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在20世纪20年代，又有一些实验家使用不同的实验仪器重复了这一具有难度的磁性实验，总体的结果也渐渐清晰：爱因斯坦、德哈斯和巴奈特所宣称的旋磁比数值并不正确。在第3章中，笔者将介绍为何爱因斯坦对自己的预测具有如此强的信心，以及他的理论信心是如何影响他自己和另两名科学家对数据的解读和错误的处理的。通过了解这些物理学家获得实验结果的理论和实验性假说前提，我们可以追溯那些意义重大的力的统一、物质结构、爱因斯坦的专利工作和地球物理学的相关内容等，这些都已被后来的物理学所遗忘，在这些物理学家发表的作品中也未有明确的显现。
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在1910年至1930年间，第二个实验时代逐渐取代了宏观实验的时代，代之以单个原子级别的观察实验。基于19世纪末期放射性的发现，物理学家们设计制造了不受热、光、力、电等宏观效应影响但对单条射线或单个粒子的通过具有灵敏度的仪器。除了粒子放射源外，奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Hess）很快又发现地球一直处于宇宙射线的照射下。在20世纪的前几个十年中，物理学家们开始通过这些粒子来探索原子世界，并对制造和观测出来的各种实体形象进行描绘。在α射线、β射线、X射线、γ射线和电子、质子这些原有的已知射线和粒子的基础上，实验者们在30年代又连续发现了中子、正电子、μ介子等。
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20世纪30年代初期，理论物理学经历了相对论和量子力学的双重剧变，量子力学的部分内容被应用到了科学实际中。但即便是在量子力学中，粒子间的多元性相互作用仍然在科学家的计算能力之外。在这一时期，实验物理学中开始推行更为先进的实验仪器，如盖革计数器和云室等，获得了相当多的实验现象。计算的难题和令人困惑的现象将科学家们带至了剧变的边缘，这也正是众多科学家一直期待的，足以与量子力学的诞生相匹敌。
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由实验角度来看，第3章中的内容是这一危机面临变革和解决的顶点。从单一层面来讲，20世纪20年代至30年代间进行的宇宙射线和放射性实验中，实验者力图对宇宙射线的组成加以分析，这也是由传统实验基本过程向量子力学方法转变的过程。在数年时间里，物理学家罗伯特·A.密立根（Robert A.Millikan）和他的同事、合作者、学生对量子力学显示出了不接受的态度。但其他宇宙射线研究领域的物理学家却频繁地使用了这一新兴理论，至少在实验规划阶段进行了利用。我们可以对这两个科学家群体进行比较，概括而言，即一方是密立根、赛斯·内德梅耶（Seth Neddermeyer）、维克多·内尔（Victor Neher）、伊拉·S.鲍恩（Ira S.Bowen）、G.哈维·卡梅伦（G.Harvey Cameron），另一方是汉斯·贝特（Hans Bethe）、布鲁诺·罗西（Bruno Rossi）、杰贝兹·科里·斯特里特（Jabez Curry Street）、爱德华·卡尔·史蒂芬孙（Edward Carl Stevenson）和托马斯·约翰逊（Thomas Johnson）。虽然他们并非两种不同理论和实验传统的拥护者，但却几乎同时得出了相同的结论，即物理学的效果解释并不需要量子力学带来的彻底重构，需要的是一种新的粒子。
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密立根和他的实验团队对宇宙射线本质的基础研究作出了许多巨大贡献，他们还发表了许多研究结果，这些结果很快就在其他实验科学家中引发了争论。举例而言，当下人们已经广泛地认可了，宇宙射线粒子中撞击高层大气的绝大多数是质子。由于质子带电，在通过地球磁场时，多数会以漏斗的排列形状流向南北两极，流向近赤道纬度的粒子较少。密立根的研究团队认为这样的“纬度效应”并不存在，他们通过实验论证获得了满意的结果。他们还主张，宇宙射线中并无穿透力强或高能量的带电粒子。同时，他们还发现了宇宙射线的带状能谱等“效应”，这些在现代已经被公认是并不存在的。只有了解了这些多样的“错误”是如何获得“确信的一致性”的，我们才能辨识出实验操作的理论假说前提。就爱因斯坦和德哈斯的实验而言，我们可以厘清这些强势的理论假说的本质和角色，其中密立根长期演绎着时刻存在且活跃的神一般的角色，他相信宇宙终结理论，坚持使用特定的实验仪表，相信多种实验证据的说服力。
