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  在一般認定中,電子是原子內部的結構物,教科書中所謂的質子、中子和電子,一物一性,已是耳熟能詳的事。雖然說目前的物理理論,已經把電子用更小的結構來解釋,但是就一個物質認知的觀點來看,電子依然是一個實在的構成物。

  在科學歷史的說法中,電子是一八九七年由一位英國物理學家湯姆森(J. J.Thomson)發現,如果深究這個發現的意義,便可以知道,當時湯姆森的聲稱發現電子,是他利用當時知道會向陽(電)極偏轉的「陰極射線」進行實驗時,得到射線中帶電粒子的質量與電荷的一個比值。

  湯姆森真正的成功,是他能夠由此一很小比值的實驗結果,透視並推斷出在「陰極射線」中質量與電荷都很小的粒子,就是電子。雖然說湯姆森並不是頭一個提出「電子」一詞的人,但是他在理論認知上的完備性,使得他被認定是電子的發現者。

  二十世紀開始的諾貝爾獎,在第六年頒獎給他,由實驗得到的結果,顯示出這種小的粒子,比起當時化學中所知的最小氫原子,還要小兩千倍以上,不會是當時化學中所知道的原子。湯姆森當時在《哲學期刊》上發表的實驗報告中也寫道,「電子的發現代表著原子的分割,原子中一部份質量得以分離,並和本來的原子脫離。」

  湯姆森「發現」電子的十九世紀末,近代科學延續希臘自然哲學對物質基本結構「原子」的探究,已有相當長久的歷史,對於原子的不可分割概念,可以說一直是深信不疑的。湯姆森的「電子」與「原子」分割概念,確實有其哲學思維上的深遠意義,因為在那之前,化學家曾經爭論過原子的實在性,而後物理學家也有原子實存問題的爭論。

  十九世紀末,近代科學統計熱力學的奠基者波茲曼(Ludwig Boltzmann)和大物理學家馬赫(Ernst Mach),對於原子實存性的爭論,是當時科學歷史上的一件大事。一八九七年馬赫在維也納皇家科學院會議中,反對波茲曼演講所提出的觀點,聲稱他不相信原子的真實存在。這個爭論延續了相當時間,雖然一些物理學家支持波茲曼的看法,但是當時大多數的科學家,並不相信原子的實存性。

  波茲曼和馬赫的爭論,到一九○五年經由布朗運動的實驗驗展示,可以說肯定了原子實存的看法,但是這個爭論主角之一的波茲曼,那段時期為了護衛自己的一些理論,而陷入憂鬱症的情緒低潮,一九○六年的九月在義大利北方一個小鎮旅館中自縊身亡,留下一個悲劇的結局。

  原子的概念事實上還是靠後來的理論才得以確認,這個發展是正好一百年前,一九一三年物理學家玻爾(Niels Bohr) 的理論成就。

  一九一一年二十六歲的丹麥天才物理學家玻爾,因為他做的金屬電子理論博士工作十分出色,因此到英國劍橋大學,跟隨電子發現者湯姆森從事博士後研究。玻爾個性有著年輕天才的氣盛,當時湯姆森又忙於建立他「葡萄乾布丁」的原子模型,因此第二年玻爾就轉到曼徹斯特大學,進入由紐西蘭到英國的大科學家拉塞福(Ernest Rutherford)的實驗室。玻爾與拉塞福相處愉快,當時拉塞福在發展前一年利用α粒子撞擊黃金箔著名實驗所建立的原子模型,玻爾的創造性思維,受到鼓舞,在那些理論基礎上,他排除一些不可能的情況,並且利用大物理學家普朗克(Max Planck)所提出的能量包的「量子」概念,一九一三年的七月到十一月間,玻爾討論原子和分子結構的理論文章,發表在倫敦的《哲學期刊》上。

  玻爾不能解決當時實驗現象所呈現的一些困難,他提出原子外圍軌道上的電子會以「量子」能量包,在不同的軌道上做「量子躍遷」,來解決了拉塞福行星原子模型中,外圍電子會因為輻射損失能量而跌入原子核的問題。

  玻爾的成功,來自他的科學透視,也來自他不怕面對挑戰的勇氣,特別是在理論發展中,那是一種在瞎燈黑火裏憑直覺猜測的工作,更需要有面對不可預期困境的堅韌個性。

  原子理論工作雖然給玻爾帶來科學名聲,以及諾貝爾獎的殊榮,但是他也深知,理論中還有許多沒有解決的問題。對於近代物理探究原子結構的道路,玻爾的工作提出了許多新視野,二十世紀爾後的物理科學,在原子實驗方面大放異彩,帶來驚人應用發展,這都是十九、二十世紀之交,許多理論與實驗工作所留下的遺產。

  而與原子結構息息相關的「電子」,更是往後幾十年量子力學發展中的主角,它的諸多性質在理論和實驗工作中逐漸展現,物理學家除了探究電子的質量和電荷,也探究它的自旋,由此所建立的電子模型,後來發展出影響我們當前生活極大的微電子學,事實上,才淘汰不久的箱型電視機,利用的正是十九世紀末科學家做實驗所用的「陰極射線」電子束。

  對於物質世界來說,到底電子是如何一種存在,還有著許多哲學上的辯論空間,因為在量子力學中,電子可以看作是粒子,又可以是一種波,決定於外在選擇的觀測方式。

  在近代科學歷史中,電子所展現的意義,一如近代科學所承襲希臘傳統中的原子概念,是一個認知世界的先驗視野問題。近代科學在這條路上曾經長出繁花異樹,但是在最深的層次中,電子依然有著它疑幻似真的存在本質。

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江才健

江才健

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《知识通讯评论》发行人兼总编辑;并在台湾大学新闻研究所以及台大、中央、阳明、辅仁大学讲授“科学在文化中的定位与挑战”课程;台湾科技大学驻校副教授级专家。作品有:《大师访谈录》、《物理科学的第一夫人—吴健雄》、《规范与对称之美—杨振宁传》(获2003年科学类著作金鼎奖)、《科学梦醒》(获2010年金鼎奖最佳专栏写作奖、2011年获第三届星云真善美新闻传播奖、传播贡献奖)

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