密立根油滴实验历史评价中的哲学背景分析 王延锋 (上海交通大学科学史与科学文化研究院) 摘要：关于密立根油滴实验及其与埃伦哈夫特之争，逻辑经验主义者普遍盛赞密立根的精湛 技艺和完美的数据：历史主义者将之作为“观察渗透理论”的典型：当代新实验主义者则试 图从实验本身为密立根对数据的选择作合理辩护。此案例表明，不同历史时期，在不同的哲 学观念影响之下，对同一科学史问题有不同的解释，历史评价永远没有终结。 关键词：密立根油滴实验：观察渗透理论：新实验主义 一，引言 密立根油滴实验是现代实验物理学中极为重要，也是引起争议最多的一项实验。2002 年，美国布鲁克海文国家实验室的历史学家罗伯特·克瑞丝(Robert P.Crease)做了一次调 查，要求科学家提名科学史上最美丽的实验。结果，密立根的油滴实验与伽利略的落体实验、 牛顿的棱镜分光实验等并称“科学上十个最美丽的实验”。四但是，也有学者指出，密立根 凭个人偏见选择数据发表，有欠诚实公正。2即.67-1甚至有学者指责他“私自修改数据，弄 虚作假”。密立根油滴实验已届一百周年（最重要的实验于1912年完成，1913年发表)， 有不少学者对密立根的实验及其与埃伦哈夫特的争论，甚至诺贝尔奖的公正性等提出许多颇 不相同的评论，众说纷纭。本文力图从时代哲学背景就其中比较典型的观点做梳理分析，以 探讨不同学者评价差异如此之大的根源。 二，实验经过 1897年，英国卡文迪什实验室的汤姆逊(.J.Thomson)利用阴极射线在电磁场中的偏 转测量了电子的荷质比，初步判定电子的存在。从此，汤姆逊与其同事汤森德(JS.E. Towsend)、研究生威尔逊(H.A.Wilson)等尝试不同的方法精确测定电子的电荷。在曼彻 斯特从事放射性实验的卢瑟福(Ernest Rutherford)很坚信电子的存在，并用a散射实验推算 电子的电荷量。但是，欧洲大陆的一些科学家，如法国的皮埃尔·迪昂(Pierre Duhem)、 奥地利的恩斯特·马赫(Ernst Mach)等不相信原子论假说。其中一些科学家，如密立根的 光学和电磁场理论老师，德国柏林大学博士学位获得者迈克尔·普品(Micheal Pupin)等不 仅反对原子论，而且明确主张电是一种连续流体而不是分离的电子。但是，随着汤姆逊、汤 森德、威尔逊等测量电子电荷取得进展，加上放射性、x射线等其它新发现，科学界越来越 倾向于电的原子论。 最先直接测量电子电荷的是爱尔兰物理学家汤森德。1897年，汤森德依据电解出来的气 体分子有少量带电，使其通过水泡出来形成云雾状带电水滴，测出一定体积内云雾水滴的总 质量和总电量，并观察顶层云雾水滴下降的速度，用斯托克斯公式求出水滴的半径，计算出 水滴的总数，假定每个水滴带一个单位的电荷e,就可计算出e值。汤森德得出e=3×I010静 电单位。次年，汤姆逊改进汤森德的办法，用x射线使水滴带电，测出e=6.5×1010静电单位。 1903年开始，威尔逊又改进汤姆逊的办法，用铜板给云雾室加上竖直方向的电场，以控制水 滴的运动，测出e=2.0×1010~4.4×10-10静电单位，平均值e=3.1×10-10静电单位。 1906年开始，密立根重复威尔逊的实验，用云雾室测定电子的电荷，得出的数据跟威 尔逊的相似，起伏很大，没有发表的价值。为提高实验的精确度，1907~08年，他与助手 贝格曼(Begeman)改用镭化合物电离云雾，进行的十次观测结果e=3.66.0×10-10~4.37×10-10 1
1 密立根油滴实验历史评价中的哲学背景分析 王延锋 （上海交通大学科学史与科学文化研究院） 摘要：关于密立根油滴实验及其与埃伦哈夫特之争，逻辑经验主义者普遍盛赞密立根的精湛 技艺和完美的数据；历史主义者将之作为“观察渗透理论”的典型；当代新实验主义者则试 图从实验本身为密立根对数据的选择作合理辩护。此案例表明，不同历史时期，在不同的哲 学观念影响之下，对同一科学史问题有不同的解释，历史评价永远没有终结。 关键词：密立根油滴实验；观察渗透理论；新实验主义 一，引言 密立根油滴实验是现代实验物理学中极为重要，也是引起争议最多的一项实验。2002 年，美国布鲁克海文国家实验室的历史学家罗伯特·克瑞丝（Robert P. Crease）做了一次调 查，要求科学家提名科学史上最美丽的实验。结果，密立根的油滴实验与伽利略的落体实验、 牛顿的棱镜分光实验等并称“科学上十个最美丽的实验”。[1]但是，也有学者指出，密立根 凭个人偏见选择数据发表，有欠诚实公正。[2,(pp.67-71)]甚至有学者指责他“私自修改数据，弄 虚作假”。[3]密立根油滴实验已届一百周年（最重要的实验于 1912 年完成，1913 年发表）， 有不少学者对密立根的实验及其与埃伦哈夫特的争论，甚至诺贝尔奖的公正性等提出许多颇 不相同的评论，众说纷纭。本文力图从时代哲学背景就其中比较典型的观点做梳理分析，以 探讨不同学者评价差异如此之大的根源。 二，实验经过 1897年，英国卡文迪什实验室的汤姆逊(J. J. Thomson) 利用阴极射线在电磁场中的偏 转测量了电子的荷质比, 初步判定电子的存在。从此，汤姆逊与其同事汤森德（J. S. E. Towsend）、研究生威尔逊（H. A. Wilson）等尝试不同的方法精确测定电子的电荷。在曼彻 斯特从事放射性实验的卢瑟福（Ernest Rutherford）很坚信电子的存在，并用α散射实验推算 电子的电荷量。但是，欧洲大陆的一些科学家，如法国的皮埃尔·迪昂（Pierre Duhem）、 奥地利的恩斯特·马赫（Ernst Mach）等不相信原子论假说。其中一些科学家，如密立根的 光学和电磁场理论老师，德国柏林大学博士学位获得者迈克尔·普品（Micheal Pupin）等不 仅反对原子论，而且明确主张电是一种连续流体而不是分离的电子。但是，随着汤姆逊、汤 森德、威尔逊等测量电子电荷取得进展，加上放射性、x射线等其它新发现，科学界越来越 倾向于电的原子论。 最先直接测量电子电荷的是爱尔兰物理学家汤森德。1897年，汤森德依据电解出来的气 体分子有少量带电，使其通过水泡出来形成云雾状带电水滴，测出一定体积内云雾水滴的总 质量和总电量，并观察顶层云雾水滴下降的速度，用斯托克斯公式求出水滴的半径，计算出 水滴的总数，假定每个水滴带一个单位的电荷e，就可计算出e值。汤森德得出 e=3×10 -10 静 电单位。次年，汤姆逊改进汤森德的办法，用x射线使水滴带电，测出 e=6.5×10 -10 静电单位。 1903年开始，威尔逊又改进汤姆逊的办法，用铜板给云雾室加上竖直方向的电场，以控制水 滴的运动，测出 e=2.0×10 -10 ～4.4×10 -10静电单位，平均值 e=3.1×10 -10静电单位。 1906 年开始，密立根重复威尔逊的实验，用云雾室测定电子的电荷，得出的数据跟威 尔逊的相似，起伏很大，没有发表的价值。为提高实验的精确度，1907～08 年，他与助手 贝格曼（Begeman）改用镭化合物电离云雾，进行的十次观测结果 e=3.66.0×10 -10 ～4.37×10 -10
