盖里森的科学仪器史与科学仪器哲学研究

时间：2015-12-20 18:49:47 所属分类：中国哲学 浏览量:

科学史家与科学哲学家有一种文本偏向，关注文本而忽视事物( 如仪器与研究对象等) ，致力于用文本而非事物对科学展开言说。因为仪器有别于文本，外加缺乏适当的语言文本来描述与研究仪器，所以仪器很少成为传统科学史与科学哲学关注的对象。纵观大量的科学哲

　　科学史家与科学哲学家有一种文本偏向，关注文本而忽视事物( 如仪器与研究对象等) ，致力于用文本而非事物对科学展开言说。因为仪器有别于文本，外加缺乏适当的语言文本来描述与研究仪器，所以仪器很少成为传统科学史与科学哲学关注的对象。“纵观大量的科学哲学和科学史着作，除开理论优位这种传统贯穿始终外，还同时伴随有一个被遗忘的对象，那就是科学仪器。”

　　新近学界出现了一批有影响的科学仪器史与科学仪器哲学着作，科学史与科学哲学对科学仪器的研究进入了新的层次。科学仪器史和科学仪器哲学的研究不是分离的，科学仪器史为科学仪器哲学提供概念的内容与含义，科学仪器哲学为科学仪器史提供概念结构。

　　盖里森教授在“科学史与科学哲学的 10 个问题”一文中列举了三本有代表性的科学仪器史与科学仪器哲学着作，分别是《图像与逻辑: 粒子物理学的物质文化》、《事物知识: 科学仪器哲学》与《创造温度:测量与科学进步》。三本着作中盖里森的《图像与逻辑》出版最早、同时影响最大，盖里森通过聚焦20 世纪粒子物理学中的仪器展开了科学仪器史与科学仪器哲学的研究。

　　一 盖里森的科学仪器史研究

　　( 一) 聚焦仪器的粒子物理学史　　通过聚焦粒子物理学中的科学仪器尤其是粒子探测器，盖里森呈现的粒子物理学史不同于一般的科学的思想史与科学的社会史，而是一部科学的物质文化史。粒子物理学作为大科学的典范，其主要特征体现在所使用科学仪器的庞大、复杂与昂贵。

　　1911 年威尔逊( Charles T． R． Wilson) 发明了云室，在 20 世纪中期之前，云室、核乳胶与盖革计数器是粒子物理学主要使用的探测器。1952 年格拉塞( Donald Glaser) 发明了气泡室，气泡室逐步取代了云室的优先地位。尽管云室将其核心仪器的地位让于气泡室，但是气泡室可以看做是云室的进一步进化，气泡室与云室的工作原理基本一致，云室在粒子物理学发展中的作用不容置疑。威尔逊和格拉塞分别于 1927 年和 1960 年获得诺贝尔物理学奖。1959年日本人福井崇时( Shuji Fukui) 和宫本重德( SigenoriMiyamoto) 发明了火花室，1968 年夏帕克( Georges Charpak) 在火花室基础上演化出多丝正比室。

　　夏帕克由于对于粒子探测器的发展尤其是发明了多丝正比室而获得了 1992 年的诺贝尔物理学奖。

　　盖里森通过关注科学仪器的连续性以及围绕着科学仪器变化的实验过程展现了 20 世纪粒子物理学史。盖里森描述的粒子物理学的物质文化史既不是宏观化的历史也不是微观化的历史，而是位于宏观与微观之间的介观( mesoscopic) 历史: 宏观( 普遍化) 历史使得云室成为了在任何时空中所有仪器的例证; 而微观( 唯名论式) 历史将威尔逊云室只看做在卡文迪许实验室中的一个仪器。

　　盖里森将粒子物理学的探测器划分为两种传统: 视觉探测器的图像传统与电子探测器的逻辑传统。图像传统与逻辑传统分别呈现的是同型( ho-momorphic) 表征与同源( homologous) 表征。

