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中图分类号：N02 文献标识码：A 文章编号：1674-7062(2010)05-0041-05
判决性实验的研究一直是科学哲学的重要课题。近年来，国内学者较为深入地研究了判决性实验，业已取得了一些成果：桂起权先生主张，根据整体主义的方法论理念，判决性实验虽没有绝对化的判决力，却仍有相对的确定性与判决效力。[1]孙小礼先生认为，从迪昂开始的许多科学哲学家对判决性实验所做的分析都是有事实根据的，有助于对科学理论的检验问题的思考。[2]然而，国内判决性实验研究似乎存在着两类普遍问题：其一，研究侧重于“判决性实验”与“理论检验”之整体互动关系，未细化研究二者具体的关系；其二，虽然研究者列举的科学史案例通常都是典型的，但是略显陈旧，未能有效地从丰富的科学史中汲取新养分。针对上述问题，从科学史出发，重新审视判决性实验是必要的。基于科学理论的科学史及科学哲学，文章将提出判决性实验的三条进路，以求深化这方面的认识。
爱因斯坦认为，“一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系，另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的（在世界图像中尽可能地寻求逻辑的统一，即逻辑元素最少）。”[3]他的这番论述完整地揭示出了科学理论（或定律）诞生的两条基本进路，即事实归纳法与原理演绎法。与此相对应的判决性实验就存在着两种情形，即原理演绎出的理论相对应的判决性实验与由事实归纳出的理论相对应的判决性实验。除此之外，对于单一的科学事件或现象而言，相对应的是语义学上的单称命题，如远古时代人们仰望苍穹惊问“地球是圆的吗”之类的问题。这类问题亦存在着与其相对应的判决性实验。
一 由原理演绎出的燃素说之判决性实验
几乎所有的物理学理论（定律）都是由一些可用来作为演绎出发点的原理来建构的，原理由最少的概念和基本的关系组成。此外，也有不少化学理论（定律）是通过原理演绎法建构的，如化学史中著名的燃素说，以笛卡儿、波义耳提出的火微粒假说为其原理演绎起点，其主要理论内容是：火是由大量的火微粒组成，火微粒是一种可燃的物质；同时，一切可燃物质都无一例外地包含一种可燃元素（简称燃素）；所以，在火的本质中存在着一种称做燃素的物质。[4]但是，燃素说与当时诸多新的化学实验现象相矛盾，认为燃素说站不住脚的权威性论据即判决性实验，从表面上看是由拉瓦锡做出的精密定量化学实验——氧气实验：物质生锈或者燃烧后重量总会增加（若有机物燃烧，则必须考虑到产生了的气体如二氧化碳和水蒸气的重量）。既然重量增加，为什么可能放出燃素之类的物质呢？若按照物质重量守恒原理，此处的燃素重量应当为负值，燃素的负重量所引发的矛盾似乎是燃素说的致命弱点。
然而，燃素的负重量问题并没使燃素说的支持者们感到苦恼和失望，他们将燃素的负重量视为燃素说的理论特设，继而将燃素与电场力、磁力和重力等各式力来进行类比。他们认为在物质燃烧的过程中一定会产生燃素，不过燃素和电流、磁流一样，在当时的实验条件下，它不可能成为可感受到的实体；人既然不可能感受到燃素的存在，那么燃素存在的各项物理特征如体积、重量等将同样无法被人所感知，即谈及燃素的正负质量对燃素本身而言就毫无意义。因此，他们有效地反驳了拉瓦锡之判决性实验结果中得到的有力证据。特设性假说的实质是基于物理学世界与人的感官世界对于实体认识的根本性差异，这个“物理学世界和感官世界的鸿沟”[5]恰好为辩护的特设性假说提供了舞台，辩护者可以使用这样的挡箭牌：物理学世界的实体未必能被人的感官观察到，而人的感官世界却是完全通过物理学语言描述。辩驳者巧妙地将“燃素”概念归属于物理学世界的实体，即燃素是一种没有重量的物理学实体，所以人不能感受到它将是正常的事情了。
