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【吴彤】科学实践哲学视野中的物理学哲学问题

 

                                                             ——以物理学实验涉及的问题为例

 

我们知道,广义的物理学哲学是包括物理科学的哲学,今日我们只在狭义的意义上,即物理学作为对象的意义上讨论物理学哲学,即便如此,物理学在今日也包含非常多的分科分支。当代物理学哲学讨论最多,也最受重视的是关于量子力学的哲学。是的,如今量子力学里仍然存在诸多在科学和哲学上不清楚的问题,如量子纠缠、测量等,自由意志,以及量子是否有自由意志的问题都还在讨论和研究着。我认为,其实物理学哲学还有许多问题可以加以研究和讨论。比如科学实验领域,物理学是最为切近的学科,那里的物理学哲学问题同样颇多。近年来,由于科学哲学中的实践转向,计算能力、认知能力与视觉化的强化,科学哲学对于科学仪器、实验室等议题的关心倍增,也给似乎无法列入物理学哲学的实验哲学带来了新的研究生机。

一、物理学实验研究中的各种角色

关于实验中有何角色参与其中,发挥重要作用的问题,历史上一直是一个科学哲学,特别是物理学哲学需要讨论的问题。在传统哲学看来,实验并没有自己的生命,实验室最主要的活动不过是观察与记录,是为理论服务的[1]97,因而在科学哲学看来没有必要讨论实验。而哈金认为,实验有其独立的自己的生命[2]xiii。哈金进一步认为,在物理学实验中有三类重要因素发挥作用,它们是观念、事物和标记,这些类别不仅对科学知识的产生和辩护有重要的意义,而且本身就是科学哲学的论题。哈金把它们分得很细,比如,观念里包括:各种问题(Questions)、背景知识(Background knowledge)、系统理论(Systematic theory)、各种局部假设(Topical hypotheses)、仪器模化(Modeling of the apparatus);事物包括:靶子(Target)、变化的资源(Source of modification)、各种检测器(Detectors)、各种工具(Tools)、数据发生器(Data generator),等等;而标记和标记的操作则包括:数据(Data)、数据评估(Data assessment)、数据归纳(Data reduction)、数据分析(Data analysis)、数据解释(Interpretation of the data),等等。[3]但是赫恩(HonG.)批评哈金,至少应该把观念分为两个方面,即开初起背景作用的理论,和实验要检验的问题所支持的理论及其最终解释。

因此,针对哈金,在“实验的偶像”一文中,赫恩认为物理学实验中有四个角色在起作用,它们是“剧本、舞台、观众和寓意”。[4]189其中剧本和寓意分别代表哈金之“观念”中笼统的两个方面。赫恩的四个角色的名称当然是一种隐喻。但他认为这些方面或角色对物理学实验产生很重要的影响。哈勒的讨论更细致地扩展和深入了哈金关于实验中角色的认识。

什么是“剧本”?赫恩实际是指称“背景理论”;什么是“舞台”?舞台比喻的是“仪器”,什么是“观众”?赫恩的意思是指“观察和测量”,最后,什么是“寓意”?寓意即“最终的解释”。[4]191在赫恩这里,实验的推进与两个关键阶段有关:准备活动与检验活动。剧本与舞台比喻首先与准备活动及其阶段相关,观众与寓意则与后一阶段即检验活动相关。

其实,这里舞台的比喻,已经被扩展了,舞台不仅指仪器,还应该包括实验室空间的作用。物理学实验哲学如果不进一步关注实验室科学对于实验室的认识的深入研究的话,就可能因此而停步不前,因为“实验并非就是实验室”[5]109,实验室有更多的值得我们审视和深思的东西。

“舞台”一经从仪器扩展到实验室,首先,按照哈金,实验室把实验科学改变为“实验室科学”,实验室使得许多原来属于观察科学领域的学科,成为实验科学;与物理学最为相近的天文学就被哈金认为是一个典型的观察科学转变为实验科学的例子,如天体光谱学的研究。[3]34

