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第1章 引 論

在一個有體系的認識論者看來，科學家……必定像一個肆無忌憚的機會主義者。

——愛因斯坦1

現代科學史家必須接受這樣一個事實：科學家們總是走在認識自然的最前列。關于這方面的描述，粒子物理學家已經通過科普報刊或高能物理方面的專業文獻給出了很多，2 本書也將對這些描述進行考察。這些描述都有一個共同的形式——都是以既定的科學寫作體裁投稿——并呈現為一種科學觀點，從某些方面說，這種觀點是文章在后續幾頁中要展開的鏡像(或倒像)。因此，我想先勾勒出科學家對高能物理發展史的典型"描述"。這樣，一方面可以揭示出這種描述的不足之處，同時也便于說明我自己所采取的方法的理由。3這種速寫會用到一些專業術語，這些術語在后面的章節都會有解釋，其具體含義在目前情況下不是很重要。

科學家對物質層次結構的描述始于60年代初。當時，粒子物理學家已知道自然界存在4種基本力。按力的強弱排序，它們分別是強作用力、電磁力、弱作用力和引力。強作用力是短程力，用于說明原子核中的中子與質子的結合，它也是基本粒子之間的主要相互作用力。電磁力要比強作用力弱得多，大約只有后者的103(即1000)分之一。它是一種長程力，用以說明原子中原子核與電子之間的約束，也用來解釋各種宏觀電磁現象：如光、無線電波等等。弱作用力也是一種短程力，其強度大約只有強作用力的105(100,000)分之一，除非在特殊情形下，其影響基本可忽略不計。這些特殊情形是指原子核和基本粒子的某些放射性衰變以及某些恒星的產能過程。是引力。像電磁力一樣，引力也是長程力。它用于說明宏觀引力現象——蘋果從樹上落下來，地球的繞日軌道運動，等等——但這種力要比強作用力弱上1038倍，在基本粒子世界里其影響可認為微不足道。

與力的分類相對應的是基本粒子的分類。受強作用力支配的粒子稱為強子。強子有很多種，包括原子核的成分——質子和中子。那些不受強作用力支配的粒子，如電子和其他少數粒子，稱為輕子。但這一粒子分類圖像在1964年開始發生變化。有假說認為，這些成分粒子也是可分的：強子就被認為是由更基本的實體——夸克——組成的。雖然這一假說留有許多問題有待回答，但夸克模型確實能夠解釋實驗觀察到的強子質量譜和強子衰變過程的某些規律性。此外，在60年代末和70年代初，人們看到，夸克可以解釋所謂標度無關性(scaling)現象，人們已在最近的輕子與強子的相互作用實驗中發現了這一標度關系。因此，在科學家那里，夸克代表著一種新物質層次上的基本實體。夸克的存在最初并沒有被認為得到確證，主要原因是實驗上未能發現明顯具有所宣稱性質(即具有分數電荷)的這類粒子。輕子不存在這種平行的本體論上的轉變；與強子不同，它們仍被視為真正意義上的基本粒子。

早在20世紀70年代，有關夸克之間、輕子之間相互作用的新理論已開始制定。人們首先認識到，弱相互作用和電磁相互作用在所謂規范理論的處理下可以統一為單一的電弱作用力的不同表現。這一統一理論大有19世紀麥克斯韋統一電與磁的遺風，它預言的弱中性流在1973年得到確認，預言的粲粒子也于1974年得到驗證。此外，人們在1973年還認識到，可能存在一種特殊的規范理論，稱作量子色動力學(或簡稱為QCD)，可以用來解釋夸克的強相互作用。開始時人們發現它可以解釋標度無關性，后來它又被用來描述實驗觀察到的對標度無關性的偏差。它說明了粲粒子和其他粒子的一些有趣性質，還可以說明各種強子現象，由此量子色動力學成為公認的強相互作用理論。孤立夸克仍然沒有能觀察到，但電弱理論和量子色動力學都預設了夸克圖像的有效性，因此夸克的存在與規范理論對它們之間相互作用的描述是同時得到確立的。在70年代后期，粒子物理學家們一致認為，基本粒子世界是由夸克和輕子相互作用主宰的世界，它受兩種規范理論——電弱理論和量子色動力學——的支配。，人們注意到，既然電弱統一理論和量子色動力學都是規范理論，那么它們之間應當也可以統一起來。這的統一帶來了更加迷人的預言，并從1979年開始引起實驗工作者的興趣。這些預言雖然沒能立即得到證實，但許多物理學家堅信總會有確認的這24小時。因此，有了夸克之后，人們不僅發現了一個新的物質基本結構層次，而且看清了：以前被認為是彼此不同的三種力——強力、電磁力和弱力——其實只是一種力的不同的具體表現。