静电单位，平均值为4.03×1010静电单位，这个结果有所收敛，但起伏仍然很大。1908年1 月，密立根在美国物理学会会议上报告了他用云雾室法得出的数据，论文摘要在当年《物理 评论》2月期上发表，得到卢瑟福等物理学家的关注。卢瑟福与盖革(Geiger)正在测量a 粒子的电荷，得出9.3×1010静电单位。他们假定一个ā粒子的电荷是电子电荷的两倍，那 么电子电荷应当为4.65×100静电单位。卢瑟福提出水滴存在蒸发问题，可能导致数值偏小。 为解决水滴蒸发问题，密立根及其助手在1909年春改用“平衡水滴法”，即给云雾水 滴加上与重力方向相反的电场力，使云雾水滴平衡悬浮起来，以观察蒸发的快慢。为使水滴 能悬浮，密立根改用更强的电场（达10000伏特）。然而，强电场导致云雾散开。但云雾散 开后仍有少量水滴保持在视界内，悬浮于强电场中。他将观察的对象转变到这些悬浮的水滴 上来。密立根注意到，某些水滴显然是捕获了一份新的电量，从而突然发生移动。观察这些 突然移动的水滴，密立根推算，电荷量是以某个最小量的整数倍形式出现的，这支持了有最 小单位电荷的假定。密立根在1909年8月加拿大温尼伯举行的英国科学促进会上报告了他 的新结果，并在同年12月的《物理评论》，以及1910年1月的《哲学杂志》上发表了用“平 衡水滴法”测量单个水滴的首篇重要论文，得出e=4.65×1010静电单位。 就在同一时期，奥地利维也纳大学的埃伦哈夫特(FeliⅸEhrenhaft)用另一种方法测量 电子的电荷。埃伦哈夫特一直在研究无机胶体状物质的布朗运动，并因此在物理学界享有声 誉，荣获19l0年维也纳科学院赖本(Leiben)奖。埃伦哈夫特用超级显微镜观测单个金属 碎片（比如电弧里的银蒸汽）和香烟烟雾的布朗运动，于1907年完成他的首篇测量电子电 荷的论文，得出与密立根相似的结论，认为数据支持原子论假说。1909年春开始，埃伦哈 夫特改变他的实验方法，他给胶状金属微粒加上水平方向的电场，观测有电场和无电场时金 属微粒的运动，用斯托克斯公式求出微粒的质量，计算其电荷量。1909年3月至4月，他 提交了三篇论文，得出e=4.6×1010静电单位。埃伦哈夫特还在文章中提到，密立根1908年 的测量值偏小（相比卢瑟福的散射实验），暗示密立根的数据没有他的好。2，.48) 密立根在1910年1月《哲学杂志》上的文章对埃伦哈夫特的批评作了回应（也包括对 其他同行的实验作了评论)。他指出，埃伦哈夫特的实验有几个方面的“不确定性”：加电场 和不加电场时追踪观测的是不同的微粒，加电场时观测的是受水平电场力作用而运动的粒 子，不加电场时观测的是在重力作用下下落的粒子，求出的只是统计平均：求粒子半径的方 法值得怀疑，对微小的金属微粒没有考虑对斯托克斯定律作修正，等等。虽然他承认埃伦哈 夫特的数据看似合理，但其方法不可接受。相比之下，他的平衡水滴法始终观测单个水滴的 运动，除了斯托克斯定律的适用性（他已花费大量时间对其修正），他的实验在理论上不存 在不确定因素。这实际上将埃伦哈夫特的实验置于非常尴尬的境地。 此后几年，埃伦哈夫特及其学生投入很大的精力做实验，力图对密立根的批评来一个 彻底反驳。首先，1910年春，埃伦哈夫特改用水平冷凝器和竖直方向的强电场，足以使金 属微粒反抗重力而上升。他用此方法研究电弧中的铂和银微粒，在进行了近300个微粒观测 之后，他报告惊人的结果：微粒所带电量并非是单个或双倍某个电量，而是介于两者之间或 者更小。他所计算的22个数据，数值分布在7.35×1010~1.38×1010静电单位之间，最小值 相当于原来测量值的三分之一。他还声明这不能归结为方法上的错误，是实验自然得到的结 果。在1910年5月份提交给维也纳科学院的一份报告中，埃伦哈夫特正式使用“分数电荷” (subelectron)一词，报告所观测的金微粒总带电量从5×10l1~1.75×10-10静电单位连续变 化。因此他宣称，实验结果表明，自然界不可再分的电量单位不可能存在于1×1010静电单 位及以上的量级，这些结果“不允许他们支持电子理论的基本假设”。2，仰58) 其次，埃伦哈夫特还直接攻击密立根1910年1月发表在《哲学杂志》上的数据。他用 另外一种方法对密立根的数据逐一重新计算，得出液滴电荷量从8.60×1010~29.82×1010静 电单位不等，并非自明地显示出某个基本单位的整数倍。而且，密立根在文章中坦率地将观 2
2 静电单位，平均值为 4.03×10 -10静电单位，这个结果有所收敛，但起伏仍然很大。1908 年 1 月，密立根在美国物理学会会议上报告了他用云雾室法得出的数据，论文摘要在当年《物理 评论》2 月期上发表，得到卢瑟福等物理学家的关注。卢瑟福与盖革（Geiger）正在测量α 粒子的电荷，得出 9.3×10 -10 静电单位。他们假定一个α粒子的电荷是电子电荷的两倍，那 么电子电荷应当为 4.65×10 -10静电单位。卢瑟福提出水滴存在蒸发问题，可能导致数值偏小。 为解决水滴蒸发问题，密立根及其助手在 1909 年春改用“平衡水滴法”，即给云雾水 滴加上与重力方向相反的电场力，使云雾水滴平衡悬浮起来，以观察蒸发的快慢。为使水滴 能悬浮，密立根改用更强的电场（达 10000 伏特）。然而，强电场导致云雾散开。但云雾散 开后仍有少量水滴保持在视界内，悬浮于强电场中。他将观察的对象转变到这些悬浮的水滴 上来。密立根注意到，某些水滴显然是捕获了一份新的电量，从而突然发生移动。观察这些 突然移动的水滴，密立根推算，电荷量是以某个最小量的整数倍形式出现的，这支持了有最 小单位电荷的假定。密立根在 1909 年 8 月加拿大温尼伯举行的英国科学促进会上报告了他 的新结果，并在同年 12 月的《物理评论》，以及 1910 年 1 月的《哲学杂志》上发表了用“平 衡水滴法”测量单个水滴的首篇重要论文，得出 e=4.65×10 -10静电单位。 就在同一时期，奥地利维也纳大学的埃伦哈夫特（Felix Ehrenhaft）用另一种方法测量 电子的电荷。埃伦哈夫特一直在研究无机胶体状物质的布朗运动，并因此在物理学界享有声 誉，荣获 1910 年维也纳科学院赖本（Leiben）奖。埃伦哈夫特用超级显微镜观测单个金属 碎片（比如电弧里的银蒸汽）和香烟烟雾的布朗运动，于 1907 年完成他的首篇测量电子电 荷的论文，得出与密立根相似的结论，认为数据支持原子论假说。1909 年春开始，埃伦哈 夫特改变他的实验方法，他给胶状金属微粒加上水平方向的电场，观测有电场和无电场时金 属微粒的运动，用斯托克斯公式求出微粒的质量，计算其电荷量。1909 年 3 月至 4 月，他 提交了三篇论文，得出 e=4.6×10 -10静电单位。埃伦哈夫特还在文章中提到，密立根 1908 年 的测量值偏小（相比卢瑟福的散射实验），暗示密立根的数据没有他的好。[2, (p.48)] 密立根在 1910 年 1 月《哲学杂志》上的文章对埃伦哈夫特的批评作了回应（也包括对 其他同行的实验作了评论）。他指出，埃伦哈夫特的实验有几个方面的“不确定性”：加电场 和不加电场时追踪观测的是不同的微粒，加电场时观测的是受水平电场力作用而运动的粒 子，不加电场时观测的是在重力作用下下落的粒子，求出的只是统计平均；求粒子半径的方 法值得怀疑，对微小的金属微粒没有考虑对斯托克斯定律作修正，等等。虽然他承认埃伦哈 夫特的数据看似合理，但其方法不可接受。相比之下，他的平衡水滴法始终观测单个水滴的 运动，除了斯托克斯定律的适用性（他已花费大量时间对其修正），他的实验在理论上不存 在不确定因素。这实际上将埃伦哈夫特的实验置于非常尴尬的境地。 此后几年，埃伦哈夫特及其学生投入很大的精力做实验，力图对密立根的批评来一个 彻底反驳。首先，1910 年春，埃伦哈夫特改用水平冷凝器和竖直方向的强电场，足以使金 属微粒反抗重力而上升。