物理实验 experiment in (Allan Franklin and Slobodan Perovic)

首次发表于 1998 年 10 月 5 日星期一；实质性修订于 2023 年 6 月 2 日星期五。

物理学和自然科学总体上是一个合理的企业，它基于有效的实验证据、批评和理性讨论。它为我们提供了关于物质世界的知识，而实验则提供了支撑这些知识的证据。实验在科学中扮演着许多角色。其中一个重要的角色是测试理论并为科学知识提供基础。[1]它还可以呼吁提出一个新的理论，要么通过显示一个被接受的理论是错误的，要么通过展示一个需要解释的新现象。实验可以提供关于理论结构或数学形式的线索，它可以为我们理论中涉及的实体的存在提供证据。最后，它也可能有自己的生命，独立于理论。科学家可能会研究一个现象，只是因为它看起来有趣。这样的实验可能为未来的理论提供解释的证据。[下面将介绍这些不同角色的例子。]正如我们将在下面看到的，一个实验可能同时扮演几个这样的角色。

如果实验要在科学中扮演这些重要角色，那么我们必须有充分的理由相信实验结果，因为科学是一个可能出错的企业。理论计算、实验结果或实验与理论之间的比较都可能是错误的。科学比“科学家提出，自然决定”更加复杂。科学家的提议可能并不总是清楚。理论经常需要被表达和澄清。而自然的决定也可能并不总是清楚。实验结果可能并不总是给出明确的结果，甚至可能在一段时间内存在分歧。

在接下来的内容中，读者将找到一个关于实验的认识论，一套提供对实验结果合理信念的策略。科学知识可以合理地基于这些实验结果。

1. 简介：实验的认识论

实验的认识论是科学哲学的一个分支，专注于实验在科学中扮演的多样角色，与理论的各种联系，与实验装置的理解和功能，以及与实验室环境中的科学社区的结构和文化的关系。对实验的认识论分析范围从高度抽象的哲学论证，只与实际实践间接相关，到沉浸在反思性案例研究中的分析。长期以来，物理学实验一直是实验科学的前沿，开创了实验技术、方法和创新环境。这就是为什么实验的认识论大部分关注物理学的原因。

17 世纪见证了对实验性质的首次哲学思考。这并不奇怪，因为实验当时正在成为一种中心科学工具。这些思考的目的是揭示为什么当我们强加实验方法于自然时，它会向我们揭示其隐藏的方面。

一些自然哲学家认为，科学知识不过是对自然现象进行观察和实验技术的正确应用。弗朗西斯·培根甚至认为，可以进行他所称之为关键实验（experimentum crucis）的实验，一种可以单独确定两个竞争假设哪个是正确的理想实验。甚至一些现代科学巨匠如牛顿也认同这样的观点，即科学理论是直接从实验结果和观察中归纳出来的，不需要未经测试的假设的帮助。因此，许多自然哲学家认为，实验技术及其正确应用应成为科学哲学研究的主要对象。

然而，并非每个人都同意。例如，霍布斯指出，人类的理性先于实验技术及其应用。他认为人类的推理向我们揭示了自然法则，并批评了波义尔对实验方法揭示自然法则能力的乐观态度（Shapin 和 Schaffer 1984）。毕竟，人类的理性是否引导实验者的行动，以及它是否引导我们选择数据和样本的方式，以及它允许我们如何解释它们？如果是这样，我们应该关注对理性和理论科学推理的哲学研究，而不是对实验技术及其应用的研究。

这场早期的激烈辩论在很多方面预示了未来辩论中的主要分歧点。然而，19 世纪末，对实验的哲学兴趣几乎完全消失，并且直到 20 世纪末才得以恢复。

在那个时期，哲学家们将大部分注意力转向了科学理论的逻辑结构及其与证据的关系的研究。逻辑实证主义的原则影响了这一研究领域，以及当时的哲学更普遍地说。其中一个原则是科学中的观察和理论命题是可分离的。我对水银温度计上的刻度的读数可以与关于热传递和温度的相当复杂的理论陈述分开。

实际上，不仅可以将理论和观察分开，而且前者只有在与后者相符合的情况下才被认为是合理的。热传导理论是通过我对汞温度计进行的读数所产生的命题来确认的。因此，观察命题只是实验或科学家进行的一系列观察的结果，以确认或反驳一个理论。

托马斯·库恩和保罗·费耶拉本对这种观点进行了激烈的批评。他们认为观察和实验结果已经成为一个理论框架的一部分，因此不能独立地确认一个理论。也没有一个理论中立的语言来捕捉观察。即使是对汞温度计的简单读数也不可避免地依赖于一个理论上充满概念的温度概念。简而言之，证据总是理论负荷的。

然而，无论是逻辑实证主义的支持者还是他们的批评者，都从未试图解释产生至关重要的观察性陈述的实验性质。而这个原因非常简单：他们认为没有什么有趣的东西需要解释。他们对理论和证据之间的关系的观点截然相反，但他们都只对实验的最终产物，即观察性陈述，感到哲学上的兴趣。因此，实验过程本身在他们对科学的哲学研究中被搁置了。这种情况直到新实验主义的出现才逐渐改变，伊恩·哈金的工作处于其前沿。

2. 实验结果

2.1 从实验中学习

2.1.1 表示和干预

自从伊恩·哈金（Ian Hacking）在 1981 年提出“我们透过显微镜看到了什么？”以来已经过去了三十多年。哈金的问题实际上是在问我们如何相信通过复杂的实验装置获得的实验结果？我们如何区分有效的结果和由该装置产生的人为结果？如果实验要在科学中扮演上述所有重要角色，并为科学知识提供证据基础，那么我们必须有充分的理由相信这些结果。哈金在《表征与干预》（1983）的后半部分给出了一个详细的答案。他指出，尽管实验装置至少包含了该装置的理论，但观察结果仍然是稳固的，尽管实验装置的理论或现象的理论发生变化。他的例子是尽管阿贝（Abbe）指出了衍射在显微镜操作中的重要性，人们仍然坚信显微镜图像的真实性。哈金给出的一个原因是，在进行这样的观察时，实验者进行了干预-他们操纵了被观察的物体。因此，在通过显微镜观察细胞时，人们可能会向细胞注入液体或染色标本。当这样做时，我们预期细胞的形状或颜色会发生变化。观察到预测的效果会加强我们对显微镜的正常运行和观察结果的信任。这在一般情况下也是如此。观察到干预的预测效果会加强我们对实验装置的正常运行和使用它进行的观察的信任。

Hacking 还讨论了通过独立确认来加强对观察的信念。事实上，使用“不同”的显微镜（如普通显微镜、偏振显微镜、相差显微镜、荧光显微镜、干涉显微镜、电子显微镜、声学显微镜等）观察到的细胞中的密集体点模式表明了观察的有效性。有人可能会质疑“不同”是否是一个理论负载的术语。毕竟，正是我们对光和显微镜的理论使我们能够将这些显微镜视为彼此不同。然而，这个论点是成立的。Hacking 正确地指出，如果两种完全不同的物理系统中产生了相同的点模式，那将是一个荒谬的巧合。不同的仪器具有不同的背景和系统误差，如果这是一个人为的巧合，那将是最不可能的。如果这是一个正确的结果，并且仪器正常工作，那么结果的巧合是可以理解的。

2.1.2 实验策略

Hacking 的答案在一定程度上是正确的。然而，它是不完整的。当只能使用一种类型的仪器进行实验，例如电子显微镜或射电望远镜，或者干预要么不可能要么非常困难时，需要其他策略来验证观察结果。[3] 这些策略可能包括：

实验检查和校准，其中实验装置重现已知现象。例如，如果我们希望证明用一种新型光谱仪获得的物质光谱是正确的，我们可以检查这种新型光谱仪是否能够重现氢的已知巴尔末系列。如果我们正确观察到巴尔末系列，那么我们就加强了对光谱仪正常工作的信任。这也加强了我们对使用该光谱仪获得的结果的信任。如果检查失败，那么我们有充分的理由质疑使用该装置获得的结果。
重现事先已知存在的人工制品。一个例子来自于测量有机分子红外光谱的实验（Randall 等人，1949 年）。有时候无法准备纯净的样品。实验者有时不得不将物质放入油膏或溶液中。在这种情况下，人们预期会观察到油或溶剂的光谱与物质的光谱叠加在一起。然后可以将复合光谱与油或溶剂的已知光谱进行比较。观察到这种人工制品可以增加对使用光谱仪进行其他测量的信心。
消除可能的误差来源和结果的替代解释（福尔摩斯策略）。因此，当科学家声称观察到土星环中的电放电时，他们通过展示这一结果不可能是由于遥测的缺陷、与土星环境的相互作用、闪电或灰尘引起的来支持他们的结果。他们的结果的唯一剩下的解释是它是由土星环中的电放电引起的——没有其他合理的解释可以解释这一观察结果。（此外，旅行者 1 号和旅行者 2 号都观察到了相同的结果。这提供了独立的确认。通常，同一实验中会使用几种认识论策略。）
使用实验结果本身来证明其有效性。考虑伽利略对木星卫星的望远镜观测问题。虽然人们可能会相信他那个原始的早期望远镜可能产生虚假的光斑，但望远镜会创造出看起来像是日食和其他与小行星系统运动一致的现象的图像是极不可信的。更不可信的是，这些光斑会满足开普勒第三定律（恒定）。罗伯特·密立根用类似的论证支持他对电荷量子化和电子电荷测量的观察。密立根说：“我们观察到的总变化次数在一千到两千之间，而且没有一次变化不代表着电荷滴落时出现了一个确定的不变电荷量或其很小的倍数”（密立根 1911 年，第 360 页）。在这两种情况下，人们认为没有合理的仪器故障或背景可以解释这些观察结果。
使用一个经过独立验证的现象理论来解释结果。这在发现实验中得到了证明，即韦恩伯格-萨拉姆统一电弱相互作用理论所需的带电中间矢量玻色子。尽管这些实验使用了非常复杂的装置，并采用了其他认识论策略（详见 Franklin 1986 年，第 170-72 页），但我相信观测结果与粒子性质的理论预测一致有助于验证实验结果。在这种情况下，粒子候选者在包含高横向动量电子且没有粒子喷注的事件中被观察到，正如理论所预测的那样。此外，两个实验中测得的粒子质量为 GeV/c2 和 GeV/c2（请注意还有独立确认），与理论预测的 GeV/c2 非常吻合。任何可能模拟粒子存在的背景效应与理论一致的概率非常低。
使用基于经过验证的理论的装置。在这种情况下，对该理论的支持使得基于该理论的装置更加可靠。这适用于电子显微镜和射电望远镜，它们的操作基于经过良好支持的理论，尽管还使用其他策略来验证使用这些仪器进行的观测。
使用统计论证。一个有趣的例子出现在 20 世纪 60 年代，当时寻找新粒子和共振占据了实验高能物理学家大部分时间和精力。通常的技术是绘制观察到的事件数作为最终态粒子的不变质量的函数，并寻找在平滑背景之上的突起。通常的非正式标准是新粒子的存在导致背景之上的三个标准偏差效应，这个结果在单个 bin 中发生的概率为 0.27%。当高能物理学家指出每年绘制的图形数量使得在统计上相当有可能观察到三个标准偏差效应时，这个标准后来改为四个标准偏差，其概率为 0.0064%。