其次,舞台中的仪器不止是铭写装置,而且是生产与制造装置。这是因为由于有了实验室,实验被充分隔离起来,因此使得在实验室中许多研究对象被生成制造出来,实验室不只是一种“发现”设备,而且是制造设备。我们虽然不能说电子是制造的,但是可以说,光电效应是实验室制造的,激光是实验室制造的。劳斯也认为,实验室是科学知识主要的制造空间和场所。对此,塞蒂娜的观点更为激进,她甚至认为,科学实验室是一种科学最为重要的文化实践。总结这些科学哲学家以及我们的观点,关于实验室对于科学的作用,大致有这样的四个方面意义[6]

第一,建构科学现象,而不是科学实体;例如,霍尔效应在实验室之外的自然界并不存在,是实验室建构出来的;科学现象是实验室人工创造的。

第二,实验室成为特定的人工建构世界,可以隔离和突出研究对象,使之与环境分离,因此实验室使得建构人工研究世界,建立人工自然知识成为可能。

第三,实验室的科学实践操纵和介入对象,它不仅显现对象和人工微观世界的现象,而且以特定的方式操纵它。

第四,实验室创造了可以全程追踪微观世界的空间。科学家如果不能建立一个可以全程追踪微观人工世界的空间,所有的研究就不可能稳定化,而稳定化,恰恰是科学可以突破实验室之外墙,把实验室搬到世界里,改造外部世界的最重要的方式。

以上认识对于物理学而言,尤为如此。

二、物理学实验的对象本体论问题

物理学实验对象的实在性似乎不容置疑。除了当代通过计算机进行的模拟实验,其对象是通过模型来模拟对象外,其余对象的实在性很少有人进行深入探究。然而,需要更细致地探究物理学实验,将其本体论的问题细化时,就会出现许多值得进一步研究的问题。

例如,在整个物理学实验中,对象可能是自然物,也可能是人工物,但参与实验的仪器一定是人工物。所以物理学实验的对象及其实验参与一定是混合物,不仅如此,在仪器中一定还包含着设计者的意向性。恰如拉德(RadderH.)所说,“在实验中,我们能动地与物质世界打交道。无论以一种方式或另一种方式,实验都包括一种实验过程的物质实现(研究的对象、仪器和它们之间的相互作用)”,然而“实验的行动和成果承担着至少部分地是由人的干预产生的实际的实验对象和现象本身”。[7]4这就引发了这是一种怎样的本体论的问题,实在论还是反实在论?哈勒(Harré,R.)提出,一种关于实验科学的更适当的本体论解释需要某些种类的倾向性概念,也就是吉布森式的affordances。在同样的精神鼓舞下,哈勒甚至认为,实验即仪器(apparatus)的操作,就是把某种物质原材料按照不同方式整合到物质世界里的某种安排。他将把这种整合的整体看作为一种仪器-世界(apparatus-world)的复杂联合体。在操作的过程中,有些旨趣就是在这种仪器-世界(apparatus-world)的混合体中而被创造出来的。[8]19-20罗斯巴特(RothbartD.)分析了实验设计的实践,实验再生产能力的角色和自然作为机器的概念。他总结道,在实验中必需的图示符号使用,“虚拟观察”的程序,仪器使用中标本的作用,都需要将非实在论的概念,如可能性、能力、倾向等包括于实验科学的本体论中。克罗斯(KroesP.)从不同问题语境出发,也讨论了仍然对现代物理学有意义的、自然的和人工的客体和过程之间的差别等等问题。克罗斯总结道,实验干涉的确创造现象的真实的、人工的“例证”,而不是所谓纯粹客观的自然现象。[7]4-5

在逻辑实证主义者看来,实验就是一种验证知识是否正确的辅助手段,完全是命题陈述的辅助手段。实验的意义就在于检验了亚里士多德的IO形式(“有些AB”或者“有些A不是B),而完全忽视了实验仪器本身。在逻辑实证主义那里,实验仪器从未被注意到,仪器的种类、特性,以及对于实验的意义和作用也从未被讨论过。因此,仪器并不在逻辑实证主义的科学哲学本体论里。

