诺奖得主皮布尔斯：物理学的社会本质丨展卷_风闻
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科学是什么，知识是什么？如果去问一位非专业人士，答案可能是随处可读到、显而易见的。但这些问题是科学哲学与科学社会学中的重要议题，尽管对于许多科学家来说他们并不认同对方的观点。物理宇宙学开拓者、诺奖得主皮布尔斯是一位热心于思考科学本质的学者，他撰写《全部的真相》一书，希望回答什么是客观实在，物理学一直在接近客观实在吗？他通过其研究领域的实践历史，深入探讨了自然科学如何揭示客观实在。
不过，我们需要先了解科学发现的社会学一面。
撰文 | P. J. E 皮布尔斯
翻译 | 武星
由于科学是社会的产物，自然科学的进步会受到更广泛的社会文化影响。社会学家比科学家更加清楚地认识到了这一点。通过观察科学家的所作所为，观察他们如何谈论自己的所作所为，社会学家对自然科学的印象也由之而来，而且社会学家可以看到那些忙于科学工作的科学家难以察觉的东西。我在此考虑两个特别相关的例子。
第一个例子屡见不鲜，那就是由多人或多个研究组独立做出相同的发现。社会学家罗伯特·金·默顿用“多重发现”（multiples）一词来描述这类现象，而用“单一发现”（singletons）一词描述那些可认为是有唯一来源的发现。第二个源自社会学的例子，是那些已得到公认但未受到经验证据充分限制的理论。社会学家称这类理论为“社会确立的”（socially established）。当然，社会学家也可能会得到一些在物理学家看来不太正确的结论。这就是学术界的特点，这方面的例子我们也会讨论。
多重发现
我估计任何长时间从事物理科学研究的人都会注意到，当一个优美的想法产生时，很可能这个想法已经被别人独立地提出过；或者，要是消息传播得不够快的话，它将来也会被别人独立地提出。我想，自然科学其他分支中的情况也是相同的，而其原因也是类似的。这种情况可能是由某项技术进步所致，也可能归因于人们的交流方式——人们并不总是直接交流，有时甚至都不是言语交流。我从未遇到过哪位物理学家会说，这种情况一定比我们学科中随便一项工作条件更值得关注。社会学家则视之为一种值得研究的现象。按照社会学家默顿的文章《科学发现中的单一发现和多重发现：科学社会学中的一章》（“Singletons and Multiples in Scientifi c Discovery: A Chapter in the Sociology of Science”，1961），我把科学与社会中的这种现象称为默顿多重发现。
这种现象很普遍。社会学家威廉·F·奥格本和多萝西·S·托马斯（William F. Ogburn and Dorothy S. Thomas，1922）公布了一份清单，包括了“从天文学、数学、化学、物理学、电学、生理学、生物学、心理学和实用机械发明等众多学科的历史中收集得出的”148个例子。他们提到了对狭义（而非广义）相对论的贡献。
奥格本和托马斯请我们一起考虑：
创造的出现是必然的吗？若是它们的创造者早年夭折的话，难道它们就不会被创造出来，文化发展就不会照常延续了吗？
用默顿（1961）的话说：奥格本和托马斯——得出了这样的结论：
随着某些类型的知识在文化传承中的积淀，随着社会发展将研究者的关注点引向特定问题，这些创新的出现实际上就成了必然。……恰如其分地讲，这是一个由其自身历史而证实的假说。（正如我们将要看到的，这几乎是一部莎士比亚式的戏中戏。）因为这一关于多重独立发现与发明之社会学意义的想法，在过去几百年的时间里一再被人们重复发现。
奥格本和托马斯这样说道：
物质文化要素在任何时期都在很大程度上决定着人们所做特定创新的性质。