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例如，使用盖革计数器的实验家们报告称，带电粒子可以穿透几米厚的铅层，这一观点在多个领域内都引起了反响。密立根和他的伙伴们对这些实验家的实验技术表示了怀疑。密立根称，计数器显示的数据对观察者产生了误导，这就和伽利略时期一些人认为望远镜会误导天文学家一样。与此同时，绝大多数的理论家将具有穿透力的辐射物的发现视为量子电动力学灭亡的前兆。根据量子电动力学理论的计算结果，电子是无法穿过厚铅板的。在众说纷纭的30年代中期，实验的哪些部分基础坚实，哪些部分又是沙上之城，这样的区分并不清楚。那么是这一理论无法被人接受？还是这些现象，这些仪表数据？理论家和实验家们一点一滴地拼凑出了他们的计算技术、实验仪表、数据整理方式，以及对粒子相关新学说具有的潜在信心。当我们沿着他们对问题和争论的构建进行观察，就可以回溯到有说服力的实验论证的建设过程。
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新粒子的呈现方式集中在独立实验上。一项实验结果显示，宇宙射线足以穿透厚铅板，另一项实验说明宇宙射线丛中的粒子可以引发更多的簇射。其他实验者还论证出，这种具有诱发能力的粒子的穿透力并不强。多项实验显示：在同等能量条件下，簇射和无诱发能力的粒子在穿透能力方面具有区别。同X射线、γ射线的简单指数吸收定律相比，宇宙射线与物质间的相互作用更为复杂。这样复杂的射线几何学对实验设计专业度的日益提高起到了积极效果，这也是一个意料之外的后果。
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理论的进步也对实验的专业化造成了压力。在20世纪20年代末至30年代，理论家开始将狭义相对论和量子力学综合为量子电动力学。这一新理论的发展主要集中在电子和质子间的基本相互作用上。这些基本作用过程与照相底板中的核“爆炸”、核“爆发”间的关系还不清晰。这些令人瞩目的核能现象是多个简单作用过程的集合吗？还是证明了这是迄今为止物理学界仍然未知的一种新型作用过程呢？新的理论工作亟待展开，基本量子场-理论过程需要获得足够的重视，以便对可观测结果进行计算。J.罗伯特·奥本海默（J.Robert Oppenheimer）和他的实验同伴进行了这样的对“现象的”研究工作，为宇宙射线丛这一大难题的解决打开了一条通路。奥本海默认为，扇状云室径迹不应被视为爆炸现象，而应被视为多个简单反应的倍增性效果。鉴于此种情况，理论家们向实验家们抛出了橄榄枝，实验家也不得不对理论家加以协助。就在奥本海默宣布了“倍增性”计算结果之后不久，宇宙射线相关的实验者们就开始使用极薄板进行实验，对单个的基础反应过程进行探索。
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最后，在第4章中，我们可以通过实验操作、理论和仪表间的三重相互作用，了解大型加速器粒子实验的特点，这也正是三个实验时代中最后一个时代的标志。在对组建高能实验的难度进行概述后，我们将再次通过一组特定的调查研究来探讨规模和复杂性加大后的实验运作。20世纪70年代进行的中性流实验激发了人们对70、80年代计量物理学的兴趣，是“二战”之后最重要的实验研究之一。当时两大实验室协作组是如何确定他们研究的同一效应是真实可信的？我们将对此进行探寻。这两个实验室分别是加尔加梅勒重液气泡室协作组和运用了火花室和热量计的美国E1A。加尔加梅勒协作组使用的是位于日内瓦周边的欧洲核子中心下的加速器中心的探测器，而E1A发现粒子的地点是位于伊利诺伊州巴达维亚的美国国家加速器实验室（简称NAL，1974年5月被重命名为费米国家加速器实验室，即FNAL，通常称作“费米实验室”）。
