Hasok Chang (2004) Inventing Temperature [温度に関する知識の発達に関する科学史・科学哲学]

  • Hasok Chang, 2004, paperback 2007: Inventing Temperature: Measurement and Scientific Progress. New York: Oxford Univ. Press, 286 pp. ISBN 978-0-19533738-9.

たしかペーパーバックが新刊だった2007年ごろに店頭で見て買うかどうか迷ったのだった。

わたしは気候・気象に関する大学の授業を担当し、そこで温度はエネルギーとともに重要な項目であり、その概念をよりよく理解するためには概念の発達の歴史を知りたいと思うこともある。また、気象観測データを過去にさかのぼってのばしていく際に、そのデータが今の観測値と同一基準で使えるかどうか考えるためには、過去の人が観測にどんな技術を使っていたかとともに、温度という量をどう理解していたかも知るべきだと思うこともある。しかし本書は科学史・科学哲学の専門書だ(両分野にまたがっていることはすぐわかった)。わたしにとって簡単に読めるものではない。

迷ったすえに2009年に通信販売で買い、何度かめくっては見たのだが、通して読むことは2016年3月から4月にやっとできた。そのときのノートを、8月に少し整理してここに置く。ここからさきの大部分は、わたしが理解した限りの本書の論点である。

本書は、温度に関する知識の発達に4つのふしめを認め、第1章から第4章のそれぞれの前半でその歴史を記述し、後半でその知識の発達の哲学的意義を考えている。第5章はこの主題に関する著者の科学哲学的議論の総論、第6章は著者がめざす学問のありかたを述べている。

第1章の課題は温度目盛りの定点。温度目盛りは、単純には、2つの定点を設定して、その間を何かの直接測定可能な物理量(たとえば液体や気体の体積)に比例するとみなすことによって得られる。定点として、18世紀にはいろいろな提案があって統一されていなかったが、水の沸点と凝固点(氷点)は、常に候補に含まれていた。

この章では沸点のほうについて具体的に見る。この問題が考え始められたころの実験技術では、気圧を固定すると、水の沸点は、一定であるように見えた。しかし、精度をあげようとして、空気を取り除くなど、水の純度を高めると、100℃をこえても沸騰しない「過熱」(superheating)の現象が見られた。沸騰がおきているときの水の温度よりも蒸気の温度のほうが代表性がよいと判断された。しかし、Aitkenにより、蒸気も純粋だと温度を下げただけでは凝縮しないこと(過冷却)がわかった。実用的には微量の不純物を含む水の沸騰の温度をみればよく、理屈としては水蒸気圧が気圧の標準値(1気圧)に等しくなる温度と定義すればよいと判断されたが、沸騰現象の理解の問題が残った。

ここでの哲学的問題として、まだ定点と認められるもののないところで定点を決めるにはどうするか、ということがある。実際には、定点が定まる前に、まず人の感覚による判断があった。その次の段階には、相対的な温度の高低を見られる温度計のようなもの(ここではthermoscopeと呼んでいる)ができた。これで、人の体温などは予測困難な変動を含むことがわかって定点候補からはずされていったのだ。しかし、感覚は正しいとは限らない。温度計によって錯覚がわかることもある。

根拠づけ主義では、このような過程は説明できないか、無限後退になる。科学者は、一方で既存の知識を尊重(respect)する。ただしそれは全面的に信頼するという意味ではない。同時に他方で知識を改良しようとする(進歩=progressの)意欲をもつ。改良・進歩が認められる条件には、予測の正確さ、説明範囲の広さなどがあげられる(この議論は第5章に続く)。知識の進歩はiterativeである。ただし、数値計算のiterationと違って、操作は毎回同型ではないし、真値への近似という考えはとれない。

第2章の課題は、温度の定点の間の連続尺度を何に基づいてつくるか。流体の体積変化を見るのがよいと考えられ、水銀、アルコール(水溶液)、空気が候補となった(空気の場合は体積一定で圧力をはかることもある)。水の氷点と沸点の間を等間隔に目盛ると、水銀とアルコールとで「温度」が一致しない。何が温度目盛りとして適切かを決められるか?

