On the plausibility of the Epistemic Metaphor hypothesis in an intra-scientific context: the concept of electron spin as a case study

Authors

DOI:

https://doi.org/10.5007/2175-7941.2024.e96642

Keywords:

Metaphor, Epistemic Metaphor, Hector Palma, Electron Spin

Abstract

The hypothetical notion of Epistemic Metaphor was originally proposed to describe metaphorical processes underlying the production of scientific knowledge. Elaborated by Hector Palma, this notion presents itself as a process in two stages: a synchronic bisociation (joining of two ideas belonging to different conceptual fields) followed by a diachronic literalization (stabilization of meaning over time). The objective of this work was to verify the plausibility of the aforementioned hypothesis in the intra-scientific scope of Physics. For this purpose, we consider the episode referring to the genesis of the concept of electron spin, analyzing historiographical, historical and didactic materials, seeking to highlight the aforementioned metaphorical process. The topic in question is relevant because it is a purely quantum concept, that is, it has no classical analogue. Additionally, research related to the teaching of Modern and Contemporary Physics has indicated the need for didactic proposals aimed at teacher training, which we believe is possible to explore through the epistemic metaphor, as this object highlights historical, philosophical and conceptual elements. The methodology used in the analysis consisted of correlating excerpts (sentences, equations, images, etc.) extracted from the research's documentary base with a set of analytical categories that reflect structural and conceptual aspects of the metaphorical phenomenon investigated. During the analysis, we identified 147 excerpts that, organized into 11 analytical categories, substantiate the metaphorical object in question. Thus, we consider that the result of the analysis indicates the plausibility of the hypothesis considered.

Author Biographies

Fábio Bartolomeu Santana, Paraná Federal Institute of Education, Science and Technology

Possui doutorado pelo Programa de Pós Graduação em Educação Científica e Tecnológica da Universidade Federal de Santa Catarina (2022), mestrado em Física Nuclear pela Universidade Federal de Santa Catarina (1999), graduação em Física Licenciatura pela Universidade Federal de Santa Catarina (2015) e graduação em Física Bacharelado pela Universidade Federal de Santa Catarina (1997). Atualmente, é professor do Instituto Federal do Paraná, Campus Paranaguá, atuando no Ensino Médio Técnico, no Ensino Superior (Curso de Licenciatura em Física) e no Programa de Pós-Graduação em Ciência, Tecnologia e Sociedade e como pesquisador na área de Ensino de Física, História e Filosofia das Ciências.

Henrique César da Silva, Universidade Federal de Santa Catarina

Licenciado em Física (Unicamp, 1992), Mestre (1995) e Doutor (2002) em Educação (Unicamp). Foi professor de Física na educação básica (ensino médio). Atualmente, é professor do Departamento de Metodologia de Ensino do Centro de Ciências da Educação, na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e do Programa de Pós-Graduação em Educação Científica e Tecnológica (UFSC). É coordenador-líder do grupo de pesquisa Fluxo (PPGECT/UFSC-CNPq). Atua nos campos da Educação em Ciências e Ensino de Física, nas linhas de pesquisa “Linguagens e Ensino e Epistemologia e História da Ciência e Matemática”.

Frederico Firmo de Souza Cruz, Universidade Federal de Santa Catarina

Possui graduação em Bacharelado em Física pela Universidade de São Paulo (1976), mestrado em  Física pela Universidade de São Paulo (1979) e doutorado em Física pela Universidade de São Paulo (1987). Atualmente, é professor associado I da Universidade Federal de Santa Catarina. Tem experiência na área de Física, com ênfase em Teorias de Muitos Corpos em sistemas bosônicos e fermionicos, atuando principalmente nos seguintes temas: teoria de condensados bosonicos, metodos não perturbativos de teoria de Campos aplicados a fisica de Condensados , movimentos coletivos, metodo de coordenadas geradoras. Atua também na área de Ensino de Física, com temas ligados à modelização e a fenomenologia no ensino de física, ensino de fisica moderna e história e epistemologia da ciência.

References

ABRANTES, P. Problemas metodológicos em historiografia da ciência. Em: SILVA FILHO, W. J. DA (Ed.). Epistemologia e ensino de ciências. Salvador: Arcadia, UESAL, 2002. p. 51-91.