科學家對夸克概念發展史的描述，不僅簡潔，而且還有個好處，就是它點出了發展的關鍵。例如，它表明，夸克概念只是(我們后文將要討論的)理論發展過程中的一個組成部分，另一部分是規范理論，后者最終提供了理解夸克和輕子等相互作用的框架。值得牢牢記取的是：如果我們不能領會規范理論的威力，那么就不可能建立起正確的夸克圖像。科學家的描述還指出了新現象——標度無關性、中性流、粲粒子等等——在支持夸克-規范理論觀點上的作用。夸克-規范理論對這些新現象的觀察與基于前夸克世界觀的觀察有很大的不同，這些我們將在后文中予以詳細說明。然而，即使撇開對高能物理學重要發展的具體說明這一點不論，科學家的描述也或多或少地挑明了這兩種觀察之間的關系。現在我就想來討論這種關系，以便看清楚本書的處理在哪些地方與科學家的做法不盡相同。

在科學家眼里，實驗被認為是理論的較高仲裁者。實驗事實將最終決定哪一種理論會被接受，哪一種會被拒絕。例如，關于標度無關性、中性流和粲粒子的實驗數據決定了夸克-規范理論圖像比描述自然的其他理論更值得期待。但是對于這種觀點，哲學上有兩種著名而有力的反對意見，二者均暗示著實驗結果不可能迫使科學家去選擇一種特定的理論。4 及時種意見認為，即使人們被迫接受實驗所產生的明確事實，也還是存在這樣一種情形，那就是選擇一種理論并不取決于有限的實驗數據。人們總能夠提出一種理論，用來解釋一組給定的事實。當然，這些理論中有許多似乎令人難以置信，但所謂可信性，指的是科學判斷的作用：人們不認為競爭性理論的相對可信度會取決于那些所有理論都能很好地予以解釋的實驗數據。這種判斷是理論選擇內在固有的，它所包含的東西顯然要比直接進行實驗數據與理論預言的比較多得多。不僅如此，雖然原則上人們可以想象，一個理論有可能與所有有關的事實取得的一致，但科學史上似乎還從沒有出現過這種情形。理論預言與實驗數據之間總會有一些不一致的地方。因此人們必然會提出這樣的判斷：在表觀的經驗假象面前，哪一種理論更值得期待？

反對科學家的"實驗握有較高判決權"觀點的第二種意見認為，將實驗結果看成是明確的事實這本身就大有問題。科學家觀點的核心是認為實驗儀器是一個"封閉的"、已得到充分理解的系統。正因為儀器在這個意義上是封閉的，因此它產生的任何數據必然會得到普遍的認同；如果每個人對實驗如何進行有充分的了解，對它產生的結果意見一致，那么就不會出現爭議。但真實的實驗過程并非如此。我們好還是將實驗看成是一個"開放的"、不了解的系統，因此實驗結果的報告是有可能出錯的。這種可錯性來源于兩個方面。首先，科學家對實驗結果的理解與儀器的工作原理有關。如果這些原理所基于的理論變了，那么對實驗所產生的數據的理解也會隨之而變。除此之外，實驗觀察的基礎總是不完備的。為了給出有關的例子，我們不妨看看高能物理實驗的情形。為了盡可能排除"背景"干擾，人們需要在高能物理實驗的運行方面和對所取得的結果的解釋方面傾注大量精力。"背景"在這里是指那些本身與實驗預期的結果無關的物理過程，它們有可能對待查的現象形成干擾。自然，實驗者需要盡較大努力來消除所有這類可能的背景干擾源，但從事實驗科學研究的人都有這樣的基本常識：不論采取什么措施，這種努力總有個止境。因此我們同樣需要做出判斷：如果消除之后剩余的背景干擾已不能解釋所取得的信號，我們就認為這種消除已足夠充分。原則上說，這種判斷總是會受到質疑。持決定論觀點的批評者總可以編出某種可能的理由來反對，因為實驗者不可能排除掉所有的誤差來源。5

