科学究竞是什么？ 它们仅仅在进入检波器以前撞击一个靶分子，否则就会丧失所寻找的信息，而且 必须用设计合适的检波器测量散射电子的速度或能量。这些步骤中的每一步都是 一次实际的挑战。速度选择器有两块导电的金属片，弯曲成其中有电位差的同心 圆。进入金属片之间的电子，如果它们的速度与金属片之间的电位差相匹配，它 们就会出现在环形通路的另一端。否则，它们就会在导电金属片上偏转。为了保 证电子有可能只撞击一个靶分子，就必须在一个高度真空，只含有一个靶分子样 本、压力很低的地方做实验。这就要求充分利用真空技术。测量散射电子的速度 必须用类似产生单能量束时使用的环形电极。测量以特定速度散射的电子强度可 用这样的办法：将金属片之间的电位差规定一个值，只允许具有这个速度的电子 穿过环形金属片，并出现在分析器的另一端。检测出现的电子包括要测量微小的 电流，这又要充分利用技术。 那是一般的想法，但是每一步都提出了一系列实际问题，任何人在这领域工 作的人都熟悉这些问题。使仪器摆脱用来制造仪器的种种金属发射的多余气体是 很困难的。这些分子被电子束离子化可凝结在电极上，引起虚假的电位。我们的 美国对手发现电极镀金极大地有助于将这些问题减少到最小限度。我们则发现， 在电极上镀一层以碳为基础的溶液（称为”aquadag'")有很大帮助，虽说不像镀金 那样有效，但更适合于我们的研究预算。在这项实验得出重要结果以前，我的耐 心（以及我的研究经费）早就失去了。我理解一些研究生在最终获得重要结果以前 遭了多大的磨难。30年以后的现在，低能量电子光谱仪是相当标准的技术。我 的努力以及更成功的后继者努力的细节，并不重要。我所说的应该足以说明无 可争辩的论点应该是什么。如果实验结果构成科学立足的事实，那么它们肯定不 是经由感觉直接给予的。事实的确立是必须经过努力的，并涉及相当多的实际知 识，实践中的试错法，以及利用可得的技术。 对实验结果适宜性的判断也不是直接了当的。仅当实验设置是合适的，扰乱 因素得到消除，实验才是适宜的，才可解释为展示或测量实验打算展示或测量的 东西。有关这些因素的知识不充分可导致不合适的实验测量和错误的结论。因此， 实验事实与理论之间有着重要的相互联系。如果有关实验的理论有缺陷或错误， -25-
科学究竟是什么？ 它们仅仅在进入检波器以前撞击一个靶分子，否则就会丧失所寻找的信息，而且 必须用设计合适的检波器测量散射电子的速度或能量。这些步骤中的每一步都是 一次实际的挑战。速度选择器有两块导电的金属片，弯曲成其中有电位差的同心 圆。进入金属片之间的电子，如果它们的速度与金属片之间的电位差相匹配，它 们就会出现在环形通路的另一端。否则，它们就会在导电金属片上偏转。为了保 证电子有可能只撞击一个靶分子，就必须在一个高度真空，只含有一个靶分子样 本、压力很低的地方做实验。这就要求充分利用真空技术。测量散射电子的速度 必须用类似产生单能量束时使用的环形电极。测量以特定速度散射的电子强度可 用这样的办法：将金属片之间的电位差规定一个值，只允许具有这个速度的电子 穿过环形金属片，并出现在分析器的另一端。检测出现的电子包括要测量微小的 电流，这又要充分利用技术。 那是一般的想法，但是每一步都提出了一系列实际问题，任何人在这领域工 作的人都熟悉这些问题。使仪器摆脱用来制造仪器的种种金属发射的多余气体是 很困难的。这些分子被电子束离子化可凝结在电极上，引起虚假的电位。我们的 美国对手发现电极镀金极大地有助于将这些问题减少到最小限度。