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从引力波实验看科学事实的确立是基于证据还是文化?



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

人大复印:《科学技术哲学》2017 年 12 期

原发期刊:《自然辩证法研究》2017 年第 20178 期 第 27-32 页

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

摘要: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。


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。


二、建构论与实在论之争


如果说在争论的第一阶段韦伯还能找到零星的支持者,那么到了争论的第二、第三阶段韦伯则几乎是在以一己之力对抗整个科学界,这使得科学知识社会学家柯林斯(Harry Collins)觉得韦伯有点像个悲情的“英雄”[8]111。事实上,如果说韦伯的实验有这样或那样的问题的话,他的批评者们的实验也并不是“完美”的。有人评论莫斯科国立大学的布拉金斯基的实验:“我不认为布拉津斯基的结果非常可靠,因为他提供的数据太少,只有5、6天的数据,没有更多了……他说如果有情况发生——如果是韦伯所说的那种情况——他一定能测到。”[8]157罗切斯特大学的道格拉斯的实验问题在于噪音太大,无法区分信号。贝尔实验室的问题和罗切斯特大学的问题差不多,也是仪器的灵敏度太差,甚至都没有达到韦伯实验的那个水准。德雷弗(Ron Drever)所在的格拉斯哥大学的仪器的灵敏度还不错,但是仪器很小,而且他的棒是裂开的,和韦伯的很不一样。IBM的嘉文设计的棒更小,有人甚至开玩笑说他的探测器就是个“玩具”。只有弗拉斯卡蒂实验室的卡夫卡的共振棒设计与韦伯的最接近,但是他却选择了与韦伯不同的算法。也就是说,上述实验室没有一个是在真正意义上复制了韦伯的实验,他们都或多或少都对实验本身做了改动。那么,批评者们批评韦伯的依据何在?这引发了围绕探测引力波实验的第二场争论:


争论的一方是科学知识社会学家柯林斯。他认为关于韦伯的争论,根源在于缺少一种判断实验的理性标准。正因为如此,我们就得给什么是“正确的实验结果”划个问号——“正确的结果所依赖的是,在检测通量时是否有引力波击中地球。为了搞清楚这一点,我们必须建造一台好的引力波探测器,然后进行观测。但是,在我们为此而努力并获得正确结果之前,我们并不知道我们所建造的探测器好不好!我们也不知道什么才是正确的结果,直到……(这是没有尽头的)为止”[10]。这就是所谓的“实验者的回归”(Experimenter’s Regress)论题。柯林斯认为当没有办法依靠实验本身对科学事实进行判断时,科学共同体采用的是一种社会手段打破“实验者的回归”,从而终结这场争论的。他还把批评者们团结一心将韦伯“挤出”科学共同体的核心层、终结争论的过程概括为三个步骤:“步骤一是当观点还在萌芽时期就在社会范围内将其搁置起来;韦伯试图通过修正他的数据破茧而出,特别是针对恒星时的峰值重合度和用延时直方图来呈现结果。步骤二是直接打压……我们会看到新鲜的观点遭到了各方的打压。在第三步也是最可怕的一步,就是更严重的忽略你的观点:……我们会看到韦伯的遭遇就是这样的。到了1975年末,韦伯的观点就那样冰冷的、无生气的、透明的存在着,连‘你叫都没人听见’。”[8]155


显然,柯林斯的这种“社会建构论”的科学观是没有办法得到持正统科学观的科学实在论者的认可的。最早起来“反抗”的是美国的实在论者富兰克林(Allan Franklin),他是为“科学是一种基于证据的理性实在”的观点做辩护的:


首先,富兰克林采用了和柯林斯不同的调查方法。柯林斯采用的是一种社会学的访谈的方法,特别是他对探测引力波实验的调查基本上是来自于他对当事人的访谈。访谈的好处在于,它能向人们展示许多科学中不为人知的一面。富兰克林的研究则完全基于文本,他认为访问实际上并不能代表科学家对某个结果所引发的问题的思考,但是出版物却可以。[5]14因为在他看来访谈尽管能够披露比文本更多的实验细节,但是访谈的对象往往会带有个人偏见的色彩或者会将还不成熟的观点拿来说。但是,文本记录的必然是经过深思熟虑的观点。因此富兰克林认为文本中的观点更客观、更可信,正所谓“耳听为虚、眼见为实”。