　　图像传统的目标是表征自然过程的丰富性和复杂性———产生一类清晰性( 单个图片作为新实体或效应的证据) 图像。这些图像作为模拟的( mimetic) ———它们声称保留了事物存在于世界上的形式———被呈现和保卫。“逻辑传统”已使用与电子逻辑电路( elec-tronic logic circuits) 相连的电子计数器 ( electroniccounters) 。这些计算( 而不是绘图) 机器聚集大量数据以作出关于粒子或效应存在的统计论证。

　　图像传统仪器的代表是云室、气泡室与核乳胶等，逻辑传统仪器的代表是计数器、火花室与多丝正比室等。图像传统与逻辑传统相比各有优劣: 图像传统可以将直观可视化的细节有说服力地呈现出来，但是图像传统缺乏统计学的说明与实验的控制力; 逻辑传统可以结合统计学的说明并对实验有强的控制力，但是逻辑传统缺乏可直观展现的能力。图像传统与逻辑传统呈现出由相互竞争到彼此结合的演变历程，这两种仪器制造传统相互取长补短共同推进粒子物理学实践的发展。

　　( 二) 由观念与概念驱动以及由仪器与工具驱动的科学革命　　科学革命是科学史关注的主题之一。20 世纪50 年代起科学革命日益受到关注，科恩认为这一现象与三部重要的着作相关，1949 年巴德费尔德的《近代科学的起源》、1954 年霍尔的《科学革命: 1500－ 1800》和 1962 年库恩的《科学革命的结构》。前两部都是关于十六七世纪英文是大写的科学革命( The Scientific Revolution) 的，库恩关心的科学革命是一系列发生在具体学科内部的轻微科学革命。库恩给出的科学革命的英文是小写的并采用复数形式，即 scientific revolutions。《科学革命的结构》使得科学史界不单纯关注十六七世纪的大科学革命，不同历史时期的众多小科学革命也日益受到关注。库恩深受柯瓦雷的影响，在《科学革命的结构》中给出的相继范式更替的科学革命形象主要定位在观念和理论转变上。针对柯瓦雷给出的大科学革命图像( 和谐整体宇宙的解体与空间的几何化) ，科学史家们延伸了仪器对促成十六七世纪的科学革命的重要性。沃尔夫在《十六、十七世纪科学、技术和哲学史》中指出近代科学的主要特征之一在于使用科学仪器，没有科学仪器的帮助很难设想近代科学的存在。

　　林德伯格指出有许多条件使得早期近代科学不同于中世纪科学，如十六七世纪的决定性变革还发生在仪器方面。

　　仪器对十六七世纪的科学革命至关重要的思想被戴森进一步延伸，他注意到仪器在新近科学革命发生过程中同样具有重要作用。戴森将科学革命区分为观念与概念驱动的革命以及工具与仪器驱动的革命，他认为库恩的《科学革命的结构》只重视前者而忽视后者，而盖里森的《图像与逻辑》则关注到了工具与仪器驱动的科学革命。戴森认为，科学来源于两种古老传统的结合: 一是古希腊的哲学思索，一是比它更早的、而在中世纪的欧洲繁荣起来的工艺技术的传统。“哲学给科学提供概念，而工艺技术则提供工具。”

　　由这两种不同的传统出发，就可以有两种不同的科学革命，而大多数新近的科学革命都是工具与仪器驱动的。戴森对于两种科学革命的划分其实掩饰了库恩科学革命思想中的工具与仪器维度。

　　同样获得过物理学博士学位，为何库恩与盖里森给出的科学革命图景如此不同呢? 库恩与盖里森的不同很大程度上是关注点不同，库恩强调观念而盖里森强调事物，盖里森的着作充斥着许多科学工具与仪器的图片。“库恩从理论物理学家的观点来看科学，将实验数据视为理所当然，描述的是使我们能够理解这些数据的理论相像的巨大飞跃。而盖里森则是从实验物理学家的观点来看科学，描述的是使我们能够获得新数据的实践独创与组织的巨大飞跃。”