换一角度看，拉瓦锡氧气实验可以说是他明确接受波义耳关于化学元素理论——化学元素不能再分解成更简单组分的同质物质——的证据；理所当然地，他将用自己切身而为的实验来验证波义耳的化学元素理论，他的实验说明了氧是一种化学元素，为化学元素概念提供了一个极好的例证。所以，燃素说与化学元素理论并没有直接地发生冲突，甚至燃素说还借用了化学元素理论中的要点，而拉瓦锡实验本意是用来验证化学元素理论的，所以拉瓦锡实验从原则上来说不是针对燃素说的否定性判决性实验。燃素说是化学元素理论的一个分支，它是用来解释特殊的燃烧或者氧化还原化学反应的。拉瓦锡的氧气实验只是在借用化学元素理论的前提下才成功实施的，所以氧气实验没有去“判决”化学元素理论，也没有针对性地判决它的衍生理论燃素说。那么，氧气实验判决了什么呢？它只是告诉人们先前认识的“燃素”是一种现在被发现了的、可被人感知的化学实体——氧气，燃素亦有可能是其他的化学实体，这样所引发的最大问题就是“燃素”作为科学概念的指称不明确，拉瓦锡本人也是这样认为的[6]。
定律既然是全称命题，那么它就是可以修正的，即使所获得的确凿的实验现象与定律相矛盾，我们也可以积极地为原有定律辩护：在不改变原定律的前提下，修改它的理论局限性。例如，当拉瓦锡氧气实验的现象与燃素说相矛盾之际，通过修改燃素说的理论局限性而不动摇燃素说的基础就可以有效地化解这种矛盾。从原理演绎出的定律之判决性实验很好地体现了近现代科学哲学家对于判决性实验的基本立场和观点，实质上他们沿袭了迪昂关于判决性实验的论证。
二 由事实归纳出的中心法则之判决性实验
生物学中的几乎所有重要理论都是通过众多的实验事实归纳而得到的。1970年，著名生物学家克里克(Francis Crick)发表在《自然》杂志的《分子生物学的中心法则》①一文的开头部分写道：“中心法则，在1958年被克里克清晰地阐明了；从此，这块分子生物学中的基石很可能被证明，它的内容中存在着过多的过度简化”。[7]生物学家特明(Howard Martin Temin)亦认为：“1960年在我系统地表达前病毒假说完成时，活体系统传递的一般规律已确定为我们称做‘分子生物学的中心法则’，即遗传信息从DNA传递到RNA，再到蛋白质。RNA病毒对这种法则是明显的一个例外。”[8]当时，特明及其他人的出色工作表明RNA肿瘤病毒可以使用病毒RNA为模板进行DNA合成，有人以为中心法则被翻转了，这些人暗示特明的工作是中心法则的判决性实验，正是这个判决性实验判决了甚至部分推翻了中心法则。
从判决性实验的原初含义上来看，迪昂认为判决性实验在物理学中是不可能有的，他认为“我们能够在‘判决性实验’中找到一种无可辩驳的程序，来把我们面前的两个假说中的一个变为已经证明了的真理吗？……难道物理学中两个假说总得陷入这种严格的两端论吗？我们总敢于断言说没有别的假设是可以想象的吗？”[9]250与此类似，分子生物学理论中亦难以存在判决性实验。以中心法则为例，中心法则是当时被普遍接受的唯一的关于信息在DNA、RNA和蛋白质之间转移的理论，不存在与其激烈竞争的理论。倘若研究者不相信中心法则的适用范围，他就必须发明一些不受限制的新理论，然而一项理论除非在解释普遍的新发现的事实时产生无法克服的矛盾，否则人们还是会沿用旧有的、尽管有部分瑕疵（即存在特例）的理论。当时科学家还没有发明能与中心法则相抗衡的其他具有类似内容的理论，可以说，人们认为特明发现RNA病毒而由此推翻了中心法则是无切实根据的。
图1
图2
图3
图1.箭头表示信息在三种大分子中所有可能的简单转移方式。箭头表示精确的序列信息的直向流动。
图2.1958年克里克首次提出的中心法则的内容：实心箭头表示极大可能的转移；虚箭头表示可能的转移；缺失的箭头表明由中心法则假设的不可能的转移，不可能的转移正是从蛋白质开始的三个可能的箭头（和图1相比）。
图3.1970年克里克对中心法则的内容进行了重新的分类：实心箭头表示普遍的转移；虚箭头表示特殊的转移；缺失的箭头是被中心法则限定的、检测不到的转移（和图1、图2相比）。图2与图3的区别仅仅在于信息从RNA→RNA的流出从极大可能变为一般可能。
从中心法则的理论内容上来看，它主要涉及信息在DNA、RNA和蛋白质之间的转移方式，可以将信息转移大致划分为三组（参见图1、2、3）。在第一组中，有一些直接或间接的证据表明信息转移看上去是存在的。如图2中实箭头所示：Ⅰ(a)DNA→DNA，Ⅰ(b)DNA→RNA，Ⅰ(c)RNA→蛋白质，Ⅰ(d)RNA→RNA。
