证伪与科学研究纲领方法论-第10章

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趣例子。（但研究纲领可以摆脱退化的低潮。众所周知，可以很容易地加强洛伦兹的以太理论，即使它在一有趣的意义上变得同爱因斯坦的非以太理论等值。在一个重大的“创造性转换”的范围内，以太可能会再回来的。）

　　我们需要以事后之明鉴来评价实验，这个事实说明了为什么在1881年到1886年的文献中根本就没有提到迈克耳孙的实验。甚至当一位法国物理学家保梯向迈克耳孙指出他1881年的错误时，迈克耳孙决定不发表纠正按语。他在1887年3月写给瑞利的一封信中解释这一决定的原因说：“我一再试图使我的科学界朋友们对这一实验发生兴趣，但没能成功。我从未发表这一更正（我羞于承认这一点）的原因是，这一工作得到的注意很少，这使我感到沮丧。我认为更正是不值得的。”顺便说一下，这封信是对瑞利的一封信的回答，瑞利的信使迈克耳孙注意到了洛伦兹的论文，这封信导致了1887年的实验。但即使在1887年之后，甚至在1905年之后，一般也不认为迈克耳孙－莫雷实验充分有理地证伪了以太的存在。这也许能说明，为什么迈克耳孙获得诺贝尔奖金（1907年）不是因为他“反驳了以太理论”，而是“因为他的精密光学仪器和分光仪，以及在这些仪器帮助下进行的方法论的研究。”还说明了为什么授奖演说中甚至没有提到迈克耳孙－莫雷实验。迈克耳孙在他的“诺贝尔演讲”中也没有提到迈克耳孙－莫雷实验；他闭口不谈这样一个事实，即尽管他最初有可能设计出他的仪器来精确地测量光速，但他被迫改进这些仪器来检验某些特定的以太理论，而他的1887年实验的“精确性”在很大程度上是由洛伦兹的理论批评所激发的：这是当代的标准文献从来不提的一个事实。

　　最后，人们容易忘记，即使迈克耳孙－莫雷实验证实了“以太风”，爱因斯坦的纲领也照样会胜利。古典以太纲领的热心拥护者米勒当时发表了一个轰动一时的声明，说迈克耳孙－莫雷实验进行得没有条理，实际上以太风是存在的。这时，《科学》杂志的新闻通讯员吹嘘道：“米勒教授的成果从根本上打垮了相对论。”但是，爱因斯坦认为，即使米勒报道了真实的事况，要放弃的也［只不过］是“目前形式的相对论”。事实上，辛格指出，即使从表面上来看，米勒的成果同爱因斯坦的理论也并不矛盾：只是米勒对这些成果的说明同爱因斯坦的理论相矛盾。人们可以轻而易举地用新的加德纳－辛格理论来取代现存的刚体辅助理论，这样也就可以在爱因斯坦的纲领内充分消化米勒的成果。