BOHR, N. Spinning electrons and the structure of spectrun. Nature, v. 117, n. 2938, p. 264-265, 1926.

BUCHWALD, J. Z.; WARWICK, A. (Eds.). Unsettled problems in Quantum Spectroscopy: Sommerfeld’s phenomenology, Bohr’s second theory, and Pauli’s Exclusion Principle. In: Histories of the electron: the birth of microphysics. Dibner Institute studies in the history of science and technology. Cambridge, Mass: MIT Press, 2001. p. 830-859.

BUSCH, P.; SCHROECK, F. E. On the reality of spin and helicity. Foundations of Physics, v. 19, n. 7, p. 807-872, jul. 1989.

CARRELLI, A. The Spinning Electron in Wave Mechanics. Nature, v. 119, n. 2996, p. 492-493, abr. 1927.

COHEN-TANNOUDJI, C.; DIU, B.; LALOË, F. Quantum mechanics Volume II: angular momentum, spin and approximation methods. 2. ed. [s.l.] Wiley-VCH, 2020. v. II

COMMINS, E. D. Electron spin and its history. Annual Review of Nuclear and Particle Science, v. 62, n. 1, p. 133-157, 23 nov. 2012.

DARRIGOL, O. Quantum Theory and Atomic Structure, 1900-1927. In: NYE, M. J. (Ed.). The Cambridge History of Science. 1. ed. [s.l.] Cambridge University Press, 2001. p. 329-349.

DIRAC, P. A. M. Methods in theoretical physics. In: SALAM, A. (Ed.). Unification of fundamental forces: the first of the 1988 Dirac memorial lectures. Cambridge [England] ; New York: Cambridge University Press, 1990. p. 125-143.

DUNCAN, A.; JANSSEN, M. Constructing Quantum Mechanics: Volume 1: The Scaffold: 1900-1923. 1. ed. [s.l.] Oxford University Press, 2019.

EINSTEIN, A.; BORN, M.; KOPFF, A. Besprechungen. Die Naturwissenschaften, v. 10, n. 8, p. 184-186, fev. 1922.

EISBERG, R. M.; RESNICK, R. Quantum physics of atoms, molecules, solids, nuclei, and particles. 2nd ed. New York: Wiley, 1985.

ENZ, C. P. W. Pauli’s Scientific Work. In: MEHRA, J. (Ed.). The Physicist’s Conception of Nature. Dordrecht: Springer Netherlands, 1973. p. 766-799.

FLECK, L. Gênese e desenvolvimento de um fato científico. Belo Horizonte: Fabrefactum Editora, 2010.

FORMAN, P. The Doublet Riddle and Atomic Physics circa 1924. Isis, v. 59, n. 2, p. 156-174, jul. 1968.

FORMAN, P. Alfred Landé and the Anomalous Zeeman Effect, 1919-1921. Historical Studies in the Physical Sciences, v. 2, p. 153-261, 1 jan. 1970.

FOWLER, R. H. Spinning Electrons. Nature, v. 119, n. 2985, p. 90-92, jan. 1927.

GIULINI, D. Electron spin or “classically non-describable two-valuedness”. Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, v. 39, n. 3, p. 557-578, set. 2008.

GOMES, G. G.; PIETROCOLA, M. O experimento de Stern-Gerlach e o spin do elétron: um exemplo de quasi-história. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 2, jun. 2011.

GRIFFITHS, D. Mecânica Quântica. 2. ed. São Paulo: Pearson, 2011.

GUTH, E. Spinning Electron and Wave Mechanics. Nature, v. 119, n. 3003, p. 744-744, maio 1927.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R. Fundamentos da Física: Óptica e Física Moderna. 8. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda, 2009. v. 4.

HALPRIN, A. Pedagogy of spin in nonrelativistic quantum mechanics. v. 46, n. 7, p. 768, 1978.

HESLOT, A. Classical mechanics and the electron spin. American Journal of Physics, v. 51, n. 12, p. 1096-1102, dez. 1983.

IRZIK, G.; NOLA, R. New Directions for Nature of Science Research. Em: MATTHEWS, M. R. (Ed.). International Handbook of Research in History, Philosophy and Science Teaching. Dordrecht: Springer Netherlands, 2014. p. 999-1021.

