遍。当代美国科学史和科学哲学家彼得·伽利森(Peter Galison)感慨：“尽管人们常说科学通过实验而进步，而实际上整个科学史的文本关注的是理论。无论学者们考察十七世纪的科学革命，十九世纪的场论，或者二十世纪的相对论和量子力学。他们所写的历史故事都强调概念的进化，而不是实验室的实践。”[2](p.ix)
由于研究者的兴趣主要在概念和理论的进化，其结果，传统的科学哲学文本将实验仅仅视为获取“数据”，而数据代表了自然。因此，实验的意义仅仅是获取关于自然的事实，是支持、检验或反驳一个假说的工具。实验通常可被“数据”所取代，实验过程则被黑箱化。结果导致数据与理论孰先孰后，是数据决定了理论还是理论决定数据的问题，由此引发“观察渗透理论”与“观察的独立性”，有无“判决性实验”等争论。逻辑经验主义强调实验数据的基础性和独立性，将数据当成理论假说的独立判决者，科学的进步体现在经验事实(数据)的进步上；批判理性主义者波普尔主张有“判决性实验”，科学的进步体现在旧假说不断被反驳和被新假说取代，新假说解释力更强、适用范围更广、包含的经验内容更多，等等；历史主义者托马斯·库恩、保罗·费耶阿本德、拉卡托斯等提出“范式”或“理论”或“研究纲领”左右了数据的选择和现象的解读，实验不能担当起对一个孤立假说的直接判决作用。由于新旧范式间的“不可通约”，不能以经验内容来比较理论的进步性与合理性，等等，从而导致评价科学进步与合理性的“危机”。
2 从二维解释到三维解释
传统哲学将实验黑箱化，使哲学家们讨论的话题限制在“理论”(概念)与“事实”(数据)二维层面，不去关注实验室内丰富的实践活动。皮克林指出：“20世纪绝大多数英美科学哲学家，他们几乎没有对科学实践显露出直接的兴趣，而是往往主要关注科学的知识概念产物，并致力于分析科学概念、科学事实以及两者之间的关系问题。[3](p.3)传统哲学的“理论”与“实验”二维互动关系可简单以如下图示表示：
二十世纪七十年代以来，随着历史主义的兴起，尤其库恩《科学革命的结构》的广泛影响，科学哲学实践发生明显变化：从规范科学到理解科学，即向诠释学转变。此外，科学知识社会学异军突起，其大量实验案例研究吸引了不少哲学家的关注。受此影响，到八十年代中期，科学哲学研究兴趣发生明显转变：从研究科学概念、理论到研究科学实践中的“物”(仪器、设备等)与“社会”(共同体的交流互动)。哲学家们意识到，科学是理论与实验相结合的整体，要全面理解科学，不仅需要知道科学家说了些什么(概念、理论)，还应该知道科学家做了些什么(实验、仪器，以及交流互动过程)。科学的进步不仅体现在理论或概念的进化上，更直接体现在实验仪器与技术的进步：一代比一代先进的实验仪器和技术提供新的数据和现象领域，促使科学家的研究兴趣发生转变；新一代更精密的仪器产生更可靠更精确的数据，从而平息了以往的科学争论；当代大科学出现的科学与技术一体化——技术性科学的进步体现在仪器的制造和操作技术，数据提取、分析、处理技术的进步；仪器在跨领域的应用大大拓展了研究的空间；技术性科学的社会性体现在仪器制造跟不断进步的工业技术的结合，等等。[1](p.148)