这些策略以及 Hacking 的介入和独立确认构成了实验的认识论。它们为我们提供了相信实验结果的充分理由，然而并不能保证结果的正确性。有许多实验应用了这些策略，但其结果后来被证明是不正确的（下面将提供示例）。实验是可犯错误的。这些策略也不是排他性或穷尽性的。没有单一的策略或固定的组合能够保证实验结果的有效性。物理学家在任何给定的实验中尽可能多地应用这些策略。

2.1.3 实验实践的复杂性

在《实验如何结束》（1987 年）一书中，彼得·加里森将对实验的讨论扩展到了更复杂的情况。在他对电子陀螺磁比的测量历史、μ 子的发现以及弱中性电流的发现的研究中，他考虑了一系列测量单一数量的实验、一组不同实验最终导致的发现，以及由大型团体进行的两个高能物理实验，这些实验都使用了复杂的实验装置。

加里森认为，实验在实验者相信他们得到了一个可以经受得住法庭审判的结果时结束，而我认为这个结果包括了之前讨论过的认识论策略的使用。因此，弱中性电流实验者之一的大卫·克莱恩曾说：“目前我不知道如何让这些效应（弱中性电流事件候选）消失”（加里森，1987 年，第 235 页）。

Galison 强调，在一个大型实验组中，组内的不同成员可能会发现不同的证据最具说服力。因此，在 Gargamelle 弱中性电流实验中，几个组员发现中微子-电子散射事件的单张照片尤为重要，而对其他人来说，观察到的中性电流候选体和中子背景之间的空间分布差异是决定性的。Galison 认为，这在很大程度上归因于实验传统的差异，科学家在使用某些类型的仪器或设备方面发展了一定的技能。例如，在粒子物理学中，有视觉探测器的传统，如云室或气泡室，与盖革计数器、闪烁计数器和火花室的电子传统形成对比。视觉传统中的科学家倾向于偏爱能清楚展示所研究现象的“黄金事件”，而电子传统中的科学家倾向于认为统计论证比个别事件更具有说服力和重要性。（有关此问题的进一步讨论，请参见 Galison 1997 年）。

Galison 指出，理论、实验实践和仪器的重大变化不一定同时发生。实验结果的持续性在这些概念变化中提供了连续性。因此，关于陀螺磁比的实验跨越了经典电磁学、玻尔的旧量子理论以及海森堡和薛定谔的新量子力学。Robert Ackermann 在他对科学仪器的讨论中提出了类似的观点。

科学仪器的优势在于它不能改变理论。仪器确实体现了理论，否则我们就无法理解其操作的重要性...仪器在其操作和世界之间创建了一个不变的关系，至少在我们抽象出正确使用所需的专业知识时是如此。当我们的理论发生变化时，我们可能会以不同的方式构想仪器及其与之交互的世界的重要性，仪器的数据可能会在重要性上发生变化，但数据仍然可以保持不变，并且通常会被期望如此。当某种现象暴露给仪器时，仪器读数为 2。在理论发生变化后，即使我们可能认为读数不再重要，或者告诉我们的不是最初的想法（Ackermann 1985，第 33 页），它仍将继续显示相同的读数。

Galison 还讨论了实验和理论之间的其他方面。理论可能会影响对真实效应的认识，要求解释，以及对背景的认识。在他对发现 μ 子的讨论中，他认为奥本海默和卡尔森的计算表明，通过物质中的电子通过时会产生淋浴，而穿透性粒子（后来被证明是 μ 子）则成为无法解释的现象。在他们的工作之前，物理学家认为淋浴粒子是问题所在，而穿透性粒子似乎是可以理解的。

理论的角色作为一种“启动理论”（即，允许计算或估计预期效应的大小和预期背景的大小）也被 Galison 讨论过。（参见（Franklin 1995）和下面对 Stern-Gerlach 实验的讨论）。这样的理论可以帮助确定实验是否可行。Galison 还强调，消除可能模拟或掩盖效应的背景对实验事业至关重要，而不是次要活动。在弱中性电流实验中，电流的存在与显示事件候选者不全是由中子背景引起密切相关。[6]

实验设计可能会阻止现象的观察。Galison 指出，其中一个中性电流实验的最初设计包括一个 μ 子触发器，这将不允许观察中性电流。在其最初形式中，该实验的设计是为了观察产生高能量 μ 子的带电电流。中性电流则不会产生。因此，拥有 μ 子触发器排除了对中性电流的观察。只有在实验者强调对中性电流搜索的理论重要性之后，才改变了触发器。当然，改变设计并不能保证观察到中性电流。

加里森还表明，实验者的理论假设可能会影响结束实验和报告结果的决定。爱因斯坦和德哈斯在电子的陀螺磁比的值与他们的轨道电子理论模型相符时，结束了对系统误差的寻找。这种假设的影响可能会使人对实验结果和它们在理论评估中的作用持怀疑态度。然而，加里森的历史研究表明，在这种情况下，测量的重要性导致了多次重复测量。这导致了一个与理论预期不符的共识结果。

Galison 最终修改了他的观点。在《图像与逻辑》中，这是对 20 世纪高能物理学仪器的深入研究，Galison（1997）扩展了他的论点，即该领域内存在两种不同的实验传统——视觉（或图像）传统和电子（或逻辑）传统。图像传统使用云室或气泡室等探测器，提供关于每个单独事件的详细和广泛信息。逻辑传统使用的电子探测器，如盖革计数器、闪烁计数器和火花室，提供关于单个事件的较少详细信息，但能检测到更多事件。Galison 认为，在这两种传统中工作的实验者形成了不同的认识论和语言群体，依赖于不同形式的论证。视觉传统强调单个的“黄金事件”。“在图像方面，存在着对‘黄金事件’的根深蒂固的承诺：一张如此清晰和明确的照片，以至于它能够被接受。”（Galison，1997，第 22 页）“黄金事件是图像传统的典范：一个个体实例如此完整和明确，如此‘显然’没有扭曲和背景，以至于不需要进一步的数据参与”（第 23 页）。由于逻辑探测器提供的个体事件包含的详细信息较少，无法与视觉传统的图片相比，因此需要基于大量事件的统计论证。

Kent Staley（1999）持不同观点。他认为，这两种传统并非像 Galison 所认为的那样截然不同：

我展示了两个传统中的发现都采用了相同的统计[我会补充“和/或概率”]的论证形式，即使是基于单一的、重要的事件来支持发现的主张。在 Galison 看来，两个社群之间存在一种只能通过克里奥尔语或洋泾滨式的“中间语言”来弥合的认识分歧，实际上，这两个社群都致力于一种统计形式的实验论证。（第 96 页）

Staley 认为，尽管在给定传统中存在认识上的连续性，但传统之间也存在连续性。我认为，这并不意味着共同承诺包括任何特定情况下提出的所有论证，而是两个社群经常使用相同的方法。Galison 并不否认统计方法在图像传统中的使用，但他认为它们相对不重要。“虽然统计学当然可以在图像传统中使用，但对于大多数应用来说并不是必需的”（Galison，1997 年，第 451 页）。相比之下，Galison 认为逻辑传统中的论证“本质上是统计的。对概率误差的估计和超过背景的统计过程不是这些探测器的次要问题，而是任何演示可能性的核心”（第 451 页）。

尽管对 Staley 和 Galison 之间的分歧进行详细讨论会偏离本文的主题，但他们都同意对实验结果的正确性提出了论证。他们的分歧在于这些论证的性质。（有关进一步讨论，请参见 Franklin，（2002 年），第 9-17 页）。

2.2 反对从实验中学习的案例

2.2.1 实验者的回归

H. Collins、A. Pickering 和其他人对实验结果是基于认识论论证而被接受的观点提出了异议。他们指出，“一个足够坚定的批评者总是能找到理由来质疑任何所谓的‘结果’”（MacKenzie 1989，第 412 页）。例如，Harry Collins 以他对实验结果和证据的怀疑态度而闻名。他提出了一个他称之为“实验者的回归”的论证（Collins 1985，第 4 章，第 79-111 页）：科学家认为正确的结果是通过一个良好的、即正常运行的实验装置获得的。但一个良好的实验装置只是指给出正确结果的装置。Collins 声称，没有形式上的标准可以用来判断一个实验装置是否正常工作。特别是，他认为通过使用替代信号来校准实验装置不能提供一个独立的理由来认为该装置是可靠的。

在柯林斯的观点中，回归最终通过适当的科学界内的协商来打破，这个过程受到科学家的职业、社会和认知利益以及对未来工作的感知效用的驱动，但并不是由我们所称为认识论标准或理性判断来决定的。因此，柯林斯得出结论，他的回归对于实验证据及其在评估科学假设和理论中的使用提出了严重的问题。确实，如果找不到回归的出路，那么他是正确的。

柯林斯对实验者回归的最有力候选人是他对早期探测引力辐射或引力波的历史的描述。（有关这一事件的更详细讨论，请参见（柯林斯 1985；1994；富兰克林 1994；1997a）在这种情况下，物理学界被迫将 J.韦伯声称观测到引力波的报告与其他六个未能探测到引力波的实验的报告进行比较。一方面，柯林斯认为，在这些相互矛盾的实验结果之间做出决策不能基于认识论或方法论的理由-他声称这六个负面实验不能合法地被视为复制[7]，因此变得不那么令人印象深刻。另一方面，正是因为这些实验使用了一种新型的设备来探测一个迄今未被观察到的现象[8]，韦伯的装置无法接受标准的校准技术。

韦伯的批评者提出的结果不仅更多，而且经过了仔细的交叉检查。这些团体之间交换了数据和分析程序，并确认了他们的结果。批评者还调查了他们的分析过程是否能解释他们未能观察到韦伯所报告的结果的原因。他们使用了韦伯偏好的非线性算法来分析自己的数据，仍然没有发现任何效果的迹象。他们还通过插入已知能量的声脉冲并发现他们能够检测到信号来校准他们的实验装置。然而，韦伯本人以及使用他的分析程序的批评者都无法检测到这种校准脉冲。

此外，还有几个关于韦伯分析程序的严重问题被提出。其中包括一个承认的编程错误，导致韦伯的两个探测器之间出现虚假的巧合，韦伯可能存在选择偏差，韦伯报告了两个探测器之间的巧合，而数据的采集时间相隔四个小时，以及韦伯的实验装置是否能产生所声称的狭窄巧合。

显然，批评者的结果比韦伯的更可信。他们通过独立确认来核实他们的结果，其中包括共享数据和分析程序。他们还通过使用非线性算法分析结果并明确搜索这种长脉冲，消除了一个可能的错误来源，即脉冲长度超出预期。他们还通过注入已知能量的脉冲并观察输出来校准他们的装置。

与柯林斯相反，我认为科学界做出了合理的判断，拒绝了韦伯的结果，并接受了他的批评者的结果。虽然没有应用正式的规则（例如，如果你犯了四个错误，而不是三个，你的结果就缺乏可信度；或者如果有五个，但不是六个相互矛盾的结果，你的工作仍然可信），但这个过程是合理的。

皮克林认为接受结果的原因是这些结果对理论和实验实践的未来效用以及与现有社区承诺的一致性。在讨论弱中性电流的发现时，皮克林说，

简而言之，粒子物理学家接受了中性电流的存在，因为他们能够看到在中性电流是真实的世界中如何更有利可图地从事自己的工作。（1984b，第 87 页）
科学界往往会拒绝与团体承诺相冲突的数据，并相应地调整他们的实验技术以关注与这些承诺一致的现象。（1981 年，第 236 页）