他用此方法研究电弧中的铂和银微粒，在进行了近 300 个微粒观测 之后，他报告惊人的结果：微粒所带电量并非是单个或双倍某个电量，而是介于两者之间或 者更小。他所计算的 22 个数据，数值分布在 7.35×10 -10～1.38×10 -10 静电单位之间，最小值 相当于原来测量值的三分之一。他还声明这不能归结为方法上的错误，是实验自然得到的结 果。在 1910 年 5 月份提交给维也纳科学院的一份报告中，埃伦哈夫特正式使用“分数电荷” （subelectron）一词，报告所观测的金微粒总带电量从 5×10 -11～1.75×10 -10 静电单位连续变 化。因此他宣称，实验结果表明，自然界不可再分的电量单位不可能存在于 1×10 -10静电单 位及以上的量级，这些结果“不允许他们支持电子理论的基本假设”。[2, (p.58)] 其次，埃伦哈夫特还直接攻击密立根 1910 年 1 月发表在《哲学杂志》上的数据。他用 另外一种方法对密立根的数据逐一重新计算，得出液滴电荷量从 8.60×10 -10～29.82×10 -10静 电单位不等，并非自明地显示出某个基本单位的整数倍。而且，密立根在文章中坦率地将观
测结果区分为“最好”、“很好”、“好”、“一般”四种等级，还有些数据明显偏离其它 观测值，他将其归结为实验出错而舍去，带有明显的个人判断因素。这暗示同一数据也可以 支持不同的理论，是密立根的理论偏向和对数据的选择导致他做出存在单位电荷的结论。 但是，就在这一时期，密立根又开始了新的一轮实验。在温尼伯会议之后，他一直思 考如何消除水滴蒸发问题，并致力于对斯托克斯定律进一步修正。他最终成功地用油滴取代 水滴。油滴蒸发很慢、稳定性更好，使他可以任意长时间地观测单个带电油滴的运动，得出 稳定的结果。同时，其它相关的技术设备也得到改进，包括计时技术、光学技术，以及得到 稳定控制的环境温度、气压、电场等。1911年，密立根在《物理评论》上发表了他油滴实 验的初步结果，确信其实验方法是精确测定电子电量的最好方法。4从1911年10月至1912 年4月，他连续观测多个捕获电子的油滴的运动，计算出电子电量的平均值，文章于1913 年发表，得出€=(4.774牡0.009)×1010静电单位。1他报告的数据显得非常完美和一致，以至 同行惊叹其高超的实验技巧和实验的精确性。虽然埃伦哈夫特仍然坚持他们的实验，不断发 表有分数电荷存在的证据，但其报告很快被同行冷落，争论逐渐平息下来。 三，霍尔顿的“翻案” 随着密立根1913年发表的数据得到同行普遍认可，他也因此实验（以及验证爱因斯坦 光电效应的实验)被授予1923年度诺贝尔物理学奖，争议似乎可以终结。但是，埃伦哈夫 特并不就此罢休。此后多年，他和他的部分学生一直坚持他们的实验路线，不断报告有分数 电荷存在的证据，直到1940年代他的晚年。对此状况，曾经有不少科学家表示过担忧。比 如，洛伦兹(H.A.Lorentz)在1916年仍坚持认为，“这一问题不能说已经得到完全的解释”。 2,p.9巴尔(R.Br)在1922年也评论道：“至少，（埃伦哈夫特的）实验给人们留下了不舒 服的感觉”。2，仰9甚至在密立根获诺贝尔奖三年之后，俄裔德籍物理学家奇沃尔松(O.D. Chwolson)称这是一场“微妙的”争论，“它已经持续了17年，直到今天，还不能宣称情 况最终对那一边有利，…即是说，所有科研人员只能采纳双方可能的解决办法之一种。事 情的状况显得很奇快。”2，.28毕竞，当时一直没有直接的证据来否证埃伦哈夫特的实验。 但是，密立根的实验结果不断得到后续更精确实验的支持，科学界对其可靠性确信无疑。 可是，在埃伦哈夫特与密立根去世二十余年后（两人分别于1952、1953年离世），美国 哈佛大学科学史家杰拉德·霍尔顿(Gerald Holton)重新去追溯这段历史，从密立根当年实 验的笔记及相关档案资料挖掘史料，得出惊人的发现，对密立根的“精确”、“完美”实验给 出颠覆性的解释。 密立根1913年发表在《物理评论》上的文章，以及1917年初版，1924、1934年两次 再版的重要著作《电子及其它质点》中，一再宣称其数据“代表了60天连续实验的所有油 滴”，)“我们可知这组实验，研究了五十八个油珠，这些油珠，代表那些经过六十天所连 续研究过的油珠，其中没有一个是省略了的。”阿意味他的结论完全忠实于实验自然得出的 结果，没有个人主观选择判断的因素。可是，霍尔顿从加州理工学院档案馆查询到密立根当 时实验的两本笔记，其中完整记录了从1911年10月28日至1912年4月16日的全部实验， 在近六个月时间里，密立根总共做了近140次观测。笔记里每一页记录了一次实验，标明实 验的时间和实验状况，并对观测计算的数据做了评价，比如，“漂亮。一定发表，漂亮”，“错 误严重，不能用”，或者“太低，某个地方出错”，等等。显然，密立根是从这140次观测中 挑选出他认为比较好的58次进行计算和发表，而不是他所声明的全部数据，这才使结果显 得完美一致。 密立根为何要隐瞒实验的真实过程？他选择数据的根据又是什么？据霍尔顿的分析，密 立根有自己明确的目标，他早己对原子论和电荷量子化假设确信无疑，其实验就是测量单个 3
3 测结果区分为“最好”、“很好”、“好”、“一般”四种等级，还有些数据明显偏离其它 观测值，他将其归结为实验出错而舍去，带有明显的个人判断因素。这暗示同一数据也可以 支持不同的理论，是密立根的理论偏向和对数据的选择导致他做出存在单位电荷的结论。 但是，就在这一时期，密立根又开始了新的一轮实验。在温尼伯会议之后，他一直思 考如何消除水滴蒸发问题，并致力于对斯托克斯定律进一步修正。他最终成功地用油滴取代 水滴。油滴蒸发很慢、稳定性更好，使他可以任意长时间地观测单个带电油滴的运动，得出 稳定的结果。同时，其它相关的技术设备也得到改进，包括计时技术、光学技术，以及得到 稳定控制的环境温度、气压、电场等。1911 年，密立根在《物理评论》上发表了他油滴实 验的初步结果，确信其实验方法是精确测定电子电量的最好方法。[4]从 1911 年 10 月至 1912 年 4 月，他连续观测多个捕获电子的油滴的运动，计算出电子电量的平均值，文章于 1913 年发表，得出 e=(4.774±0.009)×10 -10 静电单位。[5]他报告的数据显得非常完美和一致，以至 同行惊叹其高超的实验技巧和实验的精确性。虽然埃伦哈夫特仍然坚持他们的实验，不断发 表有分数电荷存在的证据，但其报告很快被同行冷落，争论逐渐平息下来。 三，霍尔顿的“翻案” 随着密立根 1913 年发表的数据得到同行普遍认可，他也因此实验（以及验证爱因斯坦 光电效应的实验）被授予 1923 年度诺贝尔物理学奖，争议似乎可以终结。但是，埃伦哈夫 特并不就此罢休。此后多年，他和他的部分学生一直坚持他们的实验路线，不断报告有分数 电荷存在的证据，直到 1940 年代他的晚年。对此状况，曾经有不少科学家表示过担忧。比 如，洛伦兹（H.A.Lorentz）在 1916 年仍坚持认为，“这一问题不能说已经得到完全的解释”。 [2, (p.79)]巴尔（R.Bär）在 1922 年也评论道：“至少，（埃伦哈夫特的）实验给人们留下了不舒 服的感觉”。[2, (p.79)]甚至在密立根获诺贝尔奖三年之后，俄裔德籍物理学家奇沃尔松（O. D. Chwolson）称这是一场“微妙的”争论，“它已经持续了 17 年，直到今天，还不能宣称情 况最终对那一边有利，……即是说，所有科研人员只能采纳双方可能的解决办法之一种。