Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
В 1898 году, год спустя после открытия электрона, Томсон применил этот метод для приблизительной оценки заряда электрона. Он воспользовался радиоактивным источником для получения отрицательно заряженных ионов (то есть электронов) в воздухе внутри камеры Вильсона, затем вызвал конденсацию перенасыщенного водяными парами воздуха вокруг ионов – создав в результате облако заряженных «бузинных шариков», – после чего измерил общий заряд облака. Затем он подсчитал общее число капель в облаке. На первый взгляд, эта задача кажется чрезвычайно трудной, практически невыполнимой, но на практике, как ни странно, ее можно решить, измерив скорость, с которой верхняя поверхность облака опускается внутрь расширительной диффузионной камеры.
С помощью уравнения Навье – Стокса, описывающего характер движения крошечных капель в жидкости, Томсон смог вычислить средний размер отдельных капель, составляющих облако, путем измерения скорости опускания облака. Чтобы осуществить названный подсчет в соответствии с законом Стокса, ему необходимо было знать плотность капель (ничего сложного, так как это были капли воды) и вязкость среды, по которой они проходили (тоже ничего сложного, так как этой средой был воздух). Знание общего объема водяных паров в облаке и размера каждой отдельной капли позволило Томсону высчитать число отдельных капель в облаке. Исходя из предположения, что каждая капля в облаке конденсируется вокруг одного электрона, Томсон поделил заряд облака на число капель, чтобы таким образом получить примерный заряд отдельного электрона.
Чарльз Вильсон усовершенствовал свой метод, установив в расширительной диффузионной камере горизонтальные металлические пластины, с помощью которых внутри устройства создавалось электрическое поле. Когда он заряжал пластины, любые заряды в пространстве между ними ослаблялись возникавшим полем. Воспользовавшись секундомером, Вильсон измерил и сравнил скорость, с которой облака из капель опускаются между рядом перекрестий визира – вначале под действием одной только силы притяжения, а затем под влиянием силы притяжения и электрического поля, заставлявшего облако опускаться немного быстрее. Это было значительное усовершенствование, так как давало Вильсону возможность убедиться, что измеряемый облачный слой состоит из капель с электронами внутри, так как капли с электронами опускаются быстрее под влиянием электрического поля, нежели под воздействием одной силы притяжения. Это также позволяло отбирать капли с наименьшим зарядом, так как капли, конденсировавшиеся вокруг группы электронов, содержали больший заряд и опускались с большей скоростью. Метод Вильсона также был приблизительным из-за очень быстрого испарения облаков. К тому же следовавшие друг за другом облака подчас сильно отличались друг от друга, и их было сложно сравнивать.
В 1906 году Милликен вместе с аспирантом Луисом Бегеманом приступил к своим экспериментам. Вначале ученые решили испробовать метод Вильсона, но не добились никаких результатов. Из-за неопределенности и нестабильности верхней поверхности облака они не смогли провести измерения даже с минимальной степенью точности. Когда Милликен сообщил об этом на заседании в Чикаго, выдающийся физик Эрнест Резерфорд подтвердил, что главная сложность эксперимента связана с большой скоростью испарения крошечных капелек воды. Милликен понял, что для решения проблемы испарения необходимо кардинальным образом изменить методику.
Несколько подавленный возникшими трудностями, Милликен решил изучать скорость испарения так, чтобы иметь возможность ее компенсировать, – еще один пример «бдительности экспериментатора», описанной в связи с опытом Кавендиша. Исследователь решил использовать более сильное электрическое поле и изменить направление тока так, чтобы он поднимал заряженные капли вверх, удерживая облако на то время, пока проводилось измерение скорости испарения. Однако при первой же попытке его постигло разочарование. Он было подумал, что его цель практически недостижима, а любые попытки усовершенствовать эксперимент безнадежны:
...
«Все подготовив и… сформировав облако, я повернул выключатель и включил электричество. Результатом было полное и мгновенное исчезновение облака – другими словами, не осталось „верхней поверхности“ облака, на котором можно было бы установить перекрестье визира, как делал Вильсон и как намеревался сделать и я»108.
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.
