驳迪昂的非充分决定性论题以粒子散射实验为例

驳迪昂的非充分决定性论题———以α粒子散射实验为例何冬玲王静摘要：迪昂在《物理理论和实验》一文中指出：实验对理论没有充分决定性，不论是对单个理论的检验，还是对相互竞争的理论间的选择，实验都不具有充分决定性。

这一非充分决定性论题在科学哲学界引起了极大的影响和热烈的讨论。

但是，对α粒子散射实验进行仔细分析，能够有效反驳迪昂的非充分决定性论题。

这从一个方面证明了“实验有自己的生命力”。

在此实验案例中，实验对其他错误理论的否证和对正确理论的证实都是充分的。

这表明严格的实验对理论具有充分决定性，迪昂的非充分决定性是不成立的。

关键词：非充分决定性；α粒子散射实验；实验证据；科学理论；判决性实验中图分类号：B94文献标志码：A 文章编号：2095-0047（2012）05-0139-07作者简介：何冬玲，武汉大学哲学学院科学技术哲学专业博士研究生；王静，西南大学政治与公共管理学院哲学系教授。

基金项目：本文属于复旦大学“985工程”三期整体推进人文科研项目“以实在性、规范性、合理性为核心问题的科学哲学研究新纲领”（项目批准号：2011RWXKYB041）的研究成果。

一、迪昂的非充分决定性论题的涵义和影响皮埃尔·迪昂(Pierre Duhem)是法国杰出的科学家、科学史家和科学哲学家。

作为身处科学前沿的一流物理学家，他对科学的发展历史有着广泛而深入的了解和研究，这种双重的知识背景和智力结构使他在科学哲学方面作出了杰出的贡献。

迪昂通过系统的思考对物理学理论的意义提出了自己的独特见解，并把他的思想详细地表述在其著作《物理学理论的目的和结构》之中。

这本书堪称现代科学哲学的经典著作，其中提出的观点和问题仍是当今科学哲学界热议的话题。

本文的讨论主要是基于这本经典著作中第二编第七章的内容，即“物理理论和实验”。

实验不仅是一种观察的形式，也是科学的一般技术方法。

罗吉尔·培根（Roger 哲学分析Philosophical Analysis 第3卷第5期2012年10月Vol.3，No.5Oct.，2012哲学分析2012年第5期Bacon）是近代实验科学的先驱，他积极主张并且从事科学实验活动，认为观察和实验才是获得真知的唯一方法。

罗吉尔·培根的实验科学观点对自然科学的发展影响极大，从他开始，实验科学开始逐渐发展起来，并很快成为科学研究的重要方面。

然而，迪昂在他的著作中却提出了实验的非充分决定性（underdetermination）。

在他看来，在相互竞争的理论之间，实验不能做出裁决，实验不能充分地说明理论的真假，也不能充分地对单独的理论或假说进行证实或者证伪。

迪昂在《物理学理论的目的和结构》一书中对实验在理论间的选择和判定作用进行了批判和质疑。

他首先对检验性实验是否具有对理论的验证功能进行了讨论，从理论的整体性观点出发对检验性实验进行反驳；然后，他进一步指出：既然实验对理论不具有证实或证伪的能力，那么判决性实验（crucial experiment）就不可能存在。

迪昂在文章中指出，实验结果的矛盾不能说明理论的正确与错误，即实验对理论既没有充分否证性，又没有充分证实性。

因为，实验矛盾仅仅表明了这个理论整体中存在错误，但是并没有确切地指出是哪一个理论假说错了。

他认为，理论是一个系统的有机整体，它的各部分是相互联系的，我们不能把它当作机器一样，把各部分单独拆下来进行检测。

理论作为一个有机整体，只能在有机系统之中去检验它，也就是说，—这就类似于纽拉特（O.Neurath）的我们只能检验处于理论网络之中的理论假说——“修船隐喻”：我们只能对在茫茫大海上航行的船只进行翻修，只能边修补边前进，永远不能在船坞上把每个零件拆下来加以重建。

既然单个假说接受实验的检验是不可能的，那么针对单个假说所设计的实验也是不合理的。

因为整个实验程序的设计和实验结果的说明会不可避免地涉及其他理论假说和理论背景，所以判决性实验是不存在的，实验结果对理论既不能充分地证实也不能充分证伪。

迪昂更是以争论了三百多年之久的光的微粒说和波动说为例指出：不论科学家进行了多少实验，都没能在这两个长期对立理论之间做出一个最终的判决和裁定，这就是因为实验对理论没有充分决定性。

迪昂认为，科学家们对实验抱有太高的期望，希望实验能够作为理论的试金石，并把科学理论的发展简单地建立在实验的基础上。

然而，这在迪昂看来都是不可行的。

实验证据既不能判决理论是真的，也不能说明理论是假的，实验证据和理论之间的关系是一种非充分决定性的关系。

科学家所期待的权威的判决性实验从历史事实来看是不存在的，那只是人们对实验的一厢情愿的崇拜。

迪昂从这两方面对实验进行了强烈的批判，认为实验对理论间的选择而言根本不起作用，实验对理论的检验和选择都是非充分决定性的。

他的批判动摇了实验在科学理论中的基础地位。

①①参见Pierre Duhem,The Aim and Structure of Physical Theory,P.Wiener(trans.),Princeton:Princeton University Press,1982,pp.59-64。

二、实验的反击———α粒子散射实验哈金（I.Hacking ）是新实验主义的代表人物，他在《表象与介入》一书中提出“实验有自己的生命力”。

这不仅是一个口号，也是为实验应有地位的一种有力的呐喊。

实验叩开了化学的大门，化学的最初产生与人们对炼金术的狂热有关，炼金术的广泛影响使人们开始了最初的实验操作，溶解、煅烧、蒸发、蒸馏等实验操作为化学的发展奠定了技术基础。