当代美国新实验主义者罗伯特·阿克曼认为，过去对科学进行的哲学、社会学、人类学研究中，科学知识生产的核心装置——实验仪器在知识形成的过程仍然被忽视了，仪器仅仅被当成“铭写装置”，即获取数据的工具，学者们最关心的还是最后形成“文本”的过程。阿克曼提出，应当将仪器作为独立的要素来考察，并将过去笼统所称的“实验”分解为“仪器”与“数据”两个领域，以理论、数据、仪器三者辩证互动来理解科学知识的增长。阿克曼认为，将理论与实验(数据)直接对照显得太笼统。实验有其复杂的内在结构，尤其仪器的作用不可忽视：“科学仪器打破了理论与观察之间的联系，使得理论和数据形成辩证关系，而且，仪器的使用构成了‘数据领域’，促使理论适应于它。仪器将理论与数据分隔开，意味着数据的收集可以独立于当前的理论，而又通常限制了现有的理论。每当由于新仪器的使用而使新的数据领域确立起来，旧的数据领域及其与之相适应的理论并未消失，但是它们在原则上被剥离开从而被搁置掉。”[4](p.x)
阿克曼主张将仪器作为一个相对独立的要素来研究，理由有三：一，尽管有些实验仪器是由某个理论预设而设计制作，或为了检验某个假说而产生，但仪器的运作和数据的产生有其相对独立性，而且仪器和技术的发展是连续进化的过程，实验数据的确认有待以后新实验技术的支持，从长期来看它消解了理论负载的影响。仪器在跨学科跨领域的应用则不受预设理论的影响；二，新出现的仪器往往提供全新的数据领域，成为理论和实验关注的对象，推动科学朝某个新领域发展。同时，仪器也是科学认识能达成一致性的主要原因。促成当代科学认识一致性是因为共同体有共享的资源：大科学时代需要的仪器极其复杂和昂贵，集中在少数几个实验室的仪器所产生的数据是共同体共有的研究对象。仪器的操作、分析技术是在少数几个实验室训练培养出来的，在这种亚文化传统培养出来的科学家具有相似的文化背景，容易达成共识；三，新一代更精确、更可靠的仪器平息了以往的科学争论，成为解决相竞争的假说或相冲突的实验报告的关键因素。过去笼统地以数据或实验作为判决科学争论的标准，实际上，判决是以仪器的可靠性和精确性为基础的。若共同体对仪器的可靠性和精确性存在怀疑，再多的重复实验或数据也没有说服力，问题的解决有赖于新的更精确更可靠的仪器和技术。
阿克曼的理论、数据、仪器三维互动模式可用如下简单图示表示：
在此模型中，理论不是被动地适应数据，实验也并非完全围绕理论预设而展开，而是理论、数据、仪器处于互动过程中：“一个新的仪器或观察也许启发了一个新的领域，呼唤新的理论。或者，一个新的理论思想也许预见一种可能的新的数据领域，呼唤实验和仪器的证实。[4](p.149)在理论进化过程中，每个理论的存在都有其相应的数据领域为基础。比如物理学从经典力学到量子力学的转变，“新理论属于新的领域，其中，仪器、事实(数据)和理论与经典力学不一致。它们并不是将经典力学在其领域淘汰掉，而是经典力学在它们的领域里不再起作用”。[4](p.148)理论、数据、仪器三个领域有相对的独立性和稳定性，又处于辩证互动的动态过程。其中，理论与数据的互动要以仪器为中介，而仪器与理论、与数据有相互的推动作用。以下我们以具体案例分析阿克曼的仪器与理论、与数据的互动关系。
3 仪器的重要性
关于科学事实的认可过程，阿克曼采用莱维兹(Ravetz,Jerome R.)在《科学知识及其社会问题》中的分析。[5](pp.69-72)莱维兹将科研活动称为一种“技艺性工作”(craftsman's work)，并将科学事实的认定过程分为“同行评议”和“同行引用”两个阶段。前者指科研论文发表前要通过同行的评审，后者指成果发表后得到同行的引用、关注和支持，否则个别的实验报告不被认可为科学事实的一部分。个人的科研活动作为一种“技艺性工作”，他(她)不能保证其实验结果的可靠性，因为“数据，及其相应的科学信息依赖于研究者的敏感性，依赖于他或她感到仪器设备是在正常运行，依赖于他们为研究某个问题而选择了合适的设备和技术，如此等等。