一旦指出了多重发现这一现象，我们就不难理解，当物质文化具备了产生一项发现的条件时，不止一个研究组能够抓住这机会从而导致一种多重发现。一战后有四位有影响力的物理学家都对字宙学做出了贡献，每个人都独立地决定将他们的研究转向引力物理学和宇宙学方面。也就是说，他们的决定是独立的，但都是在一个共同的背景下做出的，即战争结束后，和平时期的科学技术研究正如火如茶，而且对于引力物理学和宇宙大尺度性质的研究来说，这正是一个诱人的机会，通过物理学思考而给战前那种了无生机的状态注入新的活力。
想法之间的相互影响在日常生活中很常见，在物理科学的实践中也不足为奇，而且肯定是导致多重发现这种现象的一个因素。一个例子是这样一种想法，即基本粒子物理学中的一种或多种中微子可能具有非零静质量。那意味着这些中微子的质量密度可能会在宇宙学中引起关注。这一想法在 20 世纪 70年代经历了两组默顿多重发现而发展起来。我想这两组多重发现并非纯属偶然；相反，它们本来就是一直在粒子物理学界涌动的一些想法。它们很重要，是现代物理宇宙学中暗物质的开端。
奥格本和托马斯（1922）指出，无线电报的出现应该可以“缩短其他研究者开展的类似研究”，因而减少多重发现的发生率。但是自那以后，人们用到的更加快捷的通信方式使物理学理论的建立过程中出现了相当多类型的多重发现。人们甚至可以想象，互联网为传播新思想带来的便捷性会促使一些尚未成熟的想法得到迅速传播，最终传播给准备在任何方面发展这些想法的人们。那些源自物理宇宙学中的例子将清晰地展现多重发现这一现象，而且我将论述到，它们也有助于我们理解科学与社会之间的相互影响。
建构
我用“经验建构”一词来表示物理科学中由经验检验过的那些关于客体的概念以及科学家用来预期它们行为的那些想法或理论。经验建构应该很可能是准确的（尽管有人会说，你要是没有偶尔犯错的话，说明你还不够努力）。社会学家、历史学家和哲学家通过观察科学家的行为，形成了对物理科学发展的社会建构。当一个理论看上去非常好以至于不太可能是错的，而且人们在获得经验证据之前就对它抱着极大热情，这时科学家会形成他们自己的社会建构。人们可能会发现社会建构是准确的，尽管不像经验建构那样常常如此。此外还有循环建构，即那样一些理论，它们之所以符合给定证据，是因为它们就是为了符合这种证据而设计的。它们也被称 “原来如此的故事”。在自然科学中，循环建构并不罕见；在这种寻找、发明、检验，然后或许是继续前进的过程中，它们也构成了其中的一部分。
对于拉图尔和伍尔加在《实验室生活》（1979；1986）一书中报道的内容，我视之为一种多少有些争议性的物理科学社会建构的典型。它讲述了一个有趣的故事，描述了哲学家拉图尔花两年时间置身于索尔克生物学研究所而取得的收获。拉图尔不是科学家，他事先没有在这门学科的实践中接受过指导，而他在索尔克研究所时也不是要寻求直接的指导。在《实验室生活》的前言中乔纳斯·索尔克（Jonas Salk）写道：拉图尔表现得像是——
一种研究科学“文化”的人类学探针：事无巨细地关注着科学家们，看他们在做些什么、思考些什么，以及如何思考。他将观察所得按照自己的概念和术语进行整理。这些概念和术语对科学家来说基本上是陌生的。他把所有这些信息翻译成了他自己的程序，翻译成了自己这一行的代码。他努力用科学家观察细胞、激素或化学反应时那种冷酷而专注的目光来观察他们自己。这样的过程或许会令一部分科学家感到不自在，他们不习惯让自己处在这样一个位置来让人分析。
索尔克对拉图尔的观察结果没有异议，而我从拉图尔和伍尔加的书里也学到了一些东西。但是，拉图尔的观察结果认为分子生物学实验室所得到的结果缺乏独立验证，这就没有领会到珀斯在谈到光速独立测量方法之间的一致性时所清晰阐述的要义。这不足为奇。一个人类学家置身于一种向来试图与外界保持距离的文化中，难免会对这一文化中的某些方面有准确的把握，而对另一些方面却有很大的误解。