建构论讨论过实验。例如,拉图尔讨论过实验、实验室和仪器的作用。但是按照拉图尔,实验,特别是实验仪器装置,也都是为表征服务的,而不是一种独立的科学力量,它们都被“集合在文本中”。关于实验室,他说,是“一种按照某种方式设计的、以其最有力的工具提供文献的新资源的[带修辞色彩的]装置:可视显示器”。[9]68“我将命名某种工具(或碑铭设施)为任何组织结构,不论其尺寸大小,本性或者成本,它都提供了关于任何种类的科学文本的可视显示器……科学文本背后是什么?碑铭。这些碑铭如何获得?由设立工具获得。”[9]69“世界/仪器/碑铭”三个一组被二分体“仪器/碑铭”所取代。由此,拉图尔也和逻辑主义者一样,实验仪器只与碑铭的产生有关了,这仍然是一种表征主义的说明和分析。此外,把一个仪器看成是产生碑铭的某些东西,象自动收报机字条那样的机器,把实验仪器和实验室作为铭写装置,是生产科学知识这种铭文的设施,的确比逻辑实证主义更进了一步。但是这里仍然把实验仪器作为一种“一般”概念,并没有真正深入到实验仪器的分析中。因此,哈勒认为,这种说明没有比逻辑实证主义更多出什么。而且,如果实验仪器是生产铭文的设施,那么任何设施都可以做到,凭什么我们拒绝德拉萨瓦尔(De La Warr)的盒子,而接受威尔逊(Wilson)的云室作为真正的科学设备呢?建构论对此没有说明。

哈勒提出了怎样的解决方案呢?哈勒首先给出了两组关于仪器的使用的问题,他认为这似乎分别给逻辑主义和建构主义提出了两组主要的哲学问题:[8]25

(1)实验室设备的本体论境况是什么?它是物质世界的一部分吗?或者它可以被视为好像是与物质世界分离或之外的东西,一种探测器,它受到影响,但不影响它所取样的?

(2)一个仪器引发之状态的认识论境况是什么?特别地,从这些状态我们可以“推论”其本性什么?

哈勒提供了一个这样的图式,给出了他的分类式的回答:[8]33

 

1 仪器分类(引自Harré,R.)[8]

哈勒认为,区别两个包含多种实验室设备的家族是重要的。因为,第一个家族是由设置在自然中和在玻尔式的人工制品中的驯化版本所组成的。第二个家族是工具所组成的,它所产生的自然知识是由关联这个世界之状态的因果关系的效用带来的。

设备的第一个家族,其中仪器是作为自然的部分,但是却孤立在实验室里,可以作为跳板服务于从实验室后推到实验室外部的世界。在玻尔式的建模中,仪器也是自然的部分。然而,不像简单的模型,一个玻尔式的仪器不能与自然相隔离,因为模型化与自然是混合在一起的。玻尔式仪器的状态、现象的解释,需要在本体论上从牛顿式的发生性质到品质和力量的一个转化。这些品质是获得性,它许可从什么展示了玻尔式人造物品到自然的因果力量的有限推论。设备有各个不同的部分,其中一个是人们在第二个家族里找到的不同设备,与自然进行因果作用的工具,可以产生回溯推论的正当性的各种问题,如从工具的状态到世界的被假定的状态的各种问题。[8]37

所以,在实验室里,如果更细致地看,有的可能是自然物(但是也发生了变化),有的就是人工物,大多数是混杂物(自然/人工)。它们的本体论问题不在是否真实存在,而在是建构地表达了这种存在,还是非建构的表达了存在?很明显,科学实验哲学希望给出更为细致的哲学说明。

另外,物作为被关注对象,虽然打破了仅以观念形态为对象的物理科学哲学里面的理论优位传统,但是在存在论的层面反映了人操控自然的技术座架性,揭示这种过去对于自然物-技术物-社会物三重关系的遮蔽,也许是物理学哲学本身无法做到的,需要现象学的开显。

三、物理学实验与实验室研究中的认识论问题

塞蒂纳说,在解释科学成果的有效性和理性的科学信念时,实验一直担当着知识论的重任,它为“科学方法”的运用于成果的孕育提供了一种框架。实验是科学以经验的方式逐步进步的单位,是理论检验和经验证实的阶梯。[5]111