在这些环节中可能存在的缺陷表明，作为科学之基础的个人层面上的实验是不确定的，即是说，不能保证个体研究者已经避免了错误的发生”。[4](p.113)因此，对实验结果的认定是集体的行为，科学共同体内部存在许多亚结构，集体认定有来自不同的研究方法和手段，使用不同的仪器和技术，从而个人的观察是否有理论负载显得无关紧要，关键是要得到后续实验的支持，尤其新的仪器和技术手段能否将过去的事实保留下来。从这一点看，过去对科学所作的哲学分析或社会学解释都显得不够全面。科学事实的认定虽然有社会性协商，但它具有特殊性：“与其它社会机构的协商是以解决观点的分歧不同，自然科学的协商必然要面临新的科学数据文本的不断产生，因此，在任何一点上偶尔由于偏见或权威而导致的曲解，将最终面临新的文本的反驳，从而得到解决。在某个特定的时期，新的偏见或权威也许会影响对事实的看法，但旧的偏见或权威将被过滤掉。”[4](p.112)
1)仪器对科学争论的判决：一个案例研究
阿克曼以密立根(R.A.Millikan)测定电子电荷的实验为例，分析仪器和技术的进步如何平息了相冲突的实验报告和科学争论。密立根的油滴实验及其与埃伦哈夫特(Felix Ehrenhaft)之争(被喻为“电子之战”，fight over the electron)曾引起学界广泛讨论。美国科学史家霍尔顿(Holton,Gerald)专门就此争论作了详细研究。[6](PP.25-83)
密立根从1907年底开始，以云雾室测定电子的电荷。他认为带电体的电量有一个最小单位，即一个电子的电荷量；埃伦哈夫特用观测布朗运动的方法来测定带电体的电荷，却发现有比一个电子更小的电荷量，如半个电子、四分之一、百分之一电子的电荷量。从1910年春开始，两者就到底有没有最小单位的电荷量发生激烈争论。从事后评价的角度，很容易得出埃伦哈夫特是错误的，他的分数电荷实验结果没有成为科学事实。但从1910年前后的情境来看，埃伦哈夫特的反驳是有理由的，因为密立根也多次观测到分数电荷的结果，不过他在计算电子电荷量时对实验数据作了筛选，将那些他认为“不好”的数据归之于计时不准确、温度有变化、电压不稳定等而舍去。
阿克曼认为，当时埃伦哈夫特是有名望的科学家，他尝试了多种方法重复这一实验，他的意见值得关注。密立根的报告对数据作了筛选，那么，哪些数据是“好的”，哪些是“不好”的？这只能依据个人的判断，其中不排除理论期望的影响。存在最小的电荷单位是当时主流原子物理学的基本假设，密立根开始实验时就坚信有最小单位电荷的存在，实验的目的就是要精确测定电荷量的最小单位。[4](p.118)在他之前，已有汤姆森、汤森德、威尔逊等的云雾室实验，但实验还比较粗糙，得出的数据波动很大。密立根顺着云雾室实验的思路，尽力改进实验的精确性。他在一个扩大了的云雾室里，在竖直方向用两个金属极板加上稳恒电场，先后用x射线、雷化合物等对云雾进行电离。云雾水滴在重力、空气阻力、空气浮力、电场力的共同作用下下落，加上电场和不加电场时水滴下落速度有所不同。通过一个短焦距望远镜观测云雾水滴的运动，用斯托克斯公式，以统计方法计算云雾整体的电荷值，求出水滴电荷量的平均值。为便于计算，得做一些简化假定，比如所有水滴都是稳定的、相似的，电离不会明显影响水滴的形状，等等。1908年1月，密立根在美国物理学会会议上报告了他用云雾室方法得出的数据，论文随后在《物理学评论》上发表，得到卢瑟福等物理学家的赞赏，但卢瑟福提出水滴存在蒸发问题，可能导致数值偏小。