于是，科學家的描述中往往表面上缺少對科學知識產生過程中所需做出的判斷。這里說的判斷既指將實驗數據當作自然現象事實來接受的可行性，也指理論的可信性。但是這種缺失只是表面上的。科學家的描述是通過對這些判斷的有效性進行追溯性審讀來繞開給予明確判斷這個問題的。我的意思是：像夸克這樣的理論實體，以及像弱中性流這樣的自然現象的概念化，首先是一種理論產物。它們是以科學家闡述的理論中的名詞術語形式出現的。然而，科學家通常將這些概念性構件與其實在論意義上的性質等同起來，然后再以追溯的方式將這種等價性合法化，并在此基礎上做出不矛盾的科學判斷。因此，譬如像發現弱中性流的實驗在科學家的描述中就呈現為一種封閉的系統，其所以封閉只是因為中性流被看作是真實的。反過來，那些曾被認為意味著中性流不存在的其他觀察報告現在就被當作內含錯誤來對待。很明顯，如果人們認可中性流的實在性，就必須如此。同樣，通過將夸克等解釋成真實的實體，夸克模型和規范理論所作出的選擇似乎不成問題——如果夸克真的是世界的基本組成部分，人們何必再去探索其他替論？

大多數科學家將探索物質實在的基本結構視為他們追求的目標，因此他們按前述方式來看待科學發展的歷史自有其合理的一面。6 但從歷史學家的角度來看，這種實在論的觀點相當不可取。它有個很嚴重的缺點，就是它的回溯性。當人們已經確定了哪一種概念是真實的之后，他就只能訴諸理論概念的實在性來求得科學判斷的合法化。而我們知道，對具體概念的實在性取得共識是歷史過程的結果。這樣，如果人們感興趣的是這一過程本身的性質而不僅僅是其結論，那么求助于自然現象和理論實體的實在性只能是自己讓自己下不了臺。

如何在科學史的分析過程中擺脫這種回溯性？要回答這個問題，我們有必要根據科學活動中中介所處的地位來重新考慮對科學家描述的反對意見。在科學家的描述中，科學家們似乎并不是以真正的自然界人的角色出現的。科學家更像是自然界的被動的觀察者：自然的實在性通過實驗呈現出來；實驗者的責任僅僅是報告他看到了什么；理論家們接受這樣的報告，并為此提供明面上不矛盾的解釋。人們很難感覺得到科學家在他們的日常實踐中到底做了什么。鑒于在科學家的描述中根本就看不到中介的身影，因此我們只能將這種作用歸到通過實驗體現出來的自然現象本身，并且它以某種方式引導著科學的發展。從這個角度看，科學家的描述顯得有些奇怪。將屬性歸于無生命的物質而不是人類行為，這不是一種通常可接受的概念。本書的觀點則是將這種歸屬到人而不是現象：科學家創造自己的歷史，他們不是被動的大自然的代言人。在歷史學家看來，這種觀點有兩個好處。首先，既然科學家的工作就是發現自然的結構，那這項工作肯定不屬于歷史學家。歷史學家處理文本，這種處理不是讓他去接近自然的實在性，而是讓他去探索科學家的活動——科學實踐。7歷史學家的方法適于探索在特定時期內科學家們都在做什么，而絕不是將自己引向夸克或中性流。其次，歷史學家會注意到作為當代科學實踐指針的文本，這使他們可以避免重蹈科學家回溯性表述的覆轍。通過這種方式，他可以從目前的角度出發而不是采用回溯性語言來嘗試了解科學發展的過程以及它所帶來的判斷。當然，這要求他與那些將理論概念構件與其自然屬性視為實在論意義上同一的觀點保持距離。8