对未来效用和现有承诺的强调是明确的。这两个标准不一定一致。例如，在科学史上有一些情况，通过推翻现有理论为未来工作提供了更多机会。（例如，参见下文和 Franklin 1986 年第 1 章、第 3 章中讨论的守恒性和 CP 对称性的推翻历史。）

2.2.2 共同机会主义和可塑资源

在 1980 年代末，皮克林格提出了一种不同的对实验结果的观点。在他看来，实验材料的过程（包括实验装置本身以及设置、运行和监测其操作），该装置的理论模型以及所研究现象的理论模型都是研究者带入相互支持关系的可塑资源。（皮克林格 1987 年；皮克林格 1989 年）。他说：

我认为，实现这种相互支持关系是成功实验的定义特征。（1987 年，第 199 页）

他引用了莫普尔戈对自由夸克或分数电荷的寻找的研究，其中是电子的电荷。（另见古丁 1992 年。）莫普尔戈使用了一种现代的米立坎型装置，最初发现了一个连续的电荷分布。在对装置进行一些调整后，莫普尔戈发现，如果他分离电容器的板，他只能得到整数电荷值。“经过一些理论分析，莫普尔戈得出结论，他现在的装置正常工作，并报告了他未能找到任何分数电荷的证据”（皮克林格 1987 年，第 197 页）。

Pickering 接着指出，Morpurgo 并没有对当时提供的两种竞争理论进行任何修改，即整数电荷理论和分数电荷理论：

对实验初期阶段的充分性产生怀疑的最初原因，正是他们的发现——连续分布的电荷——与 Morpurgo 准备接受的任何一个现象模型都不一致。而寻求新的仪器模型的动机，则是 Morpurgo 最终成功地得出了符合他愿意接受的现象模型之一的发现。
Morpurgo 第一系列实验的结论，以及他们所支持的观察报告的产生，标志着我所讨论的三个要素之间建立了相互支持的关系：仪器的物质形式和两个概念模型，一个是仪器模型，另一个是现象模型。我认为，实现这种相互支持的关系是成功实验的定义特征。（第 199 页）

皮克林对实验提出了几个重要且有效的观点。最重要的是，他强调实验装置最初很少能够产生有效的实验结果，需要进行一些调整或修补。他还认识到，实验装置的理论和现象的理论都可以影响有效实验结果的产生。然而，人们可能会质疑的是他对这些理论成分的强调。从密立根开始，实验已经强烈支持存在一个基本电荷单位和电荷量子化。莫普尔戈的实验装置未能产生整数电荷的测量结果表明它的运行不正常，而他对其的理论理解也是错误的。正是由于未能产生与已知结果一致的测量结果（即重要实验检验的失败），才对莫普尔戈的测量结果产生了怀疑。这是无论可用的理论模型如何，或者莫普尔戈愿意接受哪些理论模型都是如此。只有当莫普尔戈的实验装置能够重现已知的测量结果时，它才能被信任并用于寻找分数电荷。确实，皮克林允许自然界在实验结果的产生中发挥一定作用，但似乎并不决定性。

2.2.3 关键回应

阿克曼提出了对皮克林观点的修改。他认为实验装置本身比实验装置的理论模型或现象的理论模型更不可塑。

重申一下，实验装置的变化通常可以被看到（实时地，无需等待对实验装置的理论模型的解释进行适应），作为改进，而在实验装置实际改变并实现所推测的改进之前，“改进”并不开始计算。可以想象，这种小小的不对称最终可以解释科学进步的大规模方向以及这些方向的客观性和合理性。（Ackermann 1991，第 456 页）

Hacking（1992）还提出了 Pickering 后来观点的更复杂版本。他认为，成熟的实验室科学的结果在实验室科学的要素相互一致和支持时实现稳定并自我证明。这些要素包括（1）思想：问题、背景知识、系统理论、主题假设和对实验装置的建模；（2）物质：目标、修改来源、探测器、工具和数据生成器；以及（3）标记和标记的操作：数据、数据评估、数据简化、数据分析和解释。

稳定的实验室科学是当理论和实验室设备以相互匹配和相互自我证明的方式发展时产生的。（1992，第 56 页）
我们发明了能够产生数据并隔离或创造现象的设备，并且一个不同层次的理论网络与这些现象相符。相反，只有当数据能够被理论解释时，我们最终才能将它们仅视为现象。(第 57-8 页)

有人可能会问，理论与实验结果之间的这种相互调整是否总是能够实现？当一个实验结果是由一个已成功应用了先前讨论的认识论策略的装置产生的，并且该结果与我们对该现象的理论不一致时，会发生什么？被接受的理论可以被推翻。下面将介绍几个例子。

Hacking 本人对于当一个真实反映实验室中产生的现象的实验室科学，通过相互调整和自我证明，成功应用于实验室外的世界时会发生什么感到担忧。这是否证明了科学的真实性。在 Hacking 的观点中，不是这样的。如果实验室科学在“未被驯服的世界中产生了愉快的效果...并不是任何事物的真实性引起或解释了这些愉快的效果”(1992 年，第 60 页)。

2.2.4 代理的舞蹈

Pickering 提出了另一种稍微修改过的科学解释。"我对科学的基本形象是一种表演性的形象，在其中人类和物质代理的行为成为重点。科学家是人类代理者，处于一种物质代理的领域中，他们努力将其捕捉在机器中（Pickering，1995 年，第 21 页）。" 然后他讨论了人类和物质代理之间的复杂互动，我将其解释为实验者、他们的装置和自然界之间的互动。

从人类一端看，代理的舞蹈因此呈现出一种抵抗和适应的辩证法，其中抵抗表示在实践中未能实现预期的代理捕捉，而适应则是对抵抗的积极人类应对策略，其中包括对目标和意图的修订，以及对所讨论的机器的物质形式和围绕其周围的人类姿势和社会关系的修订（第 22 页）。"

Pickering 对抗的概念可以通过 Morpurgo 对连续电荷的观察来说明，这与他的预期不符。Morpurgo 的解释包括改变他的实验装置，增加板之间的间距，并修改他对装置的理论解释。这样做之后，观察到了整数电荷，并且通过装置、装置理论和现象理论的相互一致来稳定结果。Pickering 指出，“结果取决于世界的本质如何（第 182 页）。”“因此，物质世界的本质以一种非平凡且重要的方式渗入并影响我们对其的表征。因此，我的分析展示了科学知识与物质世界之间的亲密而有响应的互动，这对科学实践至关重要（第 183 页）。”

尽管皮克林对自然界的引用有些令人困惑。虽然皮克林承认自然界的重要性，但他对“感染”一词的使用似乎表明他对此并不完全满意。自然界似乎也没有太多的功效。在皮克林的案例研究中，它似乎从来没有起到决定性的作用。回想一下，他曾经争论说物理学家接受了弱中性电流的存在，是因为“在一个中性电流是真实的世界中，他们可以更有利地从事自己的工作。”在他的解释中，莫普尔戈对连续电荷的观察只是重要的原因是因为它与他对这一现象的理论模型不一致。它与以前的许多关于整数电荷的观察不一致似乎并不重要。这在皮克林对莫普尔戈和费尔班克之间的冲突的讨论中进一步得到了说明。正如我们所见，莫普尔戈报告说他没有观察到分数电荷。另一方面，在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初，费尔班克和他的合作者发表了一系列论文，声称他们观察到了分数电荷（例如，LaRue，Phillips 等人，1981 年）。面对这种不一致，皮克林得出结论，

在第 3 章中，我追踪了莫普尔戈在特定的文化扩展向量、特定的阻力和适应以及特定的互动稳定化方面的发现过程。我相信，对费尔班克也可以做同样的事情。这些追踪就是关于他们分歧的全部内容。只是碰巧在这两个例子中，阻力和适应的偶然性有所不同。我认为，这样的差异在实践中不断涌现，没有任何特殊的原因（第 211-212 页）。

自然界似乎已经从皮克林的解释中消失了。在这里确实存在一个问题，即分数电荷是否存在于自然界中。费尔班克和莫普尔戈关于它们存在的结论不能同时正确。仅仅像皮克林那样陈述费尔班克和莫普尔戈各自实现了它们的稳定，并将冲突留置不解似乎是不够的。（皮克林确实评论说，可以追踪后续历史并看到冲突是如何解决的，并且他也对此做了一些简短的陈述，但对他来说，解决并不重要）。至少应该考虑科学界的行动。科学知识不是由个人决定的，而是由整个社群共同决定的。皮克林似乎承认了这一点。“因此，人们可能希望建立一个度量标准，并说科学知识的客观性或多或少取决于它们在科学文化中的融入程度、随时间的社会稳定等等。我认为这种思考方式没有问题...（第 196 页）。”费尔班克相信分数电荷的存在，或者韦伯坚信自己观察到了引力波，这并不意味着他们是正确的。这些都是关于自然界的问题，可以得到解决。分数电荷和引力波要么存在，要么不存在，或者更谨慎地说，我们有充分的理由支持关于它们存在的主张，或者没有。

Pickering 忽视的另一个问题是关于特定理论、仪器或现象之间的相互调整以及实验装置和证据之间的相互调整是否合理的问题。Pickering 似乎认为，任何提供个体或社区稳定性的调整都是可以接受的。其他人持不同意见。他们指出，实验者有时会排除数据，并在产生实验结果时进行选择性分析。这些做法至少是值得质疑的，科学上使用这些做法产生的结果也是如此。事实上，科学的正常实践中有一些程序可以防止这些问题的发生。（详见 Franklin，2002 年，第 1 节）。

对于解决分歧的态度差异是 Pickering 和 Franklin 对科学观点之间的重要区别之一。Franklin 指出，仅仅说解决方案在社会上得到稳定是不够的。重要的问题是如何实现这种解决方案以及为什么提出这种解决方案。如果我们面对不一致的实验结果，并且两个实验者都提出了合理的论证来支持他们的正确性，那么显然还需要更多的工作。在这种情况下，物理学界寻找一个或两个实验中的错误似乎是合理的。

Pickering 讨论了他的观点与 Franklin 观点之间的另一个区别。Pickering 认为，传统的科学哲学将客观性视为“源于一种特殊的思维卫生或思想监管。这种警察功能特别涉及科学中的理论选择，通常是以负责理论辩论结束的合理规则或方法来讨论的（第 197 页）。”他接着指出，

近期方法论思想中最活跃的行动集中在像艾伦·富兰克林（Allan Franklin）那样试图通过建立一套规则来扩展实验方法论的尝试上。富兰克林因此试图将客观性的经典讨论扩展到科学的经验基础上（这是哲学传统中一直被忽视的一个主题，但当然也是曾被搅乱[皮克林的观点]所涉及的）。关于我和富兰克林在下面所阐述的相同观点的争论，请参见（富兰克林 1990 年，第 8 章；富兰克林 1991 年）；以及（皮克林 1991 年）；以及与该辩论相关的评论，请参见（阿克曼 1991 年）和（林奇 1991 年）（第 197 页）。”

更多讨论请参见富兰克林 1993b。虽然富兰克林的实验认识论旨在为对实验结果的信仰提供充分的理由，但它们并不是一套规则。富兰克林将它们视为一套策略，物理学家可以从中选择，以证明他们结果的正确性。如上所述，所提供的策略既不是排他的也不是穷尽的。