事 情的状况显得很奇快。” [2,(p.28)]毕竟，当时一直没有直接的证据来否证埃伦哈夫特的实验。 但是，密立根的实验结果不断得到后续更精确实验的支持，科学界对其可靠性确信无疑。 可是，在埃伦哈夫特与密立根去世二十余年后（两人分别于 1952、1953 年离世），美国 哈佛大学科学史家杰拉德·霍尔顿（Gerald Holton）重新去追溯这段历史，从密立根当年实 验的笔记及相关档案资料挖掘史料，得出惊人的发现，对密立根的“精确”、“完美”实验给 出颠覆性的解释。 密立根 1913 年发表在《物理评论》上的文章，以及 1917 年初版，1924、1934 年两次 再版的重要著作《电子及其它质点》中，一再宣称其数据“代表了 60 天连续实验的所有油 滴”，[5]“我们可知这组实验，研究了五十八个油珠，这些油珠，代表那些经过六十天所连 续研究过的油珠，其中没有一个是省略了的。”[6]意味他的结论完全忠实于实验自然得出的 结果，没有个人主观选择判断的因素。可是，霍尔顿从加州理工学院档案馆查询到密立根当 时实验的两本笔记，其中完整记录了从 1911 年 10 月 28 日至 1912 年 4 月 16 日的全部实验， 在近六个月时间里，密立根总共做了近 140 次观测。笔记里每一页记录了一次实验，标明实 验的时间和实验状况，并对观测计算的数据做了评价，比如，“漂亮。一定发表，漂亮”，“错 误严重，不能用”，或者“太低，某个地方出错”，等等。显然，密立根是从这 140 次观测中 挑选出他认为比较好的 58 次进行计算和发表，而不是他所声明的全部数据，这才使结果显 得完美一致。 密立根为何要隐瞒实验的真实过程？他选择数据的根据又是什么？据霍尔顿的分析，密 立根有自己明确的目标，他早已对原子论和电荷量子化假设确信无疑，其实验就是测量单个
电子的电荷，而且他意识到电子电荷量与光速一样，是物理学最基本的量，极需要精确测定。 霍尔顿引用埃伦哈夫特“两个世界之战”的说法，将密立根与埃伦哈夫特身处的不同哲学文 化背景做了对比：密立根纯属美国传统，从其祖父开始就是土生土长的美国人，接受纯美国 式的文化教育，直到获得博士学位，他的研究工作也为美国基础研究本土化做出重要贡献。 远离欧洲大陆的密立根没有理论上的负重，他单纯地认为原子假设是正确的，其电的粒子性 思想可追溯到十八世纪美国著名科学家、民族英雄本杰明·富兰克林对电子微粒性的信仰。 他的实验就是追随伟人的足迹，一心要精确测定电子的电荷量。他将电子当作一种实际存在 的实体，并以一种直接、具体而直观的方式描绘它，甚至在文本中称“看到了”一个个电子 (实际上是油滴电荷量的量子化改变)，这导致他选择指向电荷量子化的数据。那些与期望 值不相吻合的数据，则需要寻找出错的原因将其排除。有些数据与期望值明显不符，但又无 法确定错误的根源，他采取“存疑”(suspension disbelief)法，将其置之不理，不纳入计算。 在霍尔顿看来，密立根的实验是“观察渗透理论”的典型，他带着明确的理论假设去做实验， 去选择判断数据。他的工作相当于托马斯·库恩的“常规科学时期”，是在已有理论基础上 展开，而不是波普尔所说的实验是试图去反驳一个理论。 相比之下，霍尔顿对埃伦哈夫特给出一幅完全不同的解释。埃伦哈夫特属于欧洲大陆传 统，他对整个物理学的基础概念有深入的思考。他也是观察渗透理论的典型，所不同的是， 1910年以后的埃伦哈夫特是坚定的马赫主义者（即认为物理学理论应该建立在纯现象基础 上，反对各种不可观察的“假设实体”，如原子、分子等)。他对原子物理学理论采取质疑批 判态度，他的实验是探索性的，又类似于波普尔的反驳性实验。因此，一旦数据显示出与电 荷量子化假设不符，他不用去寻找原因将其排除，而是把所有实验结果如实公布，让科学同 行来审查评判。埃伦哈夫特为何于1910年前后突然改宗，从过去支持原子论到突然反对原 子论？霍尔顿从内、外两方面因素寻求解释。内在方面，马赫是奥地利物理学界的一面旗帜， 他对奥地利乃至欧洲大陆年轻一代物理学家有很大影响。然而此时期，马赫主义正遭到越来 越多的批评，其中包括马克思·普朗克(Max Planck)、奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald) 等权威物理学家。因此，此时埃伦哈夫特的分数电荷证据成为马赫主义很重要的支持：“在 马赫主义处于最黑暗的时期，埃伦哈夫特对他们来说显然是一颗刚刚升起的明星。”2，.83) 他挺身而出，转而为马赫主义辩护，有一种个人英雄主义的心理倾向。外在方面，那自然是 1910年初密立根对他的实验的质疑和诋毁。此时年轻气盛，在物理学界已有些名气，任教 于老牌的维也纳大学的埃伦哈夫特，对己过中年而尚未取得任何重要成果，就教于不知名的 芝加哥大学的密立根率直而毫不客气的批评显然很不自在，也不服气，他需要更多的数据来 反驳密立根，为自己的名誉辩护。 按霍尔顿的评价，1910年后的埃伦哈夫特特立独行，在孤独的道路上奋力前行，像一 头刺猬，不能临事制变，困而不通。他背离了物理学的主流，显得越来越不可理喻，他的不 成功是因为受错误的哲学思想主导。而密立根像一只狐狸，他采取实用主义的态度，跟随物 理学的主流在多个方向选择研究课题，其工作是在前人铺就的道路上的继续。2,31面对学 术争论，密立根显得不够诚实、不公正，在对待实验数据问题上有明显个人偏向。他隐瞒了 实验的全部过程，凭个人倾向筛选出“完美”的数据，赢得科学界的支持，同时轻易地将对 手击垮。 四，新实验主义的“再翻案” 霍尔顿查阅了大量的第一手资料，对密立根与埃伦哈夫特之争给出详细解读，对密立根 的“完美”实验几乎是颠覆性的解释。这不免使人担心，个人的理论偏见和哲学文化背景在 科学发现过程中产生如此巨大的影响，那么，实验在近代科学的基础地位又从何谈起？科学 4
4 电子的电荷，而且他意识到电子电荷量与光速一样，是物理学最基本的量，极需要精确测定。 霍尔顿引用埃伦哈夫特“两个世界之战”的说法，将密立根与埃伦哈夫特身处的不同哲学文 化背景做了对比：密立根纯属美国传统，从其祖父开始就是土生土长的美国人，接受纯美国 式的文化教育，直到获得博士学位，他的研究工作也为美国基础研究本土化做出重要贡献。 远离欧洲大陆的密立根没有理论上的负重，他单纯地认为原子假设是正确的，其电的粒子性 思想可追溯到十八世纪美国著名科学家、民族英雄本杰明·富兰克林对电子微粒性的信仰。 他的实验就是追随伟人的足迹，一心要精确测定电子的电荷量。他将电子当作一种实际存在 的实体，并以一种直接、具体而直观的方式描绘它，甚至在文本中称“看到了”一个个电子 （实际上是油滴电荷量的量子化改变），这导致他选择指向电荷量子化的数据。那些与期望 值不相吻合的数据，则需要寻找出错的原因将其排除。有些数据与期望值明显不符，但又无 法确定错误的根源，他采取“存疑”（suspension disbelief）法，将其置之不理，不纳入计算。 在霍尔顿看来，密立根的实验是“观察渗透理论”的典型，他带着明确的理论假设去做实验， 去选择判断数据。他的工作相当于托马斯·库恩的“常规科学时期”，是在已有理论基础上 展开，而不是波普尔所说的实验是试图去反驳一个理论。 相比之下，霍尔顿对埃伦哈夫特给出一幅完全不同的解释。埃伦哈夫特属于欧洲大陆传 统，他对整个物理学的基础概念有深入的思考。他也是观察渗透理论的典型，所不同的是， 1910 年以后的埃伦哈夫特是坚定的马赫主义者（即认为物理学理论应该建立在纯现象基础 上，反对各种不可观察的“假设实体”，如原子、分子等）。