在他们的书第二版前言中，拉图尔和伍尔加指出，他们用来描述拉图尔观察结果的“社会建构”一词是一种赘述，因为自然科学中所有建构都是由社会成员做出的。该书第一版有一个副标题：“科学事实的社会建构”。在第二版中，除了表明上述观点拉图尔和伍尔加还把副标题改为“科学事实的建构”。但对我们来说，社会建构与经验建构这两种说法都有用。
一个类似的例子是卡林·诺尔一塞蒂娜（Karin Knorr-Cetina）在其《知识的制造：科学的建构主义和语境本质》(The ManufactureofKnowledge: An Essay on the Constructivist and Contextual Nature ofScience，1981；中文版参见卡林·诺尔-塞蒂娜：《制造知识：建构主义与科学的与境性》，王善博等译，北京，东方出版社，2001 年。) 一书中的报告，这个报告是基于她“1976年10月到1977年10月期间在加利福尼亚州伯克利一个政府资助的研究中心”所做的观察而得出的。她说她——
考虑的主题为：科学的产物是特定语境下的建构，它们带有其产生过程的状况偶然性与利益结构的印记，不对其建构进行分析就无法充分理解它们。……我的观察集中于植物蛋白质研究。这个领域其实包含了蛋白质的产生与回收、纯化、颗粒结构、质地、生物价值评估，以及在人类营养方面的应用等诸多方面。
这就将对纯粹好奇心驱使的复杂系统研究所做的观察与对研究的社会效益所做的思考结合了起来，从生物物理学到营养学。它看起来是一个内容丰富的课题，可供一个社会学家来研究。然而还是那句话，这种复杂性使人们难以找到证据来支持或反对以下情况，即这门学科是建立在某种客观实在基础上的，而这一客观实在可由我们已认可的理论物理学给出的预言来对其进行有用的近似。
其他社会学家，包括安德鲁·皮克林（Andrew Pickering）在其《建构夸克》（Constructing Quarks，1984；中文版参见安德鲁·皮克林：《构建夸克：粒子物理学的社会学史》，王文浩译，长沙，湖南科学技术出版社，2012 年。）一书中，都曾报告过他们对粒子加速器实验室里开展的基本粒子物理学研究所做的观察。表面上看来，这也很复杂，需要将一些庞大的科学家与工程师团队组织起来，进行设计、建造并利用粒子加速器和探测器来探寻粒子物理标准模型。从这种研究中发展起来的物理学理论尽管比牛顿物理学要复杂得多，但它是优雅的，就是弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）在《一个美丽的问题：寻找自然的深层设计》（A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design，2015）一书中所描述的那种优雅。这个理论有 26 个参数（取决于你把什么视为参数），数目不少。这些检验需要在该理论的指导下去搜寻高能粒子在一个圆环内碰撞后产生的一束束粒子。该理论并不完备，比如它没有包含暗物质和宇宙学常数。但我们不要偏离了重点。基本粒子理论目前有着很好的定义，而且它的许多预言都是明确的，并能够被可靠地计算出来。这些预言与大量经过仔细检查的、可再现的检验相符。或许在所有那些已用于探测物质并建立这个标准理论的工具之外，利用一些不同的工具也能得到一些范围相当的经验证据。
那么，一种不同的物质结构理论可能与这些证据相符吗？当然，同样的问题也适用于我们所有的自然科学。要证伪这个想法是不可能的，但我们可以说的是，如果两种不同的物质理论通过了实验室里和粒子加速器上的所有实验检验，那么对此的解释就需要看起来多得不可思议的各种巧合，这样的理由无非是“普特南奇迹”改头换面而已。