　　（d2）卢默－普林希姆实验

　　让我们来讨论另一个所谓的判决性实验。普朗克声称卢默和普林希姆的实验在本世纪之交“反驳”了维恩、瑞利和金斯的辐射定律，“导致了”甚至是“带来了”量子论。但这些实验的作用更加复杂，而且同我们的方法很一致。卢默和普林希姆的实验不仅仅是结束了古典方法，而且得到了量子物理学的很好的说明。一方面，爱因斯坦量子论的某些早期理论蕴涵着维恩的定律，因而遭受卢默－普林希姆实验反驳的程度并不小于古典理论。另一方面，人们对普朗克公式提出了好几种古典的说明。例如，在英国科学进步协会1913年的会议上，专门开了一个辐射会议，参加会议的有金斯、瑞利、J。J。汤姆生、拉莫尔、卢瑟福、布拉格、坡印亭、洛伦兹、普林希姆和玻尔。普林希姆和瑞利对量子理论的推测有意保持中立，但洛夫教授“代表了较陈旧的观点，并坚持认为不采纳量子理论是有可能说明关于辐射的事实的。他批评应用能量均分理论，而这一理论是量子论基础的一部分。支持量子论的最有力的证据，是同普朗克黑体发射率公式的实验一致。从数学的观点来看，可能有更多的公式同样符合于该实验。会议讨论了A。科恩的一个公式，这一公式产生了广泛的结果，表明它和普朗克的公式同样与实验相符。在进一步争论古典理论的源泉还没有耗尽的时候，他指出，将洛伦兹的薄板放射率计算扩展到其他情况也许是可能的。对于这一计算，任何简单的分析表达式都不代表全波长范围的结果，而且很有可能的是，在一般情况下，任何适用于全波长的简单公式都是不存在的。事实上，普朗克公式也许不过是一个经验公式。”卡伦德举了一个古典说明的例子：“如果我们假设维恩关于全辐射能量分配的著名公式只代表内能，那么对这一公式与实验的不符便立即可以得到说明。正如瑞利勋爵所表明的那样，参照卡诺原理，可以很容易地推出压力的对应值。我所提出的公式（见《哲学杂志》1913年10月）不过是这样得出的能量密度与压力的和，这公式就辐射和比热来说，都令人满意地同实验相符合。我觉得这一公式要优于普朗克的公式，因为（还有其他原因）后者无法同古典热力学相调合，并涉及到量子的概念，或者说，涉及到一个不可分的作用单位，而这是难以想象的。我的理论的相应的物理量，我在其他地方称之为热分子，却不一定是不可分的，而是与原子的内能有一种非常简单的关系，这种关系便是说明下列事实所需要的一切，即在特殊情况下，辐射可能是按原子单位发射的，而原子单位是一特定量的倍数。”

　　引用的这些话可能太冗长，但至少它再一次令人信服地表明，即时的判决性实验是不存在的。卢默和普林希姆的反驳并没有淘汰对辐射问题的古典解答。指出下面一点可以更好地描绘这种情形，即在新量子论纲领内部，普朗克最初的“特设”公式——它适合（并纠正了）卢默和普林希姆的材料——可以得到进步的说明；而在古典纲领内部，无论他的“特设”公式，还是该公式的“半经验的”竞争对手，都不能得到说明，除非付出退化的问题转换这一代价。顺便说一下，这一“进步的”发展，依赖于一个“创造性的转换”：（爱因斯坦）以玻色－爱因斯坦统计学取代了波尔茨曼－麦克斯韦统计学。新发展的进步性是十分明显的：根据普朗克的理论，它正确地预测了波尔茨曼－普朗克常数的值，根据爱因斯坦的理论，它进一步预测了一系列令人震惊的新颖事实。但在旧纲领内部发明出新的但可惜是特设的辅助假说之前，在新纲领展开之前，在发现表明新纲领中有了进步问题转换的新事实之前，卢默－普林希姆实验的客观相关性是非常有限的。

　　（d3）β衰变与守恒定律

　　最后，我要讲一个关于一项实验的故事。这项实验差一点成为、而并没有真正成为“科学史上最伟大的否定实验”。这个故事又一次说明，要断定从经验中到底学到了什么，经验“证明”了什么，“证伪”了什么，是极端困难的。要考查的经验是1914年查德威克对β衰变所作的“观察”。这个故事说明一项实验怎样可能在一开始被认为表现了研究纲领内部的常见难题，然后几乎被提升到“判决性实验”的行列，后来又被降低为表现了一个（新的）常见难题。这一切都取决于整个变化着的理论和经验背景。大多数传统的叙述被这些变化搞得混乱不堪，不如说是歪曲了历史。

　　当查德威克在1914年发现放射性的β放射物的连续光谱时，没有人想到这一奇怪的现象会同守恒定律有任何关系。1922年，L。迈特讷和C。D。埃利斯在当时的原子物理学框架内提出了两个朴素的竞争说明。迈特讷小姐认为，电子一部分来自原子核的初级电子，一部分来自电子层的次级电子。埃利斯先生认为，它们都是初级电子。两个理论都包含着复杂的辅助假说，而且都预测了新颖的事实。两个理论所预测的事实相互矛盾，而实验证据有利于埃利斯，不利于迈特讷。迈特讷小姐提出上诉，实验“上诉法庭”拒不支持她，但裁定埃利斯理论中的一个决定性的辅助假说必须予以拒斥。竞争的结果是一个平局。