皮克林和富兰克林之间还存在另一个分歧点。皮克林声称自己在处理科学实践，但他在讨论中排除了某些实践。科学实践之一是将上述认识论策略应用于为实验结果的正确性辩护。事实上，实验论文的一个基本特征就是提出这样的论证。撰写这样的论文是一种表演行为，也是一种科学实践，因此检查这些论文的结构和内容似乎是合理的。

2.2.5 Hacking 的《社会建构的是什么》？

Ian Hacking（1999 年，第 3 章）对构建主义者（Collins，Pickering 等）与理性主义者（Stuewer，Franklin，Buchwald 等）之间的分歧问题进行了深入而有趣的讨论。他列出了两种观点之间的三个关键问题：1）偶然性，2）名义主义，和 3）稳定性的外部解释。

偶然性是科学不是预先确定的观念，它可以以多种成功的方式发展。这是构建主义者所采纳的观点。Hacking 通过 Pickering 对 20 世纪 70 年代高能物理学的描述来说明这一点，其中夸克模型开始占主导地位。（参见 Pickering 1984a）。

建构主义者坚持一种偶然性论。在物理学的情况下，（a）物理学的理论、实验、材料）本可以以一种非夸克的方式发展，并且根据这种替代物理学所演变出的详细标准，它本可以像现代物理学一样成功。此外，（b）这种想象中的物理学在任何意义上都不等同于现代物理学。物理学家否认这一点。（Hacking 1999，第 78-79 页）。
总结 Pickering 的理论：在 20 世纪 70 年代，可能存在一个与高能物理研究计划一样成功（“进步”的）的研究计划，但其理论、现象学、仪器的概要描述以及仪器与这些要素之间的不同和进步的强健适应序列是不同的。此外，这是一个亟需澄清的问题，“不同”的物理学不会等同于现代物理学。不是逻辑上不相容，只是不同而已。
关于夸克（观念）的建构主义者认为，这种适应和抵抗过程的结果并不完全预先确定。实验室工作要求我们在仪器、对仪器的信念、数据的解释和分析以及理论之间获得强健的适应。在实现强健的适应之前，不确定适应将是什么样子。不是由世界的本质决定，不是由现有技术决定，不是由科学家的社会实践决定，不是由利益或网络决定，不是由天才决定，不是由任何事物决定（第 72-73 页，强调添加）。

在这里，很大程度上取决于 Hacking 对“确定”的理解。如果他的意思是“随附”，那么我们必须同意他的观点。世界，或者更准确地说，我们可以从中学到的东西，是否随附着一个独特的理论是值得怀疑的。如果不是这样，似乎更有道理的是，他的意思是世界的方式对成功的科学没有任何限制，那么理性主义者则强烈不同意。他们想要争论的是，世界的方式限制了适应现象的理论种类，我们可以构建的装置种类，以及我们可以用这些装置获得的结果。认为否则似乎很愚蠢。考虑一个家常的例子。似乎很不可能有人能够提出一个成功的理论，其中密度大于空气的物体向上掉落。这并不是 Hacking 所描述的观点的夸张。在描述 Pickering 的观点时，他说：“物理学不需要采取涉及麦克斯韦方程、热力学第二定律或光速的现值的路线（第 70 页）。”虽然对于麦克斯韦方程或热力学第二定律可能有些同情，但对于光速的值可能不同意。这是由世界的方式决定的。任何关于光的成功理论都必须给出其速度的值。

在另一个极端是“必然主义者”，其中 Hacking 将大多数科学家归类为此类。他引用了诺贝尔奖得主谢尔顿·格拉肖的话：“任何地方的智能外星人都会发现与我们相同的逻辑系统来解释质子的结构和超新星的性质（格拉肖 1992 年，第 28 页）。”

Pickering 和 Franklin 在偶然性问题上的另一个区别涉及的不是是否可能存在替代方案，而是是否存在应该追求该替代方案的理由。Pickering 似乎将“能”与“应该”等同起来。

在 20 世纪 70 年代末，华盛顿大学和牛津大学进行的低能实验（关于原子偏振违反，即左右对称性的违反）的结果与斯坦福线性加速器中心（SLAC）进行的关于氘的极化电子散射的高能实验（E122 实验）的结果之间存在分歧。原子偏振违反实验未观察到魏恩伯格-萨拉姆（W-S）统一电弱相互作用理论预测的偏振违反效应，而 SLAC 实验观察到了预测的效应。这些早期的原子物理结果本身相当不确定，并且由伯克利和诺沃西比尔斯克进行的类似实验获得的积极结果增加了不确定性。当时，该理论在其他证据支持下，但并未被普遍接受。皮克林和富兰克林一致认为，W-S 理论是基于 SLAC E122 实验结果而被接受的。他们在对实验的讨论上存在明显差异。他们在偶然性问题上的分歧涉及当时提出的一种特定的理论替代方案，用于解释实验结果之间的差异。

Pickering 问为什么理论家没有尝试找到一种可能将华盛顿-牛津原子偏振结果与正 E122 结果相一致的电弱规范理论的变体。（从未提到这样的理论家后来如何处理伯克利和新西伯利亚实验所提供的支持性原子偏振结果）。"虽然 E122 分析了他们的数据，以显示一种特定类别的变体规范理论，即所谓的'混合模型'的概率不大[适应混合模型的概率为 6×10−4]，但我不认为不可能设计出更多的变体"（Pickering 1991，第 462 页）。Pickering 指出，早在 1972 年就已经有了构建这种变体的开放式方法（第 467 页）。虽然有可能这样做，但我们可以问科学家是否愿意这样做。如果科学家同意富兰克林的观点，即 SLAC E122 实验在支持 W-S 理论方面提供了相当大的证据支持，并且来自原子偏振实验的一系列相互矛盾和不确定的结果对该支持给出了模棱两可的答案，那么他们有什么理由去发明一种替代方案呢？

这并不是说科学家不应该进行推测，而是在这种情况下没有必要这样做。理论家经常提出对现有的、经过充分确认的理论的替代方案。

建构主义案例研究似乎总是支持现有的、被接受的理论（Pickering 1984a; 1984b; 1991; Collins 1985; Collins and Pinch 1993）。这种情况暗示了一个批评，即没有考虑其他选择，可接受的替代假设空间要么非常小，要么为空。这一点值得严肃质疑。因此，当 Christenson 等人（1964 年）的实验检测到衰变成两个 π 介子时，似乎表明 CP 对称性（粒子-反粒子组合和空间反演对称性）被违反，提供了不少于 10 个替代方案。其中包括（1）由于物质和反物质的局部不对称性而产生的宇宙模型，（2）外部场，（3）的衰变，随后的衰变成两个 π 介子，这是对称性允许的，（4）在衰变中发射另一种中性粒子“帕里蒂诺”，类似于 β 衰变中中微子的发射，（5）衰变中发射的一个 π 介子实际上是一个“斯派恩”，一个自旋为 1 而不是 0 的 π 介子，（6）衰变是由另一种中性粒子 L 引起的，与同时产生的相干，（7）存在一个“阴影”宇宙，只通过弱相互作用与我们的宇宙相互作用，所看到的衰变是“阴影”的衰变，（8）指数衰变定律的失败，（9）量子力学中叠加原理的失败，以及（10）衰变的 π 介子不是玻色子。

如您所见，对替代方案的限制并不是非常严格。到 1967 年底，所有的替代方案都经过了测试，发现不符合要求，使得 CP 对称性无保护。在这里，科学界对于值得提出和追求的事物的不同判断导致了各种各样的替代方案被测试。

Hacking 的第二个争议点是名义主义。他指出，在最极端的名义主义形式中，名义主义否认除了被称为道格拉斯冷杉之外，没有任何共同或特殊的东西。反对者认为，好的名称或自然界的好解释告诉我们关于世界的正确信息。这与关于不可观察实体地位的现实主义-反现实主义辩论有关，这个辩论已经困扰哲学家们几千年了。例如，反现实主义者巴斯·范弗拉森（1980）认为，我们没有理由相信电子等不可观察实体的存在，并且接受关于电子的理论只意味着我们相信理论关于可观察实体的陈述是正确的。现实主义者声称电子确实存在，正如威尔弗雷德·塞拉斯所说：“拥有持有一个理论的充分理由就是拥有持有该理论所假设的实体存在的充分理由（塞拉斯 1962 年，第 97 页）。”在 Hacking 的观点中，科学名义主义者比反现实主义者更激进，对于冷杉树和电子一样持怀疑态度。名义主义者进一步认为，我们构想的结构是我们对世界的表象的属性，而不是世界本身的属性。Hacking 将那种观点的反对者称为固有结构主义者。

Hacking 还指出，这一点与“科学事实”的问题有关。因此，建构主义者拉图尔和伍尔加最初将他们的书命名为《实验室生活：科学事实的社会建构》（1979 年）。安德鲁·皮克林将他对夸克模型的历史命名为《构建夸克》（皮克林 1984a）。物理学家认为这贬低了他们的工作。现实主义者和物理学家史蒂文·温伯格批评皮克林的书名，指出登山者永远不会给一本书命名为《构建珠穆朗玛峰》。对温伯格来说，夸克和珠穆朗玛峰在本体论上具有相同的地位。它们都是关于世界的事实。Hacking 认为，建构主义者并不是，尽管表面上如此，认为事实不存在，或者不存在现实这样的东西。他引用拉图尔和伍尔加的观点：“‘外在性’是科学工作的结果，而不是原因”（拉图尔和伍尔加 1986 年，第 180 页）。Hacking 合理地得出结论，

拉图尔和伍尔加无疑是正确的。我们不应该解释为什么有些人相信某事是真实的，或者与事实相符。例如：有人相信宇宙始于我们简称为大爆炸的事件。现在有许多理由支持这种信念。但是在列举了所有理由之后，你不应该再添加“宇宙始于大爆炸，这是真实的。”或者“这是事实。”这一观察并不特别与社会建构有关。这同样可以由一个老式的语言哲学家提出。这是关于动词“解释”的语法的一种评论（Hacking 1999 年，第 80-81 页）。

然而，可以补充的是，Hacking 所引用的支持这种信念的原因是通过有效的实验证据给出的，而不是科学家的社会和个人利益。拉图尔和伍尔加尔可能不同意。富兰克林认为我们有充分的理由相信事实，并相信我们理论中涉及的实体，当然要记住科学是有缺陷的。

Hacking 的第三个争议点是稳定性的外部解释。

建构主义者认为，科学信念的稳定性的解释至少部分涉及与科学内容外部的因素。这些因素通常包括社会因素、利益、网络或其他描述方式。反对者认为，无论发现的背景如何，稳定性的解释都是科学本身的内部问题（Hacking 1999，第 92 页）。
理性主义者认为，大多数科学研究都是在充分的理论和实验理由的指导下进行的。一些知识体系之所以稳定，是因为有大量的理论和实验理由可以为其提供支持。建构主义者认为，这些理由对科学的发展并不决定性。尼尔森（1994）得出结论，这个问题永远无法解决。至少从回顾的角度来看，理性主义者总是能够提出令他们满意的理由。而建构主义者则总能以同样的巧妙方式找到一个开放性，使得研究结果的结果不仅仅是由理由决定的。是某种外在因素。这是说我们找到了一个无法解决的“瓶颈”（第 91-92 页）

