空气泵实验系统是对自然现象的经验探索和理论建构

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论文摘要

  一、史蒂文·夏平的社会学解释

  史蒂文·夏平在《利维坦与空气泵》中,对波义耳的空气泵实验以及相关方法论争论作出社会学分析,如他所说,进行“一项科学知识社会学的演练”.〔1〕夏平认同大卫·布鲁尔所提倡的,对知识进行“经验主义的自然主义”社会学或发生学研究。这一理念认为“哲学家们往往使用‘先天的’(apriori)方法对科学进行分析,而社会学家们则使用经验的方法或历史的方法对科学进行分析”;〔2〕十七世纪是近代科学在学科领域、方法和研究体系逐步明确的“科学革命时期”,在实验研究方面波义耳最具代表,而尤其空气泵实验反响最大;通过空气泵实验解释实验科学传统,被夏平视为实践科学知识社会学的捷径。

  夏平“广义但非正式地使用”生活形式概念:“对维特根斯坦而言,‘”生活形式“一词是为了凸显言说是活动或生活形式之一部分这一事实',我们同样将之当作对不同做事方式以及组织人类以达实际目的之不同方式的争论”.〔3〕这种运用源于大卫·布鲁尔;维特根斯坦追问命题或语言逻辑的确定性,认为是语词意义是在用法中得以理解的,逻辑确定性的根据是“生活形式”;大卫·布鲁尔对“生活形式”做出社会学解释,将其运用于考察科学知识。〔4〕夏平将生活形式运用到对实验的方法论分析,认为“感性的集体见证”是实验的“活动模式”(patternsofactivity),由“实验室生活形式”保证.即是说,实验的合理性不是由命题分析所得逻辑标准保障的,而是由“实验室生活形式”这一社会因素所支持的。

  夏平认为十七世纪英国,自然领域中求取知识与社会领域中达成共识、形成秩序的问题,在社会文化层面是相通的;实验方法取得相对于理性分析的方法论优势的原因是,与实验方法相应的政治主张战胜了与理性决断相应的政治主张---夏平称之为皇家学会的“党同伐异”.夏平说,在霍布斯看来感觉意见是纷争的根源,只有理性的决断才能产生共识;而对早期皇家学会和波义耳而言,公共见证才能达成共识,“秘术士”的私人经验、狂热者的私人判断和“现代教义论者”的理性独断都不利于产生共识。夏平认为空气泵实验就是对“感性见证确立事实”的实验方法的示范,实验室“活动模式”的合理性需要在更广泛的社会中找寻理由。夏平还质疑波义耳对空气泵实验的解释,说他区分“事实”与“原因”,在解释中又混淆两者,完全是维护实验解释“成规”.波义耳把空气重量、压力称为“效应”,把“空气弹性”称为假说,清楚表明“假说”只是一种理性假设。波义耳曾尝试对“空气弹性”做出机械解释,如用羊毛线团做类比,但还是未能真正澄清“空气弹性”的机械机制。“空气弹性”不被“感性见证”确立为“事实”,而是作为解释现象的“原因之梯”引导实验哲学研究。夏平甚至抱怨波义耳“事实”和“原因”的区分不够清楚,对实验室成规维护不够有力:“要把波义耳归为糟糕的形式知识哲学家其实很容易,他形构科学知识方法论的能力也不足。”〔5〕可见其迷误。夏平更激进地主张,不仅没有任何合理性的内在标准(不仅指逻辑标准),甚至科学一般而言没有进步;近代自然哲学批驳亚里士多德和炼金术的“神秘性质”但机械解释却同样神秘,“现代自然哲学家排斥神秘性质的同时,却又重新引入神秘性质”.〔6〕

  夏平认为空气泵实验之于波义耳的目的,仅仅是“举例证明一种可行的科学知识哲学”,这种观点脱离历史语境,受到众多批评。实际上,实验方法在十七世纪被广泛接受,即使是以理论体系着称的笛卡尔,在光学力学方面也进行了广泛的实验研究也很广泛。波义耳认同笛卡尔的机械论,但批评笛卡尔的现象解释,在空气泵实验中考察了笛卡尔所谓“以太”或精微物质之可能的现象。卡桑德拉·平林克(Cassandra Pinnick)指出夏平所谓霍布斯与波义耳自然哲学的对立形象是虚构的,霍布斯不仅重视“证明的知识”,而且也重视非证明的“创造”的价值。〔7〕

