早在2018年计量改革之前,科学家们就已经接受了自然性假设,以及它所蕴含的比例性假设。例如,1983年选择以真空中的光速为基础重新定义米,就清楚地体现了这一点。这个定义意味着一种承诺:在判定长度是否相等时,应采用一种与那些包含真空光速的、已被接受的基本物理定律之数学形式相一致的方式。

到了2018年的计量改革中,计量界进一步固定了另外四个基本常数的数值,由此使自然性假设在测量与标准化程序的规制中发挥更加核心的作用。自然性假设与比例性假设成为国际单位制(SI)的基础性原则,并在事实上成为许多物理量之计量约定的来源。这对于在新SI中检验基本定律具有重要影响。

以质量的基本单位千克(kg)为例。旧SI将千克定义为国际千克原器(IPK)的质量,但这种定义本身并未为质量规定任何特定的计量约定;实践中所采用的计量约定,取决于质量比较仪以及其他用于经验性判定质量相等的手段如何被规定。

设想这样一个情形:在千克被重新定义之前,人们使用瓦特天平,通过已知的工作砝码 —— 例如0.25 kg、0.5 kg、1 kg、2 kg等 —— 来测量普朗克常数。进一步设想,一个相当令人意外的结果出现了:对于这些不同质量的砝码,普朗克常数似乎呈现出略有不同的数值,而且这些差异大到无法用所报告的测量不确定度来解释。

瓦特天平的设计原理,是通过基本定律将质量与普朗克常数联系起来。因此,如果认定这些测量结果是正确的,那么一个或多个基本定律的数学形式就可能需要修正。鉴于科学共同体此前已经承诺接受自然性假设和比例性假设,这类测量结果会首先受到怀疑。人们首先会倾向于认为实验中出了问题,例如某个重要的不确定度来源没有被发现。

但在旧SI下,实验者至少还可以借助独立校准来为自己的结果争取一定的证据地位。他们可以通过标准质量比较仪,将这些工作砝码的质量溯源到国际千克原器,或者溯源到IPK的某个官方副本。这样的校准当然不足以推翻一条基本定律,但它可以算作一种潜在挑战基本定律的独立证据。

然而,新SI单位定义生效后,情况发生了根本变化。普朗克常数不再能够以SI单位来测量。相反,它的恒定性被预先假定,而瓦特天平则是在这一假定之下被用来测量工作砝码的质量。此时,质量比较仪的结果已不能再被看作反对某条基本定律的独立证据,因为对于一台质量比较仪来说,与包含 h 的基本定律相符合,已经成为它被视为准确的必要条件。凡是给出的测量结果与包含 h 的基本定律之已接受数学形式不一致的质量比较仪,在新SI之下都会自动被判定为不准确。这样一来,实验结果中的不一致就不会首先被看作对基本理论的直接威胁,而更可能被归类为某种局部工程失效或校准失误的副产物。

于是,在“新SI”之下,一个实验若要被视为对某条基本定律的挑战,其所需达到的证据门槛极大的提高了。过去,测量装置的准确性可以通过它与某种独立的、基于个例或基于类型的计量约定相符合来确立;而在基于定律的计量约定之下,装置的准确性则预设了基本理论中相当大一部分内容的经验适切性。

这就引出了前面的问题:既然我们已经把长度单位建立在光速恒定的基础上,那么我们是否还能发现“光速并不恒定”?这是否意味着在“新SI”之下,基本定律将变得不可检验?

这个问题需要更谨慎地回答。新SI并不意味着基本定律从此不可检验;它改变的是某些挑战被承认为有效挑战时所需的证据结构。尽管测量结果与基本定律之间的个别不一致会被归类为局部校准失效,但这类不一致仍可能不断积累,并持续足够长的时间,使一些科学家开始寻找原则性的解释方案。这种持续存在的不一致 —— 库恩(Thomas Kuhn)称之为“顽固反常”(stubborn anomalies)—— 最终可能使足够多的科学家开始质疑当前公认的基本定律之数学形式,并进而质疑这些定律中常数的恒定性。

因此,尽管在采用新的SI单位定义之后,基本理论并不会完全免于修正,但要挑战某些基本定律,将需要承担更高的举证责任。具体而言,那些挑战包含 h、c、e、kB 或 NA 的基本定律的实验,将不再能够在SI内部获得对其测量仪器的独立校准。随着来自校准的论证说服力减弱,提出挑战的实验者将不得不更多依赖其他方面的考量,例如测量结果的可重复性,以及缺乏对这些结果的替代性解释。

这种对修正基本定律所需证据门槛的微妙提高,正是庞加莱所谓“无意识机会主义”(unconscious opportunism)的一个例子。通过在单位定义本身中隐含地设定当前公认基本定律的数学形式,这种机会主义被提升到了一个新的层次。

每当发现某项测量与某条基本定律的简单数学形式之间存在不一致时,这种不一致都会自动归因于测量系统或其校准中的故障,而不是归因于该定律本身。基于定律的计量约定由于具有这种抵抗变更的韧性,预计会显得更加自然,从而进一步强化最初促使它们被引入的自然性假设。这种自我保护能力,使基于定律的计量约定比基于类型的计量约定更有效地掩盖其约定性特征。用庞加莱的术语来说,基于定律的计量约定更深地栖居于科学无意识之中。

此外,与SI相关的计量约定并不被强制执行;也就是说,计量学共同体并不会要求所有SI使用者都采纳这些隐含约定,更不用说要求其他单位系统的使用者采纳它们了。于是,对基本理论的检验也可以在SI框架之外进行,从而使实验者不必完全受SI约定的约束。其代价是,这类检验可能会与 h、c、e、kB 和 NA 的恒定性假设不一致,因而也与自然性假设和比例性假设不一致。

正因为如此,这些例外恰恰揭示了一个更深层的问题:任何试图基于独立理由来论证某个测量程序之准确性的做法,都不能同时把该测量程序所要挑战的那条定律,预设为这个测量程序所采用之计量约定的基础。就“新SI”标志着一种向基于定律的计量约定转变而言,它确实削弱了这类独立论证的可能性。对于一项挑战 h、c、e、kB 或 NA 恒定性的测量而言,独立校准仍然可能存在;但前提是,这种校准本身不预设这些参数的恒定性。而这意味着,除了时间和频率测量这一特殊情形之外,这种校准往往会与“新SI”的计量框架发生冲突。

也就是说,“新SI”内部包含着一种隐含的张力:一方面,计量体系需要持久稳定的约定;另一方面,基本定律又需要保持可检验性。

新SI真正改变的,并不是物理定律能否被检验,而是某些实验结果如何被转化为对基本定律的有效挑战。它提高了某些挑战的证据门槛,却并没有取消理论检验本身。