正是在這個地方，科學家描述與本書提供的描述之間顯現出鏡像對稱關系。科學家通過自然界的狀態來說明科學判斷的合理性，我則試圖借助于他們做出這些判斷的文化背景來理解這些判斷。我將采用歷史學家的方法，將科學實踐活動，而不是那些推定的、無法接近的理論概念構件，置于描述的中心位置。我的目標是根據研究實踐的動態過程來詮釋粒子物理學的歷史發展，包括它所涉及的科學判斷的模式。為了解釋我是如何設法做到這一點的，我在這里先勾勒出高能物理發展的一些突出特點，并描述我用來分析這一發展的框架。9

基本粒子的夸克-規范理論觀的確立并不是一蹴而就的。正如我們將看到的那樣，它是圍繞著如何探索和解釋一系列自然現象而建立并成熟起來的一整套實驗和理論研究傳統的結果。這些傳統形成于基本粒子夸克-規范理論圖像的不同方面，并且隨著它們在60年代末和70年代的成長而最終取代了物理實在的其他傳統。從這個角度看，理解了夸克和規范理論是如何在高能物理共同體實踐中建立起來的問題，也就理解了這些研究傳統的動態過程。為了看清這一點，我們來考慮一種理想化的發現過程。

假設一組實驗者打算調查某個現象的某種性質，而且科學界對這種性質的存在性已取得廣泛共識。如果再進一步假設，當實驗者對所取得的數據進行分析時，發現實驗結果并不符合原先的預期。這樣他們便面臨如上所述的科學判斷的問題——所有實驗都具有潛在的易錯性。他們到底有沒有發現什么新東西呢，抑或是在實驗過程或是實驗解釋方面漏掉了什么因素？單從對實驗細節的詳盡分析中是得不到這個問題的答案的。因為即使對實驗過程和結果進行徹查，也還是存在某種未知誤差的可能性。10 現在假定一位理論家來到現場。他宣稱，實驗結果在他看來并不奇怪——這些結果是某種新現象的顯現，這些現象在他近期的理論中處于的核心地位。理論的這種介入將為研究實踐創立一套新的選擇。首先，通過認定實驗的意外發現是一種自然屬性的顯現而不是某種實驗上的考慮不周，這種介入指明了下一步實驗研究的方向；其次，由于新現象在理論框架下獲得了概念上的說明，因此它對理論家意味著為進一步闡明原先的理論提供了一個開放的領域。

人們由此可以設想出各種后續的發展，但這個事例已足以概括兩種極端情況。假設為了進一步探索新現象，進行了第二輪實驗，而實驗結果卻是新現象蹤跡全無。在這種情況下，人們就會對此前所謂的實驗發現提出質疑，而理論家的猜想將再次被認為是基本上未得到經驗支持的純理論。相反，假設第二輪實驗確實在某種程度上發現了新理論所預期的某些蹤跡，那么在此情形下，人們會預料科學實在論開始起作用了。新現象將被視同自然的一種真實屬性，原初的實驗將被視同真實的發現，最初的理論猜想也會被看作對所觀察到的現象給予解釋的基礎。不僅如此，人們會期望進行進一步的實驗和理論研究，以便將這一開創性實驗和理論成果系統化為我所說的研究傳統。

研究傳統的建立和成長的這一圖像是非常形象的。它基本上為我們即將要檢視的許多研究案例的歷史發展樹立了典型，因此我將就其某些細節做進一步討論。我特別要探討這種傳統成長的條件。按目前所言，這種傳統好像是自己在前行；好像后續研究是由研究本身的意志產生的。顯然，下述圖像是不充分的：研究傳統的發揚光大取決于在其中工作的科學家的決定。這種認識缺乏一種理解如何做出這些決定的動態實踐過程的框架。因此，我覺得必須給出這種動態過程的簡單模型，它也闡明了我的歷史觀。這個模型可以冠之以"語境機會主義(opportunism in context)"。

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