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[3] Pickering,Constructing Quarks(1984),406.
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[4] Pickering,“Against Phenomena,”Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):409.
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[5] Stewart,“Moment,”Phys.Rev.11(1918):112-113.
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[6] 当然,在严格的逻辑意义上,没有“直观”的实验。在此我赞同杜雷·夏沛尔,他以一种反对通常哲学魅力的方式书写了关于对天体物理学的直接观察,他使用“逻辑上可能的物体”并关注在执行实验期间,特殊的背景信息是否存疑。参见Shapere,“Observation,”Philos.Sci.49(1982):517,“哲学家,而不是天体物理学家,使用了‘直接观察’一词,这从中心上模糊了对知识的推论性和非推论性研究之区别的重要特征。哲学家着迷于正式逻辑,将‘推论’仅仅看做逻辑词汇;并且在逻辑的意义上,太阳中子案例中包含的计算和推导都必须被归类为‘推论’——就像对背景信息重要性的要求……以使得那些计算和推导成为事实。但是在认识的重要意义上——这种意义在追求知识的过程中是居于中心的——推论被提及是与推理和结论相关联,这些推理和结论我们都有特别的理由相信其是存疑的。”
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[7] 卡特莱特的《实验主义者的反击》(Empiricist Defense)探索了许多关于实验与因果故事的确定之间关系的话题。
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[8] Pickering,“Against Phenomena,”Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):93.
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[9] Hacking,Intervening(1983),22-23.
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[10] Hacking,Intervening(1983),265.
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[11] Hacking,Intervening(1983),274ff.
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[12] Alvarez,“Monopole,”Stanford(1975),968.
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实验是如何终结的? 第6章 规模、复杂性以及实验的终结
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论据的组合
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按顺序考虑,20世纪微观物理学实验的三个新时期展现了在规模方面翻天覆地的变化。从早期的平均值设备经过原始的单粒子探测器最终到高能量物理的机械设备,毫不夸张地说,实验工作的物质基础大幅地提高了。通过回顾这三个时期的论据整合,我们可以反思实验规模对于实验终结的意义。
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经典仪器中相对便宜的机械设备使20世纪早期的实验者可以依靠他们自己的能力来改变设备以应对各种干扰效应。当德哈斯想要与存在于测试气缸与螺线管之间的错位斗争时,他重新组装了设备以便螺线管有形地缠绕在样本上。他的实验因此不受背景的影响,并且他的论据也会通过应对可能面对的反驳而得到巩固。爱因斯坦更加关注另一个难题:当螺线管激活时,样本磁化,在螺线管与磁铁之间可能会有直接的磁相互作用。因此他建立一个电路,凭借短暂剧烈的脉冲而非缓慢平滑的循环来改变螺线管磁场。爱因斯坦和德哈斯有一个非常粗糙的频率仪表;贝克用线和钳夹组装了一个更好的。来自柏林的物理学家必须通过眼睛来测量光波并且不得不放弃一些数据——因为振幅太小而无法感知;贝克组装了一台摄影记录器。每项举措都施加了进一步的约束,共同通过明确区分客观产生的结果与人为造成的结果确立了现象的真实性。
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因为平均值仪器受到云室和盖革计数器使用寿命的控制,理论与其一起变得愈发复杂。起初,多量子过程隐藏了预测与实验结果直接的联系。这在奥本海默的簇射计算出现前的一段时间是特别明显的。在他的簇射计算中,单一轨迹与复杂簇射的现象显露无余,但他们对于狄拉克的“高深理论”中的原理的认同远非清晰。在奥本海默提出连接计算方法时,这些计算方法有效地将术语“电子”与“新过程”转化为笔直的成网状的云室轨迹。在实验方面,仪器本身变得愈发复杂,涉及子系统的增加,包括放大器、逻辑电路、继电器以及计数器。当云室物理学家开始将他们的影像手段与电子相结合时,他们必须掌握更为复杂的混合技术。依据麦克斯韦的角度,宇宙射线和放射性实验拥有了新的资源、新的能量传送方法,以及,最重要的是,对古老风格探测方法的彻底颠覆。
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尽管在用于研究微观物理学的探测器的复杂程度有着质的增长,但实验的机构并没有大量地增加开销,至少在开始时没有。个人与小的团队仍能够管理实验过程。
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在旋磁和宇宙射线实验中,我们看到了证据是如何逐渐地变得有说服力。在建设和论证论据的过程中,没有任何单一步骤足以获得众人的一致认可,但累积的过程却可以实现。实验逐渐结束过程中的这些步骤是如何随着大规模实验的发展而改变的?首先可能是爱因斯坦先前的实验与E1A所做实验间明显的类比。论证可能会继续进行,每个人都在努力通过增加结果的直接性和稳定性来确定对结果的约束;团队会改变实验的条件,探索不同的背景,并最终精选出备选方案以缩小可能结论的范围。
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这样的重建在几个方面未能成功:第一个层面,规模上巨大的增长阻碍了从根本上改变仪器的打算;第二个层面,在得出实验结论之前许多工作必须在仪器已经运行后开展。因此,不像麦克斯韦的仪器,对于终结一次现代粒子实验的考虑必须估量数据分析在证明中的促进作用。但最惊人的是,错误地将大型粒子物理学实验比作宇宙射线或者经典聚合实验使得早期的个人实验及后继团队浮出水面。我们将依次考虑这些因素。
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大量的火花室是很难移动的,也很难改变大小。一旦安装完毕,气泡室或者混合电子探测器是极难改变的,因此当物理学家建造主要的探测器时,他们必须考虑到不仅仅是针对眼下的问题,还要着眼于未来的物理学。但是,如果不能预见到探索新奇现象必要的实验条件,想做到这点是很难的。并且即使有此预见能力,价值数百万美元的仪器也必须根据产生合理结果的即时项目交予资助机构保护。大规模仪器的建设必须调和对于现有物理学的适用性以及适应未知情况的灵活性。
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例如,几乎在E1A将目标转向为对中性流的研究的同时,协作者意识到他们必须要担心μ介子以大角度泄漏,一种在最初的设备设计中无法预期的可能性。如果他们计算规模是以磅为单位而不是吨,那么将火花室的大小扩大一倍就会是很简单的一个问题。反之,装配上更大型的探测器是一项精细的、昂贵的工作,要求实验停止几个星期。建造、测试以及将各种更大的室组装成仪器需要几周的时间。同时,团队减少了钢制μ介子外防护的大小,也并非微不足道的任务。
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当然,增大的规模在构成证明时有利有弊。最明显的是中微子,因为他们很少发生交互作用,所以他们必须有一个数吨级的目标使其从根本上发生交互作用,越大越好。更微妙的是,加尔加梅勒协作团队成功地在很大程度上为中性流营造了一个有说服力的论据,因为容器对于中子在可视的体积内发生相互作用是足够大的。如果中子发生相互作用的平均距离大于气泡室的面积,粒子会创建与“真正的”中微子碰撞分布相同的无μ介子事件。
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虽然这些事例是特殊的,但现象是普遍的:物理学的目标需要规模的扩大,但是论据不断地延长从提案到发布的时间,这使得物理学的目标会随着实验的进程而改变。然而,一旦他们建造了一个设备,随着时间的推移实验者将别无选择,只有在老化的设备的物质约束下探求新的问题。
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