Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Практически все облако – очевидно, состоявшее из капель с более чем одним электроном – было сметено сильным электрическим полем. Милликен писал:

«Поначалу создалось впечатление, что мой эксперимент полностью провалился, а вместе с ним провалились и все другие попытки экспериментирования на основе измерения скорости опускания ионизированного облака».

При повторении попытки произошло то же самое. Внезапно Милликен обратил внимание на то, что кардинальным образом преобразило его подход к эксперименту, а именно – на небольшое количество неиспарившихся капель:

«Это были капли, по случайности имевшие именно то отношение заряда к массе, или весу, которое было необходимо, чтобы направленная вниз сила тяготения, действовавшая на каплю, уравновешивалась направленной вверх силой, обусловленной воздействием поля на электрический заряд, который переносила капля… Так возникло то, что я назвал определением е [заряда электрона] „методом уравновешенной капли“»109.

Итак, Милликен обнаружил способ работать с одним «бузинным шариком», а не с целым их облаком. Настроив заряд электрических полей в камере, он мог заставить крошечные капли двигаться в камере вверх и вниз и даже оставаться неподвижными. Проделав эксперимент много раз, он заметил, что заряд, необходимый для уравновешивания капель, всегда представлял собой точное число, кратное наименьшему заряду, наблюдаемому на капле. Это стало первым однозначным доказательством того, что электрический заряд состоит из отдельных «крупиц».

Затем Милликен переделал аппарат так, чтобы иметь возможность изучать отдельные капли, а не облака. Устройство теперь состояло из камеры, в которой заряженные капли падали через крошечное отверстие в горизонтальной пластине, переходя туда, где за их поведением можно было бы наблюдать в микроскоп, когда они проходили между двух перекрестий визира110.

Милликену повезло, и он сумел правильно воспользоваться плодами своей удачи. Эксперимент был возможен лишь при очень строгом соблюдении целого ряда параметров. Если бы капли были значительно меньше, то из-за броуновского движения (хаотического движения мелких частиц в жидкости, вызванного столкновением молекул этой жидкости) наблюдение стало бы невозможным, и, наоборот, если бы капли были бы значительно больше, Милликену не удалось бы создать напряжение, необходимое для удержания их на месте. Позднее он писал:

«Природа была добра ко мне. Едва ли при каком-либо другом сочетании размеров, параметров электрического поля и материалов я мог бы получить необходимые результаты».

Осенью 1909 года Милликен решил опубликовать свою первую большую статью о «методе уравновешенной капли». Работа увидела свет в феврале 1910 года. Материал в статье изложен с удивительной честностью. Историк науки Джеральд Холтон охарактеризовал работу как редкое явление в научной литературе. Милликен включил в статью свои личные суждения о надежности и ценности каждого из тридцати восьми наблюдений капель, проранжировав их. Тремя звездочками он отметил два «лучших» наблюдения, которые имели место «вероятно, при идеальных условиях» – это значило, что у исследователя была возможность наблюдать за каплей достаточно долго, чтобы убедиться в ее неподвижности, точно отследить время ее прохождения через перекрестие визира и не увидеть никаких нарушений в характере ее движения. Двумя звездочками Милликен пометил семь «очень хороших» наблюдений, одной звездочкой – десять «хороших» наблюдений и без пометок оставил тринадцать «посредственных». Примечательно и то, что Милликен откровенно признался, что ему пришлось отбросить три «хороших» наблюдения – включение которых никак бы не отразилось на конечном результате – из-за какой-то неопределенности в положении капель и значении параметров электрического поля; еще три – из-за изменений в параметрах поля; и еще одно просто потому, что в этом случае заряд оказался на 30% ниже, чем в остальных, и это вызвало у исследователя подозрение, что в эксперимент вкралась какая-то ошибка. Как заметил Холтон, «Милликен хотел подчеркнуть, что знает, каким должен быть хороший эксперимент, и не желал пренебрегать этим знанием ни при каких обстоятельствах»111. Анализ, подобный вышеприведенному, всегда является частью научных исследований, но экспериментаторы редко публикуют его в открытой печати.