  迈克·亨特(Michael Hunter)认为夏平将政治考虑作为唯一因素解释实验,忽略了神学等其他重要原因。〔8〕罗斯-玛丽·萨根特(Rose-Mary Sargent)认为波义耳秉承培根的经验研究,但也强调理性假说的运用,其实验哲学用假说指导实验、用实验验证理论,“折衷”各种形而上学以寻找正确的自然理论。〔9〕玛丽-博厄斯·霍尔(Mary-Boas Hall)认为波义耳的机械论思想受伽森狄和笛卡尔学派影响,但他的微粒论学说却是植根于实验研究独立发展出的。〔10〕

  波义耳的实验哲学不仅是达成共识的方法论程序,而且是探索自然现象机械论解释的系统研究。空气泵实验一开始就面对逍遥学派、原子论、笛卡尔学派之间的形而上学和方法论争论。波义耳一方面批判经院哲学方法和自然理论,另一方面通过实验哲学建立新理论。在本文看来,波义耳的“实验哲学”不能简化为“感性见证”确立事实的方法论。只有全面分析空气泵实验的系统,考察实验的理论预设、理论假说、实验进展、对现象的解释等,才能理解空气泵实验对于波义耳实验哲学的完整意义。

  二、空气泵实验在实验哲学中的地位

  在“托里拆利实验”(1643)和帕斯卡的“多姆山实验”(1648)之后,“马德堡半球实验”(1654)引人注目的展示了大气压力的效应。1658年左右,波义耳从萨缪尔·哈特里布那里得知耶稣会士肖特(Schottus)书中记述的“马德堡半球实验”.〔11〕马德堡实验的抽气装置效率不高,波义耳就与罗伯特·胡克制作更简便易控的“空气泵”.〔12〕波义耳的空气泵由“接收器”和唧筒构成:接收器使上端开口的玻璃球,放置在支架上,接收器底端安装阀门与抽气唧筒连接;唧筒抽气配合开关阀门,抽出接收器中的空气。空气泵在实验中得以不断改进,如取消支架,把接收器设计为覆盖在平台上的密封的玻璃罩等。由于“空气泵”是十七世纪的着名的实验仪器,波义耳“气体研究”实验被称为空气泵实验。分析波义耳在皇家学会《哲学汇刊》上发表的篇目,可显示出他的实验兴趣,及空气泵实验在其研究中的地位,见表格1.

  表格1中,1-4,7、10、13、15-19属于搜集经验材料的博物研究,这些兴趣与波义耳早年所受培根的影响有关;5、9分别讨论钟摆、彗星,显示波义耳对同时代自然哲学热点问题的关注;9对冷的研究、22、23对燃烧的研究,也是遵循培根对自然现象进行经验考察的计划;11、20、24、27、29讨论空气弹性、压力和重量的实验及其解释。涉及空气研究的论文有5篇,为数最多,展示了波义耳与逍遥学派、笛卡尔学派、霍布斯等人的争论,这些论文与波义耳出版有关空气泵实验放入着作具有相近的规模,反映了“空气弹性”或真空问题对“新科学”自然哲学的重大关切。只有26设计化学实验(关于赫尔蒙特的两种酊剂);而没有一篇论文涉及微粒论等理论阐述。波义耳的化学实验及理论着述少见于《哲学会刊》,有以下三个原因:一是,尽管波亿耳等人将化学视为自然哲学的内在组分,但当时大多数学人还是将之视为一种技艺(Art)。二是,波义耳作为皇家学会的创始者之一,其论文在《哲学汇刊》创刊时期(1665-1666)较为常见,此后多出版为书籍,而他的助手胡克、帕平则在《哲学汇刊》上发表多篇关于空气研究的论文。三是,皇家学会早期研究浓厚的“培根科学”氛围,注重实用性知识,故关于纯粹理论的论文少见于《哲学汇刊》。

  表1

  波义耳“气体研究”写作贯穿其盛年,与他的化学、冷热、颜色、电磁实验及微粒论哲学的建立相并列。如在空气泵实验之前,1644-1652年间波义耳进行大量的化学实验,这些实验体现于“怀疑的化学家”(1661)。“新实验”续集出版期间,1660-1682波义耳还出版众多化学实验以及理论着作,如“一些自然哲学论文”(1661)、“形式与性质的起源”(1666)、“化学要素可生成性的实验和笔记”(1679)等。同时,波义耳用微粒论对冷热、颜色、电磁流射等实验现象进行机械论解释,如“关于颜色的实验”(1664)、“关于冷的新实验”(1665)、“反思霍布斯的冷的学说”(1665)、“关于奇妙的精微物质、巨大的效能和流射的确定性质”(1673)等。显而易见,空气泵实验或“气体研究”,不能与波义耳的其他实验研究及对微粒论学说孤立看待。空气泵实验与化学研究、建立微粒论的努力相一致,是波义耳实验哲学的重要领域。