　　玻尔和克雷默斯恰好在埃利斯…迈特讷争论的时候想到，他们只有放弃单一过程中的能量守恒原理，一个一致的理论才能得到发展。若不是玻尔和克雷默斯的这一观点，谁也不会想到查德威克的实验对能量守恒定律提出了挑战。玻尔…克雷默斯…斯莱特1924年的理论是很吸引人的。它的主要特点之一是用统计定律取代了古典的能量和动量守恒定律。这一理论（或者说，“纲领”）立即遭到了“反驳”，它的推断一个也没得到证认；实际上，它从未得到充分的发展以说明β衰变。但尽管这一纲领立即就被放弃了（原因不光是它遭到了康普顿…西蒙及玻色…盖革实验的“反驳”，还由于出现了一个强大的竞争对手：海森堡－薛定谔纲领），玻尔仍然确信非统计的守恒定律最后必将被放弃，只有取代这些定律之后，β衰变这一反常才能得到说明；这时，β衰变会被看成反对守恒定律的判决性实验。伽莫夫告诉我们玻尔怎样试图利用β衰变中能量不守恒的观点来巧妙地说明恒星中似乎永无休止的能量生产。只有泡利，由于魔鬼般地急于同上帝作对，仍然保守，并于1930年制定出他的中微子理论以说明β衰变并挽救能量守恒的原理。他给蒂宾根会议的一封诙谐的信传达了他的观点，他自己却宁愿呆在苏黎世参加一个舞会。他1931年在帕萨迪纳的一次公开讲演中第一次提到他的观点，但他不同意出版他的讲演，因为他觉得“没有把握”。玻尔在那时候（1932年）仍然认为，至少在原子核物理学中，可能必须“放弃能量平衡的观点”。泡利最后决定出版他在1933年索尔瓦伊会议上所作的关于中微子的讲话，尽管“除了两个年轻的物理学家，会议对他的观点是怀疑的。”但泡利的理论有某些方法论的优点，它不仅挽救了能量守恒原理，而且挽救了自旋和统计守恒原理：它不仅说明了β衰变光谱，同时还说明了“氮反常”。按休厄尔的标准，这种“归纳的一致”足以确立泡利理论的可敬地位。但按照我们的标准，成功地预测某个新颖的事实是必需的。泡利理论也提供了这样的新颖事实，因为泡利理论有一个有趣的可观察的推断：假如没错，β光谱必定有一个清楚的上限。这一问题当时没有定论，但埃利斯和莫特对它发生了兴趣，很快埃利斯的学生亨德森证明实验支持泡利的纲领。玻尔不以为然，他知道，一个以统计能量守恒为基础的重大纲领一经开始，不断增长的辅助假说保护带便会适当地对付看起来否定性最强的证据。

　　事实上，在这些年里，多数重要的物理学家认为，在原子核物理学中，能量和动量守恒定律崩溃了。只是到了1933年才承认失败的莉泽。迈特讷把理由讲得很清楚：“一切坚持能量守恒定律对单个过程亦有效的尝试都需要［在β衰变中］有第二个过程，但并没有发现这种过程”：也就是说，守恒纲领对于原子核显示了经验上退化的问题转换。当时有过几次不假定有“小偷粒子”而解释连续的β放射光谱的巧妙尝试。人们以极大的兴趣讨论这些尝试，但它们被放弃了，因为它们没能确立进步的转换。

　　这时候，费米出现了。1933…1934年期间，他在新量子论研究纲领的框架内重新解释了β放射问题，这样他发起了一个小小的关于中微子的研究纲领（这一纲领后来成长为弱相互作用纲领）。他计算了一些最初的粗糙模型，尽管他的理论还没有预测任何新事实，但他清楚地表明，这不过是进一步研究的问题了。