在我看来，支持社会建构的一种极富争议性的论据之典型，就是大卫·布鲁尔（David Bloor）在《知识和社会意象》（Knowledge and Social Imagery，1976）一书中表达的，从“社会学强纲领”（strong programme of sociology）这一角度对科学所做的评价：
对社会学家来说，知识就是被人们视为知识的任何东西。它由人们笃定地坚守并践行的那些信念所构成。社会学家会特别关注那样一些信念，它们被视为天经地义的或约定俗成的，或是被一些群体赋予了权威性的。
这种看法由来已久，一个世纪前席勒就在表达类似的想法。这对自然科学的某些方面是一种准确的描述。例如，1960 年爱因斯坦的广义相对论就是被一些功成名就的物理学家“赋予了权威性”。这些物理学家的确是出于一些他们认为有说服力但几乎完全是社会性的理由，而“笃定地坚守”广义相对论。
布鲁尔（1991）在他的书第二版后记中增加了这样的评论：
但是，强纲领不是说知识是纯社会性的吗？这不正是“强”这个形容词的意思吗？不是的。强纲领说的是社会性成分总是存在的，而且总是知识的构成成分。它并不是说它是唯一的成分，也不是说它是必须被找出来视为一切改变之诱因的一种成分：它可以是一种背景条件。
实际上，科学研究是有社会性成分的，即便科学家很少劳神去想它。但我们必须对自然科学研究的两个方面都考虑到：社会影响与对预言经验检验的寻求。
在 1900 年，物理科学家之所以笃定地坚守电磁学和牛顿物理学，是出于一条很好的理由：那种广泛的预言能力。我们已看到珀斯对于用四种迥异的方法测量光速而得到一致结果的讨论。它们需要不同的仪器，而且依赖于一些辅助假设：有的需要行星运动理论，有的需要一些电磁实验。这种一致性仍然是理论与实验成功比对的一个令人印象深刻的例子。一个世纪前还有其他的例子，想想社区电气化。假如标准物理学当初无法解释电磁能的产生、传播与消耗的话，恐怕我们早就对此有所耳闻了。现在我们有了更多证据：我们笃定地坚守相对论和量子物理学，因为它们的预言能力在更广泛的领域得到了充分检验。按照普特南奇迹这一标准，这些都是重要的经验证据，表明我们正在接近客观实在。
在科学家的这个例子中得出这样的结论，在布鲁尔看来将意味着：
知识社会学本身是不足为信的，或者说，它必须将科学的或客观的研究作为例外，从而将自己限定为一种关于错误的社会学。
在分析物理学家的所作所为，特别是他们的错误这方面，社会学家大有用武之地。“科学的或客观的研究”所产生的许多结果、那些预言检验，以及那些源自这种研究并已对社会造成很大影响（无论是好是坏）的产物，都必须被考虑在内。我们怎么能忽略这么多各式各样的证据呢？理查德·戴维德（Richard Dawid）在《弦理论与科学方法》（String Theory and the Scientifi c Method，2013）一书中展示了另一个方向上的思考。对一些根基牢靠的经验建构进行推广后，可以启发一些社会建构的形成。戴维德用“非经验确认”一词来指物理学界对这类社会建构的认可。戴维德所用的典型例子就是学界痴迷于超弦理论那难以抗拒的优雅这件事。这一概念是自然而然地从量子场论这一经过多种严格检验的理论推广而来的。那些关于超弦理论各种变体的新想法提供了与经验发生联系的可能性，但这还有待一个足以明确给出可检验预言的理论出现。对我们来说，更直接相关的是早先另一个非经验确认的例子。
当时，电磁场理论经过了充分检验并得到了广泛应用，并且它已经是相对论性的，而后来爱因斯坦才向我们证明为何狭义相对论应适用于物理学其他领域。爱因斯坦的广义相对论作为另一种场论，可以利用从电磁学场论得出的规则，以一种优雅的方式得到。当然，这在现在说来是更容易的，但关键在于广义相对论一开始是作为一种社会建构而得到认可的，是因其令人仰慕的出身而得到非经验确认的。只是到了后来，这个理论才上升为一种得到充分检验的经验建构。（我强调一下这个警告标志：此处的成功转变并不意味着其他非经验确认的理论一定能得到经验确认。）