　　二 盖里森的科学仪器哲学研究

　　( 一) 批判库恩与皮克林对仪器的定位　　库恩、皮克林与盖里森三人都具有物理学专业背景，库恩的工作对于皮克林与盖里森的研究产生过很大影响，皮克林与盖里森都重点关注过 20 世纪的粒子物理学，以下比较三者对于仪器在科学发展模式中的不同定位。

　　库恩认为科学发展模式可以描述为相继范式的更替，范式是科学变化的动因，科学的变化是基于范式的。范式的更替是一种格式塔式转换突出了范式更替与观察标准同时发生改变。库恩借助格式塔心理学来解释范式的更替，强调前后范式间具有不可通约性: 不同个体可以将一幅图片看做鸭子或兔子，正如不同共同体成员可以认为同一实验显示了燃素的缺失或氧气的存在。库恩将科学仪器作为范式的一个内在部分，范式包含了仪器及其使用的承诺。

　　虽然库恩的范式包含仪器维度，但是仪器与实验在库恩看来还是附属于范式的。哈金指出库恩认为对实验科学哲学重新产生兴趣是固执错误的。“库恩认为与实验相关的讨论没有趣味，而理论将总是最重要的场所( where the action is) 。”

　　库恩作为科学史家的背景使他关注到了实验( 库恩区分了重视数学传统的古典科学与重视实验传统的培根科学，在 18 世纪后期以前古典科学与培根科学通常是彼此分离的发展。) 与仪器，但是作为理论物理学博士又深受柯瓦雷的柏拉图主义观念史的影响，库恩还是过于关注范式、理论与观念而轻视实验与仪器。盖里森认为库恩给出的科学发展模式不能与 20 世纪粒子物理学的发展相吻合。盖里森借助利奥塔的“宏大叙事”来批判库恩的范式更替模式，库恩的还原论立场使其试图超越时空给出科学发展的普适模式，库恩借助‘微观革命’将专门的物 理 学 学 科 分 裂 为 无 数 的 没 有 关 联 部分。”

　　皮克林在解读库恩的不可通约性概念时首次挖掘出了库恩范式中的仪器维度。皮克林认为库恩的不可通约性还是在表征语言框架下，不可通约性可以转向实验实践层次。1981 年皮克林通过考察探寻自由夸克的案例指出不但存在理论层次上的不可通约性也存在实验实践层次上的不可通约性，仪器层次上的不可通约性是实验实践层次上的一个组成。实验的技艺、方法与程序( 正是经验科学所包含的) 不应被看做某种高层次理论应用的没有问题的附属物。在当代关于不可通约性的面向理论的( theory － oriented) 的争论中，作为与库恩最初的与更广泛的分析相关的实验实践研究已经变得黯然失色。

　　1984 年皮克林在《建构夸克》进一步将实验实践的不可通约性区分为局部的不可通约性( local in-commensurability) 和普遍的不可通约性 ( global in-commensurability) 。局部的不可通约性的典型事例是中性电流的发现( neutral current discovery) 。在20 世纪 60 年代，与 V － A( V minus A) 理论一致的中微子实验证明不存在中性电流。但是到了 20 世纪 70 年代，随着弱电统一规范理论( electroweakgauge theory) 的流行，中微子实验又证明存在中性电流。在两个不同时代的理论间作出取舍需要同时选择不同的中微子物理学的解释实践，不同的选择决定了中性电流的存在与否。

　　皮克林在考察普遍的不可通约性时引入仪器这一物质维度的。在仪器的不可通约性讨论中，皮克林结合夸克模型和规范场论的发展过程，将粒子物理学分为新旧物理学两个阶段，新旧物理学的分期大约是 20 世纪 70 年代早期。皮克林指出新旧物理学存在着不可通约性: 旧理论的研究主要基于加速器实验室发现的最为常见的现象，新物理学研究则针对相当稀有物理现象，各自的现象领域都通过自身的一套仪器和设备建造起来。费尔班克的仪器能够真实地提供自由夸克存在的证据，而莫柏哥的仪器却能够提供夸克不存在的证据。