因此，关于接受实验结果的原因存在相当严重的分歧。对于一些人，比如斯坦利、加里森和富兰克林，这是基于认识论的论证。对于其他人，比如皮克林，原因是未来实践的效用和与现有理论承诺的一致性。尽管科学史表明，一个被广泛接受的理论的推翻会导致大量的理论和实验工作，但这种观点的支持者似乎认为，与现有理论的一致性总是具有更多的未来效用。哈金和皮克林还提出，实验结果是基于元素的相互调整而被接受的，其中包括现象的理论。

尽管如此，似乎每个人都同意在实验结果上形成了共识。

2.3 测量、校准、预测

我们在第 2.2.1 节中遇到了富兰克林对校准的定义，即使用与被校准的设备独立建立的替代信号，或者在独立设备上复制已经独立建立的现象。他使用这个解释来反驳柯林斯对实验者回归恶性的观点。然而，其他解释测量过程的校准的解释也引发了类似的担忧。

E. Tal 将校准定义为“建立测量仪器指示与与测量标准相关的数量值之间的关联的活动”（Tal 2017a, 243）。当在理论背景和测量仪器的校准的更大背景下解释时，仅仅是“仪器指示”（Tal 2017a）变成了“测量结果”。然而，Boyd（2021, 43）担心这会导致类似于实验者回归的恶性回归，柯林斯曾经提出过这个观点（见第 2.2.1 节），因为实验者们没有“获得被测量物的真实值作为校准标准”。

通过在不同建模测量中执行的测量结果之间的比较，即在不同的测量背景下进行比较（背景由仪器的操作和理论背景的复杂性构成），可以阻止回归（Tal 2017a，239）。这些不同的背景是理想化的，然后进行比较，以确定它们是否与关于测量对象的预测一致。因此，校准是“对不同过程进行建模并测试这些模型对相互兼容性的后果”的活动（Tal 2017a，246）。校准的行为实际上是在测量过程中理想化模型的比较，其中测量行为通过模型的相互一致性得到合理化。

Boyd（2021，46）指出，测量过程的理想化不能为客观测量提供基础，因为理想化剥夺了上下文的关键细节。实际上，由于上下文敏感的细节，测量具有认识论的效用。只有在更广泛的经验和理论背景中，测量结果才能获得认识论价值，即“丰富的证据”。

此外，Tal 的观点混淆了预测和校准（Boyd 2021，48），使我们回到了实验者回归的恶性循环。因此，“校准被认为打破了回归，因为仪器的正确工作可以根据除了其主要目标的成功之外的其他因素来判断”（Boyd 2021，48）。如果校准要打破回归，它必须提供一个超出相互一致预测网络的点，例如通过对仪器指示的微妙处理。

渐进的连贯主义试图摆脱恶性回归的方式，正如 Hasok Chang（2004 年，2007 年）所提出的，指向了测量程序和校准发展的历史轨迹。连贯测量过程的网络是动态的：它以螺旋形式随时间展开。最初旨在预测的测量过程最终成为用于校准过程的结果。然而，如果像 Chang（2007 年）所声称的那样，其他非经验美德（如“创造性成就”）与经验美德一样重要，那么这种螺旋进展可能只是 Collins 类型的精心设计的动态连贯网络，其中主观间的一致是基础。如果是这样，校准实际上并没有为测量结果提供独立的支持。

Perović（2017 年）分析了大型强子对撞机中的原位校准程序，指出校准在实验装置的投入使用阶段起到了类似 Franklin 的认识支持的作用。但各种校准程序在整个测量过程中持续进行，并逐渐融入到测量本身中。Boyd（2021 年）进一步探讨了投入使用程序和从“工程数据”到“科学数据”的逐渐过渡，其中预测的标准发生了显著变化。实验装置最初依赖于现有的众所周知的数据，但随后塔尔坚持的与其他装置的连贯性在证明测量结果方面变得越来越不重要。

2.4 大科学物理学：高能物理中的理论负荷

像托马斯·库恩和保罗·费耶拉本这样的作者提出了这样一种观点：证据并不能证实或否定科学理论，因为它受到理论的影响。证据不是一组与理论句子相互独立的观察句子，正如逻辑实证主义者所认为的那样。每个新的理论或理论范式，正如库恩所称的更大的理论框架，都会产生新的证据。

因此，理论概念从设计和准备阶段到数据的生成和分析阶段，都会影响整个实验过程。一个简单的例子可以清楚地说明这种观点，就是用汞温度计测量温度，以测试物体在温度升高时是否会膨胀。请注意，在这种情况下，人们通过依赖于一个假设，即汞的膨胀表示温度升高，来测试假设。

在这种特定情况下，理论和实验陷入了一个恶性循环，但可能有一个相当简单的解决办法。例如，可以使用一个恒定体积的气体温度计来校准汞温度计，在这种情况下，使用汞温度计不依赖于被测试的假设，而是依赖于气体压力与绝对温度成正比的关系（Franklin 等，1989 年）。

虽然大多数实验比这个玩具例子要复杂得多，但可以肯定地认为实验结果是以理论为基础的，可以逐个案例来看待。然而，这种观点可能存在更普遍的问题。

Bogen 和 Woodward（1988）认为，关于理论和观察之间关系的辩论忽视了实验证据产生中的一个关键因素，即实验现象。实验者使用各种统计分析工具从原始实验数据（例如粒子对撞机中的电子或数字轨迹）中提取实验现象。因此，将实验现象（例如在特定能量的碰撞束流中的峰值）识别为显著的现象是不受实验可能被设计来测试的理论（例如特定粒子的预测）的影响的。只有在确定了显著现象后，才能开始数据分析阶段，其中将判断该现象是支持还是反驳某个理论。因此，至少在物理学的某些实验中，证据的理论负荷论是错误的。

作者通过对导致弱中性电流突破性发现的实验进行分析来证实他们的论点。这是一种由所谓的玻色子产生的力，玻色子是负责粒子（如强子和轻子）之间能量传递的短寿命粒子。通过对数据进行统计分析，相关峰值被认定为显著，并随后被解释为玻色子存在的证据。

这个观点和案例研究已经受到 Schindler（2011）的质疑。他认为，被测试的理论在评估弱中性电流实验数据的可靠性方面起到了关键作用。他还指出，有时候，实验数据甚至可以被忽略，如果从物理学家特别引人注目的理论角度来看，这些数据被认为是不相关的。这在关于海底斑马纹磁异常的实验中就是这种情况。用于扫描海底的新装置产生了有趣的信号。然而，研究人员无法对这些信号进行有意义的解释，也无法将其与噪音区分开来，除非他们依赖于对海底结构和地球磁场的某种理论解释。

Karaca（2013）指出，粗糙的理论观察区分在理解高能物理实验方面特别无助。它无法捕捉到相关理论结构的复杂性以及它们与实验数据的关系。理论结构可以由背景理论、模型理论和现象学理论组成。背景理论是非常普遍的理论（例如量子场论或量子电动力学），它定义了物理粒子及其相互作用的一般性质。模型是背景理论的具体实例，定义了特定粒子及其性质。而现象学理论则基于这些模型提出了可测试的预测。

现在，每个理论部分与实验数据之间存在不同的关系，实验可以被不同程度上的不同部分所影响。这需要对理论负载性进行细致的分类，从弱到强。

因此，可以设计一个实验装置来测试一个非常具体的理论模型。CERN 的超级质子同步加速器上的 UA1 和 UA2 探测器被设计成只能在一个非常特定的能量范围内探测到标准模型中的 W 和 Z 玻色子存在的粒子。

相比之下，探索性实验在不依赖于特定理论模型的情况下研究现象。因此，有时实验的理论框架仅由现象学理论构成。Karaca 认为，20 世纪 60 年代末和 70 年代初的深度非弹性电子-质子散射实验就是这种弱理论负荷实验的例子。实验中仅应用现象学参数导致了重要的发现，即强子（质子和中子）具有复合结构而非点状结构，或者所谓的标度律。这最终导致了强子组成的成功理论模型，即量子色动力学或夸克模型。

3. 实验的角色

3.1 有自己的生命

尽管实验通常因其与理论的关系而变得重要，但哈金指出，实验往往有自己独立于理论的生命。他提到了卡罗琳·赫歇尔发现彗星、威廉·赫歇尔关于“辐射热”的研究，以及戴维观察到藻类排放的气体和该气体中蜡烛的闪烁。在这些案例中，实验者对所研究的现象没有任何理论。还可以注意到 19 世纪对原子光谱的测量以及 20 世纪 60 年代对基本粒子的质量和性质的研究。这两个序列都没有任何理论的指导。

在决定进行哪种实验调查时，科学家可能会受到可用设备和自己使用该设备的能力的影响（McKinney 1992）。因此，当曼恩-奥尼尔合作在晚上的 1960 年代在普林斯顿-宾夕法尼亚加速器进行高能物理实验时，实验的顺序是（1）测量衰变速率，（2）测量分支比和衰变谱，（3）测量分支比，和（4）测量衰变中的形状因子。这些实验是使用基本相同的实验装置进行的，但对于每个特定实验进行了相对较小的修改。在实验序列结束时，实验者已经对装置的使用非常熟练，并且对背景和实验问题有了很好的了解。这使得该小组能够成功地进行技术上更困难的实验。我们可以将此称为“仪器忠诚”和“专业知识的再利用”（Franklin 1997b）。这与加里森对实验传统的观点非常契合。理论家和实验家都倾向于追求可以利用他们的培训和专业知识的实验和问题。

Hacking 还提到了巴托林对冰岛石的“值得注意的观察”，胡克和格里马尔迪对衍射的研究，以及牛顿对光的色散的研究。“当然，巴托林、格里马尔迪、胡克和牛顿并不是没有头脑的经验主义者。他们之所以看到他们看到的，是因为他们是好奇、好问、善于思考的人。他们试图形成理论。但在所有这些情况下，观察明显先于任何理论的形成”（Hacking 1983，第 156 页）。在所有这些情况下，我们可以说这些都是在等待理论，甚至可以说是在呼唤理论的观察。任何意外现象的发现都需要理论解释。

3.2 确认与反驳

然而，实验的几个重要角色与理论有关。实验可以确认一个理论，反驳一个理论，或者给出一个理论的数学结构的线索。

3.2.1 一个关键的实验：发现了奇偶非守恒

首先让我们考虑一个理论和实验之间关系明确而直接的事件。这是一个“关键”的实验，它毫不含糊地决定了两个竞争理论或理论类别之间的选择。这个事件是关于发现弱相互作用中的奇偶、镜像反射对称性或左右对称性不守恒的。实验表明，在核的贝塔衰变中，沿核自旋方向发射的电子数目与相反方向发射的电子数目不同。这清楚地证明了弱相互作用中的奇偶破缺。

3.2.2 一个有说服力的实验：发现了 CP 破缺

在发现了奇偶守恒和电荷共轭非守恒之后，物理学家们在兰道的建议下考虑了 CP（组合奇偶和粒子-反粒子对称性），这在实验中仍然是守恒的，被认为是适当的对称性。这个方案的一个结果是，如果 CP 守恒，介子可以衰变成两个 π 介子，而介子则不能。[10]因此，观察到衰变成两个 π 介子的现象将表明 CP 破坏。这个衰变现象是由普林斯顿大学的一个小组观察到的。尽管提出了几种替代解释，但实验排除了每一种替代解释，只剩下 CP 破坏可以解释实验结果。（有关这一事件的详细信息，请参见富兰克林（1986 年，第 3 章）和附录 2。）