其次,富兰克林重新对柯林斯所谓的“实验者的回归”过程进行了“校准”。在1994年的论文《如何避免实验者的回归》(How to Avoid the Experimenters’Regress)一文中,富兰克林强调科学并不是不可错,但是柯林斯对科学证据及其在科学中所发挥的作用的理解有问题,导致他对作为知识的科学的理解也有问题。[11]471富兰克林将韦伯和他的反对者所提供的关于探测引力波实验的证据的可信度进行了比对发现:从数量上来说,只有韦伯一个人说他测到了引力波,其他6个实验室①得到的全是否定的结果;从研究方法来看,只有韦伯一个人采用的是非线性的算法,其他6个实验室采用的都是线性的算法,并且当这6个实验室采用韦伯的非线性算法重新实验,依然没测到引力波;后来,这6个实验室又对实验过程进行了校准,还是没测到引力波。如果说一个实验室的实验有问题的话,不可能6个反对实验全都有问题,并且这6个实验室都公开了自己的数据和实验方法。比较韦伯和其他批评者们的证据,富兰克林认为“显然,批评者们的结论比韦伯的更可信”[11]484。因此,与柯林斯的结论相反,富兰克林强调“科学共同体对韦伯的批评是合理的,我认可他们的批评”[11]484。也因此,富兰克林否认了探测引力波实验中有“实验者的回归”问题的存在。


第三,富兰克林重新审视了嘉文在整个针对韦伯的争论中所扮演的角色。显然,嘉文在“反韦伯”的运动中扮演着“推波助澜”的角色。在柯林斯的《七种性别之子》(Son of Seven Sexes)一文中,他把嘉文描述成一个“非常有权势又非常危险的人”。他强调在披露韦伯的计算机错误时,第一个发现韦伯的错误的人(道格拉斯)或多或少受到了嘉文的胁迫。在《七种性别之子》中他援引了一段他对道格拉斯的访谈,其中说道:“……那次会议是奎斯特(Quest)②强迫我的。除非韦伯发表承认错误的声明,否则我不会提及计算机的错误。……但是当我到了那,奎斯特马上递给我一份他已经写好的声明的副本,然后我就离会了……那天我根本没吃午饭,毫无感情地说了一下发生了什么、我认为正确的做法是什么……这就是那个所谓的第一份声明。”[9]47但是,在富兰克林的笔下,他认为嘉文并没有做错什么,他只是在维护科学的正当性:[11]484-485


我很怀疑柯林斯对嘉文(科学家Q)角色的描述。尽管嘉文对韦伯的结果做了一些尖锐的批评,但是当时其他科学家也在批评韦伯,只不过没有那么激烈而已。在柯林斯看来嘉文的论证并不足以摧毁韦伯结果的可信度,这也有问题。嘉文所做的就是当一个科学家认为韦伯的结果是错的,在关键的时间点尽可能地抵制不正确的结果,认为韦伯坚持一种错误的观点是有问题的。这也可能就是因为嘉文是一位有声望有权利的辩论家。


我也很质疑把嘉文看做是作为韦伯的终结者的角色。正如我们所见,当时也有其他科学家在批评韦伯的观点。在GR7中只是简要地提了一下嘉文的实验,尽管当时指明了韦伯的错误并做了分析,但并不是因为缺席。


第四,基于上面的分析,富兰克林认为尽管在科学中存在争议,但是柯林斯所谓的科学家对韦伯的排挤并不是导致韦伯实验不可信的关键因素。是韦伯实验所暴露出的越来越多的错误为他的实验的“不可信”提供了一种证据,导致其他科学家们不能无视这种“不合理”继续存在科学中。以嘉文为代表的反对派的科学家只是做了他们该做的事、说了他们该说的话。因此,富兰克林给出了一种与柯林斯相反的,用他自己的话来说比较“老套”的实在论立场的解读,他认为“科学不但是一种由科学家主导的实践,而是一种来自‘真实’世界的证据,它取决于科学提供给我们关于世界的可靠知识的判断”[5]5。


