物理学实验（一）

1.简介：实验的认识学

2.实验结果

2.1从实验中学习

2.1.1代表和干预

2.1.2实验策略

2.1.3实验实践的复杂性

2.2从实验中避免学习的情况

2.2.1实验者的回归

2.2.2公共机会主义和塑料资源

2.2.3关键响应

2.2.4机构的舞蹈

2.2.5黑客的“什么社会建设”？

2.3测量，校准，预测

2.4大科学物理学：高能物理学中的理论升起

3.实验的角色

3.1自己的生活

3.2确认和驳斥

3.2.1至关重要的实验：发现奇偶校验非服务

3.2.2一个有说服力的实验：CP违规的发现

3.2.3 70年后确认：发现Bose-Einstein凝聚

3.3并发症

3.3.1第五部队的堕落

3.3.2右实验，错误理论：斯特恩 - Gerlach实验

3.3.3有时驳斥不起作用：电子的双散射

3.3.4未能检测异常

3.3.5“外观别处”效果：发现Higgs Boson

3.4其他角色

3.4.1新实体的证据：J.J. 汤姆森和电子

3.4.2理论的关节：弱相互作用

4.实验和观察

5.与生物学实验进行一些比较

5.1认识论策略和胡椒蛾实验

5.2 Meselson-Stahl实验：“生物学中最美丽的实验”

6.计算机模拟和实验

7.结论

参考书目

主要工作

其他建议的阅读

学术工具

其他互联网资源

相关条目

1.简介：实验的认识学

实验的认识论是科学哲学的分支，重点是实验在科学中扮演的各种角色，其各种与理论的联系，以及实验装置的理解和功能，以及实验室环境中科学界的结构和文化。 实验的认识论分析来自高度抽象的哲学论证，只有间接连接到实际实践，沉浸在反射案例研究中的分析。 在物理学中长时间实验一直是实验科学的前缘，开创性的实验技术，方法和创新环境。 这就是为什么实验的许多认识学都集中在物理学上。

17世纪目睹了关于实验性质的第一哲学思考。 考虑到当时的实验是一种令人惊讶的是，这应该是令人惊讶的。 这些反思的目的是发现在强迫实验方法时，揭示自然对我们隐藏的方面揭示了我们的隐藏方面。

一些自然哲学家认为，科学知识几乎不仅仅是对自然现象的应用实验和实验技术的适当应用。 Francis Bacon声称可以执行他所谓的一个关键实验（实验Crucis），这是一个理想的实验，可以确定两个竞争对手假设中的哪一个是正确的。 甚至牛顿等现代科学的一些巨人甚至是牛顿的观点，即在没有未经测试的假设的帮助下直接从实验结果和观察中直接诱导科学理论。 那么，很多自然哲学家认为，许多自然哲学家认为实验技术及其适当的应用应该是科学哲学研究的主要对象。

然而，不是每个人都同意了。 例如，霍布斯指出人类的原因是先前的实验技术及其应用。 他认为人类推理揭示了我们自然法，并批评了博伊尔对实验方法揭示它的能力的乐观态度（Shapin和Schaffer 1984）。 没有人为的理性指导实验者的行动，在它导致我们选择数据和样本的方式，以及毕竟它允许我们解释它们的方式？ 如果是这样，我们应该专注于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。

这种充满活力的早期辩论预计将在辩论中的分歧的主要观点。 然而，在19世纪末，实验对实验的哲学兴趣几乎完全失去了蒸汽，直到20世纪才不再恢复。

在此期间，哲学家在重视他们对科学理论的逻辑结构的研究和与证据的联系的关注。 逻辑实证主义的原则影响了这个调查领域 - 以及哲学更普遍 - 当时更加哲学。 其中一位代码表示，科学的观察和理论命题是可分离的。 我对汞温度计等级的读数可以与关于传热和温度理论概念的相当复杂的理论陈述分离。

事实上，不仅可以单独的理论和观察，而且鉴于与后者的对应表示，前者被认为是合理的。 通过源自读数的主张来证实热传递理论，我在我的水银温度计上表演。 因此，观察命题只是实验的结果或科学家执行的一组观察，以便确认或反驳理论。

Thomas Kuhn和Paul Feyerabend大力批评这个观点。 他们认为观察和实验结果已经是理论框架的一部分，因此无法独立确认理论。 也没有有一种用于捕获观察的理论中性语言。 甚至简单地阅读汞温度计，不可避免地取决于理论上的温度概念。 简而言之，证据始终是载人。

