1897 年，当 J.J. 汤姆森站在皇家学会发表演讲，分享他最新的研究成果时，在场的听众很少有人意识到物理学即将发生多么巨大的变化。根据《Nature》杂志的一项研究，他所描述的微小、带负电荷的“粒子”很快就被称为电子。
尽管电子的发现标志着现代科学的一个转折点，但达到那一刻的旅程并非教科书有时描述的那种“顿悟”。
电子的发现并非一蹴而就。它是建立在数十年的实验、理论猜测，甚至是在精密仪器实验室里偶然的失误之上，缓慢积累而成。虽然 J.J. 汤姆森因此获得了大部分赞誉，但他的成就很大程度上是他所处的环境的产物，那是一个对电和物质本质充满强烈好奇的时代。
J.J. 汤姆森与亚原子粒子
到 19 世纪末，科学界对电和光充满了疑问。许多研究人员正在探索最终会汇聚成电子概念的现象。虽然汤姆森常被认为是电子的最终发现者，但即使是这个称号也存在争议。
“科学史学家们对于谁真正‘发现’了电子意见不一，”巴斯克大学 Ikerbasque 研究教授、著作《电子史：J.J. 和 G.P. 汤姆森》的作者 Jaume Navarro 说。“许多从事与电相关领域工作的人得出了可能被视为现代电子的早期实验或理论实例的结论：Zeeman、Lorentz、Lenard 和 Larmor 是这个故事中的主要人物。所以 J.J. 只是构建电子这个拼图中的一小块。”
汤姆森的关键见解出现在 1897 年，一系列创新且精密的实验帮助他确定，微小的亚原子“粒子”可能携带电本身。
Navarro 说：“1897 年，他宣布，对物质与电相互作用的最佳解释是‘并非完全不可能的假设’，即物质的‘带电粒子’是电的单位载体。”“当他试图测量这些粒子的电荷质量比时，他得出结论，这些粒子可能比最小的原子还要小。”
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弯曲粒子束
汤姆森著名的阴极射线实验揭示了电子，如今看来似乎 deceptively simple。他将一束粒子射过真空管，并利用电和磁场来弯曲粒子束。通过改变这些场地的强度并追踪光束偏转角度的变化，他可以确定粒子的电荷质量比。他发现这个比值比任何已知原子的比值都要小几个数量级。
Navarro 说：“实验装置看起来很简单，但事实并非如此。”“当时并非每个人都能拥有完美的真空管来实现稳定的真空。”
事实上，汤姆森的成功很大程度上归功于他实验室的顶级基础设施和他自己的洞察力。他于 1888 年担任主任的剑桥卡文迪什实验室，已经成为世界一流的实验中心。据英国科学博物馆称，汤姆森以“非常笨拙”著称。但他的实验室助理 Ebenezer Everett 精通玻璃吹制技术，能够制造出对汤姆森的实验至关重要的优质真空管。
电子的发现
科普常常将伟大的发现描绘成“顿悟”时刻。但在这里并不适用。
Navarro 说：“我们倾向于不喜欢‘顿悟’时刻，因为它们往往是对复杂过程的过度简化。”对汤姆森来说，真正的火花来自于一项完全不同的发现：X 射线。
Navarro 说：“真正具有颠覆性的因素并非取决于（汤姆森）：是伦琴射线（X 射线）的发现，促使他和许多其他物理学家将注意力转向它们。”“JJ 正在研究充满气体的放电管，而 X 射线则在真空中发生。所以，是 X 射线让他改变了实验装置。”
即使是科学界，也花了数年时间才普遍接受电子的存在。
Navarro 说：“实际上，在 19 世纪末，即使是原子的存在，在一些物理学家，尤其是化学家中，仍然存在争议。”“所以，亚原子‘粒子’是一个挑战。”
直到几十年后，汤姆森才被广泛认为是电子的发现者。
Navarro 说：“他 1906 年的诺贝尔奖是‘为了表彰他在气体导电方面的理论和实验研究所做的杰出贡献’，”而不是因为任何特定的发现，更不用说是电子（他一直称之为粒子）。
做好准备，蓄势待发
作为卡文迪什实验室的主任，汤姆森的影响远远超出了他自己的研究。
Navarro 说：“他担任卡文迪什实验室主任，使他能够跟踪和指导当时许多研究人员。”“此外，他的剑桥训练在他的工作中有所帮助，但也妨碍了他，”因为当时普遍认为物质和以太是连续的。
事实上，即使量子理论开始重塑物理学，汤姆森对物质连续性的信念也持续了几十年。“在他出版（1907 年的著作《粒子物质理论》）时，他关于电子是唯一基本粒子，即所有物质的‘原始物质’的梦想已经破灭了，”Navarro 说。“但他表示，这种粒子理论‘是一种策略，而不是一种信条’。”
具有讽刺意味的是，正是汤姆森自己的儿子 G.P. Thomson，后来证明了电子也可以表现出波动性，从而推动了量子革命。
火花之后
尽管如此，汤姆森在理解原子的内部结构方面并非万事通。例如，他提出了原子的“梅子布丁”模型，Navarro 指出汤姆森从未用过这个词。
Navarro 说，在“发现”电子并意识到它们无法解释原子的绝大部分质量后，汤姆森“尝试（但不成功）用类似的实验装置寻找正粒子”。
在未能找到任何相关结果后，“他继续认为，正电荷分布在原子中的以太中，而粒子则以稳定的方式排列在这个正电以太的海洋中，”Navarro 说。
尽管如此，汤姆森最初的“粒子”概念点燃了整个科学和工业领域。一个多世纪过去了，电子仍然是宇宙中最被深入研究和最被理解的粒子之一。然而，它的起源故事突显了科学发现真正混乱、协作和常常矛盾的历史。
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文章来源
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- 本文引用了《Nature》杂志上的一项研究信息：J. J. Thomson 关于“阴极射线”的论文
- 本文引用了英国科学博物馆的信息：JJ Thomson 的阴极射线管
