В истории физики официальной датой открытия электрона является 1897 год, когда физик Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда к массе предполагаемой им корпускулы в катодных лучах. В 1997 году многие научные журналы отмечали столетие открытия электрона. На самом деле открытие электрона было длительным историческим процессом, а Томсон является всего лишь символом для его выражения.
Историк Теодор Арабацис в книге Представления электронов описал историю вхождения электрона в современную физику от первоначальных идей об электроне в середине 19-ого века до введения спина электрона в двадцатых годах 20-ого века. Интересный вопрос, который обсуждается в книге, связан с тем, что по ходу исторического развития обозначал термин «электрон». Можно ли, например, сказать, что «корпускула» Томсона эквивалента «электрону» Бора?
Вопрос непростой, поскольку «электрон» с необходимостью связан с определенной физической теорией, при этом теоретические воззрения на природу электрона по ходу истории кардинально менялись. Арабацис считает, что в принципе историю открытия электрона можно совместить с научным реализмом (электрон, что бы это ни было, существует), хотя он сам предпочитает позицию агностика в этом вопросе.
В книге обыгрывается сравнение электрона с флогистоном. Последний успешно входил на протяжении почти ста лет (18-ый век) в теорию химии того времени. Можно ли сказать, что флогистон открыли в конце 17-ого века, а затем в конце 18-ого века закрыли? Что позволяет нам с уверенностью говорить о том, что электрон в этом отношении принципиально отличается от флогистона?
Методологически книга Арабациса построена вокруг меняющейся репрезентации электрона по ходу его открытия и исследований. Именно в этом должна заключаться работа историка — описание деятельности ученых, которые проводят эксперименты, выдвигают гипотезы и конструируют теории. Тем не менее, позиция Арабациса направлена против социального конструктивизма: выдвигаемые теории и гипотезы не являются произвольными, они ограничены взаимодействием с реальностью. Арабацис по этому поводу предлагает следующую метафору — книгу можно считать «биографией» электрона.
Первые две главы книги и последняя глава посвящены методологическим вопросам (связь истории и философии науки, научный реализм vs. антиреализм). Я не буду их рассматривать, поскольку для содержательного рассмотрения проблемы с моей точки зрения следовало бы расширить содержание книги на репрезентацию электрона уравнением Шрёдингера и теорией квантового поля (я вернусь к этому вопросу в конце заметки). Только скажу, что разбираются взгляды научного реализма Хилари Патнэма и Яна Хакинга. Позиция самого Арабациса показалась мне близкой к позиции Бруно Латура, хотя сам Арабацис заявляет об отличиях.
В третьей главе разбирается вопрос, почему открытие электрона нельзя связать с экспериментом Томсона в 1897 году. В том числе приводятся цитаты многих современников Томсона, которые наглядно показывают, что отождествление открытия электрона с этим экспериментом возможно только задним числом, при этом оно является достаточно произвольным.
Главы 4 — 8 книги являются основными. Ниже я выпишу имена главных героев, рассмотренных в в этих главах.
Глава 4. Рождение и детство репрезентации электрона
Ричард Лэминг (Richard Laming, 1798 — 1879). В период с 1838 до 1851 год предложил существование субатомных частиц с единичных зарядом. Атом состоит из ядра, окруженного электросферой, состоящей из концентрических заряженных оболочек.
Вильгельм Вебер (Wilhelm Weber, 1804 — 1891). Электрическая теория материи и эфира. Атом состоит из массивного отрицательного ядра с окружением маленьких положительных зарядов.
Джордж Стони (George Stoney, 1826 — 1911). В 1874 году предсказал существование единичного электрического заряда на основе закона Фарадея для электролиза. Ввел в обиход термин «электрон» в 1891 году.
Герман фон Гельмгольц (1821 — 1894). В 1881 году сказал, что закон Фарадея для электролиза предсказывает существование единичного электрического заряда.
Питер Зееман (Pieter Zeeman, 1865 — 1943). Эксперимент по влиянию магнитного поля на спектр натрия в 1896 году — эффект Зеемана. Определение отношения заряда к массе электрона.
Гендрик Лоренц (Hendrik Lorentz, 1853 — 1928). Руководитель Зеемана. Создание теории для объяснения эффекта Зеемана. Уже в 1878 году предположил, что эффект дисперсии можно объяснить при предположении, что молекулы состоят из заряженных частиц.
Джозеф Лармор (Joseph Larmor, 1857 — 1942). Использование идеи электрона для разрешения противоречий в теории Максвелла в 1894 году. Использование теории для интерпретации экспериментов Зеемана.
Джозеф Томсон (Joseph John Thomson, 1856 — 1940). Эксперимент с катодными лучами по определению массы к заряду «корпускулы» в 1897 году.
Отмечу следующее отличие корпускулы Томсона от электрона Лоренца и Лармора. У Томсона масса корпускулы была реальной, но заряд был эпифеноменом вибрации корпускулы в эфире. У Лоренца и Лармора наоборот реальным был заряд, а масса считалось эпифеноменом взаимодействия заряда и электромагнитного поля.
Глава 5. Генезис квантового электрона
Нильс Бор. Теория атома с круговыми стационарными орбитами электрона в 1913 году. Объяснение спектров, правила отбора.