在第二组中的两个转移（如图2中虚箭头所示）既没有实验证据，也不具有理论上的价值，它们是：Ⅱ(a)RNA→DNA（特明的工作），Ⅱ(b)DNA→蛋白质。
第三组中包含了图2中漏画箭头（相比于图1）的三种转移，它们是：Ⅲ(a)蛋白质→蛋白质，Ⅲ(b)蛋白质→RNA，Ⅲ(c)蛋白质→DNA。
处于那个时代的分子生物学家普遍认为第一组甲的转移几乎可以确定地存在，第二组中的转移极为罕见甚至可能不会出现。
由于立体化学的原因，第三组中的转移则极不可能出现。中心法则并没有预测第二组中的信息转移不可能发生，即没有断定信息从RNA→DNA不可能发生转移，而特明的工作恰恰揭示了信息从RNA→DNA的转移是存在的。实质上，中心法则暗含了信息从RNA→DNA是可能发生的，正如克里克所说，“如我所指出的，为什么从RNA→DNA的转移不应当时常地发生，是否有理论上的原因，和我的任何一个同事一样，我从没有暗示它不能发生”，甚至“这个陈述意外地表现了中心法则的理论预测能力”，不过在特明发现这种信息转移方式之前，这种转移没有获得任何经验事实的支撑。所以说，特明的新发现并不构成中心法则的“判决性实验”，著名生物学家莫诺(Jacques Monod)也是这么看的。[10]
退一步来说，即使中心法则被推翻，“中心法则在今日所起的作用其实与首次提出时一样重要”。彭加勒也说：“被抛弃的假设是毫无成效的吗？远非如此，可以说，它比真实的假设贡献更大。它不仅是决定性实验(Decisive experiment)的诱因，而且若不做这个假设，该实验即使碰巧做成功，也不会从中推导出什么东西。”[11]125
由此可见，在由事实归纳法获得的科学理论中，第一，归纳法已经考察了众多的科学事件，这种理论具有极强的概括性；第二，归纳法仍然必须面对自身无法克服的弱点——难以穷尽所有的科学事件。所以，新发现的、单一的科学事件将很难推翻已有的科学理论，一般只是丰富理论的案例。事实归纳法得出的科学理论难以存在与其相对应的判决性实验。
以上讨论了科学理论相对应的判决性实验，与科学理论的全称命题形式形成鲜明对比的是单称命题，我们将考察这类命题的判决性实验。
三 单称命题的判决性实验：富勒烯结构的确定
依据拉卡托斯的观点，判决性实验应当与竞争性的科学理论相对应，存在着竞争着的科学理论应当是判决性实验的前提。然而，若从彭加勒对判决性实验的论述来看，似乎可以发现他与拉卡托斯相异的观点，即他并不认为竞争的科学理论是判决性实验的前提条件，“尽管人们可能做了千百个实验，但是真正的大师——例如巴斯德(Louis Pasteur)——的工作的一个片段就足以使人们忘却那些实验。培根也许完全理解这一点；正是他发明了判决性实验(Experimentum crucis)这个词。”[11]118巴斯德的几个经典实验，譬如发现化合物的手性现象，这个偶然发现启发了“立体化学”的科学概念；另外，他实施精巧的实验证明了细菌可以在空气中传播。从语义学的角度来看，实验证明了“细菌可以在空气中传播”，这个命题原初的疑问为“细菌可以在空气中传播吗”，由于当时的实验条件无法鉴别细菌的诸多种类，所以这是一个典型的单称命题，即某种细菌可不可以在空气中传播。类似的问题如“地球是圆的吗”，直至亚里士多德观察月食现象（实施观察实验）才为这个单称命题提供有力的证据。
即使不存在竞争的科学理论（全称命题）的前提下，若能够对一个有意义的单称命题提供在当时情形下最直接、最有力的科学证据，这样的证据实质上就是对应于单称命题的判决性实验，富勒烯分子结构的最终确定[12]就是这类判决性实验的典型案例。
富勒烯是由60个碳原子构成的足球状的分子，它是活性碳、石墨的又一种同素异型体，它的发现者被授予了1996年诺贝尔化学奖。科学家起初通过质谱数据给出的富勒烯分子量为720，恰好是碳原子分子量的60倍，然而，单有一个质谱实验数据无法说服其他的科学家，因为同样分子量可能具有不同的分子结构。同时，囿于客观实验条件，直接证实富勒烯具有足球状结构的判决性实验无法操作，科学家开始只有通过各种间接证据来推断。
首先，面临的难题是怎样为富勒烯呈闭合的笼状结构提供实验依据，闭合的笼状结构是足球状结构的更一般形式。
其次，通过当代鉴定化学分子结构的常用实验手段，如紫外－可见光谱、红外光谱、核磁共振等表征手段来证实富勒烯的分子结构。
