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与此类似，前期预期带给实验者的仅仅是“偏见”——这样的幼稚观点是行不通的。理论——更确切地说是理论的不同层面——除了稍稍改变清晰的世界观之外，可以做的还有很多。以麦克斯韦的情况为例，恰恰因为他未进行量化预测，所以才无法了解目标效应的大小程度。很久之后，德哈斯以及德哈斯-洛伦兹说明了装置倾斜弧度仅为0.00013。若麦克斯韦当时也能了解到这一点，可能就不会将其实验作为电流无惯性性质的证据。同理，在1908年，对于预期的磁场强度数量级巴奈特并没有进行量化预测，因此他更加难以发现目标效应。
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因此，就粗略层面而言，理论的作用仅仅是指出旋转与磁化作用之间可能存在的关联。大范围的假说当然同样也可以将现象领域排除在外，如同19世纪末麦克斯韦派物理学家在描述电流时选择的是场而非粒子。在更为具体的层面上，理论设置了一个数值标准：e/m约等于L/M。完全组装之后的模型更为特别：负电子环绕着原子核旋转。除此以外，另一个理论将现象联合起来，确定了可以进行观察的领域，为结果进行定量，使得实验者确信背景效应已经得到了控制。
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为了避免可取证据受到过度制约，实验家是否可以简单地决定保留所有数据？答案当然是否定的。在完成实验之后，斯图尔特发现粗导线很有可能产生过大的去磁效应，从系统上改变他的实验结果，因此在g的平均值计算中排除了粗线的情况。同样，巴奈特也将其1914年所做的实验排除在外，这是由于在实验完成时他就发现地磁场并未得到充分的中和。爱因斯坦和德哈斯也摒弃了过小以至于无法精确观察的光点移动数据。基于理论与实验的共同作用，此类判断并非“不佳”实验的特点，而是实验事业的一部分。关于这一点已不必赘言。
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所有这些因素将实验家们置于持续的两难境地中。一方面，若没有了理论，面对物理他们将失去引导性的定性意识，对效应的大小也将无法进行量化预测。当目标被遮蔽于阴暗之中时，他们很难发现目标效应，也很难将它们从干扰因素中分离出来。从这一层面而言，理论——毋宁说是理论的多个层面——自发地向可取数据施加着必不可少的约束力。在绕轨电子假设的基础上，任何欲尝试旋磁实验的人在得到过大的效应时，都会因为其与磁化铁棒和地球磁场间的直接耦合具有一致性，而对该效应不予考虑。另一方面，考虑到量化预测情况，实验家最终不得不（至少含蓄地）宣布不存在更多的系统性误差。虽然看起来自然而然，但是这个停止的点往往是预测结果的所在。核物理学家马丁·德伊奇（Martin Deutsch）曾对这个谜题做出了这样的解释：
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因为知识偏见，我们拒绝了同预期观念难以协调的证据，因为无关宏旨的问题，又在追求仪器机巧中耗尽了日日夜夜，每位进行此类实验的实验者当然都有这样的野心：想要获得发现，想要在这样的两难境地——知识偏见和无关宏旨的问题——间安稳地破浪前行。[1]
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在本书所探讨的系列实验中，面临的两难境地一边是绕轨电子理论，另一边是铁棒与外部磁场的磁耦合、巴奈特的涡电流以及（爱因斯坦与德哈斯所使用的）柏林装置所确定的并不充分的实验参数。
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人们可能会期望，在实验中同时存在着具有说服力的理论假说和确切的定量预测。通常情况下，实验者发现预期的结果时，无论其与后来发现的实际情况是否契合，都会终结实验。实验是如何终结的？在提出这一疑问时，我们就被迫放弃了对实验结果的单纯描述，转向对仪器与理论的信仰，它们被隐藏在实验实践之中。我们发现哪些仪器是新型的、不熟悉的，哪些实际上是工匠之手的延伸。在约束实验的各个理论层面之中，囊括的信仰范围由包罗万象的形而上学原则到半途而废的详细模型。
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[1] Deutsch，“Evidence，”Daedalus（fall 1958）：88-98 on 97-98.