我们则发现， 在电极上镀一层以碳为基础的溶液(称为"aquadag")有很大帮助，虽说不像镀金 那样有效，但更适合于我们的研究预算。在这项实验得出重要结果以前，我的耐 心(以及我的研究经费)早就失去了。我理解一些研究生在最终获得重要结果以前 遭了多大的磨难。30 年以后的现在，低能量电子光谱仪是相当标准的技术。 我 的努力以及更成功的后继者努力的细节，并不重要。我所说的应该足以 说明无 可争辩的论点应该是什么。如果实验结果构成科学立足的事实，那么它们肯定不 是经由感觉直接给予的。事实的确立是必须经过努力的，并涉及相当多的实际知 识，实践中的试错法，以及利用可得的技术。 对实验结果适宜性的判断也不是直接了当的。仅当实验设置是合适的，扰乱 因素得到消除，实验才是适宜的，才可解释为展示或测量实验打算展示或测量的 东西。有关这些因素的知识不充分可导致不合适的实验测量和错误的结论。因此， 实验事实与理论之间有着重要的相互联系。如果有关实验的理论有缺陷或错误， - 25 -
What is this Thing Called Science? 实验结果就有可能出错。 有关实验的这些一般的，在一定意义上相当平凡的特点的推断是，实验结果 是可错的，可因明显的理由而更新或代替。由于技术方面的进展，实验结果可变 得过时，由于理解方面的进展（根据这种理解认为实验设置不合适），它们可被摈 弃。这些论点及其的意义将在下一节用历史的例子加以说明。 3改变科学的实验基础：历史的例子 在19世纪后25年放电管现象支配着极大的科学兴趣。如果高电压通过插入 封闭玻璃管的每一端的金属片连接起来，就发生放电，在管内引起种种辉光。如 果大气压在管内不是太大，就会产生流光，连接带负电的金属片（阴极）和带正电 的金属片（阳极）。这些已知为阴极射线，它们的性质是当时科学家很感兴趣的问 题。德国科学家海因里希·赫兹在19世纪80年代进行了一系列实验，意图阐 明它们的性质。作为这些实验的结果，赫兹作出结论说，阴极射线不是带电粒子 束。他达到这一结论部分是由于当阴极射线受到与它们运动方向成垂直的电场影 响时它们并不像带电粒子束预期的那么发生偏转。我们现在认为赫兹的结论是错 误的，他的实验是不适宜的。在19世纪结束前J.J.汤姆逊进行的实验令人信服 地表明电磁场使阴极射线偏转，其方式与带电粒子束一致，并能测量电荷与粒子 质量的比率。 正是由于技术的改善和对境况理解的增进使得汤姆逊有可能改进实验，摈弃 赫兹的实验结果。构成阴极射线的电子可使玻璃管内的气体分子离子化，即使分 子中的一两个电子移位，使它们成为带正电荷。这些离子能聚集在仪器金属片上， 导致从实验的角度看是虚假的电场。大概正是这种电场妨碍赫兹产生汤姆逊终于 能够产生和测量的偏转。汤姆逊能够改进赫兹的工作的主要办法是得益于经过改 进的真空技术，从玻璃管消除了更多的气体分子。由于有了改进的真空状态，有 了对电极的更为合适的安排，汤姆逊能够确定赫兹宣布不存在的偏转。当汤姆逊 -26-