3.2.3 70 年后的确认：玻色-爱因斯坦凝聚的发现

在前面讨论的奇偶非守恒和 CP 破坏的两个事件中，我们看到了两个竞争理论类别之间的决策。这一事件，即玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的发现，展示了在理论预测首次提出 70 年后的具体理论预测的确认。玻色（1924 年）和爱因斯坦（1924 年；1925 年）预测，非相互作用的玻色子气体在低于某一温度时，会突然在最低能量量子态中出现宏观的粒子数。[11]（有关这一事件的详细信息，请参见附录 3。）

3.3 复杂性

在前一节讨论的三个实验中，实验和理论之间的关系是明确的。实验给出了明确的结果，对于理论的预测没有任何模糊之处。迄今为止，没有对所得出的结论提出质疑。弱相互作用中违反了宇称和 CP 对称性，玻色-爱因斯坦凝聚是一种被接受的现象。在科学实践中，事情往往更加复杂。实验结果可能存在冲突，甚至可能是错误的。理论计算也可能存在错误，或者正确的理论可能被错误地应用。甚至有些情况下，实验和理论都是错误的。正如前面所提到的，科学是有缺陷的。在本节中，我将讨论几个说明这些复杂性的实例。

3.3.1 第五力的崩溃

第五力的实验是一个假设被驳斥的案例，但只有在实验结果的分歧得到解决之后。"第五力" 是对牛顿普遍引力定律的一种修改提议。最初的实验结果存在冲突：一个支持第五力的存在，而另一个则反对。经过多次实验的重复，这个分歧得到了解决，并达成共识，即第五力不存在。（有关这一事件的详细信息，请参见附录 4。）

3.3.2 正确的实验，错误的理论：斯特恩-格拉赫实验

斯特恩-格拉赫实验在当时被认为是至关重要的，但实际上并非如此。在物理学界看来，它决定了两个理论之间的问题，驳斥了一个理论并支持了另一个理论。然而，在后来的研究中，驳斥的结论仍然成立，但确认的结果却值得怀疑。实际上，实验结果对于它所看似确认的理论提出了问题。随后提出了一种新的理论，尽管斯特恩-格拉赫的结果最初也对这个新理论提出了问题，但在对该新理论进行修改后，结果证实了它。从某种意义上说，它毕竟是至关重要的。只是需要一些时间。

Stern-Gerlach 实验为电子自旋的存在提供了证据。这些实验结果最早于 1922 年发表，尽管电子自旋的概念直到 1925 年（1925 年；1926 年）由古茨密特和乌伦贝克提出。可以说，在发明之前就发现了电子自旋。（有关此事件的详细信息，请参见附录 5）。

3.3.3 有时反驳并不奏效：电子的双散射

在上一节中，我们看到了实验与理论比较中固有的一些困难。有时候我们面临的问题是实验装置是否满足理论所需的条件，或者反过来，适当的理论是否与实验结果进行比较。一个例子是关于重核（莫特散射）对电子的双散射实验的历史，以及这些结果与狄拉克的电子理论的关系，其中实验是否满足理论计算的条件是核心问题。最初，实验与莫特的计算不一致，对基础的狄拉克理论产生了怀疑。经过十多年的实验和理论工作，人们意识到实验中存在一个掩盖了预测效应的背景效应。当背景被消除后，实验和理论达成了一致。（附录 6）

3.3.4 未能检测到异常

随着粒子对撞机从房间大小的仪器发展到数十公里长的超级实验室，产生的数据量越来越庞大。探测器中发生了大量已被理论上理解且无趣的背景相互作用。为了识别潜在感兴趣的相互作用，必须对这些相互作用进行筛选。这在强子（质子-质子）对撞机（如大型强子对撞机）中尤为明显，其中发现了希格斯玻色子。在 LHC 和类似的强子对撞机中碰撞的质子由更基本的粒子组成，统称为部分子。部分子之间相互作用，使背景相互作用的数量呈指数增长。事实上，从探测器中发生的数量庞大的相互作用中只选择了极少数相互作用。（相比之下，轻子碰撞，如电子和正电子的碰撞，产生的背景要低得多，因为轻子不由更基本的粒子组成。）

因此，成功搜索新的基本粒子在数据收集和数据分析阶段关键取决于成功制定选择标准和技术。但是，对撞机中数据选择程序的逐渐发展和变化引发了一个重要的认识论问题。这个问题的主要原因被一个最杰出的粒子物理实验家提出，他问道：“通过事先拒绝我们无法承担记录的事件，我们在多大程度上否定了高能质子机的发现潜力？”（Panofsky 1994, 133）。换句话说，如何决定在众多相互作用中检测和分析哪些相互作用，以最小化排除新颖和未探索相互作用的可能性？

通过搜索已经存在的大量数据的一种方法是寻找在不同检测条件下仍然稳定的事件。物理学家在这种分析中使用数据剪辑技术。他们剪辑可能不可靠的数据，例如当数据集可能是人为产生的而不是实验者预期的真实粒子相互作用时。例如，碰撞束可能与探测器的墙壁发生相互作用，而不是与其他碰撞束发生相互作用，同时产生与实验者预期的束-束相互作用产生的信号相同的信号。因此，如果在各种数据剪辑下结果保持稳定，那么它越有可能是正确的，并且代表了物理学家认为的真实现象。结果在各种数据剪辑下的稳定性最大程度地减少了被检测到的现象仅仅模仿真实现象的可能性（Franklin 2013, 224–5）。

然而，在数据采集阶段，这种策略似乎不适用。正如 Panofsky 所建议的，人们无法确定探测器中的大量事件中哪些可能是感兴趣的。

然而，Karaca（2011）[13]认为，在采集阶段也存在一种稳定性。这种实验方法将理论预期和经验结果结合起来，以特定重粒子假设为例进行说明。

随着粒子物理学的标准模型，已经提出了许多替代模型。它们对基本粒子行为的预测通常有很大的差异。然而，与标准模型相比，它们都共享这样的假设：存在会衰变成具有高横向动量的粒子的重粒子。

物理学家在测试这个假设时应用了一种稳健性分析。首先，他们检查仪器是否能够检测到与预测粒子类似的已知粒子。其次，在假设的指导下，他们建立了各种触发算法。（触发算法或“触发器”确定探测器应在何时以及在什么条件下记录相互作用。这是必要的，因为相互作用的频率和数量远远超过了有限的记录容量。）最后，他们观察是否有任何结果在触发器之间保持稳定。

然而，正如弗兰克林（2013 年，225 页）指出的那样，即使在这种理论经验形式的稳健性中，“存在一个基本假设，即任何新的物理学都将类似于已知的物理学”——通常是当时的理论。解决这个问题的一种方法是让物理学家尽可能提出尽可能多的替代模型，包括那些在当时甚至看起来不太可能的模型。

Perovic (2011)建议，这种潜在的失败，即无法发现探测器中可能发生的相关事件，也可能是检测过程逐渐自动化的结果。

粒子物理学实验的早期阶段，大约在二战期间，实验者直接参与了这个过程。实验粒子物理学是一个分散的学科，实验者在运行个别实验室时对触发器和分析拥有完全控制权。实验者还可以控制实验的目标和设计。固定靶加速器，其中束流击中探测器而不是另一个束流，产生了一些粒子相互作用，这对于这样的实验室来说是可以管理的。在这样的环境中，错过当前理论未预测的异常事件的机会并不是一个主要问题。

然而，这样的实验室只能处理相对较少的数据。随着强子对撞机的出现，这逐渐成为一个障碍。它们以越来越高的能量工作，并产生越来越多的背景相互作用。这就是为什么实验过程变得越来越自动化和间接化。在某个时候，训练有素的技术人员开始扫描记录，而不是实验者自己。最终，这些人工扫描器被计算机取代，强子对撞机中的检测完全自动化使得处理大量相互作用成为可能。这是从小型个别实验室过渡到大型实验室的第一个重大变化。

第二个重大变化涉及实验室的组织和目标。超级探测器和它们产生的数据量需要指数级增加的员工和科学家。这反过来又导致了更加集中和等级分明的实验室，以及更长的实验设计和性能期间。因此，专注于确认现有主导假设而不是探索性粒子搜索是实现能够证明前所未有的投资的结果的最低风险方式。

现在，间接检测过程结合主要是确认性目标，有可能忽视意外的相互作用。因此，它可能阻碍由于错过相互作用而产生的潜在关键理论进展。

物理学家如 Panofsky 所承认的这种可能性并不仅仅是猜测。事实上，使用半自动化而不是全自动化的检测制度对于一些令人惊讶的发现至关重要，这些发现导致了理论突破。

Perovic（2011）分析了几个这样的案例，其中最著名的是发现了 J/psi 粒子，为存在魅夸克提供了第一个实质性的证据。在实验中，物理学家能够对几乎每个相互作用进行探测和视觉分析，因为线性电子-正电子对撞机中背景相互作用的数量很少。而且他们能够在一个现有理论没有认识到的能量范围内进行这样的实验，这导致他们做出了这一发现。在含有大量背景相互作用的环境中处理时，完全自动化的强子对撞机无法完成这些工作。

在一些情况下，例如费米实验室旨在发现弱中性电流的实验中，数据分析的自动化和确认性制度导致未能探测到在装置中容易产生的粒子。

3.3.5 “寻找其他地方”效应：发现希格斯玻色子

粒子物理学中的发现过程的复杂性并不仅仅涉及如何从众多相互作用中选择确切的数据的问题。所谓的“寻找其他地方效应”在数据分析阶段产生了一个令人着迷的困境。

假设我们的理论告诉我们，在某个能量范围内我们会发现一个粒子。假设我们在这个范围的某个部分发现了一个显著的信号。也许我们应该在这个范围内继续寻找其他地方，以确保我们发现的不是完全不同的另一种粒子。它可能是一种在我们的理论没有预测到的范围内留下了其他未被探测到的痕迹的粒子，以及我们找到的痕迹。问题是在我们达到令人满意的确定程度之前，我们应该在其他地方寻找到什么程度，以确定这是我们预测的粒子。

物理学家们在欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机上寻找希格斯玻色子时面临着这样的困境（Dawid 2015）。

希格斯玻色子是负责其他粒子质量的粒子。它是一个标量场，可以“拉回”运动和相互作用的粒子。我们称之为质量的这种拉力对不同的粒子是不同的。它是由标准模型预测的，而替代模型则预测了类似希格斯的粒子。

基于标准模型的预测告诉我们，我们有很高的概率在一个特定范围内找到希格斯粒子。然而，当我们在该范围的一个特定部分发现它的简单而不可避免的事实可能会让我们怀疑我们是否真的找到了我们理论预测的确切粒子。当我们意识到我们更有可能在整个范围内找到任何类型的粒子，而不仅仅是预测的粒子时，我们最初的兴奋可能会消失。因此，在给定的能量范围内（由八十个能量“箱”组成）找到希格斯的概率要比在该范围内的特定能量尺度上找到它的概率要高得多（即在任何一个单独的箱子中）。事实上，我们在范围的一个特定箱子中找到它的可能性要低大约一百倍。

换句话说，我们将不可避免地在一个特定的箱子中找到粒子，而不仅仅是在一个特定的范围内，这降低了我们找到的粒子是希格斯的确定性。仅凭这个事实，一旦我们在一个箱子中发现了一个显著的信号，我们应该在范围内的其他地方继续寻找其他可能的痕迹。我们不应该过早地宣布发现了由标准模型（或任何模型）预测的粒子。但是我们应该在哪里继续寻找多长时间？在宣布发现之前，我们需要达到什么样的确定性水平？