JAMMER, M. The conceptual development of quantum mechanics. Maryland: Tomash Publishers, 1989. v. 12.

JIMÉNEZ-ALEIXANDRE, M. P.; CRUJEIRAS, B. Epistemic Practices and Scientific Practices in Science Education. In: TABER, K. S.; AKPAN, B. (Eds.). Science Education. Rotterdam: SensePublishers, 2017. p. 69-80.

KAPLAN, I. G. The Pauli Exclusion Principle and the Problems of its Theoretical Substantiation1. Russian Physics Journal, v. 63, n. 8, p. 1305-1321, dez. 2020.

KOESTLER, A. The act of creation. London: Last Century Media, 2014.

KRAGH, H. Niels Bohr’s Second Atomic Theory. Historical Studies in the Physical Sciences, v. 10, p. 123-186, 1 jan. 1979.

KRAGH, H. The genesis of Dirac’s relativistic theory of electrons. Archive for History of Exact Sciences, v. 24, n. 1, p. 31-67, 1981.

KRAGH, H. Quantum Generations: a history of physics in the twentieth century. Princeton: Princeton University Press, 1999.

KRIPKA, R. M. L.; SCHELLER, M.; BONOTTO, D. DE L. Pesquisa documental: considerações sobre conceitos e características na pesquisa qualitativa. Investigação Qualitativa em Educação, v. 2, p. 243-247, 2015.

KRONIG, R. DE L. The spinning elctrons and the structure of spectra. Nature, v. 117, n. 2946, p. 550, 1926.

KUHN, T. S. The history of science. Em: SILLS, D. L. (Ed.). International Encyclopedia of the Social Sciences. [s.l.] The Macmillan Company & The Free Press, 1968. v. 14p. 74-82.

KUHN, T. S. A estrutura das revoluções científicas. 5. ed. São Paulo: Perspectiva, 1970.

LIVRAMENTO, S. Implicações culturais da Teoria Quântica: caminhos metafóricos e as apropriações indébitas. 2017. Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.

MARTIN, A. History of Spin and statistics. arXiv:hep-ph/0209068, 6 set. 2002.

MARTINS, R. DE A. Abordagens, métodos e historiografia da história da ciência. In: MARIA, Â. (Ed.). O tempo e o cotidiano na história. Série Ideias. São Paulo: Fundação para o Desenvolvimento da Educação, 1993. p. 73-78.

MARTINS, R. de A. Ciência versus historiografia: os diferentes níveis discursivos nas obras sobre história da ciência. Em: GOLDFARB, A. M. A.; BELTRAN, M. H. R. (Eds.). Escrevendo a história da ciência: tendências, propostas e discussões historiográficas. 1. ed. São Paulo: EDUC/Livraria da Física/Fapesp, 2004. p. 115-147.

MONTEIRO, M. A.; NARDI, R.; BASTOS FILHO, J. B. A sistemática incompreensão da teoria quântica e as dificuldades dos professores na introdução da Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio. Ciência & Educação, Bauru, v. 15, n. 3, p. 557-580, 2009.

NORRIS, S. P. et al. A theoretical framework for narrative explanation in science. Science Education, v. 89, n. 4, p. 535-563, jul. 2005.

OHANIAN, H. C. What is spin. American Journal of Physics, v. 54, n. 6, p. 500-505, 1986.

OLIVEIRA, F. F. DE; VIANNA, D. M.; GERBASSI, R. S. Física moderna no ensino médio: o que dizem os professores. Revista Brasileira de Ensino de Fı́sica, v. 29, n. 3, p. 447-454, 2007.

OSTERMANN, F.; MOREIRA, M. A. Uma revisão da bibliografia sobre a área de pesquisa “Física Moderna e Contemporânea no Ensino Medio”. Investigações em Ensino de Ciências, v. 5, n. 1, p. 23-48, 2000.

PAIS, A. The early history of the theory of the electron: 1897-1947. Em: SALAM, A.; WIGNER, E. P. (Eds.). Aspects of quantum theory. Cambridge [Eng.]: University Press, 1972. p. 79-93.

PALMA, H. Ciencia y metáforas: crítica de una razón incestuosa. Buenos Aires: Prometeu Libros, 2015.