What is this Thing Called Science? 实验结果就有可能出错。 有关实验的这些一般的，在一定意义上相当平凡的特点的推断是，实验结果 是可错的，可因明显的理由而更新或代替。由于技术方面的进展，实验结果可变 得过时，由于理解方面的进展(根据这种理解认为实验设置不合适)，它们可被摈 弃。这些论点及其的意义将在下一节用历史的例子加以说明。 3 改变科学的实验基础：历史的例子 在 19 世纪后 25 年放电管现象支配着极大的科学兴趣。如果高电压通过插入 封闭玻璃管的每一端的金属片连接起来，就发生放电，在管内引起种种辉光。如 果大气压在管内不是太大，就会产生流光，连接带负电的金属片(阴极)和带正电 的金属片(阳极)。这些已知为阴极射线，它们的性质是当时科学家很感兴趣的问 题。德国科学家海因里希·赫兹在 19 世纪 80 年代进行了一系列实验，意图阐 明它们的性质。作为这些实验的结果，赫兹作出结论说，阴极射线不是带电粒子 束。他达到这一结论部分是由于当阴极射线受到与它们运动方向成垂直的电场影 响时它们并不像带电粒子束预期的那么发生偏转。我们现在认为赫兹的结论是错 误的，他的实验是不适宜的。在 19 世纪结束前 J.J.汤姆逊进行的实验令人信服 地表明电磁场使阴极射线偏转，其方式与带电粒子束一致，并能测量电荷与粒子 质量的比率。 正是由于技术的改善和对境况理解的增进使得汤姆逊有可能改进实验，摈弃 赫兹的实验结果。构成阴极射线的电子可使玻璃管内的气体分子离子化，即使分 子中的一两个电子移位，使它们成为带正电荷。这些离子能聚集在仪器金属片上， 导致从实验的角度看是虚假的电场。大概正是这种电场妨碍赫兹产生汤姆逊终于 能够产生和测量的偏转。汤姆逊能够改进赫兹的工作的主要办法是得益于经过改 进的真空技术，从玻璃管消除了更多的气体分子。由于有了改进的真空状态，有 了对电极的更为合适的安排，汤姆逊能够确定赫兹宣布不存在的偏转。当汤姆逊 - 26 -
科学究竞是什么？ 使他仪器的压力上升到赫兹仪器曾达到的水平时，他也不能检测到偏转。在这里 重要的是要认识到，不应该责备赫兹他得出这样的结论。如果他对境况的理解是 如此，他能利用的知识是如此，他有充分理由相信，在他仪器里的压力是很低， 他的仪器安排得很合适。仅仅是由于后来的理论和技术的进展，才使人们看到他 的实验有缺陷。其寓意当然是：谁知道未来的进展将表明哪些当代的实验结果有 缺陷？ 赫兹绝不是一个假冒伪劣的实验家，他是最好的实验家之一这一事实由于下 列的成功而得到证实：他是1888年产生无线电波的第一个人，那是他两年辉煌 的实验研究的顶点。除了揭示一种值得探索和需要用实验完善的新现象外，赫兹 的无线电波具有重要的理论意义，因为它们确认了麦克斯韦的电磁理论，这个理 论是他在19世纪60年代中叶提出的，并且含有存在这种波的推断（尽管麦克斯 韦自己没有认识到这一点)。赫兹实验结果的大多数方面仍然是可接受的，并且 今天仍保留它们的意义。然而他的一些结果需要被替代，并且他对它们的主要解 释之一应被摈弃。所有这些论点都说明实验结果如何接受修订和改进。 赫兹能用他的仪器产生稳定的波，使他能够测量它们的波长，他能据以推 演出它们的速度。他的结果显示，波长更长的波通过空气中比沿着电线传播的速 度更快，比光更快，而麦克斯韦的理论则预测它们都将以光速在空气中和沿着赫 兹仪器的电线传播。由于赫兹己经表示怀疑的理由，这些结果是不适宜的。从实 验室墙上反射回到仪器的波引起多余的干扰。赫兹(1962，p.14)自己对结果的思 考如下： 读者也许会问我为什么自己没有努力用重复实验来解决这个疑点。我确实重 复了实验，但是正如人们期望的那样，仅仅发现了，在同样的条件一次简单的重 复不能消除疑问，反而增加了疑问。只有在更有利的条件下进行实验才能达到确 定的结果。这里的更有利条件意味着更大的房间，但我对此无能为力。我再次强 调在观察时多加注意不能弥补空间的狭小。如果长波不能显现，就不能清楚地观 察它们。 -27-