他对原子物理学理论采取质疑批 判态度，他的实验是探索性的，又类似于波普尔的反驳性实验。因此，一旦数据显示出与电 荷量子化假设不符，他不用去寻找原因将其排除，而是把所有实验结果如实公布，让科学同 行来审查评判。埃伦哈夫特为何于 1910 年前后突然改宗，从过去支持原子论到突然反对原 子论？霍尔顿从内、外两方面因素寻求解释。内在方面，马赫是奥地利物理学界的一面旗帜， 他对奥地利乃至欧洲大陆年轻一代物理学家有很大影响。然而此时期，马赫主义正遭到越来 越多的批评，其中包括马克思·普朗克（Max Planck）、奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald） 等权威物理学家。因此，此时埃伦哈夫特的分数电荷证据成为马赫主义很重要的支持：“在 马赫主义处于最黑暗的时期，埃伦哈夫特对他们来说显然是一颗刚刚升起的明星。”[2,(p.83)] 他挺身而出，转而为马赫主义辩护，有一种个人英雄主义的心理倾向。外在方面，那自然是 1910 年初密立根对他的实验的质疑和诋毁。此时年轻气盛，在物理学界已有些名气，任教 于老牌的维也纳大学的埃伦哈夫特，对已过中年而尚未取得任何重要成果，就教于不知名的 芝加哥大学的密立根率直而毫不客气的批评显然很不自在，也不服气，他需要更多的数据来 反驳密立根，为自己的名誉辩护。 按霍尔顿的评价，1910 年后的埃伦哈夫特特立独行，在孤独的道路上奋力前行，像一 头刺猬，不能临事制变，困而不通。他背离了物理学的主流，显得越来越不可理喻，他的不 成功是因为受错误的哲学思想主导。而密立根像一只狐狸，他采取实用主义的态度，跟随物 理学的主流在多个方向选择研究课题，其工作是在前人铺就的道路上的继续。[2,(p.31)]面对学 术争论，密立根显得不够诚实、不公正，在对待实验数据问题上有明显个人偏向。他隐瞒了 实验的全部过程，凭个人倾向筛选出“完美”的数据，赢得科学界的支持，同时轻易地将对 手击垮。 四，新实验主义的“再翻案” 霍尔顿查阅了大量的第一手资料，对密立根与埃伦哈夫特之争给出详细解读，对密立根 的“完美”实验几乎是颠覆性的解释。这不免使人担心，个人的理论偏见和哲学文化背景在 科学发现过程中产生如此巨大的影响，那么，实验在近代科学的基础地位又从何谈起？科学
的客观性、合理性如何保证？上世纪七十年代末以来，随着科学知识社会学的蔚然成风，一 系列争论案例研究成为学者们质疑科学知识客观性与合理性的理由，密立根与埃伦哈夫特的 “两个世界之争”也成了一些学者手中的一把利器。面对此种局面，一些科学家和科学哲学 家重新审视历史上著名的科学争论案例，努力为科学的客观性与合理性辩护。 另一方面，从物理学自身的发展来看，1964年，盖尔曼(M.Gell-Mann)与兹维格(G. Zweig)分别提出强子结构的夸克模型，预言夸克将带分数电荷(e/3或2e/3)。为探寻分数 电荷，1965年开始，美国斯坦福大学的费尔班克(W.M.Fairbank)与意大利热亚那大学的 莫伯戈(G.Morpurgo)以不同方式进行新的实验，报告了互相冲突的结果，双方就是否存 在分数电荷又发生新的一轮长达十余年的争论。1981年，美国科罗拉多大学实验物理学家 阿兰·富兰克林(Alan Franklin)重新分析密立根的数据，认为没有使人信服的证据说明油 滴上存在分数电荷。以此为基础，1986年，富兰克林在其新实验主义代表作《对实验的忽 视》中，以翔实的数据分析反驳霍尔顿关于理论偏向影响实验结论的观点。 富兰克林重新查阅密立根的实验档案，发现密立根在1911年10月至1912年4月总共 观测了175个油滴（而不是霍尔顿所说的140次）。通过数据分析与文本解读，富兰克林将 密立根的实验分为两个阶段，以1912年2月13日为界。在此之前，密立根对仪器的稳定性 没有把握，实验技术还不够熟练，尤其对流的影响不能排除，因此，测量的数据没有发表。 在此之后，仪器与技术稳定可靠，数据可信度高。因此，富兰克林主要以1912年2月13 日之后的107次实验数据进行分析计算。在这107次实验中，密立根发表了58个观测数据， 又用其中最初的23个数据来计算值。富兰克林根据密立根的实验记录（油滴有晃动、气 压不确定、有对流现象、电压不规则变化等)排除了部分数据，并使用最新的斯托克斯修正 值，计算出全部58个数据，平均电荷c=(4.777±0.003)×1010静电单位。若只用最初的23个 数据，则e=(4.773±0.004)×100静电单位。对于密立根没有发表的49组数据，因以上理由 排除之外，尚余25组，计算出e=(4.789±0.007)×1010静电单位。若将所有数据都纳入计算 和求平均，得出e=(4.780吐0.003)×1010静电单位。[8，p146这跟密立根发表的结果相差很小（约 千分之一)。此外，富兰克林以电荷值为横坐标，以事件的发生数为纵坐标，描绘出各组数 据电荷量偏离整数的△Q值图，结果只在△Q=0处出现尖锐的峰值，其余各处均为平坦。 由此，他得出结论：“密立根的原始数据强有力地支持了电荷量子化，没有令人信服的证据 支持分数电荷。”[8，p.162 据富兰克林的分析，密立根在1913年之前己经完全确信电荷量子化，1913年的文章目 的是精确确定值，其对数据的筛选是为了尽量减小统计误差。当然，存在为了不给埃伦哈 夫特借口而排除一些数据的可能，但这并不影响他的结论。事实上，密立根己经拥有足够多 的数据，他没有必要将所有数据都用上，只需计算部分数据即可。至于密立根为何在1913 年前己确信电荷量子化，富兰克林的解释是，一方面，密立根己花费大量时间尽力将各种不 确定因素消除，包括斯托克斯定律的修正、时间测量、电压和气压的稳定性、对流现象等， 1912年2月13日以后，他对仪器的性能及操作已非常熟练：另一方面，1912年，埃伦哈夫 特的一名年轻同事卡尔·普瑞齐布拉姆(Karl Przibram)曾给密立根写信，承认他们的工作 有误，表示他赞同密立根的结论，从此双方争论消停了一段时间。[8,147刚由此看来，在1912 至1913年，密立根己完全确信电荷量子化没有受到挑战，他可一心一意地精确测定e值。 在富兰克林看来，理论解释可能有助于提供理由让人们相信实验结果，但理论预设并没有影 响实验的结果。 几乎同一时期，美国另一位科学哲学家罗伯特·阿克曼(R.J.Ackermann)也提出跟富 兰克林类似的看法。阿克曼在《数据、仪器与理论》中注重从仪器和技术的进步来分析密立 根的实验。密立根的仪器和技术可分三个阶段：云雾室法（测量云雾整体）、平衡水滴法（测 量单个水滴)、油滴法（测量单个油滴）。云雾室法是重复威尔逊的实验，没有新结果。而平 5