再次，既然观察富勒烯呈足球状的分子结构，若能“眼见为实”，通过电子显微镜直接观察将是最好的证据了，这将也是足球状富勒烯的判决性实验。然而，20世纪90年代的电子显微镜的清晰度（放大的倍率）受实验技术的制约难以达到可识别单个碳的程度。
最后，随着科学技术的进步，在当时的实验条件下，可供选择的唯一方案就是使用X－射线衍射技术。①获得富勒烯的粉末状结晶，即富勒烯可以形成细小的粉末晶体。②判决性实验乃需要不容辩驳地证明C[,60]分子确实具有设想的足球状结构。若要做到这一点，科学家需要从富勒烯单晶中获取X－射线衍射图。X－射线衍射所形成的斑点图样将揭示碳原子的位置，从而可以推求碳—碳键的键长和键角，并不容置疑地证明C[,60]确实具有足球的形状。然而，真正的问题是很难获得富勒烯单晶（有序的分子结构），科学家决定通过打破分子的球对称性，来解决晶态C[,60]转动导致无序的难题。这样就得到了富勒烯衍生物的单晶。
简要言之，科学家首先考虑获得富勒烯分子结构的直接证据，即它的判决性实验，当判决性实验无法获得时，他们将注意力集中于其他的间接证据，如计算化学、常用的分子结构鉴定方法等。然而判决性实验能否为科学家顺利设计、实施都受限于客观的实验条件，譬如确定富勒烯分子结构的判决性实验是它的单晶X－射线衍射实验，而富勒烯分子为球体形状，难以构筑成有序的分子聚集体结构，即难以获得富勒烯单晶。所以，单称命题相对应的判决性实验确实存在，不过判决性实验能否有效地实施还必须取决于当时的实验条件。
结语
判决性实验随着与其相对应的科学理论的来源不同而相应地变化、展现出不同的进路，具体可划分为三条进路，即由原理演绎出的理论相对应的判决性实验、由事实归纳出的理论相对应的判决性实验以及单称命题的判决性实验。与这三类判决性实验相对应的著名科学案例分别为燃素说、中心法则以及富勒烯分子结构的确定，从科学理论的不同来源、结构形式以及表达内容等方面揭示出了判决性实验的若干典型特征：
其一，燃素说的判决性实验明确支持迪昂提出的“判决性实验在物理中是不可能有的”的观点，因为若存在的话，理论“总得陷入这种严格的两端论”。[9]250
其二，中心法则难以存在与其相对应的判决性实验，源于当时中心法则几乎不存在与其相竞争的类似的科学理论，这点实质上与拉卡托斯的竞争性科学研究纲领方法论不谋而合，拉卡托斯一直认为“只有经过两个竞争纲领长期的不平衡发展之后，为人所知了几十年的反常才能得到反驳这一尊称，而实验才能得到‘判决性实验’的尊称”。[13]
其三，富勒烯分子结构的确定经历了较长的过程，表明了科学中的单称命题确实存在与其相对应的判决性实验，这与科学理论对科学事件的概括性相一致，单一的科学事实（单称命题）一定对应于某一个确定的判决性实验，这乃是基于如下理由：首先，此观点符合彭加勒的论断，他认为判决性实验正是来源于“工作的一个片段”；其次，从单称命题与科学理论的关系上看，彭加勒中肯地说，“若不做这个假设（指先前被抛弃的假说），该实验即使碰巧做成功，也不会从中推导出什么东西。人们不会看到异常的东西；人们只不过多编了一个事实，而不能从中演绎出最小的结果。”[11]125单称命题也许对于科学理论并无多大促进作用，然而它解决了某一特定的、非此即彼的问题，进而引发了科学中新兴的研究领域，这无疑是现时代化学、生物学等经验学科研究的显著特征，即从重大的、单一的科学事件出发开拓科学研究的新领地，这样的科学事件的价值丝毫不逊色于某些科学理论，譬如著名华人物理学家吴健雄验证宇称不守恒的判决性实验——钴60原子核β衰变的实验正是如此。
从判决性实验对于理论的反馈而言，这些判决性实验对所对应的理论具有不同的判决效果，即有的能够判决，如富勒烯分子结构的确定；有的判决性实验一面判决与其对应的理论，后者则正当地辩护，如燃素说及其判决性实验之间的争论；还有的伪装出判决的样子，如中心法则的所谓“判决性实验”闹剧。或许，今日的科学家在谈及判决性实验时，切莫单独考虑其实验本身是否具有“可判决的”要素，而要时时刻刻联系判决性实验所对应的理论之特性。
【收稿日期】2009-09-15
注释：
①本节中未具体标明文献出处的引文均来源于该文献。