科学究竟是什么？ 使他仪器的压力上升到赫兹仪器曾达到的水平时，他也不能检测到偏转。在这里 重要的是要认识到，不应该责备赫兹他得出这样的结论。如果他对境况的理解是 如此，他能利用的知识是如此，他有充分理由相信，在他仪器里的压力是很低， 他的仪器安排得很合适。仅仅是由于后来的理论和技术的进展，才使人们看到他 的实验有缺陷。其寓意当然是：谁知道未来的进展将表明哪些当代的实验结果有 缺陷？ 赫兹绝不是一个假冒伪劣的实验家，他是最好的实验家之一这一事实由于下 列的成功而得到证实：他是 1888 年产生无线电波的第一个人，那是他两年辉煌 的实验研究的顶点。除了揭示一种值得探索和需要用实验完善的新现象外，赫兹 的无线电波具有重要的理论意义，因为它们确认了麦克斯韦的电磁理论，这个理 论是他在 19 世纪 60 年代中叶提出的，并且含有存在这种波的推断(尽管麦克斯 韦自己没有认识到这一点)。赫兹实验结果的大多数方面仍然是可接受的，并且 今天仍保留它们的意义。然而他的一些结果需要被替代，并且他对它们的主要解 释之一应被摈弃。所有这些论点都说明实验结果如何接受修订和改进。 赫兹能用他的仪器产生稳定的波, 使他能够测量它们的波长, 他能据以推 演出它们的速度。他的结果显示，波长更长的波通过空气中比沿着电线传播的速 度更快，比光更快，而麦克斯韦的理论则预测它们都将以光速在空气中和沿着赫 兹仪器的电线传播。由于赫兹已经表示怀疑的理由，这些结果是不适宜的。从实 验室墙上反射回到仪器的波引起多余的干扰。赫兹(1962, p.14)自己对结果的思 考如下： 读者也许会问我为什么自己没有努力用重复实验来解决这个疑点。我确实重 复了实验，但是正如人们期望的那样，仅仅发现了, 在同样的条件一次简单的重 复不能消除疑问, 反而增加了疑问。只有在更有利的条件下进行实验才能达到确 定的结果。这里的更有利条件意味着更大的房间, 但我对此无能为力。我再次强 调在观察时多加注意不能弥补空间的狭小。如果长波不能显现，就不能清楚地观 察它们。 - 27 -
What is this Thing Called Science? 由于他的实验设备对他手头的工作不合适，赫兹的实验结果不满意。如果要 消除来自反射波的多余干扰，所研究的波的波长需要小到能与实验室的尺度相比 较。正如人们所得知的那样，在几年内实验在”更为有利的条件下"进行，产生的 速度与理论的预测相一致。 这里要强调的一点是，实验结果不仅要求令人满意，即对发生什么有精确的 记录，而且也合适或重要。对它们的设计应专为阐明某个重要问题。一个重要的 问题是什么，一组特定的实验是否令人满意地回答这个问题，这些判断很大程度 上取决于如何理解实际的和理论的境况。正是电磁学相竞争理论的存在，以及其 中一个主要的理论预测无线电波以光速传播，才使赫兹尝试测量无线电波的速度 成为特别重要，而正是理解到波的反射行为才使人们明白赫兹的实验设置不合 适。由于从物理学观点看是一目了然并非神秘的理由，赫兹实验的这些特殊结果 被摈弃了，并且不久被代替了。 赫兹研究的那段轶事及其对它的思考清楚说明实验要合适或重要，当实验不 合适或不重要时实验结果就要被代替或摈弃，它也清楚地说明另一方面：对他的 速度测量的摈弃与人类知觉问题毫无关系。没有任何理由怀疑赫兹仔细观察了他 的仪器，测量距离，注意是否有火花通过他检波器中的缝隙，并且记录仪器读 数。在如下的意义上他的结果能被认为客观的：重复这些实验的任何人将会得到 类似的结果。赫兹他本人也强调了这一点。