在传统的科学哲学看来,担任知识承载物重任的一直以来都是表征性的文字,其最高水平的是理论及其体系。在作这样的认识论问题时,即便是拉图尔也未能脱出这种局限,他甚至把物质性的仪器称为为理论生产服务的铭写机器。伯德(BairdD.)却不这样认为。他提出一种被称为“唯物主义的认识论”与理论优位的认识论对抗,他把它称为“事物知识”(thing knowledge)。伯德把一种完全是工具性的认识论图景与以词语或者方程表达知识来清晰化和辩护的认识论图景加以对照。他认为,事物不仅带来知识本身,并且,正是它们频繁而且丰富性的给予了我们所说的词语,工具地服务于知识的辩护和精确化。伯德指出,这对各种思考路线都很重要。如果唯物主义的认识论没有沿着他所勾勒的线条走,他认为我们就不能充分理解实验。同样,如果没有某种唯物主义认识论,他认为我们也不可以充分理解工业与科学的关系。[10]39

伯德指出,第一,没有唯物主义认识论,对于默会知识的细致理解就仍然难以捉摸。第二,科学工具提供了独特用途的事物以供检验。工具对于发展科学知识是最为基本的,它给定了我们关于科学的现有理解。第三,更有甚者,在许多事例里,工具的发展都先于理论的发展。当然这是一种很普通的认识。伯德特别强调,事物知识,不是一元认识论。有不同的事物,即使是同一事物的不同方面,都以不同的方式使用着认识论。存在许多不同的工具,在工具的多样性里,我们可以发现不同的工具,它们以不同的纯粹形式呈现了不同的事物知识、不同的认识论。聚焦工具就为分析和详述这些不同种类的认识论、不同种类的事物知识,提供了某种具有独特用途的交汇点。伯德在详细分析事物的基础上,提出有三类事物知识,它们分别是:[10]45-54

1、模型知识(modeling knowledge)。伯德认为,这种模型式的事物工作起来就像理论,但是它们使用这个世界的部分物质材料,而不是词汇来表征它们。由于这个原因,它们为我们的认知仪器提供了不同的进入方式,为概念操作提供了一种进入方式;即通过物质操作——“手-眼操作”——提供了另外一种进入方式。伯德举出华森和克里克的DNA模型作为案例,认为这个模型提供了一个物质表征知识的很好例子,因为他们非凡地将金属盘和杆组合在一起表征了DNA的结构。

华森和克里克的DNA模型为把物质模型理解为知识提供了正面的支持,华森和克里克的模型用人造的物质世界替代语词执行了理论的功能。他们的模型具有标准的理论功效。它被用作说明和预言。它是由证据——X射线和其他——确认的,它也可能被证据所否认,例如,如果DNA被发现具有明显不同的腺嘌呤和胸腺嘧啶的性质。尽管它是由金属而不是词汇的构成,但是可以毫不怀疑地说华森和克里克的DNA模型是一种知识。

 

2 (引自Radder2003p.46)

2、工作知识(working knowledge),工作知识是关于物质操作的知识,这种知识不是以某种理论指导的物质操作,而是没有理论承载的关于物质如何操作的能力,这种能力发展了某种对于使用和操作的知识,是一种know-how的知识。它也藏匿在身体和仪器中。

伯德指出,制造、操作、适应和发展物质力量的能力,是对于力量之知识的充分证明。按照某种主观意义,人们常常陷于占有“懂得如何做(know-how)”的必要性——工作知识中——去产生某种有生未来的可靠稳定的东西。而在客观意义上,人类制造的设备展示着我们所掌握的真实物质发生的的特定现象。它们就是工作知识的物质承载者。[10]49

我们知道,物理学家或物理学实验仪器、工具制造者,一方面要研究被操作的对象,以使得仪器能够掌控对象或对象的性质,另一方面要与操作对象的人的身体相称。这里仪器起着连接身体与外部对象的作用,比如,对象如果是微观世界,如是量子力学的世界,操控单原子,现在已经成功;物理学家们可以使用仪器操控单原子,把它想放在哪里就放在哪里;而这种仪器一方面连接着操作控制端-宏观端,一方面连接着操控原子的微观端。