为解决水滴蒸发问题，密立根及其助手在1909年改用“平衡水滴法”，即给云雾水滴加上与重力方向相反的电场力，使其平衡悬浮在云雾室中，以观察蒸发的快慢。为使水滴能悬浮，密立根改用更强的电场(达10000伏特)。然而强电场导致水滴很快扩散，从而云雾散开。但云雾散开后仍有少量微小水滴保持在视界内，悬浮于强电场中。他将观察的对象转变到这些静止的单一水滴上来。密立根还注意到，某些水滴显然是捕获了一个新的电荷，从而突然发生移动。通过观察这些突然移动的水滴，他推测电荷量是以某个最小量的整数倍形式出现的，这支持了有最小单位电荷的假定。
密立根于1910年初发表了用“平衡水滴法”得出的首篇重要论文。他将观测数据分为“最好”、“好”、“一般”、“舍去”四个类别，并对其他同行的实验作了一番评论，包括埃伦哈夫特的实验。阿克曼认为，“密立根信赖他感觉实验仪器的正确运行，同时也受限于他的期望，即好的观察结果应该围绕假定的正确值分布。因此，在密立根计算单位电荷平均值的时候，那些最好的观测数据占据更多的权重”。[4](p.119)埃伦哈夫特立即对密立根的批评做出回应，并用一种与密立根不同的技术做了一系列新实验，不断报告分数电荷结果。他进一步指出，对密立根的实验数据，如果采取不同的计算方法，实际上会得出支持分数电荷的结果。这对密立根是一个严重的反批评。显然，密立根从他分散的数据中看到了围绕某个假定的正确值分布，而埃伦哈夫特(此时转向马赫主义，反对原子论)则看到密立根的数据跟他自己的一样，是一些离散值，显示出分数电荷。两者的争论陷入了僵持状态。
但是，僵局最终被密立根的新实验技术和仪器的改进而打破。密立根先后尝试用包括酒精等其它液滴做实验，最后成功地用油滴取代水滴，并用新油滴喷雾技术，得出标准的圆形微球，从而极大地降低蒸发产生的影响。油滴蒸发很慢、稳定性更好，他可以任意长时间地观测带电油滴的运动，得出稳定的结果，从前那些离散的，被认为不好而舍去的数据急剧减少。同时，其它相关的技术设备也得到改进，包括计时技术、光学技术，以及得到稳定控制的环境温度、气压、电场等。经过近五年的不懈努力，1912年，密立根终于确信他的实验取得完全成功，确立一个电子的电荷量为基本单位已经没有问题。从1911年10月至1912年4月，他连续做了一百多次观测，并选择其中的58个数据发表，求出电荷平均值。他报告的新数据显得非常完美，同行也认为他的实验精确可靠。虽然埃伦哈夫特仍然坚持他的实验，不断发表存在分数电荷的证据，但其实验技术不确定性因素太多，其反驳已显得软弱无力，争论逐渐平息下来，一个电子的电荷量作为基本电量单位在物理学界被确认为事实。
阿克曼认为，密立根的自信和取胜得益于对仪器和技术的不断改进。早期的实验由于仪器的原因，数据比较分散，在对数据的筛选中，理论预设的影响很大，带有明显的个人倾向，受到批评也是自然的。但是，随着技术的改进，从云雾室到平衡水滴法，再到油滴法，尤其改用强电场和喷雾油滴，数据显示出清晰的一致性，明显地指向了整数电荷。而且，后来其它更精确的实验技术也支持了他，这才最终确立了他的实验数据的地位。他的数据反过来也支持了卢瑟福的原子模型及古老的原子论思想，成为现代物理学的重要基础。
2)仪器是科学累积进步的体现