接下来将要考虑的建构或范式增加，是为了说明以下四点。第一，一些建构可能会成为物理学的公认理论，因为它们已经通过了彻底的经验检验，偶尔也会因为它们与其他通过了严格检验而被认可的标准物理学之间的关系太优雅，令人难以拒绝。后者便是社会建构，但需要满足一个重要的限制条件，即它们是以一些富有成效的经验建构为例而受到启发后得出的。它们得到了非经验确认，其理由还没有被令人信服地确立起来，但它们看上去是值得被认真关注的。
第二，至少两种“默顿多重发现”会形成建构。有些明显是由社会压力与技术进步带来的机遇所致。另一些让人想到更微妙的或许是非语言的交流，就像一些思想以某种方式“飘在空中”，或者在今天来讲，飘在互联网的云端。
第三，人们发现社会建构可能也会给出一些能够通过经验检验的预言。前面提到过，这正是广义相对论所经历的。这种情况发生时，这样的建构就提升为一种经验建构，因为经验证据已进一步巩固了这样的事实，即对于我们正在揣测的客观实在，这种建构是一种有用近似。
第四，虽然我不是要低估社会在决定我们在科学中的行为方式时所起到的作用，但我也不想掩盖在启发建构的过程中，以及在决定哪些才是大致可靠地建立起来的对实在的近似时，观测和实验证据所起到的作用。
在各种想法影响下对证据进行综合评价，这种常见的做法导致了物理宇宙学建立过程中的范式增加。杰出的天体物理学家杰弗里·伯比奇（Geoff rey Burbidge）喜欢用“花车效应”（bandwagon effect）一词，来指自然科学界接受那些看似有趣的想法后产生的非常真实的影响。伯比奇强调，这种效应可能是有问题的，它促使人们不愿意重新考虑会被大多数人评价为前景黯淡的那些想法。但花车效应有时也是有用的，可以让人们先集中关注特定的想法，直到经验证据的检查迫使人们接受或调整它们。它减少了当许多想法都摆在台面上时所带来的混乱。不管以哪种方式，花车都会对科学产生真实的影响。
对于探究自然科学的本质来说，之所以考虑物理宇宙学的相对论性理论中范式建立的经过，其有利之处就在于这些现象是简单的，而在一些定义明确且相对简单的物理学定律范围内对其所做的解释也是简单的。这让自然科学的工作假设得以清晰展现。它会使结论带有偏见，因为大多数物理科学中的理论和实践要更为复杂。也许从化学一直到复杂度更高的生命物质这一范围内的现象，如果被更好地理解的话，会将我们引向一些更有趣的理论或更好的工作假设，但或许也会带来困惑。让我们从几个方面来考虑一下最后这种想法。
科学知识社会学
既然物理科学研究是由社会成员开展的，那么一旦物理学家勇于面对这一点，他们自然就会同意，科学结论是受社会影响的。也许可以很自然地沿这个思路继续提问，是否物理科学研究结果在很大程度上是一些社会建构，而不是对实在的探针。用哈莉特·祖克曼（2018）的话来说：
在知识社会学［被称为 SSK］的研究中……这些发表的论著所宣称的真正挑战，是如何证明社会与文化决定了科学家提出的知识论断的实质。这一新的议题并不是要对制度化手段（institutional approach）［与默顿和祖克曼有关］进行补充，它应该被视为理解科学运作方式的唯一途径。建构主义者最为重视的批评是关于制度化手段所存在的“深层缺陷”。它源自其未经查证的实证主义假设，也源自它对社会规范在约束科学家行为方面所起作用的依赖。
祖克曼与默顿关系密切。她回忆说：默顿——
为人所知的一句话是，他更愿意乘坐一架遵循空气动力学的科学定义而设计的飞机，不是一架作为社会建构而制造的飞机。
下面来看一位经验丰富的物理科学家皮特·萨尔森对科学知识社会学即 SSK 做何反应：