赫兹实验结果的问题不是因为他的观 察不满意，也不是因为缺乏重复性，相反是因为实验设备不能令人满意。正如赫 兹指出的，”小心进行观察不能补救空间的缺乏”。即使我们承认，赫兹能够通过 仔细观察建立可靠事实，我们能看到这本身不足以产生出使科学工作满意的实 验结果。 上面的讨论能用来说明实验结果的可接受程度是如何依赖理论的，在这方面 的判断是如何会随我们科学理解的发展而变化。更一般的层次说明了这一点的 是，自从赫兹第一次产生出无线电波以来，赫兹产生出无线电波的重要意义己经 -28
What is this Thing Called Science? 由于他的实验设备对他手头的工作不合适，赫兹的实验结果不满意。如果要 消除来自反射波的多余干扰，所研究的波的波长需要小到能与实验室的尺度相比 较。正如人们所得知的那样，在几年内实验在"更为有利的条件下"进行，产生的 速度与理论的预测相一致。 这里要强调的一点是，实验结果不仅要求令人满意，即对发生什么有精确的 记录，而且也合适或重要。对它们的设计应专为阐明某个重要问题。一个重要的 问题是什么，一组特定的实验是否令人满意地回答这个问题，这些判断很大程度 上取决于如何理解实际的和理论的境况。正是电磁学相竞争理论的存在，以及其 中一个主要的理论预测无线电波以光速传播，才使赫兹尝试测量无线电波的速度 成为特别重要，而正是理解到波的反射行为才使人们明白赫兹的实验设置不合 适。由于从物理学观点看是一目了然并非神秘的理由，赫兹实验的这些特殊结果 被摈弃了，并且不久被代替了。 赫兹研究的那段轶事及其对它的思考清楚说明实验要合适或重要，当实验不 合适或不重要时实验结果就要被代替或摈弃, 它也清楚地说明另一方面：对他的 速度测量的摈弃与人类知觉问题毫无关系。没有任何理由怀疑赫兹仔细观察了他 的仪器, 测量距离, 注意是否有火花通过他检波器中的缝隙，并且记录仪器读 数。在如下的意义上他的结果能被认为客观的：重复这些实验的任何人将会得到 类似的结果。赫兹他本人也强调了这一点。赫兹实验结果的问题不是因为他的观 察不满意，也不是因为缺乏重复性，相反是因为实验设备不能令人满意。正如赫 兹指出的，"小心进行观察不能补救空间的缺乏"。即使我们承认，赫兹能够通过 仔细观察建立可靠事实, 我们能看到这本身不足以产生出使科学工作满意的实 验结果。 上面的讨论能用来说明实验结果的可接受程度是如何依赖理论的，在这方面 的判断是如何会随我们科学理解的发展而变化。更一般的层次说明了这一点的 是，自从赫兹第一次产生出无线电波以来，赫兹产生出无线电波的重要意义已经 - 28 -
科学究竞是什么？ 有了变化。在那时，若干竞争的电磁学理论之一是詹姆士·克勒克·麦克斯韦， 他发展了迈克尔·法拉第的关键想法，将电磁状态理解为无孔不入的以太的力学 状态。这个理论不同于它的竞争者，后者假定电流、电荷和磁体超矩作用，但不 涉及以太，它则预测无线电波以光速运动的可能性。正是物理学发展的这一方面 给予了赫兹实验结果的理论意义。因而，赫兹及其同代人能够将无线电波的产 生解释为确认以太的存在。二十年以后根据爱因斯坦的狭义相对论，人们放弃了 以太。赫兹的实验结果仍然被认为是确认了麦克斯韦理论，但仅仅是它的一个重 写的版本：放弃以太，将电磁场看作独立的实在的实体。 另外一个有关第19世纪测量分子量的例子，进一步说明实验结果相干性和 解释如何取决于理论的脉络。19世纪下半世纪由于化学组成原子理论，化学家 认为测量自然产生的元素和化合物的分子量具有根本的重要性。