熱量保存と、熱量=熱容量×温度という考えを前提としてみる。たとえば沸点に近い水と氷点に近い水の混合で、質量比例で温度が決まるとして、温度計がそれを再現するか見る。水銀は0-100℃の範囲で、この意味での温度目盛りの再現性がよさそうに見えた。しかし、水にも体積変化があるから熱容量一定は厳密には成り立たないだろうという批判があった。とは言うものの、熱容量一定からのずれがどうなるかに関して理論家間で一致した指針は立たなかった。Laplaceは熱の粒子を潜熱、分子に伴う顕熱、空間に伴う顕熱の3種類に分けて考え、気体温度計がよいという理屈をつくった。しかしLaplaceの死後その議論はすたれた。

1840年代にRegnaultは、蒸気機関に関する政府顧問的な立場を利用し、大がかりな実験装置をつくり、計量を検定した。同じ原理のものの相互比較で合わないものは不適切という消去法的評価をした。100℃より高いところで空気と水銀が合わないだけでなく、水銀温度計どうしでも合わない(ガラス管の詳細に依存した)。空気が最適と結論した。

哲学的考察。「観察にもとづく証拠」の内容は、観察能力の発達に伴って段階的に変わる。最初の段階の観察能力は感覚である。それに、(温度には)単一の値があるという存在論的信念が加わる。その信念を前提に、複数の手順によって同じ(と認められる)値が得られることはconfirmationになる。理論と観測の一致もあるが、観測どうしの一致もある。同じ方法で観測をくりかえしても一致するのがあたりまえではない。一致が得られる方法がよい方法であるだろうという考えは、もしよい方法がひとつだけあるならば、成功に導く。

Laplaceのあとのフランスの物理学は経験主義的になった。現象論的な理論はつくったが、形而上学を嫌い、ミクロの理論から構成しようとはしなかった。Regnaultは現象論的理論をも信頼しなかった。彼はGay LussacやBoyleの「法則」が厳密には成り立たないことを指摘した。精密な観測は理論依存であることに気づいていた。そして限りない精密化に向かった。Dulong & Petitは1816・1817年に、100℃よりも高い温度(例、350℃)で水銀と空気の示す「温度」が違うことを示した。しかしどちらがよいかの結論は出せなかった。彼らの温度概念は熱量説に依存していたが、熱量説からの答えが定まっていなかった。Regnaultが理論を避けて測定の精密化で(運よく)決着をつけた。

第3章の課題は、温度の数量範囲の拡張。ガラス管内の流体が使えないような高温や低温の温度をどうはかるか。

低温側。水銀温度計によって、ロシアで(見かけ上)ものすごい低温が観測された。水銀が凍ることは認識されたが、そのような温度の温度目盛りをどうするか。アルコールと水銀の膨張が比例関係にないことは知られていた。

カナダで実験が行なわれ、Henry Cavendishが1783年に潜熱と過冷却を認識してその実験を解釈した。水銀の融点は-40℃(-40°F)という結果が得られた。比熱容量の仮定などに疑問が残った。

Pouilletが1853年に実験をしたときには、ドライアイスを使った寒剤が利用可能になり、空気温度計が利用可能になった。水銀が凍る付近の温度範囲で、空気、(凍らない範囲での)水銀、アルコールが相互較正可能となった。

高温側。陶器製造者のJosiah Wedgwoodは1782年に「粘土と酸化鉄の混合物の体積収縮が、それの経験した最高温度と対応する」と考えた。1784年には、銀の膨張率が一定だと仮定して、これをFahrenheit温度目盛りと対応させた。しかし1795年に彼が亡くなるとまもなく、その温度目盛りは信頼されなくなった。標準化できなかった理由のひとつは、粘土という物質の性質が、Wedgwoodが使ったものと他の産地のものとでちがうことだった。

Wedgwood以外の測定方法もそれぞれあやしかったが、相互にわりあい合っていた。白金の膨張、氷の融解による熱量計測、水の温度変化による熱量計測、空気温度計(金容器、白金容器など)。

哲学的考察。このような問題に対するひとつの極端な立場として20世紀の物理学者Bridgmanの操作主義、つまり測定こそ定義という考えがある。(Bridgmanはそれまで未経験の高い圧力の領域で測定をした。) 本書の著者は、測定が定義だというのは行き過ぎだと考える。測定のまえに、未知の領域への概念の拡張がある。測定は拡張された概念にconformすることが求められる。

