密立根和卡梅伦于1926年发表的论文是密立根之后数年一直不懈追求的主题的早期展示。除了他周围的学生和同事之外,这一理论几乎无人认可,那么该理论为何对他具有如此大的吸引力?几方面的因素在其中起到了作用。在初诞生理论的发展中,密立根对原子核结构和元素转变(或进化)的早期兴趣起到了何种作用,罗伯特·卡巩(Robert Kargon)曾进行了阐释。[1]罗伯特·赛德尔(Robert Seidel)认为,在20世纪20至30年代早期之间,密立根提出的观点引人注目,对于宇宙射线研究的支持基础而言,具有十足的诱惑力。[2]
另一方面的因素也必须被考虑在内:密立根的宗教思想与他的元素起源理论间的联系。密立根同亚瑟·康普顿(Arthur Compton)、亨利·罗兰(Henry Rowland)、埃德温·肯布尔(Edwin Kemble)等其他当时的美国物理学家一样,也是牧师的儿子。实际上,密立根认为自己所受的宗教教育对之后的人生而言至关重要,在余下的人生中,他的著作中一再显示出了这一主题:尝试在对上帝的信仰与对科学的探究之间进行调和。用他本人的话来说,“一个有思想的人若真正理解了科学与宗教的含义,就会明白实际上两者之间并无抵触,于我而言这一点是很明显的、无可争辩的”。[3]
密立根在其撰写的《科学与生活》(Science and Life)一书中,曾有过以下的表述,这也是他在这些问题上的典型观点:
在世界史中,曾出现过两次重大影响,它们将美德变成了上帝观念中的突出特点。第一次影响是拿撒勒的耶稣,另一次是现代科学的发展,尤其是进化论的发展。[4]
因此,“进化”在密立根的思想中占据了独一无二的地位。密立根通过它不仅了解了达尔文进化论的盲目变异和选择性保留,而且对更为普遍的、适用于有机和无机研究领域的发展概念具有了一定的认识。广泛传播的美国式用法推广了生物学概念,使其与社会和智力变化方式相融合,对进化的阐释可以轻易地与此用法达成一致。因此,密立根将达尔文捧上了物种进行性变化之发现者的神坛时,这位《物种起源》(Origin of Species)的作者却将自己的荣誉分给了伦琴、居里夫人和发现元素进化的亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)。[5]
密立根认为,反射性衰变这一发现的重要性在于,它说明了宇宙中的某处正发生着逆过程,阻挡了热力学“热寂”理论的传播。“热寂”现象是讨论的热点,指宇宙的熵达到最大值后,整个宇宙冷却,所有生命消失。密立根在1912年写道:“使用镭和铀时只能发现衰退结果。但是几乎可以确定,这些元素一定还在某处以某种形式继续形成着。在某个星体上的实验室里,可能正在进行着这些元素的组合。”[6]密立根一再辩称,正如上帝会介入动物进化的进程一样,上帝也会介入元素的进化过程。有机和无机进化促进了“进入思想世界的发展理念”,互相协助着开辟了宗教思想的最高阶段。[7]
在密立根和卡梅伦“建立”了宇宙射线能谱之后,在1927至1928年的两年间,他们转向了对量化方法的改进。密立根把这一研究阶段比作1910年前后对电子电荷的精确确定时期。[8]因此,这些前期实验值得进行简略的检查。密立根曾使用铀对云室里的空气进行电离;喷入云室的油滴获得了电荷。施加强电场后,油滴的降落速度减慢,甚至会转为上升。了解了雾滴降落定律和电场强度之后,密立根可以得到e值。在改进了实验之后,每次连续运行的精确度均较之前得到提高。毋庸置疑的是,在初诞生理论的背景下,这些精细的改进在密立根提出实验时已经在他的头脑中形成了。
但是,密立根继续深入进行了油滴研究工作。针对“密立根和菲力克斯·埃伦哈弗特(Felix Ehrenhaft)对电荷是否具有连续性”这一争论,杰拉尔德·霍尔顿在其分析文章中表示,密立根的油滴实验中不仅包括对电荷相关技术问题的争论,也包括对方法学和哲学问题的争论。[9]密立根支持原子理论,在总体上也支持自然界颗粒性质的看法。相比之下,当时维也纳大学的副教授菲力克斯·埃伦哈弗特对原子理论表现出了愈加强烈的反对态度。[10]除了这一分歧外还存在着另一个问题:密立根表示“发现”了电子;他的方法务实,信奉的理念是实用主义。在欧内斯特·马赫(Ernst Mach)和安顿·兰帕(Anton Lampa)之后,埃伦哈弗特将电子的“本体”问题搁置一边,倾向于仅通过预测值来判断假说。