Впрочем, словно подтверждая правильность давней мудрости, что ни одно доброе дело не остается без наказания, Милликену вскоре пришлось пожалеть о своей чрезмерной честности. В том же году в дискуссию вступил Феликс Эренгафт (1879–1952), физик из Венского университета. Воспользовавшись оборудованием, похожим на милликеновское, но с частицами металла вместо капель воды, Эренгафт заявил в 1910 году, что в результате своих исследований он установил существование «субэлектронов» с зарядом меньшим, чем наименьший из обнаруженных Милликеном. Эренгафт не просто провел пересчет данных Милликена, но, воспользовавшись теми наблюдениями Милликена, которые тот отбросил как недостаточно надежные, попытался создать впечатление, что данные американского исследователя подтверждают его выводы.

Однако ко времени появления статьи Эренгафта Милликен уже понял, как можно кардинальным образом усовершенствовать эксперимент. В августе 1909 года, незадолго до представления к публикации своей первой статьи, Милликен съездил в канадский Виннипег на конференцию Британской ассоциации развития науки, президентом которой в тот год был Джозеф Джон Томсон. И хотя Милликен не был включен в список выступающих, он привез с собой результаты своих исследований и, представляя их, привлек к себе большое внимание. Вскоре после конференции он решил заменить капли воды на более тяжелую субстанцию с меньшей скоростью испарения – к примеру, на ртуть или масло. В своей автобиографии, написанной двадцать лет спустя, Милликен называет моментом откровения то, что произошло с ним на пути домой. Он вдруг понял, насколько наивны и даже глупы попытки бороться с испарением водяных капель, при том что существуют часовые масла, специально созданные для предотвращения испарения112.

Вопрос о том, как это происходило на самом деле, столь же туманен и загадочен, как и верхняя поверхность облака. В статьях, опубликованных в то время, Милликен приписывает своему коллеге Дж. Ли заслугу в разработке метода распыления с целью создания крошечных сферических капель. Однако Харви Флетчер, один из аспирантов Милликена, утверждал позднее, что идея использования масляных капель принадлежит именно ему. Скорее всего, ни о каком моментальном озарении у Милликена речи не идет, так как проблемой предотвращения испарения в то время занимались абсолютно все, кто имел хоть какое-то отношение к описываемому эксперименту.

Вернувшись в Чикаго из Виннипега, Милликен поспешил в Райерсон-холл – корпус в самом центре университетского кампуса, где располагалась его лаборатория. Глядя сегодня на впечатляющее неоготическое здание с бойницами в зубчатых стенах, нелегко догадаться, что это одна из первых в Америке физических лабораторий, построенная в конце XIX столетия. Даже оказавшись внутри, трудно поверить, что среди громадных дубовых потолочных балок и живописных винтовых лестниц располагается научная лаборатория. Однако это здание из камня и дерева обладает прекрасными изолирующими свойствами; металлические конструкции при строительстве не употреблялись во избежание магнитных помех, которые могли бы помешать экспериментам с предельно малыми электрическими и магнитными полями. Лабораторию строили на основе рекомендаций американского физика Альберта Майкельсона, настоявшего на определенных технических условиях и строительных материалах, которые, по мнению ученого, требовались для успеха экспериментов.

У входа в Райерсон-холл Милликен столкнулся с самим Майкельсоном. Милликен сообщил своему именитому коллеге, что разработал метод, который позволит ему определить заряд электрона с точностью до одной десятой процента, в противном случае, заявил он, «я вообще ни на что не гожусь». Oн сразу же заказал новый аппарат специально для методики «уравновешенной капли», но с использованием масла. Как и раньше, он собирался создать отрицательные электрические заряды в камере, заполненной каплями (на сей раз масла), выбрать одну из них и позволить ей падать под влиянием только одной силы притяжения. На основании этого он смог бы вычислить радиус капли. Затем он намеревался подключить ток к пластинам и направить крошечную каплю вверх, затем вниз, затем снова вверх. Милликен наблюдал за каплями через небольшое окошечко, освещенное с противоположной стороны специальной подсветкой. Измерение времени подъема и падения капель позволило бы ему вычислить их заряд.