  三、空气泵实验的实验系统

  波义耳“空气泵实验”的主要文献是“新实验”(1660)②、“续新实验”(1669)③、“续新实验二”(1682),④后两篇可看作“新实验”的续集。波义耳对质疑空气泵实验的回应见“辩护空气重量和弹性原则,回应莱纳斯(Linus)的反对”(1662,作为“新实验”第二版附录)以及“反思霍布斯的空气本性”(1662)。这些论辩性的文章没有很多实验,这“新实验”及其续集包含大部分“空气泵实验”,可“气体研究”的实验体系。

  根据不同的目的,“新实验”的实验可分为四种类型:

  第一类,展示气泵操作和展示空气弹性和压力,如接收器抽气后,其中含气瘪囊被鼓胀、密封玻璃瓶爆裂等;见表格2中1、7、10,共15个实验。

  第二类,记述空气泵中的“托里拆利实验”,论证汞柱由大气重量支撑;或论证大理石薄片贴附是大气压力支持;解释抽气时水中冒泡是隐藏在水中的空气,而不是泄漏进来的“精微物质”;见表格2中4、9,共11个实验。

  第三类,探索空气稀薄化或抽空了空气的容器对燃烧、声音、磁性、钟摆、呼吸、融化、酸腐蚀珊瑚、水的沸点等自然现象的影响。此类实验具有显着的特点,即是对照空气与抽气后的“稀薄化空气”或“波义耳真空”中的现象变化,探索现象的同时也考察“真空问题”.见表2中2、3、5、6、11、12、13、14,共15个实验。

  第四类,批驳逍遥学派的“自然位置”或空气的“轻性”学说,用热炭加热接收器中烟雾使其上升,见表2中8,共2个实验。

  表2

  “新实验”第一类、第三类重在展示仪器使用和显着现象,探索波义耳真空对燃烧、声音等效应的影响。第二类实验确认空气弹性和大气压力是“托里拆利实验中一定高度汞柱”的原因,受到反对者质疑最多。第四类意图用实验批驳逍遥学派的自然哲学和空气理论。

  “续新实验”与“新实验”实验类型大体一致,进行整合与增删,表述更加系统:

  第一类,空气压力的展示或定性实验,由原来的9个减为5个,增加对压力效果的细节研究,如E10、E16研究气压对固体体积的影响。见表3中2、3、4、5、6,共11个实验。

  第二类,研究空气重量或压力的效应。其中E19、E50对应“新实验”的E17、E31即研究托里拆利实验中汞柱高度、以及相附着的大理石薄片在真空中脱开,没有改动。增加定量考察,如E11-15研究不同液体的最大汲取高度或“特征高度”;E20说明“相同气压使液体上升高度与玻管粗细无关”;E28、29属于玻璃管中的细节现象,不关乎液柱高度和气压的研究;E30、E49用普通物体的重量表征大气压力等。见表3中1、7、10、11、12、14、15、21,共16个实验。

  第三类,“续新实验”关于空气的“探索性实验”有所增删。保留燃烧、声音、磁性等,细致考察抽气对烛焰颜色以及对生石灰潮解快慢的影响,新增真空中的毛细管现象;增加了为设计实用仪器所作的实验,如设计真空计和气压计、拔火罐等。见表3中8、9、13、16、17、19、20,共21个实验。某些“探索性实验”得以改进,如“新实验”E16研究真空中磁铁磁性,没有对磁性的理论预设,只是展示实验效应;而“续新实验”E31“真空中磁铁相吸”则预设了“磁性原因是粒子性的磁流射”,通过抽空粗大粒子后是否影响磁性来进行理论研究。第四类,新增实验反驳笛卡尔学派的以太学说。抽空接收器后,用重物压缩其中皮制风箱,风箱气口处的羽毛无运动,故抽空后接收器中并不存在连续态的“以太”.见表3中18,共2个实验。

  表3

  “续新实验二”标注实验日期、附加数据图表,使实验的表述更具体。其中未提出新理论,或者新的现象解释,划归为19个主题的183个实验不再着重关注空气弹性的原因和效应,而是关注人造空气与普通空气、压缩空气与稀薄空气对现象影响,尤其是对物品储存的影响;这些关注保存食品、烹饪等实际用处的实验,具有明显“博物研究”性质。

  表4中11、12研究气体的产生与摧毁(如食物腐败产生气体,气体燃烧后销毁)属于化学实验,与微粒论关系更为紧密。如主题11实验5,在抽空接收器中将王水泼上氧化钾,产生气体,标注气压计的汞柱高度,半月后产生的气体没有消失,汞柱高度不变,而液体中形成了硝石结晶。