然而，逻辑实证主义的支持者也没有评论家试图解释产生全部重要观察陈述的实验性质。 这是非常简单的原因：他们不认为有什么有趣的来解释。 他们对理论和证据之间的关系的看法是截然不同的，但它们只发现了实验的最终产品，即观察陈述，哲学上有趣。 结果，实验过程本身被留在他们对科学的哲学研究中。 这只逐渐改变了新的实验主义的出现，Ian Hacking在最前沿的工作。

2.实验结果

2.1从实验中学习

2.1.1代表和干预

自Ian Hacking问道以来，已经超过三十年了，“我们通过显微镜看吗？” （黑客1981年）。 黑客的问题真的询问我们如何相信用复杂的实验装置获得的实验结果？ 我们如何区分由该设备创建的有效结果[2]和创建的伪像？ 如果实验是在上面提到的科学中发挥所有重要作用，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。 黑客提供了代表和干预的下半部分的延长答案（1983）。 他指出，即使在至少的实验装置载于设备的理论中，尽管装置理论或在现象理论中，但观察仍然是坚固的。 尽管显微镜理论的主要变化指出，他的插图是显微镜图像中的持续信念，但是当ABBE指出衍射在其操作中的重要性时。 黑客给出的一个原因是，在制造这些观察中，实验者介入 - 他们在观察中操纵物体。 因此，在通过显微镜观察细胞时，可以将流体注入细胞或染色样品。 当完成完成时，人们希望细胞改变形状或颜色。 观察预测的效果加强了我们对显微镜的适当操作和观察的相信。 这通常是真的。 观察干预的预测效果加强了我们对实验装置的适当运行和用它的观察结果的信念。

黑客也讨论了通过独立确认的观察中加强了一个人的信念。 用“不同”显微镜观察细胞中的点致密体的相同模式的事实，（例如，普通，偏光，相对比，荧光，干扰，电子，声学等）争论观察的有效性。 一个人可能会质疑“不同”是一个理论术语。 毕竟，它是我们的光理论和显微镜的理论，使我们能够考虑这些显微镜彼此不同。 然而，论证持有。 黑客正确地认为，如果在两种完全不同种类的物理系统中产生相同的点图案，这将是一种荒谬的巧合。 不同的设备具有不同的背景和系统错误，使得巧合，如果是伪影，最不可能。 如果是正确的结果，并且仪器正常工作，结果的巧合是可以理解的。

2.1.2实验策略

哈奇的答案就是如此正确。 但是，它是不完整的。 当一个人只能用一种类型的装置执行实验时会发生什么，例如电子显微镜或无线电望远镜，或者干预不可能或极难时？ 需要其他策略来验证观察。[3] 这些可能包括：

实验检查和校准，其中实验装置再现已知的现象。 例如，如果我们想争辩说用新型光谱仪获得的物质的光谱是正确的，我们可能会检查该新光谱仪是否可以在氢气中再现已知的BALMER系列。 如果我们正确地观察了BALMER系列，那么我们加强了光谱仪正常工作的信念。 这也加强了我们对具有该光谱仪获得的结果的信念。 如果检查失败，那么我们有充分的理由质疑用该装置获得的结果。

再现预先已知的伪像存在。 来自实验的一个例子来测量有机分子的红外光谱（Randall等，1949）。 并不总是可以制备这种材料的纯样品。 有时，实验者必须将物质放入油糊或溶液中。 在这种情况下，人们希望观察油或溶剂的光谱，叠加在物质的溶剂上。 然后可以将复合光谱与油或溶剂的已知光谱进行比较。 然后，该工件的观察能够对光谱仪进行的其他测量提供置信度。

消除合理的错误来源和结果的替代解释（Sherlock Holmes策略）。[4] 因此，当科学家声称在土星的环中观察到电动放电时，他们认为它们通过表明它不能是由遥测中的缺陷引起的，与土星的环境相互作用，闪电或灰尘。 唯一剩下的结果解释是由于环中的电力放电 - 对观察没有其他合理的解释。 （此外，Voyager 1和Voyager 2观察到相同的结果2.这提供了独立的确认。通常，在同一实验中使用了几种认识学策略。）

使用结果本身争论他们的有效性。 考虑伽利略的伸缩观察木星的伸缩观察。 虽然人们非常相信他的原始，早期的望远镜可能产生虚假的光斑点，但望远镜会产生图像，即它们似乎是与小行星系统的运动一致的eClipses和其他现象。 相信所创造的斑点会满足开普勒的第三律法（