PAULI, W. Über den Einfluß der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Elektronenmasse auf den Zeemaneffekt. Zeitschrift für Physik, v. 31, n. 1, p. 373-385, fev. 1925.

PAULI, W. Exclusion principle and quantum mechanics. Nobel Prize.org, 13 dez. 1946. Disponível em: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1945/pauli/lecture/. Acesso em: 12 jun. 2020.

PAULI, W. Writings on physics and philosophy. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin, 1994.

RAICIK, A. C. Um resgate histórico-epistemológico do átomo de Bohr: uma gênese nem sempre contada e suas implicações ao ensino de ciências. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 45, p. e20230039, 2023.

RASETTI, F.; FERMI, E. Sopra Ľ elettrone rotante. Il Nuovo Cimento, v. 3, n. 1-2, p. 226-235, jan. 1926.

RÜDINGER, E.; STOLZENBURG, K. Introduction. In: Niels Bohr Collected Works. [s.l.] Elsevier, 1984. v. 5. p. 219-240.

SANTANA, F. B. A construção do conceito de spin do elétron como um processo de Metáfora Epistêmica intracientífica: implicações para a educação científica. 2022. 310 f. Tese (Doutorado) - Curso de Programa de Pós-Graduação em Educação Científica e Tecnológica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/234825/PECT0499-T.pdf?sequence=-1&isAllowed=y. Acesso em: 1 abr. 2024.

SANTANA, F. B.; SILVA, H. C. DA; CRUZ, F. F. DE S. Metáforas científicas: a hipótese da metáfora epistêmica como um processo subjacente à produção de conhecimento científico. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 39, n. 3, p. 859-887, dez. 2022.

SASSERON, L. H.; DUSCHL, R. A. Ensino de ciências e as práticas epistêmicas: o papel do professor e o engajamento dos estudantes. Investigações em Ensino de Ciências, v. 21, n. 2, p. 52, ago. 2016.

SEBENS, C. T. How electrons spin. Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, v. 68, p. 40-50, nov. 2019.

SETH, S. Quantum Physics. In: BUCHWALD, J. Z.; WARWICK, A. (Eds.). The History of Physics. The Oxford Handbook. Oxford: Oxford University Press, 2013. p. 814-859.

SILVA, A. dos S.; REIS, J. C. de O.; REGO, S. C. R. Publicações sobre o ensino de física moderna: relações construídas entre artes e física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 36, n. 2, p. 366-382, 2019.

THOMAS, L. H. The motion of the spinning electron. Nature, v. 117, n. 2945, p. 514, 1926.

THOMAS, L. H. The kinematics of an electron with an axis. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, v. 3, n. 13, p. 1-22, jan. 1927.

TOMONAGA, S. The story of spin. Chicago: The University of Chicago Press, 1997.

TURBAYNE, C. M. El mito de la metafora. Ciudad de México: Fondo del Cultura Económica, 1974.

UHLENBECK, G. E.; GOUDSMIT, S. Spinning electrons and the structure of spectrun. Nature, v. 117, n. 2938, p. 264-265, 1926.

UHLENBECK, G. E.; GOUDSMIT, S. A. Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons. Die Naturwissenschaften, v. 13, n. 47, p. 953-954, nov. 1925.

VILAS BOAS, A. et al. História da ciência e natureza da ciência: debates e consensos. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 30, n. 2, p. 287-322, 27 jun. 2013.

VON MEYENN, K.; SCHUCKING, E. Wolfgang Pauli. Physics Today, v. 54, n. 2, p. 43-48, fev. 2001.

WEINERT, F. Wrong theory, right experiment: the significance of the Stern-Gerlach experiments. Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, v. 26, n. 1, p. 75-86, abr. 1995.

Published

2024-09-26

How to Cite

Santana, F. B., César da Silva, H., & Firmo de Souza Cruz, F. (2024). On the plausibility of the Epistemic Metaphor hypothesis in an intra-scientific context: the concept of electron spin as a case study. Caderno Brasileiro De Ensino De Física, 41(2), 339–363. https://doi.org/10.5007/2175-7941.2024.e96642

Issue

Section

História, Filosofia e Sociologia da Ciência e Ensino de Ciências/Física