  表4

  四、小结:理论预设与实验系统

  综上所述,空气泵实验作为系统实验,包含不同类型的众多实验。这些实验是在波义耳实验哲学的统一框架下设计、实施,均受其微粒哲学引导,单个实验需在系统实验的总体目的中加以解释。“感性集体见证确立事实”只涉及实验室探索结束之后的演示阶段,不是对实验方法的完备描述。实验的价值绝不止于确立事实。比如制作气压计、高压锅等实用性实验、为反驳而设计的实验、以及没有具体结果或失败的实验,难说“确立事实”.由于能启发实验研究,波义耳对失败的实验甚至更为重视。系统实验是理论预设和经验研究互动的过程:理论引导实验和解释实验现象,实验获得的新经验开拓新领域,实验支持或质疑理论;在此过程中,实验获得进展的方向,理论得以具体化,理论与实验相互支持构成不断展开的系统实验研究。

  首先,“真空存在”是波义耳思考“空气弹性”或“空气稀薄化”的理论前提。逍遥学派自然哲学认为“气”是四元素之一;“气”元素是“湿而热”性质的组合;气的“自然位置”位于火和水之间;宇宙充满,不存在真空,位于“自然位置”的气或水不再有运动趋向,因此没有“重量”.在波义耳而言,不存在虚空,物质就无法凝聚或分散,也无法被压缩或稀薄化;若否认“真空存在”,空气弹性便难以理解。逍遥学派的理论无法解释“托里拆利实验”中一定高度的汞柱,以及汞柱之上的空间。空气泵实验尚不能就“真空是否存在”给出最后的判决,但作为一种理论预设,“真空存在”通过支持“空气弹性”假说,以及后者对气体压力和重量等现象的成功解释,使微粒论取得了相较逍遥学派和其他“充满论”的优势。这促使波义耳对“真空存在”做出正面表述,说空气泵抽气后接收器中没有气压,因此“应当称为真空,尽管我们不能将它与空气做出完美的区别”.

  其次,“真空存在”和“空气弹性”假说是空气泵实验先行假说和解释现象的基础预设。如“新实验”E29-30用烟雾加热上升验证空气加热后被稀薄化,就是由空气经加热扩张的理论引导而设计的,离开这些理论预设,该实验将无法被理解、也无从批驳逍遥学派的空气“轻性”学说。再如“续新实验二”主题11中的21个实验.

  再次,实验对空气压力和重量的机械解释与“真空存在”假说相互支持。空气压力和大气重量是“空气弹性”的直接效应。而“新实验”和“续新实验”中大量研究空气和真空对燃烧、声音、磁性、呼吸等影响的实验,与讨论“空气压力和重量”主旨并不直接相关。作为实验研究的总体计划,波义耳花费大量努力研究冷热、颜色、声音、磁性等现象并寻求机械解释,但是,在“新实验”中,这些实验的主要目的是将抽空之前与抽空之后的接收器中这些现象相对照,寻找可观察的差别以支持“真空存在”预设。反之,很难解释针对这些纷繁现象的空气泵实验到底确立了那些“事实”.

  最后,“真空存在”是波义耳微粒论的基本理论预设,“真空不存在”则是逍遥学派目的论自然哲学。微粒论认为,物质和运动是自然最基本的要素;运动将物质分散为最初级的微粒,若无虚空,微粒将不能互相分别;分散的微粒逐级凝结成物体,微粒的大小、性质、运动和排列是物体多种性质的“机械原因”.〔13〕在空气泵实验中,波义耳常用“孔洞”(pore)等对现象做出机械解释,如“新实验”E21-22,水在抽气后会产生气泡,波义耳解释说这些空气原先隐藏在水的“孔洞”中。〔14〕而微粒之间的“孔洞”则是微粒学说解释物体各种特殊性质的机械原因之一。

  空气泵实验既研究空气的弹性及其效应,也研究空气或真空中的燃烧、声音等现象,实验哲学既探索新现象,也阐明解释现象的理论的意义;不仅要确立获取新的经验事实,也需理解实验形而上学预设寻求经验支持。空气泵实验的系统设计、总体目的和实验进展显示出形而上学预设、理论假说和经验在实验研究中的互动。这种互动将空气泵实验与波义耳在化学等其他方面的实验以及微粒论机械哲学的建立联系起来,契合波义耳主张的“实验的自然哲学”.考察形而上学理论与经验,在实验中的相互联系和相互作用是理解十七世纪自然哲学的基本起点。(图标略)

参考文献
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