传统哲学认识论以知识概念为核心，进步是指知识形态的产品——概念的进步，物质层面的仪器与技术不被关注。阿克曼人为，从完整的意义上来理解现代技术性科学，物质性的仪器同样承载知识的功能，知识的进步不仅体现在概念认识上，也体现在物质存在、物质操作层面上。而且，假说理论总是不断翻新，在很多情况下，新、旧理论的交替使认识发生了断裂，出现比较和评价进步的困难。但是，仪器及技术的进步却是明显的、累积性的：“科学的进步的确是仪器与技术的进步。更好的仪器和技术告诉我们同一个世界里更多的东西，因此，它们经常迫使理论观念的改变。在这一意义上，确实存在科学的进步，即便理论解释可能经历剧烈的转换。”[4](p.50)将仪器与技术作为科学发展的一个重要因素来理解，其优点在于，在理论认识发生剧烈转变时，仪器和技术仍可在不同范式间转换使用，是仪器的连续性将新、旧理论的断裂处衔接起来，不会出现评价的困难。
阿克曼承认，实验仪器与技术由于其复杂、琐碎，是“意会知识”等特点，不便提炼出简洁的哲学语言来分析，但这不是忽视实验的理由。即便从近代科学革命开始算起，仪器的连续进步也是明显的，从伽利略的低倍光学望远镜到赫歇耳的大型望远镜，再到现代射电望远镜，观察精确度不断提高，范围不断扩大，不但澄清了过去认识上的许多混乱，还打开许多新的研究领域，产生了射电天文学。虽然其间理论认识经历了多次颠覆性变化，但仪器和技术的累积性进步不可否认。
此外，仪器的使用也是自然科学与社会科学的重要区别。由于仪器的广泛使用，使理论或偏见的“污染”逐步被消除，使科学家容易形成共识：“当他们发生分歧时，是仪器与技术使科学家确信他们在讨论的是同一个话题，即共同的科学事实。”[4](p.50)在仪器精确度不高的早期实验，理论解释的分歧往往比较大，但是，“仪器的进步可消除这些模糊，在那些理论预期导致观点分歧的地方，得到共同认可的数据将取而代之”。[4](p.130)在自然科学领域，由于有不断发展的仪器和技术，个人偏见容易被过滤掉。因此，纠错的事例经常发生，除非经过严格的检验，共同体对新假说总是保持谨慎态度。社会科学领域则不同，由于缺乏公认的仪器和技术标准，事实的收集和评价有很大的主观性，不同学者收集的事实都有其特殊性，历史事件不会重复发生，新的数据文本无法过滤旧的数据，也就无所谓纠错和严格检验。因此，在社会科学领域，通常一个新颖的假说没有经过检验就已经有很多追随者。从这一意义上来说，社会学、经济学等“社会科学”，事实基础不统一、不精确，观点很难达成一致，导致学派林立，体现不出连续性进步。
理解当代科学，比如大科学之典型的高能物理学，无论进行历史考察、社会学分析或哲学研究，人们不得不首先关注那些复杂而昂贵的高能加速器：欧洲核子研究中心、费米实验室、斯坦福直线加速中心等所提供的信息。现代高能物理学研究就是围绕这些实验室的仪器设备而展开的，拥有这些大型设备的实验室已经成为世界科学的中心，仪器在科学发展中的地位不容置疑。从这一点上，阿克曼主张对实验进行剖析，分离出数据和仪器两个相对独立的领域，以突出实验的丰富性和重要性，有一定积极意义。
作为新实验主义的理论倡导者，阿克曼主张以实验与仪器的连续进步反驳库恩的范式不可通约论，同时批驳科学知识社会学的相对主义取向。他所列举的实验，如密立根的油滴实验，是不断进步的仪器和技术推进科学认识的典型。正如密立根传记作者卡巩所言：“密立根之所以伟大不是因为他在实验上或理论上的独创性，而在于他非凡的实践技巧，对实验困难的深入洞察力、克服困难的技巧以及不容否认的耐心和毅力。”[7](p.68)新实验主义者的共同特点是，为挽救科学的合理性，必然要选择一种进步观，以消解“观察渗透理论”、“范式不可通约论”。过去单纯强调理论或经验的进步，都存在解释上的困难。阿克曼将科学理解为一种技艺性工作，借助仪器的中介，以理论、数据、仪器的辩证互动来解释科学进步，这一思路被伽利森、皮克林、贝尔德等其他学者进一步发展，丰富了我们对科学实践的认识。