我提出如下思想实验：询问我们工业经济中任何一个具有一定职位的人，看她是否介意在她的工作中只使用没受到过去 25 年科学发现影响的那些技术。我预计你会看到几乎没人愿意。这证明了什么？……一个更有力的（在更好地描述世界这个意义上）理论，将会被那些对该理论的内容、表达或形而上学的成见绝无任何文化承诺（cultural commitment）的人所青睐。……全球定位系统（GPS）已无处不在，无论在其最初设计用于的军事领域里，还是在野外远足这类于人无害的活动中。GPS 所依赖的精确计时对一种微弱的［广义］相对论效应非常敏感，即时钟计时的速率依赖于钟表所在的引力场。除非考虑了在 GPS 卫星轨道上运行的时钟所处的特定引力环境，否则这些时钟无法给出该系统所依赖的正确读数。（Labinger and Collins，2001，第 287 页）
关于 SSK 以及“是社会建构还是经验建构”这一问题的众多争论，其激烈程度足以让人称之为科学大战。物理科学是在探索实在的固有属性，这也正是我在本书中所要表达的。这方面的论证集中于对照实验，它们给出可再现的结果，而这些结果可由经过充分检验的理论物理学给出的预言来进行解释。这些结果促使人们宣告科学的成功，但有时可能有些过分自信。
从另一个方面来考虑，社会建构主义的兴起或许就是被这种过分自信所触动，也被科学家喜欢编造寓言故事的倾向所触动—或者更委婉地说，被他们喜欢论证一些在别人看来问题严重的观点的倾向所触动。柯林斯和平奇（Collins and Pinch）在他们的《勾勒姆：关于科学，人人应该知道的》（The Golems: What Everyone Should Know about Science，1993）一书中给出了一些例子。在这些例子中，有些严重的异常现象是一些科学家本不应该如此严肃对待的。这类事情得到了纠正，但同时也可能引发人们的困惑。
社会学家对生命物质物理学研究的观察报告已在社会建构主义这一方产生了很大影响。这种研究需要各种神奇的技术来探测一些非常复杂的情况，它还需要猜测性的想法来解释研究结果。我钦佩这种研究，但可以想象，对于一个未曾在科学方面有过实践经验的旁观者，这可能无法激发他的信心。在这类研究中，不可能在理论和观测之间建立起那种能够对相对论与量子物理学的预言做出明确检验的清晰关联。重要的是，这些复杂系统中的对照实验是可再现的，而且这种研究已经产生了实际而有效的应用，这也表明了其可再现性。这些都是确凿的事实，是遵循理性运行的实在这一概念所具有的一个重要特征。但它们并不足以构成一个有说服力的理由，说明我们有证据认为我们的初始假设会让我们期待一种对客观实在的有用近似。
引力物理学的简单性与生物物理学分子的复杂性之间差别巨大，但界限并不明显。自然科学涉及各种各样程度不一的复杂现象。然而，还是让我们从简单的一方，即引力物理学来评估一下支持实在的理由。
作者简介：
皮布尔斯（P. J. E. Peebles），美国物理学家，现代物理宇宙学创始人之一；普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦科学教授、物理学荣誉教授，2019年诺贝尔物理学奖得主。他也是多本书的作者，包括Cosmology’s Century: An Inside History of Our Modern Understanding of the Universe，Principles of Physical Cosmology，Quantum Mechanics、Physical Cosmology等。
译者简介：
武星，中北大学半导体与物理学院副教授。
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