答案归结于对理论及其预测的重视程度。这就是实验者和理论家在确定能够合理地陈述“我们的数据表明我们发现了希格斯玻色子”的准确点时存在不同观点的原因。理论家相信，在标准可靠性范围内（任意 80 个区间之一）找到的结果（三或四西格玛），再加上希格斯玻色子理论预期，就足够了。相反，实验者认为，在数据分析的任何阶段都不应减少对其他可能性的关注，并且在希格斯玻色子理论预期的帮助下，宣布搜索成功。我们在实际操作中需要尽可能小心地搜索范围。因此，实验者宣布发现所需的西格玛值为五。这是过去很少有发现结果被证明是波动的标准。

Dawid 认为，适当的统计数据分析问题是争议的核心。实验者的推理依赖于一种不指定被测试假设的概率的频率主义方法。它实际上将数据的统计分析与先验概率分开。然而，理论家则依赖于贝叶斯分析。它从初始假设的先验概率开始，并根据收集到的证据评估被测试假设的概率。问题在于，实验者的推理是否完全合理。毕竟，理论家在分析中包含的先验预期已经通过先前的实验得到了经验证实。

3.4 其他角色

3.4.1 一个新实体的证据：J.J.汤姆森和电子

实验还可以为我们提供有关理论中涉及的实体存在的证据。J.J.汤姆森对阴极射线的实验为电子的存在提供了理由。（有关此事件的详细信息，请参见附录 7）。

3.4.2 理论的表达：弱相互作用

实验还可以帮助阐明一个理论。从 1930 年代到 1950 年代的贝塔衰变实验确定了费米贝塔衰变理论的精确数学形式。（有关这一事件的详细信息，请参见附录 8。）

4. 实验和观察

在哲学文献中，对观察和实验的区别很少讨论，尽管它对科学界及其以外的人理解科学过程和产生的知识的特定特征和部分具有持续的相关性。

Daston 和她的合著者（Daston 2011; Daston 和 Lunbeck 2011; Daston 和 Galison 2007）已经令人信服地证明了这种区别在科学实践的各个方面中起到了作用。它帮助科学家表达了他们对自己实践的反思。

观察在哲学上是一个具有重要意义的术语，然而科学观察的认识地位随着科学研究技术的进步和追求这些技术的科学界逐渐演变。Daston 在以下段落中简洁地总结了这一演变：

观察的新兴认识类型的特点首先是强调由具名作者亲眼目睹的独特事件（autopsia）（与西塞罗和普林尼所描述的几个世纪以来的匿名数据积累的观察相对应）；其次是有意识地将观察与推测分开（与中世纪的学院派将观察与占星学等推测科学联系在一起相对应）；第三是在时间和空间上分散的观察者虚拟社区的创建，他们通过信件和出版物进行交流和汇集观察结果（与将观察结果从父亲传给儿子或从老师传给学生作为稀有而珍贵的宝藏相对应）。（2011 年，81 页）

观察逐渐与其他更复杂的研究方式并列，例如实验，“其意义从广义和异质的试验、尝试或普通经验的 experimentum 转变为有意识的人为操纵，通常使用特殊仪器，并旨在探索隐藏的原因”（Daston 2011, 82）。

在 17 世纪，观察和实验被视为“不可分割的一对”（Daston 2011, 82），到了 19 世纪，它们被认为是根本对立的，观察者越来越被视为被动的，因此在认识论上低于实验者。事实上，莱布尼兹早就预见到了这种观点，他说“有些实验更应该称为观察，其中人们考虑而不是制造作品”（Daston 2011, 86）。这种区别的方面自那时以来一直是理解科学实践的支柱。

Shapere（1982）指出，观察的概念的使用嵌入在科学实践中，包括对科学理论的测试和证明。从太阳传来的中微子被认为是探测器中的观测，但也被认为是对太阳核心的观测。然而，背景知识为有意义的区别提供了基础。一方面，有从太阳核心离开并进入探测器的弱相互作用中微子。这可以合理地称为对太阳核心的“直接观测”。另一方面，通过检测从太阳核心经过等离子体传播数十亿年的光子来间接观测核心。

目前有两种突出且相对立的实验-观察区分观点。伊恩·哈金将其描述为明确定义的，同时避免了观察和实验是对立的主张（哈金 1983，173）。根据他的观点，在科学实践中，这些概念表示不同的事物。实验是一种彻底的操纵，可以创造出新的现象，而对现象的观察则是其结果。如果科学家能够在实验室中操纵自然领域到一定程度，以至于能够创造出在自然界中通常无法观察到的新现象，那么他们就真正观察到了这个现象（哈金 1989，1992）。

与此同时，其他作者认为，“观察和实验之间的熟悉区别……是回顾性描述的脱离实体化重建特性的产物”（古丁 1992，68）。当我们面对实际的科学实践过程时，这种区别“崩溃了”，并且“哈金的观察与实验框架在一系列科学实验案例中经不起考验”（马利克 2017，85）。首先，这种区别的使用在不同科学领域之间无法进行比较。其次，正如古丁（1992）所建议的，观察也是一个过程，而不仅仅是操纵的静态结果。因此，观察和实验被视为在科学实践中相互融合的并行过程。

马利克（2017 年，86 页）指出，这些论点是为什么“很少有[作者]使用哈金的观察/实验术语”的原因，并且甚至得出结论说“试图区分观察和实验是徒劳的。”除了在某些狭窄的领域中，没有必要区分这两者；例如，哈金基于创造现象的实验概念可能在粒子物理学的狭窄领域内有用。（参见张 2011 年。）他主张完全避免这种区别，而选择“术语[强调这种连续性的感觉]”（马利克 2017 年，88 页）。论点是，如果我们想分析科学实践，我们应该抛弃这种区别作为基本的思想，转而转向对各种“认识活动”的表征和分析，例如，沿着张（2011 年）提出的思路。

这种方法的一个相当明显的危险是过分强调观察和实验概念的连续性，导致无意识的模棱两可。反过来，这导致在科学实践的分析中忽视了区别及其微妙之处，尽管自 17 世纪以来它们在表达和发展该实践中起着关键作用。可能这两个概念形成了一个沿着可操作性和可观察条件的连续体，而在这样的连续体上的关键点定义了各种不断发展的实践。因此，每种科学实践可以位于连续体上，位置定义了其认识属性以及在给定时间内支撑其的认识（以及伦理）义务。（佩罗维奇 2021 年）

一方面，现象和研究条件的操控程度从身体操控（例如找到一个方便的位置用肉眼观察行星）到在 CERN 的 LHC 这样的复杂装置中产生新的现象，标签“实验”旨在界定一个实质性的操控门槛。另一方面，根据研究的背景知识和目标，观测可及性从仅仅检测潜在有趣的现象（例如金属探测器在地下探测到某物）一直到直接观察现象的属性（例如对金属物体的微观分析）。

5. 在生物学中与实验的一些比较

5.1 认识论策略和斑驳蛾实验

有人对实验哲学提出了一种观点，即所有的例子都来自物理学，因此有限制。在本节中，将提出论据表明这些讨论也适用于生物学。

尽管实验认识论的所有例证都来自物理学，但大卫·鲁奇（1998 年；2001 年）已经证明它们也被用于生物学。他的例子是凯特韦尔（1955 年；1956 年；1958 年）对斑蝶（Biston betularia）进行的进化生物学实验。斑蝶的典型形态具有淡色斑点的外观，还有两种较暗的形态，f. carbonaria 几乎是黑色的，f. insularia 是中间色。斑蝶的典型形态在英国和欧洲最为普遍，直到 19 世纪中叶才开始发生变化。那时情况开始改变。工业污染日益严重，使树木和岩石的表面变黑，并且还破坏了污染源下风处森林的地衣覆盖。与这些变化同时，博物学家发现几种蛾类的罕见较暗形态，特别是斑蝶，在污染源下风区域变得普遍。

凯特韦尔试图测试这一现象的选择解释。E.B.福特（1937 年；1940 年）提出了这种效应的两部分解释：1）较暗的蛾类具有更好的生理机能，2）黑色使 carbonaria 在农村地区更容易被鸟类捕食者发现，在污染区域则不太显眼。凯特韦尔相信福特已经证明了较暗蛾类的生存能力更强，他想要测试的假设是较暗形态的蛾类在工业区域对捕食者不太显眼。

Kettlewell 的研究包括三个部分。在第一部分中，他使用人类观察者来调查他提出的评分方法是否能准确评估不同类型的飞蛾在不同背景下的相对显眼程度。测试结果显示，在“正确”的背景上，通常是青苔覆盖的背景和煤烟污黑的背景上的飞蛾几乎总是被认为不显眼，而在“错误”的背景上的飞蛾被认为显眼。

第二步是将鸟类释放到一个笼子里，里面有三种类型的飞蛾，以及煤烟污黑和青苔覆盖的树皮作为休息场所。经过一些困难（详见 Rudge 1998），Kettlewell 发现鸟类捕食飞蛾的顺序与人类观察者评估的显眼程度相似。

第三步是调查鸟类是否优先捕食在野外显眼的飞蛾。Kettlewell 在一个污染环境（伯明翰）和后来的一个无污染的森林中进行了一项标记-释放-再捕获的实验。他在伯明翰附近的一个区域释放了 630 只标记的雄性飞蛾，该区域有捕食者和自然边界。然后，他使用两种不同类型的陷阱重新捕获了这些飞蛾，每个陷阱中都有三种类型的处女雌性飞蛾，以防止信息素差异的可能性。

Kettlewell 发现在被煤烟污染的环境中，carbonaria 的存活率是典型情况的两倍（27.5%对 12.7%）。然而，他担心这些结果可能是他实验程序的产物。也许使用的陷阱对一种类型的蛾更具吸引力，一种蛾的形式更有可能迁移，或者一种蛾只是寿命更长。他通过显示两种类型的陷阱的重新捕获率相同来排除了第一种可能性。使用自然边界和放置在这些边界之外的陷阱排除了第二种可能性，并且先前的实验表明寿命没有差异。在污染环境中进行的进一步实验证实 carbonaria 的存活率是典型情况的两倍。在无污染环境中进行的实验表明典型情况的存活率是 carbonaria 的三倍。Kettlewell 得出结论，这种选择是污染环境中 carbonaria 普遍存在的原因。

Rudge 还证明了 Kettlewell 使用的策略是实验的认识论中所描述的。他的例子列在表 1 中（更多细节请参见 Rudge 1998）。

认识论策略

** 来自 Kettlewell 的例子**

实验检查和校准，其中仪器重现已知现象。

使用评分实验来验证所提出的评分方法的可行性和客观性。

复制事先已知存在的人工制品。

对特有的白蛾种群的重新捕获数据进行分析。

消除背景和结果的可替代解释的可能来源。

利用自然屏障来最小化迁移。

使用实验结果本身来证明其有效性。

拍摄鸟类捕食飞蛾的过程。

使用一个独立且经过充分验证的现象理论来解释结果。

使用福特关于工业黑变传播的理论。

使用一个基于经过充分验证的理论的装置。

使用费舍尔、福特和谢泼德技术。[在之前的几个实验中使用了标记-释放-捕获方法]

使用统计论证。

使用和分析大量的飞蛾。

盲目分析

Not used.