3、测量知识(Measurement knowledge),伯德只在这个部分,使用了测量(Measurement),而没有使用测量知识一词,但是在这个论证中,他明确说是有三类事物知识,其中包括测量,因此测量是一种活动性的工作知识。按照伯德,测量仪器可以告诉我们一些关于“样本”的事情;从而使我们按照某些方式测量它。为了成功做到这点,它们的创制者必定要综合混合在仪器的物质形式中的模型知识和工作知识。在某种基础水平上,测量需要控制物质的力量。

例如,水银能够伴随温度而线性膨胀,这样一种物质现象,使得科学家建构了水银温度计,我们在温度计的玻璃管子刻上刻度,以利用温度计来展示温度的可能性的领域。在那里是我们把工作知识建构到了水银温度计里。对于水银温度计,它是一个工具制造者对某种可能性领域选择的结果,这种可能性与装置的信号生成有关,它转化为信号,被赋予了一种“可测量”的性质。如伯德所说,工具制造者将可能性领域构建进仪器的物质形式中,形成了关于温度的结构性的表征。它同时又是模型知识。当两种物质知识被整合,工具显示出从自然中吸取信息,把认识融入工具模型和工作知识的物质形式中。[10]52

按照伯德,这里最为关键的是,指示器把握了一种物质力量的实例——工作知识,这就允许指示器继续产生各种相关理论,并促进今天与其相结合的物质进步的和理论进步。[10]53

这也是一种物质知识能够促进科学进步的方式。工具呈现了一种现象,工作知识,即便没有形式,或者没有用词语描绘仪器所做的工作,它也能够去做某些事情,压缩的工作知识,对于导致较好的物质创造(如蒸汽机)和较好的理论(较好的案例就是热力学)来说,也是足够的了。这就是为什么发展新的工具对于科学进步而言是其中心目标的缘故。理论来来往往,而新的工具所创造的现象却经受了时间的考验。它导致较好的工作知识——较好的物质知识,然后导致较好的理论,较好的命题知识。[10]54

温度计、DNA和蒸汽机的故事已经成为历史,但是它们仍然有很好的现代意蕴。当代的工具和设施是模型知识和工作知识的串联和联合。另外,关于工具的认识论位置的基本论点是论证工具如何能够做出认识论工作。如伯德所言,认可工具在认识论上可以被理解为与理论等同的东西,这才是一个我们要证明的、也必定要如此对待的全面的图景。

物理学实验中的认识论问题还有很多,如关于发现与发明或制造的界限问题;关于实验误差的问题,这些都涉及认识论问题,如赫恩指出,误差是一个多样性的认识论现象。[4]190限于篇幅,本文仅指出此点,不再讨论。

四、结语

以“物”的观念取代或批判以“不见物”的理念优位的观念,是一个哲学清新剂。但我希望不要带来对于仪器之物的崇拜。对于物理学哲学本身而言,显现仪器的作用,是重要的;但我认为最重要的是要显示人之心灵、技能与仪器之间的互动,显示人之于仪器的真善美,和仪器对于行动者的塑造之善恶之意义。事物、仪器和人之心灵究竟是三位一体的呢?还就是一个整体的不同侧面呢?

物理学在把天然世界改变为人工世界的过程中,发挥着重大作用和影响,这种作用既有积极意义,也有消极意义。在科学被权力、资本所利用的过程中,科学日益自觉地加入改造自然成为人工世界的行列。因此也形成了科学与资本的共谋。就物理学或物理科学而言,在把自然界改造为人工世界的过程中,物理学家首当其冲,成为这种改造的先锋。特别在数理形态的科学与实验形态的科学相互结合的过程中,物理科学甚至被西方中心主义观念奉为神明。因此,物理学绝不是脱离社会的、纯粹研究自然的科学。

【参考文献】

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[8]Harré,R.,The Materiality of Instruments in a Metaphysics for Experiments[C]//Radder,H.(ed.),The Philosophy of Scientific Experimentation.University of Pittsburgh Press,2003:19-38.

[9]Larour,B.,Science in Action[M].Harvard University Press,1987.

(原载《自然辩证法研究》2016年第5