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我们可以将这两个实验单位和它们的设备、理论预期和实验类型加以对比。我们可以追溯两项研究工程的革新轨迹：一是60年代早期对中间矢量玻色子的搜寻，二是60年代晚期对部分子模型的探索。1971年以后，终于出现了某些实验，可以验证格拉肖-温伯格-萨拉姆（Glashow-Weinberg-Salam）弱电统一场论中所预测的中性流的存在。
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在第2、第3章中，我们的研究目的在于描摹实验过程，在这样的过程中实验证据具有了可信度。我们又一次受助于这样的情况——一个研究群体获得的暂时性结论同后来被接受的结果间具有强烈的不一致性。在之后的几周里，一些研究人员开始相信，实验能够说明统一场论中所说的中性流并不存在。和理论及反对方之间的不一致迫使研究小组对实验过程进行了回顾检查，编制的实验记录几乎是以日为单位，记录了在后台努力识别信号的过程。我们可以观察，各个子工作组是如何将具有自己风格的论证组合在一起的。例如宇宙射线相关的研究工作，存在着云室和计数器实验两种不同类型，中微子实验使得中性流被接受，通过这一实验我们可以对基于气泡室和电子探测器的论证方法进行对比。由此，我们可以了解到过往的实验工作是如何决定了物理学家对不同论证方式的回应态度。例如，一些具有经验的气泡室实验人员更加相信“黄金事件”，而不是计算机模拟出的统计证明结果。那些更习惯于电子探测器的实验人员的看法则正相反。
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第5、第6章通过结论，对近100年微观物理学相关的实验论证进行了反思，对实验的分裂与重组趋势进行了描摹。碎片化是因为克服实验更加复杂、高能和短效过程的日益专门化。在实验论证的组建中，结构工程师、电气工程师、计算机模拟专家、数据分析师和现象学家均扮演着重要的角色。重组则是因为在20世纪30年代不同的子工作组不可能像加尔加梅勒或E1A的器材规模一样，每个小组拥有价值500美元的云室，因此有必要进行重组。高能实验物理学家在实验的进行阶段需要协调加入一部分独立的研究，在实验结束时也必须如此。因此，需要对这种分层性实验协作的起源和推动力研究。
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实验的分裂反映出了技术和社会的进步。在后文的中性流实验中，各类子工作组针对单一的问题不断取得相互矛盾的进展，进而互相订正和修改，最终将研究结果发表公布出来。先前工作中获得的专业知识在专业化劳动中实现了价值，这一专业劳动是为了分析特定仪器运行情况或其他物理学分支造成的干扰影响。在300年间，物理学的多个方面经历了变革，现在以更小的规模——庞大实验的子工作组——重现出来。借用胚胎学家的语言来说，近代高能物理学实验的协作组所采取的实验步骤就是对学科进步阶段的概括。
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在过去的数年中，科学史和科学哲学一直依赖于通过理论展示的实验图景。若要对实验加以讨论，它往往就会沦为观察、观察心理学和理论家对观察结果的运用。对于这一针对实验工作的嘲讽，伊恩·哈金（Ian Hacking）曾恰如其分地表达过反对意见：“牛津的哲学家们所认为的实验状态——对刻度盘的记录和读取——并没有什么意义。真正重要的是另一种观察，即发现实验仪器中的怪异、错误、具有启迪意义或受到曲解的问题的神秘能力。”[1]现在我们关注的是线圈的扭转、仪器的屏蔽、几千磅的钢板的起重以及计算机模拟出的结论。只有在实验室里，我们才能亲眼见证淘金者是如何沙里淘金的。
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[1] Hacking，Intervening（1983），230.