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实验是如何终结的？ [:1700965603]
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实验是如何终结的？ 第3章 粒子与理论
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实验是如何终结的？ [:1700965604]
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一个接一个的粒子
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如同对科学未来的大多数重大宣告一样，麦克斯韦的判断——实验永远不会就单一原子层面进行研究——被证实是错误的。确实，单个粒子的研究标志着物理实验领域的深刻变革：引入新的装置设备，将微观物理实体存在性相关的新辩论引入学科中来。“未来的科学史学家可能会将其记录为时代的一个突出特点，在过去的几十年间我们快速地获得了对单个和少量原子的研究能力。”一位当代观察家这样写道。卢瑟福（Rutherford）的电子计数设备和查尔斯·T.R.威尔逊（Charles T.R.Wilson）的云室为逐一测量相互作用提供了途径。这些方法共同为“根本性的新型研究”打下了坚实的基础。[1]
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为了探寻这一“新型”实验研究，我们需要再一次将目标对准实验集群。此时关注点在宇宙射线上，它和放射现象的存在使物理学家不得不面对单个粒子的本质：它们是什么？如何互相影响？最明显但引起反响最弱的一个问题是：海平面宇宙射线的基本构成成分是什么？两种实验传统给出的解答揭示出了部分早期发现的“粒子”的结构。它也将阐明，对新型实体的信任判断是处于实验和理论预期的不同层面。
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我们将再次涉及旋磁研究中探讨的一些主题，但此时实验室环境已变得更为复杂。我们将试图了解，不同的理论层面在这些实验结束过程中到底扮演了何种角色，如广泛使用的狄拉克（Dirac）和汤川秀树（Yukawa）的高级理论，甚至罗伯特·密立根基于宗教的推断等。需要纳入考虑范围的特定模型还有很多，较爱因斯坦的绕轨电子理论而言更为复杂。随着成群的实验者们对实验进行整合，为了获得实验结论进行三角测量，实验工作也变得更加复杂。就连实验装置的复杂程度也有了提高，触发云室及其感光子系统的计数器开始由真空管电路阵列控制。
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考虑到实证工作中新技术的精密性，论证后物理学家对论证组成部分意见不一也就不足为奇了。比如，μ介子是海平面宇宙辐射的主要构成部分，若欲了解它的发现时间，获得的答案将是杂乱无章的。吉尔伯托·贝尔纳迪尼（Gilberto Bernardini）认为，“μ介子是大部分宇宙射线产生的一种特殊电离碎片，1929年玻特（Bothe）和科赫斯特（Kolhörster）在实验中发现了它的存在”。[2]约翰·惠勒（John Wheeler）认为尼尔斯·玻尔和E.J.威廉姆斯（E.J.Williams）的理论研究，连同卡尔·D.安德森与赛斯·内德梅耶的实验确证共同在1936年“证实了介子的存在”。[3]相比之下，布鲁诺·罗西认为，安德森、尼德美尔（Neddermeyer）、杰贝兹·科里·斯特里特和爱德华·卡尔·史蒂芬孙在“1937年发现了μ介子”。[4]斯特里特本人则将其归功于约翰·F.卡尔森（John F.Carlson）和J.罗伯特·奥本海默，两人在1937年首次主张可能存在新型粒子，其质量在质子和电子之间。[5]亚伯拉罕·派斯（Abraham Pais）在粒子物理学起源相关文章的开端表示，塞西尔·鲍威尔（Cecil Powell）在1947年发现了介子。[6]
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这五位卓越的物理学家在回顾本学科的当代核心事件之时，对其诞生时间的看法竟然相差18年。这些实验是何时结束的？只有在对20世纪二三十年代的理论和实验假说进行重构之后，才可能了解这一看法差异产生的原因。在此过程中，战前的实验研究图景将逐步浮现出来，展示出实验实践与理论之间的关系，我们将获得较旋磁研究中所获的更为深入的了解。针对实验是如何结束这一问题，其中包含了比优先次序争论更为迫切的问题——至少对论证以外的问题而言十分迫切。问题正在于对这一含义的理解：实验家获得结论称，他们发现了微观物理学世界中的新物质。
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同前一章一样，我们首先由实验装置谈起。麦克斯韦明确地拒绝对单个原子进行研究，因此任何人在习惯了他所形容的那种19世纪的工具组合之后，都自然会认为盖革计数器十分新奇。即便如此，麦克斯韦对科学装置的分类仍然适用于实验的新纪元。然而，现在能量的来源不再是火焰与灯光照明，而是放射性材料或宇宙射线。粒子探测器，尤其是云室，同过去的指示器不同，无需指向刻度盘上的数字。在带电粒子以任意轨线通过时，它的响应次数非常多，原则上讲是无穷大的。
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20世纪30年代，基础物理学的兴趣点转移到了宇宙射线装置上，在装置尺寸和费用方面并无太大的变化。按照惯例，研究人员以不同的方法在试制车间制造盖革计数管，并非所有的计数管都有明确的说明：使用自来水冲洗3次、蒸馏水冲洗1次，将硝酸（HNO3）与硫酸（H2SO4）以1:3配比后再次清洗，然后在120度条件下烘干，烘干后以特殊的形式密封等。其主要成本仅仅是物理学家或技术人员所花费的有限时间。费用较贵的是精心制造的云室。1938年，哈佛大学的物理学家们在“大型”云室[7]上花费了500美元（1500美元）（见图3.1和图3.2）。斯特里特为宇宙射线探索配备设施的花销也不过如此：在1933至1934年间，1个大型电离室、3个小型电离室和6个计数器，合计约800美元（2200美元）。这些设备以后均可在其他实验中重复使用。[8]
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图3.1 斯特里特的云室。斯特里特和史蒂芬孙在研究中使用该仪器，引领了μ介子的发现。斯特里特和他的学生们在最后的实验中制造了一个更大的木质云室。来源：Street and Steuenson，“Design and Operation，”Rev，Sci.Instr.7（1936）：349.
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图3.2 卡尔·安德森（Carl Anderson）与云室、磁体（摄于1932年前后）。图中显示聚光灯灯光穿过中部黑箱（位于电磁体的中心）照射入云室。该设备被安德森用于质子和μ介子的发现实验中。来源：Institute Archives，California Institute of Technology.
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