　　这种不可通约性不是库恩不同范式之间的不可通约性，而是不同物质世界的操作活动的不可通约性。这种新旧物理学之间的不可通约性不是库恩意义上的理论之间的不可通约性，而是仪器以及操作上的不可通约性。

　　于是皮克林认为，不可通约性主要是操作问题而不是交流问题，库恩是在表征性语言下谈论不可通约性，而他的不可通约性是在操作性语言下展开的。皮克林对粒子物理学的考察是 SSK 的实验微观案例研究的代表，通过关注实验实践中的不可通约性，皮克林将库恩范式中的仪器维度延伸出来。不但理论间存在不可通约性，而且仪器间也存在不可通约性，理论上的每一次剧烈变化都伴随着使用仪器的改变。仪器与理论间相互对应，而仪器与实验之间有少量的交叉。新旧粒子物理学虽然存在仪器上的不可通约性，但是新旧物理学的某些实验仍然使用相同的仪器，新物理学时期会进行一些旧粒子物理学实验，同时旧物理学时期也进行一些新粒子物理学实验。

　　盖里森赞同皮克林将 20 世纪的物理学划分为三个层次: 理论、实验和仪器。盖里森认为皮克林对粒子物理学理论、仪器与实验三个层次的细分可以追溯到库恩。库恩在 1974 年发表的“对范式的再思考”中已经预示了不同的科学共同体适用于实验、理论和仪器实践者。例如有不同的期刊和会议分别针对仪器、实验和理论的实践者; 由预印本和重印本交流界定的无形学院通常也符合物理学的三个层次划分。但是盖里森认为皮克林对不可通约性以及理论与仪器之间的对应关系的理解不符合粒子物理学发展的实际，理论层次、仪器层次与实验层次之间可以相互交流与协作。同时盖里森也反对皮克林早期的社会建构主义立场，科学的社会维度是存在的，但是科学并不完全是关于利益、经济、心理或社会的事业，粒子物理学并非是各种力量为分摊知识领地而进行的非理性争斗。

　　( 二) 仪器与理论、实验具有同样重要的哲学地位　　通过批判库恩与皮克林的工作，盖里森真正将仪器与理论和实验置于同一层次，仪器与理论、实验一样具有了自己的生命，盖里森试图在粒子物理学实践中平等地对待仪器、理论与实验。仪器、理论与实验虽然保持相对独立性，但是三者之间可以进行局部的交流与协作，关注局部的协调而不是全局的意义将有助于理解仪器制造者、实验者和理论家的相互作用方式。盖里森没有将实验室简单地看做生产实验信息和对策的地方，而是通过关注地方、交易和知识生产的联系，进而关注到信念和行动之间的局部协调得以产生的地点———交易区。两个有巨大差异的符号和文化系统即使对交易对象具有不相容的估价和理解依然可以进行交易。

　　类似的情况也在物理学文化中存在: 两个十分不同的全局意义可以在特定的情境中达成协作，而意义的部分共享在实验室实践史和物理学的物质文化中的许多方面成为关键。交易区作为划定的场所不但存在而且是指导许多物理学工作的基础。盖里森与库恩一样认为不存在中性语言可以实现科学共同体间的毫无损失的翻译。但是盖里森认为物理学的三个层次都会产生各自的涉外语言，涉外语言有能力在不同的语域( registers) 里产生中介的交往语言( contact languages) 。

　　理论家产生涉外语言时会通过抑制理论间的内生的( endogenous)结构来减少复杂性，实验者则省略了实验过程间交织的细节，仪器制造者则用机器操作的规则化来建构他们的大多涉外语言。

　　物理学的三种亚文化都会产生各自的涉外语言。理论家产生涉外语言时会通过抑制理论间的内生的( endogenous) 结构来减少复杂性，实验者则省略了实验过程间交织的细节，仪器制造者则用机器操作的规则化来建构他们的大多涉外语言。盖里森虽然引入混杂语言的分析，但是这并不意味着他试图将对机器的处理还原到话语上。他的意图是通过延伸交往语言的概念以包括结构化的符号系统，而这些符号系统通常不包含在自然语言的领域。

