Жизнь и деятельность Роберта Милликена

Ученый поневоле В конце весны 1889 года профессор Джон Ф . Пек , который читал лекции по греческо му языку в небольшом колледже Оберлин (шта т Огайо ), обратился к одному из сту дентов , изучав-ших классические языки и литера туру , с просьбой подучить физику , чтобы на будущий год пре-подавать элементарный курс этой науки . - Но я не знаю физики . - Каждый , кто хорошо усваивает греческий , может преподавать физику. - Хорошо , - сказал студент , - но за все последствия отвечаете вы. Последствиями оказались два наиболее фунд аментальных исследования в области физики XX ве ка . Милликен ответил профессору согласием , так как нуждался в деньгах . К изучению кл ассики он не вернулся. Роберт Милликен родился 22 марта 1868 года в штате Иллинойс в семье священника . Ег о детство прошло в небольшом , стоявшем на берегу реки , городке Маквокета (штат Айов а ). “Мой отец и мать воспитали шестерых детей - трех девочек и трех мальчиков , жи вя на жа л ованье свя-щенника неболь шого городка в тысячу триста долларов в год , - рассказывал он . - Мы носили костюмы и платья из синей бумажной ткани и хо дили босиком , начиная с окончания школы в мае и до начала занятий в сентябре . Зимой мы , мальчики , распиливали е ж едневно десять четы-рехфутовых бревен . Так про должалось до тех пор , пока мы не напил ивали десять кордов (1 корд = 3,63 кубометра ) дров . Во время каникул по утрам мы должны были работать в саду , но после обеда у нас было свободное время для игр”. Дети плав али в реке , играли в бейсбол , два раза в день доили коров , вставали в три часа но-чи , чтобы встр етить бродячую цирковую труппу , выучились кру титься на самодельных парал-лельных брусьях и никогда не слыхали о том , что взрослы й человек может заработать себе на жизнь , проводя время в лаборатории и работая над какой-то физикой . Для них слов о “физика” связывалось с понятием о слаби тельном (разг . physic - слабительное ). Курс физики в средней школе Маквокеты вел сам директор , который в летние ме сяцы за-нимался гла вным образом поисками подземных вод при помощи раздвоенного ор ехового пру-тика и уж во всяком случае не очень-то верил во всю эту ерунду , напечатанную в учебнике : “Как это можно и з волн сделать звук ? Ерунда , мальчики , это все ерунда ?” Но зато учителя ал-г е бры Милликен с уважением вспомин ал всю жизнь. Когда ему исполнилось восемнадцать , он поступил в Оберлинский колледж - брат его ба-бушки был одним из основателей этого учебного заведения . На втором курсе колледж а он вновь прослушал курс лекций по ф изике , ко торые были ничуть не веселее тех , что ему читали в средней школе . Навыки в спортивных играх и атлетике , п риобретенные в детстве на задних дворах , п омогли ему получить место преподавателя гимна стики , а доход от преподавания физи-ки в средней школе еще боле е укрепил его финансовое положение. Милликен , надо сказать , добросовестно отно сился к своим преподавательским обязанно-стям . Чтобы идти впереди своих учеников , он изу чал все учебники , какие только мог достать . В то время в американских колледжах было всего две книги по физике - пере веденные с француз-ского языка работы Гано и Дешанеля. При таких обстоятельствах Милликен действ ительно хорошо научил предмет. По окончании колледжа в 1891 году Миллике н продолжал преподавать физику в Оберлине , получая небольшое ж алованье . Он был вынужден заниматься этим , ибо , как говорил он сам , “в тот год депрессии никакой вакансии не было” . Однако преподаватели О берлина значительно серьезнее относились к ро ли Милликена в науке , чем он сам , и без его ведома направили его докумен т ы в Колумбийский университет . Ему была предложена стипендия , и Милликен пос ту-пил в университет , ибо другой возможности получать регулярно 700 долларов у него не было . В Колумбийском университете он впервые встретился с людьми , глубоко интересовавшими ся ф и зикой , Милликен решил последо вать их примеру и попытаться стать настоя щим ученым , не-смотря на то , что уже мн ого лет терзался сомнениями относительно свои х способностей. В 1893 году наука в Америке была отст алой . Только люди , получившие образование в Евро- пе , хорошо представляли себе , как именно следует вести научно-исследовательскую р аботу . На физическом факультете Колумбийского университета был только один такой человек - про-фессор Майкл Пьюпин , получивший образование в Кембридже . Милликен говорил : “Слу ш ая курс оптики , который читал доктор Пьюпин , я