�

3

/

�

2

=

常数）。 Robert Millikan使用类似的论点来支持他观察电荷量化和测量电子的测量。 Millikan评论道，“我们所观察到的变化总数是一到两千之间，而不是一个单一的例子已经发生了任何改变，这在一个明确的电力量的掉落或那个数量非常小的倍数时没有代表出来的变化”（Millikan 1911，p。360）。 在这两种情况下，一个人认为，该装置或背景没有合理的故障，这将解释观察结果。

使用独立良好的证明理论解释结果。 这在发现的发现中被说明了

w

±

，Weinberg-Salam统一的Electroweak相互作用所需的带电的中间矢量糖零。 虽然这些实验使用了非常复杂的设备和使用其他认识论策略（详见Franklin 1986，PP。170-72）。 我相信观察结果与颗粒性质的理论预测有助于验证实验结果。 在这种情况下，在包含具有高横向动量的事件中观察到颗粒候选物，并且没有颗粒喷射器，正如理论所预测的那样。 另外，测量的粒子质量

81

±

5

GEV / C2和

80

-

6

+

10

GEV / C2，在两次实验中发现（注意独立确认），与理论预测有关

82

±

2.4

gev / c2的。 它非常不可能让任何可能模仿粒子存在的背景效果将与理论一致。

使用基于良好的粗体理论的装置。 在这种情况下，对理论的支持激发了基于该理论的装置的信心。 这是电子显微镜和无线电望远镜的情况，其操作基于良好支持的理论，尽管其他策略也用于验证用这些仪器制造的观察结果。

使用统计参数。 当寻找新的颗粒和共振时，20世纪60年代在20世纪60年代的一个有趣的例子占据了在实验高能量物理学中工作的那些物理学家的时间和精力的大部分和努力。 通常的技术是绘制作为最终状态粒子的不变质量的函数观察到的事件的数量，并寻找平滑背景上方的凸起。 对于新粒子的存在通常的非正式标准是它导致背景上方的三个标准偏差效应，结果在单个箱中发生的0.27％的概率。 此标准后来变为四个标准偏差，当指出，当指出，每年由高能物理学家绘制的图表数量相当可能地，在统计场所，这三个标准偏差效应时，这一标准概率为0.0064％。观察到。

这些策略以及黑客的干预和独立确认构成了实验的认识学。 他们为我们提供了充分的理由，以便在实验结果中相信，然而，他们并没有保证结果是正确的。 有许多实验，其中应用了这些策略，但后来的结果被认为是不正确的（例子将在下面呈现）。 实验是有缺乏的。 这些策略也不是独家或详尽无遗。 没有单一的其中一个或它们的固定组合，保证了实验结果的有效性。 物理学家使用尽可能多的策略，因为它们可以方便地在任何给定的实验中适用。

2.1.3实验实践的复杂性

在实验结束（1987）的情况下，彼得加里森将对更复杂的情况的实验展开。 在他的历史中，电子的旋转磁性的历史，μ子的发现以及弱中性电流的发现，他认为一系列的实验测量单一的数量，一组不同的实验在发现中最终达到了不同的实验，以及由大型群体进行两组具有复杂实验装置的两个高能物理实验。

Galison的观点是实验结束了实验者认为他们会在法庭上站起来的结果 - 这是我认为包括使用前面讨论的认识论策略的使用。 因此，David Cline，其中一个弱中性的实验者的评论者，“目前我没有看到如何使这些影响[弱中性当前事件候选人]消失”（加利森，1987，第235页）。

加利热强调，在一个大型的实验组中，本集团的不同成员可能会发现不同的证据最令人信服。 因此，在Gargamelle弱中性电流实验中，几个组成员发现中微子 - 电子散射事件的单个照片特别重要，而对于其他群体，而对于其他群体，而观察到的中性电流候选者和中子背景之间的空间分布差异是决定性的。 Galison在很大程度上将这一点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挥技巧。 在粒子物理学，例如，还有就是传统的视觉探测器，如云室或泡沫室，与此相反的电子传统的盖革和闪烁计数器和火花室。 视觉传统中的科学家倾向于更喜欢“金色事件”，清楚地展示有问题的现象，而那些电子传统的人倾向于找到比个别事件更有说服力和重要的统计论据。 （有关此问题的进一步讨论，请参阅Galison 1997）。

Galison指出理论和实验实践和仪器的主要变化并不一定同时发生。 这种实验结果的持久性在这些概念变化中提供了连续性。 因此，对旋磁比的实验跨越经典电磁，BoHR的旧量子理论，以及Heisenberg和Schrodinger的新量子力学。 Robert Ackermann在他对科学仪器的讨论中提供了类似的观点。