密立根广泛的方法论假设带来了实验物理学的直接结果。由于坚定信仰的力量,他未将同电荷原子假说不一致的测量值纳入考虑范围中。因为观察条件不够理想,他并未采用部分油滴数据。比如,若一滴油滴的可观测时间较短,不足以记录下较佳数据,则相对于长而谨慎的操作而言,受到的重视程度较低。但是在其他情况下,对不采用某次操作的理由并无明确解释,实验结果与平均值e相差较大,足以使它们被摒弃。鉴于许多“失败”的操作都是由特定的原因(电池故障、雾化器失灵、对流)引起,密立根有时可以假设装置并未工作,或假设观察到的现象本身就是“背景”效应;他曾在手册中记录下了“e=4.98一值说明它不可能是油滴”。[11]
由此,密立根的务实态度对他的实验物理学研究造成了直接影响。他认为自己测量的是真正电子所带的电荷:当他得到的电荷同其他测量值大相径庭时,他会将其归因于其他原因。根据其他假设进行研究的物理学家可能会将这样的测量值认作是可靠数据。回顾看来,密立根所做的部分数据选择貌似是有问题的。但是,即便他像竞争对手埃伦哈弗特一样,将所有测量值都囊括进考虑范围内,面临的结果也将是同样的:每个可预想到的e值都同样具有大量几乎无效的数据。从爱因斯坦-德哈斯效应情况来说,武断地宣布“实验方法”并无裨益,密立根面临着一个选择:忽略所有引起混乱的预期,或者死板地追随前期观点、使实验者无法发现新的结果。在这种情况下,密立根充满经验的眼光发挥了重要的作用。他的e值证明了物理学具有无边际的应用范围,而埃伦哈弗特对一切结果的严格记录最终却一无所获。
鉴于密立根早期的成功,我们可以了解到他对宇宙射线能量离散能带的迷恋。他认为自己对宇宙射线的研究将要达到一个足以同后来的油滴实验相比拟的时期,该时期是指一个实验阶段——他希望能带的离散是来自背景作用,如同17年前原子电荷概念的清晰化一样。此外,在密立根早期的方法论规则中,我们可以发现一些线索:他对很容易显现的、原子核的直觉模型的支持,以及对高度抽象的、唯心的量子力学及其波函数和非交换代数的反感。这样的考量必定与密立根为自己和同事规划的谨慎、务实的项目相距甚远。因此,奥本海默对约束效应和克莱茵-仁科方程式的高级理论无法动摇密立根的信念,也就不足为奇了。
实用性、宗教性、方法论的和科学性兴趣的集合将密立根同初诞生理论的基本宗旨紧密联系在一起。但是反对意见开始逐渐增多了。有一个人可以直接被密立根加入他的直接防御名单中,这个人就是他的博士生卡尔·安德森。
注释
[1] Kargon,“Birth Cries,”Analytic Spirit(1981).
[2] Seidel.thesis(1978).esp.chap.7.“Cosmic Rays.”关于密立根和工业家们的热烈讨论,参见Kargon,Rise of Millikan(1982).
[3] Millikan,Science and Life(1924),43.亦见Kevles,“Millikan,”Sci.Am.(January 1979):142-151.
[4] Millikan,Science and Life(1924),59.
[5] 对密立根而言,这种无机演化的推论并不特殊;比如,埃丁顿也有类似猜测。Bromberg,“Particle Creation,”Hist.Stud.Phys.Sci.7(1976):161-191,note 39,and Kargon,“Birth Cries,”Analytic Spirit(1981).更多关于美国文化泛化“进化论”,参见Hofstadter,Social Darwinism(1959).
[6] Millikan,“Radium,”talk,Washington,reprinted in Science and Life(1924),27-28.
[7] Millikan,Evolution(1973),81.
[8] Millikan and Cameron,“Bands,”Phys.Rev.31(1928):922.
[9] Holton,“Dispule,”in Imagination(1978),25-83.另一个关于密立根对数据处理的讨论,参见Franklin,“Oil Drops,”Hist.Stud.Phys.Sci.11(1981):185-201.
[10] Holton,“Dispute,”78-79.
[11] Holton,“Dispute,”69.