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实验是如何终结的？ 第2章 从集合体到原子
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“历史”对“统计”
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牛顿的平方反比定律展现了自远古之前至遥远未来间月球的运动轨迹。牛顿力学可以描绘出单一物体的运动轨迹，这和历史学家的记叙文体有相似之处，因此麦克斯韦（James Clerk Maxwell）将这些动力学定律称为“历史性定律”。麦克斯韦还宣称，那些自称“原子论者”的人并不会采纳这些过程，“我们必须抛弃严格的历史方法，在处理大量粒子群体时使用统计方法”。[1]在物理学的任何历史分支中，自然规律都可以以动力学定律的形式表达出来。在原子统计学中，仅仅通过“大量的分子集合”才能捕捉到恒久不变的反应。麦克斯韦以及同时期的人们认为，为了了解经验总结分析的历史，最重要的一点就是探寻分子性质的实验必须遵循统计方法，这是由于“实验中最小的一部分物质是由千百万个分子组成的，其中的单个分子永远不会被我们感知到”。[2]他还总结道：
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分子科学告诉我们，除了统计数据，我们所进行的实验并不能给予我们其他的结果，由这些数据整理而来的定律不可能具有完全的准确性。但是，当我们从对实验的期待中走出来，将关注点集中到分子本身上，我们将脱离具有变化性和偶然性的世界，进入到一个万事万物都是确定的、不可更改的范围中去。[3]
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麦克斯韦自己就曾进行过多次实验探索，因此他对那些微小领域的实验探索具有足够的了解。例如，1866年，他和他的夫人建造了一个机械装置，通过装置中的磁体作用，可以使密封室内的玻璃盘发生振动。两人使圆盘受到已知的力的作用，记录下了其运动状况，进而断定气体的黏滞性是温度函数。通过统计资料，麦克斯韦推论出，若实验结果与撞球模型保持一致，那么以原子为中心，力以距离的5倍递减。[4]他获得的原子力场研究结论和他本人以及许多同时代科学家中盛行的见解——原子论具有可选择性——产生了冲突。无论大家的公开言论为何，在研究工作中他们都用到了原子理论。[5]在离子电导率、化学分析和合成方面，化学家需要原子理论中的化学合成和结构规律来取得研究进步。对于物理学家而言，原子图像是气体分子运动理论的基础，也是光学理论（原子激发并吸收力学以太能波动）的基础。但是对于所有原子假说方面的成就而言，对显微镜下可见的细小实体存在性的捍卫不得不依赖于由宏观到微观的论证改变。这一飞跃是巨大的，也是不可避免的。
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阐明分子问题的宏观实验有多种类型，其中的一个例子是：在19世纪60年代，多位实验者发现了一个与过往观察相违背的情况，即特定的物质会使光谱红端的射线转向，但在蓝端转向的射线数量相对较少。[6]这一现象在英格兰导致精密原子模型和以太模型的建立，在德国引发了针对衰减以太振动更加形式化的分析。物理学家还针对光谱这一更加复杂的光学问题寻找着力学解释。从麦克斯韦的观点而言，光谱可以理解为分子的以太振动，同铃声在空气中的传播相比，两者都会产生特有的振动，只不过前者发射的是光而后者发出的是声音。[7]虽然很多业内人士并不同意麦克斯韦的理论，但他们也逐渐开始同意光谱线定量关系式的发现将有助于对原子本质的深刻理解。“光谱研究的重要性就在于它指明了分子结构。”[8]一位资深的德国光谱学家这样认为。
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简而言之，1895年以前，物理学家通过光学、热力学和化学实验对中观物质的性质进行分析以论证原子的结构。从这关键性的一年开始，阴极射线、X射线、塞曼效应和放射性实验这四项微观物理学实验为学科带来了迅猛的改变。放射性实验将在下一章中进行探讨，而其余三项惊人的新发现均属于总量效应的范畴。三项重要实验中，时间最早的是阴极射线的发现实验。实验将一个加热过的带负电荷的导体（阴极）和一个带正电荷的导体（阳极）放置于玻璃管中，管内为稀薄气体。在电极上加上电压后，管壁出现磷光。人们将这一磷光现象归因于“射线”的作用，但是物理学家们对其真实本体仍存在着争论。由于该物体未穿透玻璃壁，并且会因磁力转向，英国的研究人员认为它是与气体尺寸相仿的粒子（离子）。鉴于赫兹未能凭借静电使射线转向，而且这种射线和紫外线一样可以在玻璃壁上造成磷光现象，德国科学家将射线归并为某种形式的紫外线。[9]从历史和物理学双重角度，X射线均是由阴极射线发展而来。德国物理学家威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）重复了之前由菲利普·莱纳德进行的实验，而后成就了第二次“伟大发现”：打开阴极射线管后，荧光纸上显示出明亮的辉光，即便荧光纸放置在远离仪器、阴极射线无法到达的地方，仍然会观察到辉光。伦琴连同伴都没有告知，独自秘密地继续研究这一穿透力较强的未知射线，直到1895年末，他发表了活人手部骨骼的显影底片，引起了极大关注。[10]另外一项重大实验是光谱学实验，在19世纪90年代晚期占据了物理研究舞台的中心。彼得·塞曼（Pieter Zeeman）是荷兰莱顿大学一名年轻的物理学实验家，当他对磁场中的钠物质进行加热时，发现火焰发出的黄色光穿透了罗兰光栅，这说明钠的谱线出现了分裂。[11]通过这些宏观物理学现象，全世界的物理学家们能够明确有力地定义微观物理实体的本质：电子、离子、原子及各种放射线。
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