科学仪器的优点是它无法改变理论。 仪器体现了理论，可以肯定，或者我们不会掌握他们操作的重要性......在他们的运营与世界之间创造了一个不变关系，至少当我们抽象他们正确使用的专业知识时。 当我们的理论改变时，我们可能会设想仪器和它与其交互不同的世界的重要性，并且仪器的基准可能会发生意义，但是数据可以保持不变，并且通常会预期这样做。 仪器在暴露于某些现象时读取2。 在理论变化之后，[5]它将继续表现出相同的阅读，即使我们可能需要阅读不再重要，或者告诉我们除了我们最初的想法（Ackermann 1985，第33页）。

加利森还讨论了实验与理论之间相互作用的其他方面。 理论可能会影响被认为是真正的效果，要求苛刻的解释以及被认为是背景的东西。 在他对穆森的发现讨论中，他认为oppeNheimer和卡尔森的计算显示，在通过物质通过电子通过物质的情况下预期淋浴，稍后被视为μONs，作为未解释的现象。 在他们的工作之前，物理学家认为淋浴粒子是问题，而渗透颗粒似乎被理解。

理论的作用作为“启动理论”（即，允许计算或估计预期效果的规模以及预期背景的规模的角色）也是通过Galison讨论的。 （另见（Franklin 1995）以及讨论下面的斯得内加拉赫实验）。 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果的背景是实验企业的核心，而不是外围活动。 在弱中性电流实验的情况下，电流的存在依赖于表明事件候选者不能都是由于中子背景。[6]

还有一种危险的危险，实验的设计可能排除观察现象。 Galison指出，其中一个中性电流实验的原始设计包括μ子触发，不会允许观察中性电流。 在原始形式中，实验旨在观察产生高能μ的带电电流。 中性电流没有。 因此，具有μ子触发器排除了他们的观察。 只有在寻找中性电流的理论重要性之后，强调实验者只是扳机改变了。 当然，改变设计并没有保证将观察到中性电流。

Galison还表明，实验者的理论预设可能进入决定结束实验并报告结果。 当他们的电子磁性比例的值时，爱因斯坦和德哈斯结束了他们的系统误差，

�

=

1

，同意他们的轨道电子理论模型。 预设的这种效果可能导致人们对实验结果的持怀疑态度及其在理论评价中的作用。 然而，加利森的历史表明，在这种情况下，测量的重要性导致测量的许多重复。 这导致了一致的结果，不同意理论期望。

加尔森最终修改了他的观点。 在图像和逻辑中，Galison（1997）的20世纪高能量物理学中的仪器延长了研究，延长了他的论点，即在该领域存在两个不同的实验传统 - 视觉（或图像）传统和电子（或逻辑）传统。 图像传统使用云室或泡沫室等探测器提供有关每个单独事件的详细和广泛的信息。 电子探测器所使用逻辑传统，如盖革计数器，闪烁计数器，和火花商会，提供更少的详细信息关于个人活动，但检测更多的事件。 Galison的观点是，在这两个传统中工作的实验者形成了依赖不同形式的争论的不同的认识和语言群体。 视觉传统强调了单一的“金色”活动。 “在图像侧面居住在'Golden Event'的深层承诺：这种清晰度的单一图片和它命令接受的清晰度和明显。” （Galison，1997年，第22页）“金色事件是图像传统的示例：一个单独的实例如此完整和定义，所以”明显“没有失真和背景，没有进一步的数据，没有进一步的数据”（第23页）。 因为逻辑检测器中提供的各个事件包含比视觉传统的图片的详细信息，所以需要基于大量事件的统计参数。

肯特斯塔莉（1999）不同意。 他认为，这两个传统并不像加拉森相信：

我表明这两个传统中的发现都雇用了相同的统计[我会添加“和/或概率”的论证形式，即使在基于单一的金色事件上基于发现声明。 加利丝在两个社区之间看到了一个认识的鸿沟，这些社区只能被克里奥尔或皮尼尔语的“中介语”桥梁，“实际上是对实验论证的统计形式的共同承诺。 （第96页）。

Staley认为，虽然在特定的传统中肯定存在认识的连续性，但传统之间也存在连续性。 我认为这不是意味着共享承诺包括任何特定实例所提供的所有参数，而是常常使用相同的方法。 加利热不是否认在图像传统中使用统计方法，但他认为它们相对不重要。 “虽然统计数据肯定可以在图像传统中使用，但大多数申请绝不是必要的”（加拉森，1997，第451页）。 相比之下，加拉丝认为逻辑传统中的论点“本质上是统计的。 估计可能的错误和背景上的统计过剩不是这些探测器中的副问题 - 它是任何展示的可能性“（第451页）。