5 的客观性、合理性如何保证？上世纪七十年代末以来，随着科学知识社会学的蔚然成风，一 系列争论案例研究成为学者们质疑科学知识客观性与合理性的理由，密立根与埃伦哈夫特的 “两个世界之争”也成了一些学者手中的一把利器。面对此种局面，一些科学家和科学哲学 家重新审视历史上著名的科学争论案例，努力为科学的客观性与合理性辩护。 另一方面，从物理学自身的发展来看，1964 年，盖尔曼（M. Gell-Mann）与兹维格（G. Zweig）分别提出强子结构的夸克模型，预言夸克将带分数电荷（e/3 或 2e/3）。为探寻分数 电荷，1965 年开始，美国斯坦福大学的费尔班克（W. M. Fairbank）与意大利热亚那大学的 莫伯戈（G. Morpurgo）以不同方式进行新的实验，报告了互相冲突的结果，双方就是否存 在分数电荷又发生新的一轮长达十余年的争论。1981 年，美国科罗拉多大学实验物理学家 阿兰·富兰克林（Alan Franklin）重新分析密立根的数据，认为没有使人信服的证据说明油 滴上存在分数电荷。[7]以此为基础，1986 年，富兰克林在其新实验主义代表作《对实验的忽 视》中，以翔实的数据分析反驳霍尔顿关于理论偏向影响实验结论的观点。 富兰克林重新查阅密立根的实验档案，发现密立根在 1911 年 10 月至 1912 年 4 月总共 观测了 175 个油滴（而不是霍尔顿所说的 140 次）。通过数据分析与文本解读，富兰克林将 密立根的实验分为两个阶段，以 1912 年 2 月 13 日为界。在此之前，密立根对仪器的稳定性 没有把握，实验技术还不够熟练，尤其对流的影响不能排除，因此，测量的数据没有发表。 在此之后，仪器与技术稳定可靠，数据可信度高。因此，富兰克林主要以 1912 年 2 月 13 日之后的 107 次实验数据进行分析计算。在这 107 次实验中，密立根发表了 58 个观测数据， 又用其中最初的 23 个数据来计算 e 值。富兰克林根据密立根的实验记录（油滴有晃动、气 压不确定、有对流现象、电压不规则变化等）排除了部分数据，并使用最新的斯托克斯修正 值，计算出全部 58 个数据，平均电荷 e=(4.777±0.003)×10 -10静电单位。若只用最初的 23 个 数据，则 e=(4.773±0.004)×10 -10 静电单位。对于密立根没有发表的 49 组数据，因以上理由 排除之外，尚余 25 组，计算出 e=(4.789±0.007)×10 -10静电单位。若将所有数据都纳入计算 和求平均，得出 e=(4.780±0.003)×10 -10静电单位。[8,(p.146)]这跟密立根发表的结果相差很小（约 千分之一）。此外，富兰克林以电荷值为横坐标，以事件的发生数为纵坐标，描绘出各组数 据电荷量偏离整数的△Q 值图，结果只在△Q＝0 处出现尖锐的峰值，其余各处均为平坦。 由此，他得出结论：“密立根的原始数据强有力地支持了电荷量子化，没有令人信服的证据 支持分数电荷。” [8,(p.162)] 据富兰克林的分析，密立根在 1913 年之前已经完全确信电荷量子化，1913 年的文章目 的是精确确定 e 值，其对数据的筛选是为了尽量减小统计误差。当然，存在为了不给埃伦哈 夫特借口而排除一些数据的可能，但这并不影响他的结论。事实上，密立根已经拥有足够多 的数据，他没有必要将所有数据都用上，只需计算部分数据即可。至于密立根为何在 1913 年前已确信电荷量子化，富兰克林的解释是，一方面，密立根已花费大量时间尽力将各种不 确定因素消除，包括斯托克斯定律的修正、时间测量、电压和气压的稳定性、对流现象等， 1912 年 2 月 13 日以后，他对仪器的性能及操作已非常熟练；另一方面，1912 年，埃伦哈夫 特的一名年轻同事卡尔·普瑞齐布拉姆（Karl Przibram）曾给密立根写信，承认他们的工作 有误，表示他赞同密立根的结论，从此双方争论消停了一段时间。[8, (p.147)]由此看来，在 1912 至 1913 年，密立根已完全确信电荷量子化没有受到挑战，他可一心一意地精确测定 e 值。 在富兰克林看来，理论解释可能有助于提供理由让人们相信实验结果，但理论预设并没有影 响实验的结果。 几乎同一时期，美国另一位科学哲学家罗伯特·阿克曼（R. J. Ackermann）也提出跟富 兰克林类似的看法。阿克曼在《数据、仪器与理论》中注重从仪器和技术的进步来分析密立 根的实验。密立根的仪器和技术可分三个阶段：云雾室法（测量云雾整体）、平衡水滴法（测 量单个水滴）、油滴法（测量单个油滴）。云雾室法是重复威尔逊的实验，没有新结果。而平
衡水滴法和油滴法都是密立根的新发明，他首次实现单个水滴或油滴的观察，看到了别人未 曾看到的现象。尤其油滴法极大地降低蒸发，可长时间地控制油滴的运动，观察到油滴电量 的突然改变（他形象地称“看到”电子“跳上跳下”），才使他完全确信电荷的量子化。至于 理论预设的作用，阿克曼认为，在开始时理论期望对密立根的数据选择的确有很大影响，但 随着新仪器和技术的应用，这种影响会逐渐减弱。因此，观察是否有理论负载显得无关紧要， 关键是要得到后续实验的支持，尤其新的仪器和技术手段能否将过去的事实保留下来：“在 任何一点上偶尔由于偏见或权威而导致的曲解，将最终面临新的文本的反驳，从而得到解决。 在某个特定的时期，新的偏见或权威也许会影响对事实的看法，但旧的偏见或权威将被过滤 掉。”阿克曼主张从历史过程来看待密立根的实验，在1910年初的报告中，密立根将实验 数据区分为“最好”、“很好”等几种类别，并在计算中给予不同的权重，这的确存在个人偏 好。但后期的油滴实验，更先进和稳定的技术得出非常精确一致的数据，个人偏见逐渐被排 除。因此，最终是新的仪器和技术使密立根确信其数据的可靠性，并赢得了科学界的认可， 而埃伦哈夫特没能做到这一点。 五，结语：历史与哲学 在对密立根油滴实验的评价中，有两个值得注意的特点：一是时代性。不同时代有不 同的哲学背景，评价的视角有明显差异，结论也大相径庭：二是评价者的职业。科学家倾向 于同情密立根，而哲学家、史学家多采取批判挑剔的态度。 在二十世纪前半期逻辑经验主义鼎盛之时，科学界及哲学界对密立根实验的可靠性、客 观性没有太大质疑。相反，学界对密立根的精湛技艺和对实验的完美追求表示赞赏和敬佩， 只有少数科学家对埃伦哈夫特表示了同情。 随着七十年代历史主义成为主流，同时，科学史研究由内史转向外史，学者们倾向于从 哲学文化背景来理解科学。霍尔顿作为训练有素的科学史家，自觉地采取了“反辉格式”写 法，将己成历史陈迹的埃伦哈夫特实验给予足够重视，做了适当分析。他将两者做鲜明对比， 展现出一幅曲折而富有戏剧性的历史画面。但在霍尔顿的解释中，由于强调理论预设对观察 实验的影响，他重点分析了密立根与埃伦哈夫特的成长背景、哲学倾向，而没有充分考虑到 实验技术的重要性，也没有对密立根的数据进行分析计算。密立根对仪器的改进和对斯托克 斯定律的修正，花费了大量的时间，在其1911年发表的文章有详细讨论。富兰克林与阿克曼 正是对密立根的实验技术和数据的充分重视，才提出与霍尔顿频不相同的解释。 与霍尔顿解释相似的是密立根的传记作者卡孔(Robert H.Kargon)。卡孔以密立根所 处的时代背景和机遇来分析密立根的成功，认为密立根生逢其时，他拿到博士学位，正在欧 洲游学的第二年，汤姆森就发现了电子，他在关键的时期敏锐地抓住了关键的问题作为自己 研究生涯的开始，而且还遇到了“贵人”迈克耳孙。他很欣然地接受迈克耳孙的聘请，到赖 尔森实验室工作。在迈克耳孙领导下的赖尔森实验室，不是以前沿开创性研究而得名，而是 维护正统观念，在现有理论框架下致力于精密的测量。密立根属典型的保守主义者，他倾向 于科学的累积性发展，而不相信所谓的“科学革命”，赖尔森实验室的氛围正适合于他。 相比之下，八十年代兴起的新实验主义，尽力摈除哲学偏见对科学判断的影响，力图说 明实验本身（仪器、技术的可靠性、数据或现象的稳定性等）引导科学家做出合理的判断， 包括科学家的理性直觉、娴熟的操作技术和敏锐的判断力。富兰克林等认为，一个训练有素、 有敏锐判断力的科学家就应该对数据或现象有合理的判断和选择，对可能的错误及时修正或 排除。但这似乎使人担心所谓“科学的品德”问题。按照费曼的说法，“进行科学思考时必 须遵守的诚实原则一一如果你在做一个实验，你应该把一切可能推翻这个实验的东西纳入报 告之中，而不是单把你认为对的部分提出来：…总而言之，重点在于提供所有信息，让其 6