　　两年过去了，费米的诺言还没有实现。但至少就非原子核现象而言，这个新量子物理学纲领的发展是很快的。玻尔开始确信，玻尔…克雷默斯…斯莱特纲领的一些基本的、独到的观点现在被牢固地置于新量子纲领中了，新纲领解决了旧量子纲领内部的理论问题而不触及守恒定律。因此，玻尔是同情地关注着费米的研究的，1930年，在一系列不寻常的事件中，按我们的标准来看，他过早地公开支持了费米的研究。

　　1936年，香克兰为光子散射的竞争理论设计了一次新的检验，他的成果似乎支持被抛弃的玻尔…克雷默斯…斯莱特理论，而削弱了十多年前反驳了这一理论的那些实验的可靠性。香克兰的论文引起了一阵轰动。那些讨厌新潮流的物理学家立即为香克兰的实验欢呼。例如，狄拉克立即欢迎被“反驳”了的玻尔…克雷默斯…斯莱特纲领的归来，写了一篇十分尖锐的文章来反对“所谓的量子电动力学”，要求“在当前的理论观点中来一次深刻的改变，包括脱离守恒定律，［以便］得到一个令人满意的相对论量子力学。”在这篇文章中，狄拉克再次提出，β衰变很可能会成为反对守恒定律的一个判决性证据，并嘲笑说：“中微子这个观察不到的新粒子是某些研究者专门造出来的，他们试图通过假定有这种应付平衡的不可观察的粒子，从形式上保住能量守恒。”佩尔斯随后立即加入了讨论，他提出香克兰的实验甚至可能会反驳统计能量守恒。他补充说：“看来，一旦抛弃了内容详细的守恒，那也是令人满意的。”

　　在玻尔的哥本哈根研究所中，人们立即重复并摒弃了香克兰的实验。玻尔的一个同事雅各布森在给《自然》杂志的一封信中报道了此事。与雅各布森的成果同时，玻尔本人也来了一封信，他坚决反对叛逆者们，并捍卫海森堡的新量子纲领。他尤其捍卫中微子，而反对狄拉克：“人们可能注意到，关于β射线现象的迅速增加的实验证据，同在费米理论中得以显著发展的泡利中微子假说的推断之间有一种使人得到启发的一致，这在很大程度上排除了在来自原子核的β射线放射问题上严重怀疑守恒定律的严格有效性的根据。”

　　费米理论的最初形式没有取得显著的经验成功。实际上，甚至可资利用的材料，尤其是就当时β放射研究的中心问题RaE而言，都与费米1933…1934年的理论尖锐地相矛盾。费米想在他的论文的第二部分中解决这些问题，然而这一部分从未发表。即使把费米1933…1934年的理论说成是一个灵活纲领的第一种形式，到了1936年却不可能找到进步转换的任何重要的迹象。但玻尔想用他的权威支持费米把海森堡新的大纲领大胆地应用于原子核。香克兰的实验和狄拉克、佩尔斯的攻击使β衰变成为这个新的大纲领的批评中心。玻尔过分地赞扬了费米这一有希望弥补敏感分歧的中微子纲领。无疑，后来的发展使玻尔免遭了一场戏剧性的羞辱；以守恒原理为基础的纲领进步了，而竞争的阵营却没有一点儿进步。

　　这一故事的教益又是，一项实验能否取得“判决性的”地位，取决于它所在的理论竞争的地位。随着竞争阵营的命运的盛衰，对该实验的解释和评价也会变化。

　　然而我们的科学传说充满了即时合理性的理论。我所讲的故事被多数以某种错误的合理性理论为依据的叙述和重建所歪曲了。甚至最为流行的说法中也充满了这类歪曲。让我举两个例子。

　　关于β衰变，我们在一篇论文中获悉：“当第一次碰到这种情形时，选择似乎是严峻的。物理学家们或者必须承认能量守恒定律的崩溃，或者必须假设存在着一种新的未看到的粒子。这种在中子衰变中同质子、电子一同发射出来的粒子，可带走失踪的能量，从而可能挽救物理学的