測定される量の拡張は、複数の測定方法をつなぎあわせることによる。このとき、ちがった方法の測定対象がoverlapすることが望ましい。
初期のWedgwood尺度は水銀温度計とoverlapしなかった。Wedgwoodは銀の膨張でoverlapを試みた(ただし、とびとびの点での値を得ただけだった)。
Overlap領域全体での一致をみるのが望ましい。全域に通用する測定ができるのがもっと望ましい。白金容器空気温度計はそれに近いが限界もあった。
“Leapfrogging” という方針がある。overlap範囲で比較、経験式を使って、標準をもうひとつの技術で近似し、それを副標準とし、副標準を延長していく。
理論的統一ができることが望ましい。これはこの次の時代に進んだ(第4章の話題)。
第3章の時期の温度目盛りの拡張は、確実な基礎のない「ノイラートの船」の状況だった。そこで、相互に合うものはいっしょに使い、ひどくはずれるものは捨てるのは、現実的方策としてもっともだった。

第4章は、熱力学的温度の成立。
熱と対等に「冷」があるという考えかたは捨てがたかった。18世紀の温度計目盛りは熱いほうが上のものも冷たいほうが上のものもあった。Pictet (1791年)やRumfordは、実験をして、熱放射と同等に「冷放射」があると解釈した。

熱と温度の理論には熱量説と分子説があった。熱量説のうちIrvineの説は、熱容量と潜熱が未分化であり、実験で反証された。潜熱と顕熱を区別する説もつくられたが、実験ではunderdeterminedだった。分子説は、観測と対比するのが困難だった。Waterstonが1845年に、温度は分子の運動エネルギーに比例すると考えたが1890年代まで出版されなかった。Clausiusの論文が1850年ごろに出版された。

William Thomson (Kelvin)は若いときパリでRegnaultの実験に参加し、温度目盛りの実験に関する限り完成と感じた。また、Carnotの著作を見つけて読んだ。
Thomsonは温度目盛りの理論的根拠をCarnotサイクルをもとに定式化した。本書ではこれを「Thomsonの第一の絶対温度」という。ただし、絶対とは特定の物質に依存しないということで、ゼロ点の絶対性ではない。Carnotサイクルを変形して、測定と関連づけられる定式化を考えようとしたが、未完に終わった。
Jouleから熱量保存ではなく熱から仕事への変換を考えるべきだと指摘され、Thomsonは熱力学的温度を定式化しなおした。「Thomsonの第二の絶対温度」である。空気温度計の体積・圧力ゼロへの外挿(Amontonsの温度)がその近似となる。Joule-Thomsonの実験で、現実気体と理想気体の違いも評価した。

哲学的考察。温度を特定の物質に依存しない理論によって定めたいという課題がある。経験による基礎づけでは無理だ。気体温度計を前提として、圧力と体積を経験で知るとしても、圧力や体積の測定の問題、現実の気体の温度と理想的温度の違いの問題がある。個別変量のどれかを基礎に選ぶのでなく、温度・圧力・体積・熱などからなるシステムをとらえるべきだ。

抽象化されたシステムと、操作(測定)可能なものとのあいだにはギャップがある。中間項としては、抽象的なシステムを(やや)具体化したイメージを導入する。実験システムはそれと完全に同じにはできないが、違いを評価することができる。そのようなイメージの例として、(Thomsonの仕事としては未完に終わったが)カルノーサイクルのやや現実的変形である「理想気体温度計」がある。Iterativeな改良と考えれば、出発点あるいは補正項を得る手段は空気温度計でも水銀温度計でもよい。改良の終点の真値がわかっているわけではない。イメージへの適合をテストして改良と判断される。

この章の終わりの段階で得られた実験的基準に関する限り、熱力学でなくても気体温度計で充分だった。
歴史のもしもとしては、マクロ熱力学の理論でなく分子運動論につなげる展開もありえたかもしれない。

第5章「測定、正当化、科学の進歩」。
数量の尺度をつくっていく状況は、基礎づけ主義では説明できない。極端な約束主義や、極端な操作主義もまずい。観測どうしの比較や理論と観測との比較で、整合的(coherent)であることによって前進する “coherentism”がよい。

正当化でなく、進歩(progress)について考える。既存の知識からiterativeに進む。最初の出発点は生得の感覚だろう。
既存の知識を否定するにはじゅうぶん強い理由が必要である(“principle of respect”)。ある知識を、正確でないことは承知で、よりよいものが見あたらないので、暫定的に認めることもある。
科学者は知識を進歩させようとする(“imperative of progress”)。知識の改良は逐次的に進められる(“epistemic iteration”)。それは成功するとは限らない。self-contradictionに至り、知識のself-destruction になることもある(「反証」ともいえる)。
進歩の尺度は単一ではない。(Hempel 1966年, Kuhn 1977年などが言うように)複数のepistemic virtuesがある。あるvirtueが高まり別のvirtueが下がる場合には、進歩に関する合意が得られないかもしれない。

