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上回说(http://blog.sciencenet.cn/blog-279992-822110.html),实验命苦,本是科学的公主,有时却沦为理论的丫鬟,甚至被骗子滥用坏了名声。那么,传说的判决实验(crucial experiment)呢?还能判决吗?
那词儿可追溯到实验科学的老祖培根(Francis Bacon),他最早考虑了理论的“决定性事例”(instantia crucis),胡克(Robert Hooke)和牛顿后来才用拉丁文的experimentumcrucis来称呼相应的实验。波普尔(Karl Popper)爵爷认为,判决实验顶多能否决(或证伪)理论(we shall haveto say that it can at most refute or falsify a theory),而不能确立理论。所谓判决,是在竞争的诸多理论中做出抉择——既然有竞争,可见理论们还在幼儿或青少年时代,或者某个权威的理论老了朽了,江湖出现了新少侠。这会儿,实验的判决作用确实很大,例如负实验很容易将新思想扼杀在摇篮里。假如爱丁顿的日食观测坏了广义相对论的计算,相对论的命运就难说了,虽然老爱自信,大家未必心服。
从理论的立场来看,事情却没那么简单。理论都不是孤单的,科学的理论总是“成群的”,如爵爷说的a series oftheories。拉卡托斯(Lakatos)甚至说,单个理论无所谓科不科(to apply the term 'scientific' to one single theory is a category mistake)。迪昂(Pierre Duhem)早就说(见The Aim and Structure of Physical Theory),物理学家在应对实验时,不会只玩儿孤立的假设,而会团结“一伙”假设。(The physicist can never subjectan isolated hypothesis to experimental test, but only a whole group ofhypotheses.)若实验能干净地否定一个理论,那理论多半儿只是“特设的”(ad hoc)——特为一个实验结果编一个解释。
顺便说一个小故事:1906年,实验物家W. Kaufmann在《物理学纪事》(Ann. Physik 19, 1906)发表了史上第一篇讨论相对论的文章,他用测量结果反驳相对论(the measurement results are not compatible with the Lorentz-Einsteinian fundamental assumption)。第二年,爱老师应主编之约在《放射性和电子学年鉴》(Jahrbuch der Radioactivitiit und Elektronik, Vol. 4, No.4)发表了一篇50页的长文《关于相对性原理和由此得出的结论》,回答了老K的批评。爱老师指出,不论K的实验是否正确(后来发现是错的),相对论的基础是否合理,只能根据大量不同的观测结果来判断。他承认先前的电子论更符合K的实验,但那些理论都有adhoc味儿,不能用更一般的理论体系来解释。
爱老师的意见很重要:不但理论讲系统,实验也要讲系统。单个实验得出单个的结论谈不上“科学”。(当然,有的“单个”实验本身就是系统性的。)我们看一个简单而普适的小实验:狗宝宝出生那一刻,在院子里种一株柏子树(或菩提树樱桃树红杉树等大有来历的树)。然后,每天在同一时刻测量阿狗和小树的高度。经过N天以后,大概可以得到很好的线性关系(或非线性的?)——如此的实验和“模型”,天天都在诞生……有人说它不是理论,我也说它不是,信不信由你。就实验来说,每个实验都能“特设”不同的解释,解释越多越没有意义,多约等于无。我们的口号是,理论在更大体系下的地位和作用比它与单个实验的关系要重要得多。
当然,我们也能找出原先的特设解释后来长成理论的例子。光量子是为了解释Planck的辐射谱,Pauli假定中微子是为了挽回能量守恒……但我们也看到,这些特设并不孤单。光量子借统计力学能导出辐射谱,就找到家了,自然脱帽融入理论。中微子的情形复杂一些,Pauli甚至为它赋予了多重ad hoc——因为那会儿没能探测到,所以他还假定它的质量很小,穿透力很强……假如没有后来的理论和实验证明它成功,这儿就没它的位置了。
还是拉卡老师说得好,“科学的解释”不是单解释个别的事实,还需要同时解释新的事实(A given fact is explained scientifically only if a new fact is also explained with it)。新的事实哪儿来呢?预言。所以拉卡也说“解释力”为“启发力”(heuristic power)(I use ‘heuristic power’ here as a technical term to characterize the power of a research programme to anticipate theoretically novel facts in its growth)——它的特点就在于anticipate novel facts。很多民间的伟大理论囊括一切,“解释”一切,唯独没有一个半个预言,那就只不过是用一套自编自导的语言来重新陈述常识而已。可怜的是,编导自己进入了角色,以为真的发现了破天荒的理论。
本来要说实验判决理论的,却好像在说理论判决实验,跑题儿了。且听下回。
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