<科學實驗有它自己的生命!?> & <歷史學家為什麼要做實驗?>

<科學實驗有它自己的生命!?>

過去很長一段時間,科學實驗一直都是跟在科學理論的後面,只是為了要證實或否證理論而存在;就連孔恩的劃時代作品《科學革命的結構》,也是受到這樣的看待。然而哈金 (Ian Hacking) 在 1983 年出版《表徵與干預》 (Representing and Intervening) 一書,開創了實驗哲學,宣稱「實驗有它自己的生命」,讓實驗哲學跳脫科學哲學的傳統架構。本講次以「實驗是否可以重複?」的命題為出發點,探討這個新實驗哲學的發展脈絡。

講師:傅大為|陽明大學科技與社會研究所榮譽教授

哈金以邁克生-莫雷實驗為例,闡述他的論點。邁克生 (Albert Michelson)在 1881 年發明了干涉儀,並且在 1887 年與莫雷 (Edward Morley) 合作,以干涉儀驗證「以太」是否存在。這個實驗的目的,自然不是要證實特殊相對論或是像差現象,但它就只是為了驗證以太風,或是測量地球的移動速度嗎?伊恩認為探索干涉儀的各種實驗可能,比起去驗證某個特定理論,更加讓邁克生興奮。

莫雷對於沒有測量出干涉條紋的實驗結果不滿意,後來與米勒 (Dayton Miller) 合作,到威爾遜山天文台進行多次實驗,實際測量出干涉條紋。邁克生與米勒對於實驗是否應該實際測出干涉條紋意見相左,在 1920 年代末期彼此有一番激烈的論戰;然而由於當時物理學界已逐漸接受相對論,大家活在嶄新的物理世界中,米勒這番「實驗應該要重複進行並改進」的論點,並沒有引起什麼波瀾。

哈金認為「實驗應該要藉由重複進行,不斷改進到能夠產生穩定結果」的想法,除非是要進行否證,不然沒有必要。他以愛丁頓爵士的日蝕觀測實驗,驗證愛因斯坦廣義相對論為例,之後數十年也不斷有人重複日蝕觀察,但不再是為了確認廣義相對論,只是企圖改善觀測結果,後來也得不到科學界重視。哈金認為只有「全新且重要」的現象受到質疑時,才需要以重複實驗加以驗證,倘若無法重複其結果,那麼進行重複實驗以進行否證就有其意義;若只是對於已知的現象進行重複實驗,則沒有這個必要。

柯林斯 (Harry Collins) 更以韋伯 (Joseph Weber) 早在 1969 年,就宣稱他以天線偵測到相對論預測的重力波,但後來經過多次重複實驗加以否證的經典案例,提出了「實驗者的倒退」 (experimenter's regress) 論點,認為已經經過多次否證的實驗,沒有繼續進行的必要。然而實驗學家數十年來從未放棄,新的干涉儀推陳出新,不斷耗費大量人力物力,卻始終一無所獲,直到 2016 年找到重力波存在的證據。

重力波是相對論推導出來的產物,但是已經廣為科學界接受的相對論,並不需要重力波加以證實。後續為了尋找重力波所進行的實驗,已經不是為了驗證某個理論,而是有其應用價值:並非電磁波的重力波,可用來研究黑洞、暗物質、星系核心、超大物質群互動等等,電磁波天文學力有未逮的天文現象。柯林斯後來也對此進行反省,科學實驗有其自己的生命,並不是依存於理論的附屬產品。科學永遠都有詮釋的彈性,只要投入足夠的努力,就有機會得到豐碩的報酬。

 

<歷史學家為什麼要做實驗?>

科學最重要的特徵之一是實驗研究,而科學實驗的核心精神是可重複性,亦即使用相似的設備,在相似的狀態下,以相似的步驟操作,能得到相似的結果。近年來科學史學家開始重製過往實驗,他們想要藉此得到哪些光是閱讀文本,無法得到的事實與觀點?本講以數個重製實驗為例,闡述這樣做的意義何在。

講師:楊振邦|加拿大多倫多大學科技史與科學哲學研究所副教授

科學史學家重做實驗,最基本的理由是「做中學」,很多事情要自己實際操作,才能夠感受得到。這個道理放諸四海皆準,不過就科學史研究而言,有相當成分是因為某些科學史的文本晦澀難懂,不自己試著操作一遍,很難理解它是什麼意思。以中世紀鍊金術為例,鍊金術士留下的文本中,充斥著只能意會的神話與隱喻,科學史學家如果不試著照做一次,很難真正搞懂這些文本。

科學實驗中有許多默會知識,也許是科學家認為理所當然或過於瑣碎,同樣沒有記載在文本中,需要透過重做加以發掘。比方說焦耳的熱功等量實驗,對容器裡的水做功並測量其溫度變化,實驗原理淺顯易懂;然而科學史學家實際上重做這個實驗,就發現溫度計對人體非常靈敏,一接近實驗器材就會影響到測量結果,操作溫度量測的時機與時長,對於實驗的準確度相當重要,但是文本中對此卻隻字未提。

有時候重做實驗,可以把一些「被遺忘的知識」重新撿回來。文本上記載給呂薩克的開水沸騰實驗,就只是簡簡單單地說用容器裝水,加熱到攝氏 100 度就會沸騰,從而確定水的沸點;然而科學史學家重做這個實驗,就發現水沸騰現象比文本上記載的要來得複雜得多,舉凡盛水的容器材質,水有沒有先煮過一遍,影響沸騰現象的因素有很多,沒有重做實驗,就會遺漏掉這些點點滴滴。

重做實驗還可以探索實驗的可能限制。科學史學家嘗試重做庫倫的靜電實驗,起初是失敗的,因此懷疑庫倫當初的實驗設置有問題,不足以得出理論預期數據;後來又有科學史學家更謹慎地按照庫倫留下的文本,盡可能按照當年的條件還原實驗設置,就成功得到同樣的實驗結果。

楊老師在數年前也曾經重製赫茲發現無線電波的空間波-線波干涉實驗。當年赫茲的實驗雖然得出了無線電波存在的重要結論,然而測得的線波跟空間波波長卻不相同;楊老師的團隊重製實驗的結果,測得的線波波長與赫茲實驗很接近,空間波波長也一如理論預測地與約當於線波波長。為何赫茲在實驗中會測量到較長的空間波波長?我們從赫茲對於實驗空間的描述,推測有可能是現場的鐵柱與煤氣燈管線等等導體,造成類似導波管的散射效應;此外赫茲實驗的數據點過少,推算的誤差就有可能變大。

從以上這些重製實驗的經驗中,我們發現定性現象容易產生,定量量測卻很難做到精確,會相當程度地受到實驗空間環境影響,測量方式與裝置也會影響到量測值的精度。重製看似拾人牙慧,但確實有其意義與價值。

人瀏覽過