Эрвин Шрёдингер называл атом Бора «монстром» в силу смешения классических и квантовых представлений.
Интересно отметить, что в 1919 году в силу странностей квантовых идей физик Чарльз Галтон Дарвин (внук Чарлза Дарвина) предложил в крайнем случае связать с поведением электрона свободу воли.
Глава 6. Между относительностью и соответствием
Арнольд Зоммерфельд (Arnold Sommerfeld, 1868 — 1951). Обобщение теории Бора на эллиптические орбиты в 1914 — 1915 гг. Введение релятивистких поправок. Новые правила отбора для объяснения спектров.
«Магическая стена» Нильса Бора — введение соответствия между квантовыми и классическими состояниями.
Глава 7. Перспектива химиков: «Как электрон проводит свое время»
Гилберт Льюис (Gilbert Lewis, 1875 — 1946). Использование идеи электрона для объяснения химической связи: ионная и ковалентная связь. У Льюиса электроны находились в атоме в статическом состоянии. Отмечу, что изначальная теория Бора не могла объяснить образование химической связи.
Ирвинг Ленгмюр (Irving Langmuir, 1881 — 1957). Модификация идей Льюиса для приведения их в соответствии с динамическим электроном физиков.
Глава 8. Заставленный вращаться Уленбеком и Гаудсмитом
Вернер Гейзенберг. Неудавшаяся попытка объяснить оставшиеся необъясненные расщепления спектров путем введения магнитного момента ядра и его влияния на валентные электроны.
Вольфганг Паули. Критика модели Гейзенберга.
Джордж Уленбек (George Uhlenbeck, 1900 — 1988). Сэмюэл Гаудсмит (Samuel Goudsmit, 1902 — 1978). Введение спина электрона.
В заключение пара комментариев. Для обсуждения научного реализма-антиреализма было бы крайне полезно расширить репрезентации электрона с использованием квантовой механики и теории квантового поля, поскольку в квантовой механики отсутствует общепринятая интерпретация, совмествимая с научным реализмом. Ключевым понятием при рассмотрении электрона в квантовой механики становится волновая функция электрона. Проблема на этом пути связана с вопросом о том, существует ли волновая функция. Ответ нет однозначно связан с научным антиреализмом.
Существование волновой функции является основой многомировой интерпретации квантовой механики. Таким образом, философы, сторонники научного реализма, должны по идее стать сторонниками многомировой интерпретации. Было бы интересно посмотреть на обсуждение существования электрона с этой точки зрения.
Теория квантового поля поднимает дополнительные проблемы по отношению к вопросу, что такое электрон. В этой теории фундаментальной реальностью является квантовое поле, а электрон представляет собой возбуждение этого поля. Достаточно разительное отличие от предыдущих репрезентаций электрона. Также интересно отметить, что в теории квантового поля существует теорема Хаага, которая по сути дела запрещает представление электрона в виде частицы.
Далее книга Арабациса является прекрасной иллюстрацией тезисов Дюгема. Такому быстрому изменению взглядов физиков на природу электрона лучше всего соответствует взгляд, что физика описывает, а не объясняет реальность. С этой точки зрения история вхождения электрона в физику видится достаточно логичной. Также без знания история невозможно понять оставшиеся термины и сложившуюся структуру теорию. Единственное отличие связано с тем, что становление квантовой механики в начале двадцатого века соответствовало английскому мышлению, которое так ругал Дюгем. Успех приходил к тем, кто не боялся введения квантовых гипотез ad hoc и одновременной опоры на механические модели с целью описания доступных экспериментальных спектральных данных.
И последнее. Я бы сказал, что к показанному процессу прекрасно подходит концепция Коллектива Бруно Латура. Флогистон включили в Коллектив, а затем исключили. Электрон включили в Коллектив и пока нет никаких оснований для его исключения.
Информация
Theodore Arabatzis, Representing Electrons: A biographical approach to theoretical entities, 2006.
Про взгляды Пьера Дюгема: Физическая теория, её цель и строение.
Частицы в теории квантового поля: Теорема Хаага и элементарные частицы.
См. также: Что такое фотон?
О книге историка Клауса Хентшеля ‘Фотоны: История и мысленные модели квантов света‘. По построению она похоже на книгу Арабациса.
Обсуждение
https://evgeniirudnyi.livejournal.com/232150.html
15.04.23 Как существует электрон
‘Электрон существует как паттерн, который мы выделяем из всего набора эмпирических данных, ассоциируемых с теоретическим объектом «электрон», чье «реальное определение» сейчас задается Стандартной моделью и сопутствующими концепциями квантовой механики. В ходе научной революции электрон как паттерн никуда не исчезает, поскольку части «реальных определений» паттернов старой «парадигмы», тех, которые удастся ретроспективно проинтерпретировать и функционально значимо встроить в новую, будут включены в «реальные определения» новых паттернов, что указывает на наличие отношения «эссенциальной зависимости» между «старым» и «новым» паттернами.’
Н. В. Головко, ‘Дж. Лэдимен, Д. Деннет и Дж. Лоу: Как существует электрон‘. Сибирский философский журнал 20, no. 2 (2022): 19-42.