Epistemic iterationには、知識が肯定され、virtueが高まる「enrichment」と、知識が変更される「self-correction」がある。
Enrichmentの例として、温度の概念が、定性的→順序→計数と発達してきたことや、温度の数量範囲が拡張されたことがあげられる。Self-correctionの例として、理想気体への接近があげられる。

Coherentist method of epistemic iterationは、「多元的伝統主義」に至る。そこには、既存の知識を(ひとまず)肯定する、保守主義がある。ただし、既存のうちでも複数の選択肢をもつこともある。模範例を共有する専門集団内でも知識体系は完全に一様ではない。また肯定の「深さ」の多様性もある。肯定してもそこから進む方向は違うかもしれない。

抽象と具体。知識の発達のひとつの具体例を論じるにも抽象化は必要だ。Epistemic iterationという考えは本書の例からの抽象化だ。これが科学の普遍的方法論だとまでは主張しない(抽象と普遍とは違う)。
抽象の意義には、説得性のほか、適用可能性(抽象のもとになった以外でも、どのような例について成り立つか?)がある。

第6章「Complementary science: 科学の延長としての科学史・科学哲学」。
科学史・科学哲学(HPS)は、科学的知識をつくるうえで、科学にはできない働きができる。
それはKuhnの通常科学が重要だという指摘と、Popperの通常科学批判とのジレンマの解決につながる。
専門化された科学(通常科学)には、次のような「閉じた」ところがある。パラダイムを疑わない。問いの全部に答えず、解けない問題や、重要でないと考えられた問題は無視される。そこをむりやり「open」にしたのでは科学をこわしてしまう。
HPSが、そういう問いを掘り起こし、可能な場合は答えることによって、complementaryの働きを果たせるだろう。
科学哲学は、科学にかかわるけれども科学自身が答えない問題を扱う。
昔の科学の中身を、今の科学は、正しくないとしたり、不必要だとしたりする。科学史はそれを掘り起こす。

Complementary scienceはどんな知識をつくることができるか?
Recovery。忘れられていた知識をとりもどす。
沸騰点から上の過熱は、それを必要とする少数の人以外から忘れられた。
「冷放射」は今の知識体系に整合しない。それでは、「冷放射」とされた実験ではどんなことが起き、今の知識体系ではどう解釈されるのか? 再現実験をすることもcomplementary scienceの活動といえる。(「冷放射」についてはEvans & Popp 1985 American Journal of Physicsの報告がある。)
忘れられた事実だけでなく、忘れられたideaをとりもどせることもある。

Critical awareness。専門学者は「学説Xが証拠Aによって支持された」「学説Yが証拠Bによって否定された」と認識しているが、それは正しいか? 学術の発達の経過の中で知識と認められたものが、充分な正当性を確認されてそうなったとは限らない。

New developments。専門学者が追求するのをやめてしまった方面に知識を発展させる可能性がある。

Complementary scienceと、その他の科学史・科学哲学の研究態度との対比。
Complementary scienceは、科学を対象とする研究ではなく、専門科学とは違う立場からの科学研究活動だ。

社会との関係に注目した科学史と比べると、本書の立場は内的科学史に近い。しかし、内的科学史は、過去にあった知識をなるべく正確に知ろうとするところで止まりがちだ。Complementary scienceは、今の科学的知識の改訂に向かう。そこには、今の人の価値判断(normative epistemic evaluations)がはいる。ただし、今の専門科学者の価値判断ではない(Whig型にならない)。

科学知識の社会学とは、科学者が知識として受け入れている信念を疑うところは共通だ。しかし、科学知識の社会学は、科学者が信念を受け入れる社会的要因に向かうが、complemenary scienceは科学的知識の改訂に向かう。

本書の立場は、科学方法論に注目する。しかし、科学方法論を目的とする研究とは違う。過去にさかのぼって、どの方法論がよいものだったかを評価はするが、今後の科学研究にとってよい方法論をあらかじめ知ることやprescribeすることはねらわない。