三、认识的一元论与多元论之争


从柯林斯与富兰克林的争论来看,两者的“对抗”是旗鼓相当的。柯林斯的逻辑是:因为没有办法复制实验,所以对实验的判定缺乏理性标准。既然理性标准不可行,那么只能通过社会途径解决——在争论中,韦伯的反对者们结成了同盟,将韦伯排挤出主流科学界,从而终结了这场争论。富兰克林的逻辑是:即使无法重复实验,但可依据基于证据的可信度对实验进行判定。也就是说,富兰克林认为依然存在科学实验的理性标准,只不过不是基于实验复制而是基于证据,看谁的证据更可靠。通过对比,富兰克林认为批评者们的证据更充分、更可信。所以,不存在所谓的社会“排挤”,是韦伯的漏洞太多导致实验失败。乍一看,这两种说法似乎都有道理。因此,英国哲学家阿尔玛斯(Ben Almassi)说:“富兰克林对于韦伯的反对者的立场的阐述是合理的;而柯林斯对于韦伯所持有的不受欢迎的立场的阐述也是合理的。”[12]571但是,这两种观点却是对立的。通常,对某一事实的理解,只能有一种合理的认识。也就是说,对探测引力波实验的理解而言,在柯林斯和富兰克林二者之间只能有一个人观点是正确的。那么,我们如何对这二者的观点做判断?这进一步引发了围绕探测引力波实验的第三场争论。


从目前认识论上对意见“分歧”(disagreement)的研究上看,基本呈现出两种路径:一种是认识的“一元论”,强调针对同一事实不可能同时存在两种合理的认识论立场,这种观点主要以主要以费尔德曼(Richard Feldman)为代表。另一种立场与其相对立,即认识的“多元论”,认为基于不同的证据,即使面对同一事实也可以有不同的认识立场存在,主要以罗森(Gideon Rosen)的观点为代表。


费尔德曼认为“……个人的证据——观点或直觉——并不能成为可以理解成存在意见分歧的双方观点都是合理的理由,或者认为争论双方的意见都是合理的。如果可以把观点当做证据的话,一旦有争议,就会有两种观点。为什么这个证据能支持一方的观点而不能支持另外一方,这个问题很难解释;也很难解释这个证据是如何成为支持另外一方观点合理性的理由。相互竞争的观点始终是水火不容的”[13]。而罗森则认为:“很明显,即使对同一证据而言,不同的人也可以有不同的意见。比如在陪审团的意见不统一的情况下,不认同并不代表一定不合理。比如古生物学家并不认可恐龙是被杀死的说法。对大多数人来说这种观点都不合理,但事实并非如此。相反,基于证据的认识有时并不可靠,即使是经过深思熟虑和合理的调查。”[14]


如果我们将这两种观点进行对比不难发现,二者最大的分歧在于对“分歧”理解的角度不同,或者说他们对于构成合理性的前提条件的看法是存在差异的——费尔德曼是从证据的角度来看的,从他的视角出发,支持合理性的证据应当具有唯一性;而罗森认为合理性应当是“被他人认可”的合理性,那么构成合理性的首要条件就必须要达成社会共识。因此,归根结底认识论的“一元论”与“多元论”反映的是事实的理性与社会性属性的矛盾,这在富兰克林与柯林斯对韦伯的看法上体现得尤为突出。也正是由于二者看待事实的证据性与社会性的出发点不同,才导致了富兰克林与柯林斯之间的争论。


