张帆:证据还是文化?

——由韦伯探测引力波实验引发的三场争论

2018-04-29 16:15 来源:《自然辩证法研究》 作者:张帆

Evidential or Social:Three Debates from Weber's Gravitational Wave Experiment

 

  作者简介:张帆(1981- ),女,山西太原人,上海社会科学院哲学研究所助理研究员,主要研究方向:科学哲学。上海 200235

  原发信息:《自然辩证法研究》(京)2017年第20178期

  内容提要:韦伯探测引力波实验前后引发了三场争论:第一场是科学界对韦伯实验的批评;第二场是建构论者柯林斯与实在论者富兰克林对韦伯的失败是取决于证据还是社会磋商的争论;由于二者的争论旗鼓相当引发了第三场关于针对同一事实是否可以有两种并行且相悖的认识论立场存在的争论,争论的一方是认识的一元论者费尔德曼、另一方是多元论者罗森。三场争论实际上是事实的理性与社会性之争,对此朗基诺认为理性与社会性二分这种做法本身就是错误的。从这个意义上说,柯林斯与富兰克林的观点都是合理的。

  There are three debates beginning from Weber's gravitational wave expreiment.The first one is the criticize for Weber.In the second one,Collins and Franklin debate on whether Weber's faiiurc is based on the evidence or social.In the third one,monist Feldman insist there is only one truth based on the fact,however pluralist Reosen believe there can be different epistemolagical position.For Logino,the dichotomy for rational and social is wrong.So both Collins and Franklin is rational.

  关键词:证据/文化/认识一元论/认识多元论/evidential/social/monism/pluralism

  标题注释:国家社会科学基金一般项目“当代科学事实的争论研究”(编号:17BZX041)。

 

  近年来国内外科学界争论频发,如杨振宁与丘成桐关于建造量子对撞机的争论、对韩春雨实验结果的质疑、国外关于无燃料推进器的争论等。相较以往,当代科学争论呈现出了不同的特征——争论从科学的外层渗透进内层,从关于理论、研究方法的争论直逼事实本身,这在探测引力波实验中体现得尤为突出。2016年2月,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布人类首次探测到了引力波,霎时间全世界为之振奋。但实际上这并不是科学史上第一次声称探测到了引力波,之前的“韦伯事件”、“BICEP2事件”、“大犬事件”都曾宣称探测到了引力。但是,为什么之前的结果都不可信,但科学界却相信了此次LIGO的实验结果?科学事实的确立是基于证据还是文化?这恐怕还得从第一代探测引力波实验的韦伯实验及由其引发的三场争论谈起。

  一、对韦伯实验的批评

  1969年,韦伯(Joseph Weber)在物理学权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上发表论文首次宣称探测到了引力波[1]。韦伯建造的探测器叫做“共振棒探测器”,因韦伯设计建造也被称作“韦伯棒”(Weber bar)。其基本原理是将一根长2米、直径1米、质量1000公斤的铝质实心圆柱悬挂起来,当引力波的频率与棒的固有频率相等时,棒便会产生共振。棒的一个端面上装有传感器,能将机械震动变成电信号,该信号经过放大、滤波和成形之后被记录下来。为了避免地震和其它振动(比如汽车、火车、飞机等)的干扰,韦伯分别在马里兰大学和芝加哥大学建造了两个棒式探测器,只有当两个棒同时振动时,信号才被记录下来。从1970年开始先后有多个实验室复制韦伯的实验,但都没有成功,从而引发了韦伯与其反对者之间的争论。这场争论从1972年开始到1975年结束,大体上经历了三个阶段:

  第一个阶段的争论主要是围绕着实验原理展开的。众所周知,探测引力波实验原理无可依附,只能按照爱因斯坦的广义相对论假说进行推测。1972年1月,在皇家天文学会(Royal Astronomical Society)上,英国物理学家里斯(Martin Rees)首先站出来说如果广义相对论是正确的,那么韦伯就是错的。里斯的说法是如果韦伯的结果是正确的,那么只有当质量急剧发生变化时,才会产生引力波。如果质量消耗过大,那么保持现有星系的引力就会变的非常少。同年,物理学家卡夫卡(Marc Kafka)在提交给“引力研究基金会”(Gravity Research Foundation)的一篇论文中也提到,如果引力是均匀的,那么按照韦伯的实验每年将会有三百万次引力辐射通过。之后包括物理学家索恩(Kip Thorne)和谢诺夫斯基(Terrence Sejnowski)也撰文说如果韦伯测到的是引力波,那么按他的估算宇宙运动的太频繁了,可能性不大。对于韦伯而言,他并没有急于解释,而是把注意力投入到实验中,在他看来世界也许和我们的现有理论是不同的。[2]当年韦伯还有支持者——韦伯在马里兰大学的同事米斯纳(Charles Misner)为其进行了辩护:“如果按照银河中心理论、用同步模型(窄角、高和谐度)发射来看韦伯的结果的话,波的强度和频率都是合理的。”[3]