　　不同物理学层次间对准自治数据的产生可以有不同的解释( 甚至相互冲突的解释) ，但是一系列中介的语言和过程实践将实验者、理论家和仪器制造者连接在一起进行协作。盖里森对旨在于某一共享目标的不同群体间的协作进行了具体化。不同群体常常维持各自的不同，无论他们是电气工程师以及机械工程师、或者理论家以及工程师、或者实验者以及理论家。关键的是，即使他们对仪器的径路以及论证的特征形式不同，但这些不同群体可以使得围绕着特定实践的径路协作。即使对建立的等价性含意、交易信息的性质或者协作的认知重要性的理解不同，不同层次间依然可以进行交易。

　　盖里森称其科学仪器哲学是“反—反实在论”( anti － antirealism) 立场，因为它直接反对将科学分解为相互独立和自足的知识组块( blocks of knowl-edge) 的企图。

　　但是反—反实在论不是为形而上学或超验实在论提供辩护，它是一种历史化的新康德主义。我们可以把握住理论的、仪器的和实验室实践的整体性，通过这些实践我们已经提供了关于存在什么及其如何工作的历史性演化描述。反—反实在论不是超验实在论而是经验实在论: 超验实在论认为存在某种事物可以超越、先于或外在于任何可能的概念( 外在于我们) ，经验实在论认为我们可以取得进步以揭示世界中实验、理论和仪器制造的场所以及三者的相互关系。科学是一个理论、实验、仪器共同参与的工程，这一工程既具有历史性、科学性也具有哲学性。

　　小 结

　　科学仪器受到科学史与科学哲学的关注有其内外部原因。内部原因是科学史与科学哲学的实践转向，外部原因是科学仪器在科学、技术、工程与社会生产中的重要性日益显现。盖里森的科学仪器史与科学仪器哲学研究开创了科学史与科学哲学对于仪器研究的新局面。盖里森工作的重要性在于他将仪器置于理论和实验同样重要的层次，明确表明了仪器与理论、实验一样具有自己独立的生命，科学仪器真正成为了研究的主题。怀特海指出: “我们的想象力水平之所以会更高，并不是因为我们具有更精微的思维能力，而是因为我们有了更好的仪器。”

　　在社会与科学发展过程中仪器的重要性不容置疑，与仪器的重要性越来越大形成鲜明对比，人文社会科学对于仪器的研究不够重视、甚至处于忽视的状态，忽视了对科学仪器的研究所呈现的社会的与科学的图景只能是片面的图景。仪器是科学哲学、科学史与科学技术学( Science and Technology Studies)的共同关注对象，仪器可以作为对科学展开跨学科研究的切入点。

　　【参 考 文 献】

　　［1］吴 彤，等． 复归科学实践———一种科学哲学的新反思［M］． 北京: 清华大学出版社，2010:237．　　［2］Galison P． Ten Problems in History and Philosophy of Sci-ence［J］． Isis，2008( 1) : 114．　　［3］Galison P． Image and logic［M］． Chicago: The University ofChicago Press，1997．　　［4］科 恩． 科学中的革命［M］． 北京: 商务印书馆，1999:488．　　［5］沃尔夫． 十六、十七世纪科学、技术和哲学史［M］． 北京:商务印书馆，1997:14 －15．　　［6］林德伯格． 西方科学的起源［M］． 北京: 中国对外翻译出版公司，2003:375．　　［7］戴 森． 太阳，基因组与互联网: 科学革命的工具［M］．北京: 三联书店，2000:18．　　［8］Hacking I． Experimentation and Instrumentation in NaturalScience［C］/ / Newton － Smith W，Tianji Jiang，James E．Popper in China． New York: Taylor ＆ Francis，1992: 23．　　［9］库 恩． 必要的张力［M］． 北京: 北京大学出版社，2004:54．

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