那么,有没有可能在事实的“理性”与“社会性”属性之间做调和?在这个问题上也许我们可以借鉴美国科学哲学家海伦·朗基诺(Helen E.Longino)的“批评的语境经验主义”路径。在朗基诺的《知识的命运》一书的前言中她首先指出在当前的科学哲学中导致不同的科学观产生的主要根源是将科学的理性与社会性二分——“在科学的历史、哲学和社会文化研究领域内的新近工作,对这两个方面都各有强调。结果,有意阐明我们的概念的规范维度的那些叙述——即阐述知识与诸如真理、谬误、意见、理由和辩护之类的概念之间的关系——都未能抓住现实的科学,而对科学探索的实际事例的详尽叙述已经暗示了,要么我们通常的规范概念与科学无关,要么科学没有经受好的认知实践的检验。这不可能是正确的。……我认为,这一僵局是由争论双方所接受的理性与社会二分的理解造成的”[15]1。


其次,朗基诺强调将科学的理性与社会性二分这种做法本身就是错误的:“社会学研究者和哲学研究者,共享了构成他们彼此分歧的不言而喻的前提——认知的合理性和社会性是相互排斥的,或二分的。直言不讳地说,这一前提似乎是错误的:社会实践可能是认知实践,反过来,合乎理性的认知实践也可能是社会实践。任何一方都会对另一方喜欢的说明性因素的漫画发挥作用。”[15]261因为在朗基诺看来,实在论和建构论都是从自己的立场出发来看科学,他们都只看到了科学的一面而忽视了另一面。而真正的科学实际上远比他们看到的更复杂,因此不能把科学单纯的归到某一特定的属性里,这样看到的科学都是片面的。


第三,朗基诺给出的一个替代的解决方案是“我提议,通过分解导致它们的二分来打破僵局。关于科学知识只有两种立场的(理性的和不是社会的;社会的和不是理性的)错觉,是对根据、能动作用和内容的二分化理解的特殊联盟的产物。对这些进行调整,使得对这些维度的多重理解成为显而易见的。从这些新的可能性来看,包含认知能动作用、内容的多元性、生产实践或辩护的语境性的相互依赖的一组新解释,构成了对相互排斥的理解的一种积极的替代”[15]262。


如果按照朗基诺的观点,把科学事实按照理性和社会性二分的做法是不适当的,那么我们就要重新审视分歧的合理性。按照阿尔玛斯的看法,如果我们认可了科学理性不应当具有唯一属性的话,那么我们就应当对科学的合理性重新进行分层,即“……合理的专家意见分歧是可能的,原因在于信任的社会一证据维度。富兰克林认为证据和认识是具有语境性的,为证据的重要性预留了社会因素的空间。同时,在某些情况下,柯林斯认为科学哲学家必须承认社会的也是证据的。简而言之,这种情况证明了实验者的信任度既取决于社会、也依赖于证据:着眼于信任,我们就可以看到专家之间的分歧如何是合理的”[12]571-572。这就意味着,对于探测引力波的案例分析而言,富兰克林与柯林斯的分析都是合理的。


注释:


①6个实验室分别是:莫斯科大学、美国IBM公司的沃森实验室、美国贝尔实验室、意大利的弗拉斯卡蒂实验室、英国格拉斯哥实验室、英国罗切斯特实验室。


②在柯林斯的“Son of Seven Sexes”一文中,奎斯特(Quest)是嘉文的化名。


参考文献:


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[8]H.Collins.Gravity's Shadow:The Search for Gravitational Waves[M].Chicago:The University of Chicago Press,2004.


[9]H.Collins,Son of Seven Sexes:The Social Destruction of a Physical Phenomenon[J].Social Studies of Science,1981,11(1).


[10]H.Collins.Changing Order:Replication and Induction in Science Practice[M].Chicago:The University of Chicago Press,1985:84.


[11]A.Franklin.How to Avoid the Experimenters' Regress[J].Studies in History and Philosophy of Science,1994,25(3).


[12]Ben Almassi.Conflicting Expert Testimony and the Search for Gravitational Waves[J].Philosophy of Science,2009,76(5).


[13]Richard Feldman.Epistemalogical Puzzles about Disagreement[M].in Stephen Hetherington(ed).Epistemology Futures.Oxford University Press,2006:223-224.


[14]Gideon Rosen,Nominalism,Naturalism,Epistemic Relativism[J].Philosophical Perspectives,2001,15:71-72.




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