6 衡水滴法和油滴法都是密立根的新发明，他首次实现单个水滴或油滴的观察，看到了别人未 曾看到的现象。尤其油滴法极大地降低蒸发，可长时间地控制油滴的运动，观察到油滴电量 的突然改变（他形象地称“看到”电子“跳上跳下”），才使他完全确信电荷的量子化。至于 理论预设的作用，阿克曼认为，在开始时理论期望对密立根的数据选择的确有很大影响，但 随着新仪器和技术的应用，这种影响会逐渐减弱。因此，观察是否有理论负载显得无关紧要， 关键是要得到后续实验的支持，尤其新的仪器和技术手段能否将过去的事实保留下来：“在 任何一点上偶尔由于偏见或权威而导致的曲解，将最终面临新的文本的反驳，从而得到解决。 在某个特定的时期，新的偏见或权威也许会影响对事实的看法，但旧的偏见或权威将被过滤 掉。”[9]阿克曼主张从历史过程来看待密立根的实验，在 1910 年初的报告中，密立根将实验 数据区分为“最好”、“很好”等几种类别，并在计算中给予不同的权重，这的确存在个人偏 好。但后期的油滴实验，更先进和稳定的技术得出非常精确一致的数据，个人偏见逐渐被排 除。因此，最终是新的仪器和技术使密立根确信其数据的可靠性，并赢得了科学界的认可， 而埃伦哈夫特没能做到这一点。 五，结语：历史与哲学 在对密立根油滴实验的评价中，有两个值得注意的特点：一是时代性。不同时代有不 同的哲学背景，评价的视角有明显差异，结论也大相径庭；二是评价者的职业。科学家倾向 于同情密立根，而哲学家、史学家多采取批判挑剔的态度。 在二十世纪前半期逻辑经验主义鼎盛之时，科学界及哲学界对密立根实验的可靠性、客 观性没有太大质疑。相反，学界对密立根的精湛技艺和对实验的完美追求表示赞赏和敬佩， 只有少数科学家对埃伦哈夫特表示了同情。 随着七十年代历史主义成为主流，同时，科学史研究由内史转向外史，学者们倾向于从 哲学文化背景来理解科学。霍尔顿作为训练有素的科学史家，自觉地采取了“反辉格式”写 法，将已成历史陈迹的埃伦哈夫特实验给予足够重视，做了适当分析。他将两者做鲜明对比， 展现出一幅曲折而富有戏剧性的历史画面。但在霍尔顿的解释中，由于强调理论预设对观察 实验的影响，他重点分析了密立根与埃伦哈夫特的成长背景、哲学倾向，而没有充分考虑到 实验技术的重要性，也没有对密立根的数据进行分析计算。密立根对仪器的改进和对斯托克 斯定律的修正，花费了大量的时间，在其1911年发表的文章有详细讨论。富兰克林与阿克曼 正是对密立根的实验技术和数据的充分重视，才提出与霍尔顿颇不相同的解释。 与霍尔顿解释相似的是密立根的传记作者卡孔（Robert H. Kargon）。卡孔以密立根所 处的时代背景和机遇来分析密立根的成功，认为密立根生逢其时，他拿到博士学位，正在欧 洲游学的第二年，汤姆森就发现了电子，他在关键的时期敏锐地抓住了关键的问题作为自己 研究生涯的开始，而且还遇到了“贵人”迈克耳孙。他很欣然地接受迈克耳孙的聘请，到赖 尔森实验室工作。在迈克耳孙领导下的赖尔森实验室，不是以前沿开创性研究而得名，而是 维护正统观念，在现有理论框架下致力于精密的测量。密立根属典型的保守主义者，他倾向 于科学的累积性发展，而不相信所谓的“科学革命”，赖尔森实验室的氛围正适合于他。[10] 相比之下，八十年代兴起的新实验主义，尽力摈除哲学偏见对科学判断的影响，力图说 明实验本身（仪器、技术的可靠性、数据或现象的稳定性等）引导科学家做出合理的判断， 包括科学家的理性直觉、娴熟的操作技术和敏锐的判断力。富兰克林等认为，一个训练有素、 有敏锐判断力的科学家就应该对数据或现象有合理的判断和选择，对可能的错误及时修正或 排除。但这似乎使人担心所谓“科学的品德”问题。按照费曼的说法，“进行科学思考时必 须遵守的诚实原则――如果你在做一个实验，你应该把一切可能推翻这个实验的东西纳入报 告之中, 而不是单把你认为对的部分提出来；……总而言之，重点在于提供所有信息，让其
他人得以裁定你究竟做出了多少贡献，而不是单单提出会引导大家偏向某种看法的资料。” 按霍尔顿的评价，密立根的确没有做到。按富兰克林的评价，即使密立根将全部数据发 表，他的结论并未受影响，只是统计误差稍微增大。密立根并没有删改数据，也没有造假， 他只是凭个人经验对数据进行选择，尽力排除可信度差的数据。科学家凭自己敏锐的判断力， 将可靠性差的数据排除，使实验结果更精确和可靠，是理所当然的。显然，不同的标准 下评价差异很大。 参考文献： (1)Robert P.Crease.The Prism and the Pendulum:The Ten Most Beautiful Experiments in Science[M].New York:Random House,2003. (2)Holton,Gerald.Subelectrons,presuppositions,and the Millikan-Ehrenhaft dispute,The Scientific Imagination:Case Studies[M].Cambridge:Cambridge University Press,1978 〔3)杨建邺、段永法，密立根和厄伦哈夫特之间的一场论战，科学技术与辩证法[)，1994， 3:34 (4)Millikan,R.A.The Isolation of an Ion,A Precision Measurement of Its Charge,and the Correction of Stokes's Law.Physical Review[J].32(1911):349-97. (5)Millikan,R.A.On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant,Physical Review[J.2(1913):109-43. (6)密立根著，电子及其它质点（上册）M,钟间译，商务印书馆，1954,69. (7)Franklin,A.Millikan's Published and Unpublished Data on Oil Drops.Historical Studies in the Physical Science[J].11(1981):185-201 (8)Franklin,A.The neglect ofexperiment[M],Cambridge University Press,1986. (9)Ackermann,R.J.Data,Instruments,and Theory:A Dialectical Approach to Understanding Science[M],Princeton:Princeton University Press,1985,112. (10)Robert H.Kargon,The Conservative Mode:Robert A.Millikan and the Twentieth-Century Revolution in Physics./S/STJ],1977,68(No.244):509-526. (11)卢德馨，油滴实验和偏倚期盼现象，大学物理)，2011.1.