这对支持普劳特 假说的人尤为如此。他的假说是，氢原子是基本的建筑砖块，其他原子由这些砖 块构成，因为这导致人们期望以氢为准来测量分子量将会是整数。然而人们一旦 认识到自然产生的元素含有成比例的同位素混合物，这虽然并没有特殊的理论意 义，可是从理论化学观点看，上一世纪占主导地位的实验化学家辛辛苦苦测量分 子量在很大程度上变得不相干了。这种境况促使E.索迪对其结局作出如下的评 (Lakatos and Musgrave,1970,p.140): 有些事肯定类似命运中的悲剧（如果不是比悲剧更惨的话），这一悲剧突然笼 罩了19世纪这一群杰出的、光辉夺目的化学家的毕生工作，他们的同代人正确 地将他们的工作作为精确科学测量的王冠和完美的代表来崇敬。至少暂时来说， 他们艰难获得的结果没有什么意义，正如测定一堆瓶子的平均重量没有意义一 样，其中有些瓶子是满的，有些或多或少是空的。 这里我们目击旧的实验结果被认为不相干而撇在一边，理由不是因为人类知 觉有问题。这些19世纪的化学家被"他们的同代人作为精确科学测量的王冠和完 美的代表来崇敬”，我们没有理由怀疑他们的观察。我们也无须怀疑他们观察的 客观性。我也不怀疑，如果同时代的化学家要重复同样的实验，他们会得到类似 -29
科学究竟是什么？ 有了变化。在那时，若干竞争的电磁学理论之一是詹姆士·克勒克·麦克斯韦， 他发展了迈克尔·法拉第的关键想法，将电磁状态理解为无孔不入的以太的力学 状态。这个理论不同于它的竞争者，后者假定电流、电荷和磁体超矩作用，但不 涉及以太，它则预测无线电波以光速运动的可能性。正是物理学发展的这一方面 给予了 赫兹实验结果的理论意义。因而, 赫兹及其同代人能够将无线电波的产 生解释为确认以太的存在。二十年以后根据爱因斯坦的狭义相对论，人们放弃了 以太。赫兹的实验结果仍然被认为是确认了麦克斯韦理论, 但仅仅是它的一个重 写的版本：放弃以太，将电磁场看作独立的实在的实体。 另外一个有关第 19 世纪测量分子量的例子, 进一步说明实验结果相干性和 解释如何取决于理论的脉络。19 世纪下半世纪由于化学组成原子理论，化学家 认为测量自然产生的元素和化合物的分子量具有根本的重要性。这对支持普劳特 假说的人尤为如此。他的假说是，氢原子是基本的建筑砖块，其他原子由这些砖 块构成，因为这导致人们期望以氢为准来测量分子量将会是整数。然而人们一旦 认识到自然产生的元素含有成比例的同位素混合物，这虽然并没有特殊的理论意 义，可是从理论化学观点看，上一世纪占主导地位的实验化学家辛辛苦苦测量分 子量在很大程度上变得不相干了。这种境况促使 E.索迪对其结局作出如下的评 论(Lakatos and Musgrave, 1970, p.140)： 有些事肯定类似命运中的悲剧(如果不是比悲剧更惨的话)，这一悲剧突然笼 罩了 19 世纪这一群杰出的、光辉夺目的化学家的毕生工作，他们的同代人正确 地将他们的工作作为精确科学测量的王冠和完美的代表来崇敬。至少暂时来说， 他们艰难获得的结果没有什么意义，正如测定一堆瓶子的平均重量没有意义一 样，其中有些瓶子是满的，有些或多或少是空的。 这里我们目击旧的实验结果被认为不相干而撇在一边，理由不是因为人类知 觉有问题。这些 19 世纪的化学家被"他们的同代人作为精确科学测量的王冠和完 美的代表来崇敬"，我们没有理由怀疑他们的观察。我们也无须怀疑他们观察的 客观性。我也不怀疑，如果同时代的化学家要重复同样的实验，他们会得到类似 - 29 -