  第二个阶段的争论主要是针对韦伯的实验方法,包括:(1)算法。韦伯采用的是非线性算法,“当有能量产生时,我们认为,用非线性算法而非线性算法,可以让二台探测器测到更多的信号”[4]246。物理学家泰森(Tony Tyson)和卡夫卡也曾尝试用非线性算法,但却一无所获。所以,后来几乎所有的实验团队都改用线性算法,但只有韦伯坚持用非线性算法。韦伯的固执就如泰森所批评的:“所有的这些实验,包括我的、韦伯的、卡夫卡的——都是用相同的算法、用相同的方式测量脉冲。但是你就是认为你的(韦伯)实验比我们的强。”[5]23

  (2)计算机程序。这是韦伯实验最被世人所诟病的问题,也是最终导致韦伯实验“不可信”的主要根源。所有探测引力波实验所采集到的数据都需要通过电脑收集并进行分析。在探测引力波实验中,不同的探测小组会互相交流他们的数据。最初是罗切斯特大学的道格拉斯(David Douglass)把自己的数据寄给了韦伯,经过比对韦伯发现他的数据和道格拉斯的很接近。这让韦伯很兴奋,因为道格拉斯的结果即将成为证明他的实验成功的一个最好的证据。然而,韦伯却忽视了“时差”的问题——在韦伯与道格拉斯的数据之间存在最小值为1.2秒、最大值达到4个小时的延迟,这一事件被称为“四小时错误”(four hour error)。韦伯后来承认他的计算程序有误,但他拒绝承认他探测的信号不是引力波的结论:“磁带的副本送给了罗切斯特大学的道格拉斯教授。道格拉斯在未公布的重合数据中发现了程序错误和错误的值。他没有进一步处理磁带就得出了错误的结论,认为每天都有零延迟溢出值。这个不正确的信息被嘉文(Richard Garwin)博士和IBM的沃森实验室(Thomas Watson Research Laboratory)广为散播。”[4]247

  (3)数据分析方法。泰森曾经就他与韦伯实验在数据分析方法上的差异进行过这样的描述:“韦伯的做法是这样的:他不知道会发生什么,因此他和他的程序员在实验中或多或少的会做调整,在每个瞬间都尽量使零延迟值溢出。我想说的是,这种方法存在错误的可能性,不支持泊松统计。……我同意乔(韦伯)的观点。但我认为你必须要先有一个好的算法然后再来分析数据。”[5]27IBM的嘉文也批评道:“……在CCR-5(在剑桥召开的广义相对论会议)上,马里兰团队在解释他们没有获得重合的正电荷过剩时说‘我们尽力了’,但马里兰团队却对数据进行了挑选了(挑选了能代表重合的正电荷过剩的数据发表,而没有将那些代表没有正电荷过剩的数据公布出来)。”[6]韦伯试图否认这些对他的指责:“说我们‘造假’是不对的。过去的六个月我一直待在加利福尼亚大学欧文分校,没有在加利福尼亚遥控指挥(韦伯的团队及他的天线处在马里兰大学)。事实上,在这一年,参数并没有发生变化。我们所做的不过是用两种算法把它们记录下来。”[5]28

  在第三个阶段,由于之前韦伯拒绝了所有对他的指责,这无形中激化了双方的矛盾,使争论从最初对实验方法的质疑到对实验结果的质疑,甚至于演化成对韦伯的人身攻击。转折点发生在1973年,这一年先后有5个实验室对韦伯的实验结果提出了质疑,包括莫斯科大学、IBM公司、贝尔实验室、意大利的弗拉斯卡蒂(Frascati)实验室和英国的格拉斯哥(Glasgow)实验室。在所有的批评者中,莫斯科大学的布拉金斯基(Vladimir Braginsky)是最早对韦伯的结果提出质疑的,但是他的批评比较委婉。在1972年的论文中他说:“重合次数的减少与恒星时间重合的异向性是韦伯实验中关于爆炸的重要证据。而在我们的实验中没有发现上述重合的爆炸……”[7]而IBM的嘉文的批评则最为尖锐,他直接把韦伯的实验叫做“病态科学”(pathological science),在1974年2月7日发给韦伯的信中,他说:“我附了一篇朗缪尔(Langmuir)的论文‘病态科学’。讲真的,对我来说这些年来你的结果越来越像朗缪尔描写的‘病态科学’。”[8]170嘉文是一位物理学界非常有声望和影响力的科学家,他最初对韦伯的态度也是比较婉转的,可是韦伯一直拒绝承认他自己的错误。这就如嘉文所言,韦伯一直按照他自己的信念行事,他认为他的信念是正确的,但其实从一开始就错了。[9]46嘉文团队的另一位成员对韦伯的批评更直接:“在这一点上这就不是物理学。以前它是不是物理学问题,尚不清楚;但现在它肯定不是。”[9]471975年之后,科学界基本上判定韦伯的实验是“失败的”,从此韦伯再很难在学界权威期刊上发表论文了,宣告针对韦伯实验的争论结束,探测引力波实验的“韦伯时代”结束了。

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(责任编辑:李秀伟)
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