все больше удивлялся . Впервые в жизни я встре-тил человека , который на столько хорошо знал аналитические процессы , ч то , не готовясь к заня-тиям , приходил ежедн евно в аудиторию и излагал свои мысли в виде уравн е ний . Я решил п о-пытаться научиться делать то же самое” . Когда срок стипендии , назначенный Милликену д ля изучения физики , истек , она не была возобновлена : Пьюпин предпочел Милликену другого кандидата. Когда до Пьюпина дошло , что Милликен остался без всяких средств , он заин тересовался им всерьез . На следующий год и менно по настоянию Пьюпина Милликен решил поехать учиться в Германию . Милликену пришл ось признаться , что у него нет средств , и Пьюпин дал ему взаймы необходимую су мму . Пьюпин хотел подарить ему эти деньги , но Милликен не согласился и вручил Пьюпину расписку в получении денег. Перед самым отъездом Милликен встретился еще с одним человеком , сыгравшим значи-те льную роль в его жизни . Во время летне й сессии Милликен побывал в недавно откры том Чи-кагском у ниверситете , где познакоми лся с А . А . Майкельсоном . Ни один челов ек никогда не производил на молодого учен ого столь сильного впечатления . Здесь же о н в 1895 году получил докторскую степень. Милликен находился в Европе (работает в Берлинском и Геттингенском университетах ), ко-гда за серией экспериментальных работ последовал грандиозный взрыв всех классических тео-рий . В 1895 и 1896 годах прозвучали в нау ке имена Беккереля , Рентгена , Кюри и Томсо на. Брожение еще продолжалось , когда летом 1896 года Милликен по лучил от А . А . Майкельсо-на телеграмму с предложением занять место ассистента в Чикагском университете . Ми лликену было тогда 28 лет . “Я отдал мою одежду вместе с чемоданом в заклад капита ну одного из судов Американской транспортной линии , заверив компанию, что я выпла чу капитану стоимость проезда в Нью-Йорке и только после этого приду за вещами”. Следующие двенадцать лет Милликен провел в обстановке неутомимой научной активно-сти , характерной для Чикаго в начале века . Чикагский университет собрал в своих ст енах моло-дых людей , которых в скором времени ожидала широкая известность : астроно ма Джорджа Гей-ля , историка Джеймса Брестеда , экономиста Стефена Ликона , Роберта Ловетта и многих , мно-гих других . В одном пансионе с Милликеном проживали двое юношей : Торст е йн Веблен и Га-рольд Икс. Первые годы , проведенные в Чикаго , Мил ликен посвятил написанию удобоваримых амери-канск их учебников по физике и заботам о св оей молодой семье . Майкельсон взвалил на н его всю преподавательскую работу , которая не соответствовала нра ву старика. В годы первой мировой войны (1914-1918) Миллик ен был заместителем председателя на-ционального исследовательского совета (разрабатывал метеоролог ические приборы для обнару-жения подводных ло док ). Милликен начал серьезно заниматься научно -исследо вательской работой , когда ему было почти сорок лет . Проблемы для исследовани я обычно выбирались им из числа тех , к оторые так потряси ученый мир , когда он еще был в Европе . Милликен . поневоле ста вший физиком , по-ставил два эксперимента , котор ые и поныне яв л яются классическим образцом изящества замыс-ла и выполнения . Он заслужил полученную им Нобелевскую премию (в 1923 году ). Таинственное четвертое состояние материи Вспоминая свою жизнь , Милликен говорил , что больше всего ему повезло , когда Пью пин не взял его своим ассистентом . Е сли бы это произошло , Милликен никогда не попал бы за гра-ницу и не оказался бы в Европе , когда современная физика т олько начиналась по-настоящему. 4 января 1896 года Вильгельм Конрад фон Рентген выступил с докладом в Вюрцбурге н а за-с едании Вюрцбургского физико-математическ ого общества , а затем повторил доклад в Берлине на ежегодной конференции Германского физического общества . Его сообщение явилось сенса-цией для двух наук : Рентген рассказал об открытии совершенно новой формы радиа ци и , позво-лившей ему фотографировать предметы сквозь непрозрачные твердые экраны . Он продемонст-рировал фотографию частей своего собственного живого скелета - костей руки. Для медицинского мира лучи Рентгена б ыли чудом , которое следовало немедленно поста- вит ь на службу диагностике . Для мира физики в тот момент гораздо важнее б ыло объяснение явления , нежели его применение . Поиски этого объяснения и явились впосле дствии первым прыжком в атомный и субатом ный мир. Чудесные лучи , открытые Рентгеном , имели уже по к райней мере сорокалетнюю и сторию в