(30)1：16 (12)Franklin,A.Selectivity and Discord:Two Problem of Experiment[M],University of Pittsburgh Press,2002,75. An Analysis on the Philosophical Background of the Comments of Millikan's Oil Drop Experiment Abstract:In different times,there are different comments on Millikan's oil drop experiments and the Millikan-Ehrenhaft dispute.Logical-empiricist highly praised the superb skill of Millikan and his beautiful data.Historicism treated it as the typical case of"theory-laden of observation".But the contemporary New Experimentalist tried to defend of Millikan's selected data to publish on the nature of the experiments itself.This case shows that in different times there are different kinds of historiography.The historical account can't be ended. Keyword:Millikan's oil drop experiment,theory-laden of observation,the New Experimentalism. 1
7 他人得以裁定你究竟做出了多少贡献，而不是单单提出会引导大家偏向某种看法的资料。” [11]按霍尔顿的评价，密立根的确没有做到。按富兰克林的评价，即使密立根将全部数据发 表，他的结论并未受影响，只是统计误差稍微增大。密立根并没有删改数据，也没有造假， 他只是凭个人经验对数据进行选择，尽力排除可信度差的数据。科学家凭自己敏锐的判断力， 将可靠性差的数据排除，使实验结果更精确和可靠，是理所当然的。[12]显然，不同的标准 下评价差异很大。 参考文献： 〔1〕Robert P. Crease. The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science[M], New York: Random House, 2003. 〔2〕Holton, Gerald. Subelectrons, presuppositions, and the Millikan-Ehrenhaft dispute, The Scientific Imagination: Case Studies[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1978. 〔3〕杨建邺、段永法，密立根和厄伦哈夫特之间的一场论战，科学技术与辩证法[J]，1994， 3：34. 〔4〕Millikan, R. A. The Isolation of an Ion, A Precision Measurement of Its Charge, and the Correction of Stokes’s Law. Physical Review[J]. 32(1911): 349-97. 〔5〕Millikan, R. A. On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant, Physical Review[J] . 2 (1913): 109-43. 〔6〕密立根著，电子及其它质点（上册）[M]，钟间译，商务印书馆，1954,69. 〔7〕Franklin, A. Millikan’s Published and Unpublished Data on Oil Drops. Historical Studies in the Physical Science[J]. 11(1981): 185-201. 〔8〕Franklin, A. The neglect of experiment[M], Cambridge University Press, 1986. 〔9〕Ackermann, R. J. Data, Instruments, and Theory: A Dialectical Approach to Understanding Science[M], Princeton: Princeton University Press, 1985,112. 〔10〕Robert H. Kargon, The Conservative Mode: Robert A. Millikan and the Twentieth-Century Revolution in Physics, ISIS[J], 1977, 68(No.244): 509-526. 〔11〕卢德馨，油滴实验和偏倚期盼现象，大学物理[J]，2011.1.(30)1:16. 〔12〕Franklin, A. Selectivity and Discord: Two Problem of Experiment[M],University of Pittsburgh Press, 2002,75. An Analysis on the Philosophical Background of the Comments of Millikan’s Oil Drop Experiment Abstract：In different times, there are different comments on Millikan’s oil drop experiments and the Millikan-Ehrenhaft dispute. Logical-empiricist highly praised the superb skill of Millikan and his beautiful data. Historicism treated it as the typical case of “theory-laden of observation”. But the contemporary New Experimentalist tried to defend of Millikan’s selected data to publish on the nature of the experiments itself. This case shows that in different times there are different kinds of historiography. The historical account can’t be ended. Keyword: Millikan’s oil drop experiment, theory-laden of observation, the New Experimentalism