干预，实验者操纵观察对象

Not present

10.

使用不同实验进行独立确认。

使用两种不同类型的陷阱重新捕获飞蛾。

表 1. 进化生物学实验者使用的认识论策略示例，来自 H.B.D. Kettlewell（1955, 1956, 1958）对工业黑化现象的研究。（参见 Rudge 1998）。

5.2 Meselson-Stahl 实验：“生物学中最美丽的实验”

The roles that experiment plays in physics are also those it plays in biology. In the previous section we have seen that Kettlewell’s experiments both test and confirm a theory. I discussed earlier a set of crucial experiments that decided between two competing classes of theories, those that conserved parity and those that did not. In this section I will discuss an experiment that decided among three competing mechanisms for the replication of DNA, the molecule now believed to be responsible for heredity. This is another crucial experiment. It strongly supported one proposed mechanism and argued against the other two. (For details of this episode see Holmes 2001.)

In 1953 Francis Crick and James Watson proposed a three-dimensional structure for deoxyribonucleic acid (DNA) (Watson and Crick 1953a). Their proposed structure consisted of two polynucleotide chains helically wound about a common axis. This was the famous “Double Helix”. The chains were bound together by combinations of four nitrogen bases — adenine, thymine, cytosine, and guanine. Because of structural requirements only the base pairs adenine-thymine and cytosine-guanine are allowed. Each chain is thus complementary to the other. If there is an adenine base at a location in one chain there is a thymine base at the same location on the other chain, and vice versa. The same applies to cytosine and guanine. The order of the bases along a chain is not, however, restricted in any way, and it is the precise sequence of bases that carries the genetic information.

The significance of the proposed structure was not lost on Watson and Crick when they made their suggestion. They remarked, “It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.”

如果 DNA 在遗传学中扮演这一关键角色，那么必须存在一种分子复制的机制。在沃森-克里克的建议后不久，有三种不同的 DNA 分子复制机制被提出（Delbruck 和 Stent 1957）。这些在图 A 中有所说明。第一种是由冈瑟·斯坦特提出的保守复制，他建议父 DNA 分子的两条链都复制成新材料。这样就产生了第一代，其中包括原始父 DNA 分子和一个新合成的 DNA 分子。第二代将包括父 DNA 和三个新的 DNA。

图 A：DNA 复制的可能机制。（左）保守复制。父 DNA 的两条链都复制，得到不变的父 DNA 和一个新合成的 DNA。第二代包括一个父 DNA 和三个新的 DNA。（中）半保守复制。每个第一代 DNA 分子包含一个父 DNA 链和一个新合成的链。第二代包括两个杂交 DNA 和两个新的 DNA。（右）分散复制。父链在间隔处断裂，父片段与新片段结合形成子链。较暗的片段是父 DNA，较亮的片段是新合成的 DNA。来自 Lehninger（1975）。

第二个提出的机制被称为半保守复制，即每个亲本 DNA 链作为第二个新合成的互补链的模板，然后与原始链结合形成一个 DNA 分子。这是由沃森和克里克（1953b）提出的。第一代包含两个杂交分子，每个分子包含一个亲本 DNA 链和一个新合成的链。第二代包含两个杂交分子和两个全新的 DNA。第三个机制是由马克斯·德尔布鲁克提出的，即分散复制，其中亲本 DNA 链在间隔处断裂，亲本片段与新片段结合形成子链。

在本节中，将讨论由马修·梅塞尔森和富兰克林·斯塔尔进行的实验，这个实验被称为“生物学中最美丽的实验”，旨在回答正确的 DNA 复制机制的问题（梅塞尔森和斯塔尔 1958 年）。梅塞尔森和斯塔尔描述了他们提出的方法。“我们预计，一种使 DNA 分子密度增加的标记可能通过沉降技术分析这种分布。为此，我们开发了一种用于检测大分子之间小密度差异的方法。通过使用这种方法，我们观察到重氮同位素在 DNA 分子中的分布，该分子在将均匀标记的指数增长的细菌群体转移到含有普通氮同位素的生长培养基后”（梅塞尔森和斯塔尔 1958 年，第 671-672 页）。

图 B：梅塞尔森-斯塔尔实验的示意图。来自沃森（1965 年）。

实验在 B 图中以示意图的形式描述。Meselson 和 Stahl 将 DNA 样品置于氯化铯溶液中。当样品以高速旋转时，密度较大的物质比密度较小的物质离旋转轴更远。这导致氯化铯溶液的密度随着离旋转轴的距离增加而增加。当 DNA 的密度等于溶液的密度时，DNA 达到平衡。Meselson 和 Stahl 在含有氯化铵作为唯一氮源的培养基中培养大肠杆菌。他们分别使用含有普通氮或重同位素的培养基。通过破坏细胞膜，他们可以获得含有普通氮或重同位素的 DNA 样品。他们首先证明他们确实可以通过离心分离两种不同质量的 DNA 分子（图 C）。通过吸收紫外光获得的照片和用密度计获得的信号强度图表明，两种 DNA 的分离是明显的。此外，两个峰之间的分离表明他们能够区分由杂交 DNA 组成的中间带与重带和轻带。这些早期结果既证明了实验装置的正常工作，也证明了所得到的所有结果的正确性。很难想象实验装置故障或实验背景能够重现这些结果。这与伽利略观察木星的卫星或密立根测量电子电荷的情况类似，尽管并非完全相同。在这两个案例中，正是结果本身证明了它们的正确性。

图 C：通过离心分离 DNA 和 DNA 的图像。左侧的带是 DNA，右侧的带是 DNA。来源：Meselson 和 Stahl（1958）。

Meselson 和 Stahl 随后通过在只含氯化铵的培养基中培养大肠杆菌样品，连续培养了十四代，制备了一个只含重标记 DNA 的样品。然后他们突然改变了培养基，加入了十倍过量的氮同位素。在添加氮同位素之前和之后的几代中，取样品。细胞膜被破坏以释放 DNA 到溶液中，然后对样品进行离心和紫外吸收照片拍摄。此外，还使用记录密度计对照片进行扫描。结果如图 D 所示，显示了照片和密度计的迹线。图中显示，一开始只有重标记的 DNA。随着时间的推移，可以看到越来越多的半标记的 DNA，直到一代时间后只有半标记的 DNA 存在。“随后只发现半标记的 DNA 和完全未标记的 DNA。在添加半标记和未标记的 DNA 后经过两个世代时间，两者的数量相等”（第 676 页）。（这正是半保守复制机制所预测的）。经过四个世代，样品几乎完全由未标记的 DNA 组成。通过检查包含 0 代和 1.9 代相等数量的样品，可以对中间密度带中的 DNA 是否为半标记进行测试。如果半保守机制是正确的，那么第 1.9 代应该含有近似相等数量的未标记和半标记的 DNA，而第 0 代只含有完全标记的 DNA。正如可以看到的，有三个明显的密度带，Meselson 和 Stahl 发现中间带位于和带之间的差值的百分之处，如底部照片所示（0 代和 4.1 代）。如果该 DNA 是半标记的，那么这正是我们所期望的。

图 D：（左）紫外吸收照片显示 DNA 带，这些带是从大肠杆菌中采样，在向生长培养物中添加过量底物后的不同时间离心得到的。（右）照片的密度计示踪。初始样品全部是重的（DNA）。随着时间的推移，第二个中间带开始出现，直到在一代时，样品全部是中间质量的（杂交 DNA）。在较长时间后，出现了轻的 DNA 带，直到在 4.1 代时，样品几乎全部是轻的 DNA。这正是沃森-克里克半保守机制的预测结果。摘自 Meselson 和 Stahl（1958 年）

Meselson 和 Stahl 将他们的结果表述如下：“DNA 的氮平均分配在两个亚基之间，这两个亚基在许多代中保持完整……复制后，每个子分子都接收到一个亲本亚基”（第 676 页）。

Meselson 和 Stahl 还注意到他们的工作对于决定 DNA 复制的提出机制有何影响。在一个标为“沃森-克里克模型”的部分中，他们指出：“这个[DNA 分子的结构]向沃森和克里克提出了一个明确且结构合理的 DNA 分子复制假设。根据这个想法，两条链分离，暴露碱基的氢键位点。然后，根据碱基配对的限制，每条链都作为合成其互补链的模板。因此，每个子分子都包含一个与新合成链配对的亲本链……本实验的结果与沃森-克里克模型对于 DNA 复制的预期完全一致”（第 677-678 页）。

它还表明，Delbruck 提出的具有较小亚单位的分散复制机制是错误的。“由于所获得的亚单位的表观分子量接近完整分子的一半，可以进一步得出结论，DNA 分子在复制时保留的亚单位是单一、连续的结构。Delbruck 提出的 DNA 复制方案因此被排除了”（第 681 页）。约翰·凯恩斯（John Cairns）和其他人的后续工作表明，DNA 的亚单位是沃森-克里克（Watson-Crick）DNA 结构模型的整个单一聚核苷酸链。

Meselson-Stahl 实验是生物学中的关键实验。它决定了 DNA 复制的三种提出的机制之间的区别。它支持了沃森-克里克（Watson-Crick）的半保守机制，并排除了保守和分散机制。它在生物学中起到了与物理学中证明奇偶不守恒的实验类似的作用。因此，我们已经看到实验证据在生物学和物理学中起到了类似的作用，并且两个学科都使用了相同的认识论策略。

6. 计算机模拟和实验

科学界和科学哲学领域最近一个有趣的发展是计算机模拟的使用和重要性的增加。在某些领域，比如高能物理学，模拟是所有实验的必要组成部分。可以说，如果没有计算机模拟，这些实验将是不可能的。在科学哲学领域，有相当多的文献讨论计算机模拟是实验、理论还是一种新的混合科学方法。但正如埃里克·温斯伯格所说：“换句话说，我们拒绝了过于保守的直觉，即计算机模拟只是无聊而直接的理论应用。但我们也避免了接受相反的过于浮夸的直觉，即模拟是一种与实验“相等”的全新知识生产方式。”事实上，我们已经看到，将模拟“定位在方法论地图上”并不是一件简单的事情（温斯伯格 2010 年，第 136 页）。

鉴于计算机模拟在科学中的重要性，我们有充分的理由相信它们的结果。埃里克·温斯伯格（2010 年）、温迪·帕克（2008 年）和其他人已经表明，科学家们使用的策略与第 1.1.1 节讨论的策略非常相似，用来证明计算机模拟的正确性。

7. 结论

在这篇文章中，我们提出了关于实验结果性质的不同观点。有人认为接受实验结果是基于认识论的论证，而其他人则基于未来的效用、社会利益或与现有社群承诺的一致性来接受。然而，大家都同意，无论出于何种原因，实验结果都会达成共识。这些结果在物理学中扮演着许多重要角色，我们已经讨论了其中几个角色，尽管肯定还有其他角色。我们已经看到实验在两个竞争理论之间做出决策，要求提出新理论，确认一个理论，反驳一个理论，提供确定理论数学形式的证据，以及为已接受理论中涉及的基本粒子的存在提供证据。我们还看到实验有着独立于理论的生命。如果像我所认为的那样，认识论程序为对实验结果的合理信念提供了依据，那么实验可以合法地扮演我所讨论的角色，并为科学知识提供基础。

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Acknowledgments

We are grateful to Professor Carl Craver for both his comments on the manuscript and for his suggestions for further reading.

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