自然化された認識論とは、科学史・科学哲学一体化という共通点はある。しかし、自然化された認識論の人々は、「認識する」という人(科学者)の働きを対象として論じようとする。Complementary scienceは、認識の対象となっている自然界を論じることをめざす。

専門科学とcomplementary scienceとの関係。
Complemenatry scienceは、批判的であり、normativeな主張をするが、専門学者をprescribeしようとするわけではない。
(1) 専門科学者から抜け落ちた問題を指摘する。それを研究すべきだというnormativeな主張をするが、専門科学者に研究せよとは言わない。(専門学者がそれをやめた理由も理解できることが多い。)
(2) 捨てられた知識について、捨てられた理由が不完全であったり、もはや正当でなかったりすることを指摘する。専門科学とは違った知識の可能性をつくる(専門科学者には嫌われるかもしれないが)。

Complementary scienceは、専門外の人がアクセス可能な知識を生産できる傾向がある。科学教育の主流になりうるかもしれない。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

== Contents ==
Acknowledgments
Contents
Notes on Translation
Chronology
Introduction
1. Keeping the Fixed Points Fixed
– Narrative: What to Do When Water Refuses to Boil at the Boiling Point
– – Blood, Butter, and Deep Cellars: The Necessity and Scarcity of Fixed Points
– – The Vexatious Variations of the Boiling Point
– – Superheating and the Mirage of True Ebullition
– – Escape from Superheating
– – The Understanding of Boiling
– – A Dusty Epilogue
– Analysis: The Meaning and Achievement of Fixity
– – The Validation of Standards: Justificatory Descent
– – The Iterative Improvement of Standards: Constructive Ascent
– – The Defense of Fixity: Plausible Denial and Serendipitous Robustness
– – The Case of the Freezing Point
2. Spirit, Air, and Quicksilver
– Narrative: The Search for the “Real” Scale of Temperature
– – The Problem of Nomic Measurement
– – De Luc and the Method of Mixtures
– – Caloric Theories against the Method of Mixtures
– – The Calorist Mirage of Gaseous Linearity
– – Regnault: Austerity and Comparability
– – The Verdict: Air over Mercury
– Analysis: Measurement and Theory in the Context of Empiricism
– – The Achievement of Observability, by Stages
– – Comparability and the Ontological Principle of Single Value
– – Minimalism against Duhemian Holism
– – Regnault and Post-Laplacian Empiricism
3. To Go Beyond
– Narrative: Measuring Temperature When Thermometers Melt and Freeze
– – Can Mercury Be Frozen?
– – Can Mercury Tell Us Its Own Freezing Point?
– – Consolidating the Freezing Point of Mercury
– – Adventures of a Scientific Potter
– – It Is Temperature, but Not As We Know It?
– – Ganging Up on Wedgwood
– Analysis: The Extension of Concepts beyond Their Birth Domains
– – Travel Advisory from Percy Bridgman
– – Beyond Bridgman: Meaning, Definition, and Validity
– – Strategies for Metrological Extension
– – Mutual Grounding as a Growth Strategy
4. Theory, Measurement, and Absolute Temperature
– Narrative: The Quest for the Theoretical Meaning of Temperature
– – Temperature, Heat, and Cold
– – Theoretical Temperature before Thermodynamics
– – William Thomson’s Move to the Abstract
– – Thomson’s Second Absolute Temperature
– – Semi-Concrete Models of the Carnot Cycle
– – Using Gas Thermometers to Approximate Absolute Temperature
– Analysis: Operationalization — Making Contact between Thinking and Doing
– – The Hidden Difficulties of Reduction
– – Dealing with Abstractions
– – Operationalization and Its Validity
– – Accuracy through Iteration
– – Theoretical Temperature without Thermodynamics?
5. Measurement, Justification, and Scientific Progress
– Measurement, Circularity, and Coherentism
– Making Coherentism Progressive: Epistemic Iteration
– Fruits of Iteration: Enrichment and Self-Correction
– Tradition, Progress, and Pluralism
– The Abstract and the Concrete
6. Complementary Science — History and Philosophy of Science as a Continuation of Science by Other Means
– The Complementary Function of History and Philosophy of Science
– Philosophy, History, and Their Interaction in Complementary Science
– The Character of Knowledge Generated by Complementary Science
– Relations to Other Modes of Historical and Philosophical Study of Science
– A Continuation of Science by Other Means
Glossary of Scientific, Historical, and Philosophical Terms
Bibliography
Index

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