所以，实验在整个化学科学中起到一种类似于基石的作用，实验技术的不断累积、实验操作的发展，推动化学逐步向前发展。

在整个化学史中，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford ）的α粒子散射实验具有不可忽视的重要意义。

正是由于α粒子散射实验确立了原子内部的基本结构，才有了玻尔等后来的科学家关于原子内电子的分布和电子轨道理论的发展，才使得科学家在原子结构模型理论的基础上进一步推进了核理论的发展。

可以说是α粒子散射实验打开了通向微观领域的大门。

英国化学家道尔顿提出的原子学说使人们对物质的认识从表面进入到内部，从物质世界的表观现象深入到了物质间作用反应的实质，让人们能够用原子间的作用和反应来解释各种物理现象。

道尔顿引入的原子概念沿用至今，“原子”一词亦已拥有更丰富的内涵。

最初，道尔顿的原子学说并没有涉及原子的结构，以至于在很长的时间里人们都认为原子就是一个不能再分割的最小的实心球体。

随着化学的进一步发展，希托夫(J.W.Hittorf ，1824-1914)于1869年发现，真空放电于阴极，并以直线传播———这就是阴极射线。

在众多化学家对阴极射线研究二十余年之后，汤姆逊（Joseph John Thomson ，1856-1940）发现了阴极射线由电子组成，而电子是各种原子的一个共同组成部分；同时，他还测出了电子的质量是氢离子的千分之一。

原子是不带电的，这说明原子内除了比它质量小千倍的带负电的电子外，还存在带正电的东西，它与电子所带的负电荷相互中和，使原子呈中性。

①既然原子内有电子，还有带正电的东西，那它们在原子的内部究竟是怎样分布的呢？这种带正电的东西究竟是什么呢？原子内部的结构是怎么样的？这一系列的疑问使科学家们充分发挥各自的想象力，在科学实践和当时所得到的实验观测结果的基础上提出了各种不同的原子结构模型。

首先是法国物理学家佩兰（Jean Baptiste Perrin ，1870-1942）提出了行星结构原子模型。

他认为原子的中心是带正电的粒子，周围围绕着的电子阴极射线就是由最外层电子抛出的。

第二种原子结构模型是中性原子模型。

1902年，德国物理学家勒纳①参见《化学发展简史》编写组：《化学发展简史》，北京：科学出版社1980年版，第239-243页。

驳迪昂的非充分决定性论题———以α粒子散射实验为例哲学分析2012年第5期德（Philipp Edward Anton Lenard，1862-1947）在对阴极射线能穿透真空管内铝窗的观察基础上提出中性微粒动力子模型，并在后来的吸收实验中证明了自己的观察。

勒纳德设想原子内的大部分体积是空的，但是里面散落有若干阳电和阴电的合成体，所以整个原子呈中性状态。

第三种模型是葡萄干蛋糕模型。

英国著名物理学家开尔文(Lord Kelvin，1824-1907)，在1902年提出了实心带电球原子模型，他把原子看成是均匀带正电的球体，带负电的电子埋藏在里面，所以正常状态下的原子处于静电平衡。

汤姆逊在此基础上加以发展，在1904年提出了一种新的原子结构模型。

他认为原子是一个均匀的带有正电的球体，而带负电的电子对称地镶嵌在这个球中。

电子在平衡位置上振动，所以可以发出电磁辐射，其电磁辐射的频率就等于电子振—整个原子就像一块动的频率。

汤姆逊的原子结构模型被称作“葡萄干蛋糕”模型——蛋糕，蛋糕体是带正电的“原子球体”，电子就是嵌在蛋糕中的葡萄干。

①汤姆逊的原子模型不仅能解释原子的电中性，还能解释阴极射线现象和金属在紫外线的照射下发出电子的现象，通过这个模型还可以估算出原子的大小约10-8厘米。

正是由于这些原因，汤姆逊的原子模型被许多物理学家所接受。

第四种原子结构模型是土星模型，日本物理学家长冈半太郎(Nagaoka Hantaro，1865-1950)在1903年提出了“土星模型”的原子结构，同时也批评了汤姆逊的模型。

他认为，正负电荷不能相互渗透。

长冈半太郎的“土星模型”认为，原子内带正电的粒子位于核心，电子在周围围绕核心转动，这些电子以等间隔分布，并以同样的角速度做圆周运动。

②以上四种主要的原子结构模型在一定程度上都能解释一些当时的实验事实，它们是随着科学的发展而不断进化或改进的原子结构理论，但是它们都不能完全解释所有的实验事实，各种原子结构理论之间也没有达成一致。

不同科学家采用不同的原子结构模型，造成了一种混乱的局面。

这些原子结构模型都能解释阴极射线的产生，但是它们局限于各自的小范围内，既不能解释所有的实验结果，对后来出现的新的实验结果也不能很好地解释。

但是，在当时的物理学家面前有两套已经被科学家接受的和谐性：一套是门捷列夫所揭示的化学元素之间的和谐性，另一套是巴尔末（J.J.Balmer）所揭示的原子谱线的和谐性。

这是当时关于原子内部所公认的两套信息。

汤姆逊的原子模型可以解释第一套和谐性，但是解释不了第二套和谐性，而长冈半太郎的“土星型模型”可以解释线光谱，却不能说明原子的周期律。

几年后，英国物理学家欧内斯特·卢瑟福的α粒子散射实验不仅否定了以上所有的原子结构模型，而且以充分的实验证据证实了原子结构的太阳系模型。