европейской науке . В 1863 году франц узский физик Массон направил электрическую ис кру высокого напряжения на стеклянный сосуд , из которого был выкачан почти весь в оздух . Сосуд внезапно наполнился ярким неземн ым пурпурным с вечением. В 60-е и 70-е годы прошлого века Г итторф я Крукс продолжили изучение этого необычного явления . Изобретение совершенного ваку умного насоса , помогшего Эдисону создать ламп очку накаливания , дало возможность Круксу наб людать таинственное зарево в вак ууме при все уменьшающемся давлении . Характер свеч ения менялся при уменьшении давления в со суде сна-чала до одной сотой , а потом и до одной тысячной атмосферы . Оно сначала стало еще ярче , за-тем рассыпалось на отдельные сгустки света и , наконец , потускнел о и совсем исчезло . Когда в сосуде создавался достаточно большой вакуум , свечение пропадало , но зато стеклянные стенки сосуда начинали излучать призрачный зеленова тый свет. Трубка Крукса по форме напоминала бол ьшую грушу , на обоих концах которой он впаял ме -таллические пластинки . Крукс ус тановил , что свечение в трубке объясняется прохождением лу-чей через вакуум между двум я металлическими дисками - электродами , когда м еталлические пластинки соединяли с источником высокого напряжения . Лучи назвали катодными л учами , а сосуд - катодной лучевой трубкой. Крукс также заметил , что таинственные лучи , по-видимому , имеют массу и скорость . О дна-ко природы этих лучей он не понимал и считал их “четвертым состоянием материи” , в отличие от жидкого , газообразного и твердого. В дальнейшем установили , что катодные лучи имеют электрическую природу , так как маг-нит , поднесенный к трубке , отклонял поток лучей . Так же действовал на них и э лектрический ток . Другие исследователи доказали , что катодные лучи можно направить за п ределы трубки , если поставить на их пути тонкую пластинку из алюминиевой фольги . Однако в воздухе катод-ные лучи распрост ранялись на очень небольшое расстояние. Некоторые физики полагали , что “четвертое состояние материн” было не чем иным , как та-инственной эктоп лазмой , описанной с пиритами . На время резко возрос спрос на духов. Осенью 1895 года Конрад фон Рентген прово дил опыты с трубкой Крукса , плотно за-верн утой в черную бумагу , чтобы излучение не вырвалось наружу . Совершенно случайно он заметил , что в темной ко мнате “бумажны й экран , промытый цианидом платины и бария , ярко загорается и флуоресцирует , независимо от того , обработанная или же обратная сторона экрана обращена к разрядной трубке ”. Бумажный экран помещался на расстоянии почти в шесть футов от аппарата. Р ентген знал , что катодные лучи заставляют флуоресцировать обработанный этим раствором экра н , но на та-кое расстояние катодные лучи никогда не проникали ! Он обнаружил вскоре , что все вещества в той или иной ст епени проницаемы для этих таинственных новых л учей . Только свинец ока-зался н епрозрачным для них. Рентген заметил также , что лучи эти засвечивали сухие фотопластинки и пленку , и это по-зволяло применять луч и для фо тосъемки . Он добрался и до источника лучей . Они возникали в том месте на поверхн ости ст екла , на которое падали катодны е лучи при высоком напряжении . Рентген тог да заявил , что новые лучи можно получить , направив катодные лучи на твердое те-ло . Чтобы подтвердить это , он сконструировал трубку , излучавшую более интенсивный поток но вых лучей , ко т орым за неимением лучшего он дал название “икс - лучи” (X - не известное ). Уже через несколько месяцев после соо бщение Рентгена его трубка нашла разнообразно е применение в медицине для обследования переломов , глубоких ранений и внутреннего стр ое-ния человеческого тела. Научные журналы ведущих стран были за полнены статьями физиков , повторявших опыты Рентгена и каждый раз по-новому объяснявш их это явление . Сам Рентген все еще не понимал сущности своего открытия и говор ил , что это “продольные вибрации в эфире”. Открытие Рентгена заставило многих физико в более тщательно исследовать яв ление флуо-ресценции. Радиоактивность и фотоэлектрический эффект Месяц спустя Анри Беккерель поставил опыт , исследуя флуоресцирующие свойства двойно-го сульфата урана и калия . Когда некоторые вещества , после того , как их подержали на свету , начинали светит ься в темн оте , про них говорили , что они флуоресциру ют . Было известно мно-жество таких веществ , и одним из них был примененный Беккереле м уран. В эксперименте Беккереля урановая соль сначала подвергалась действию солнечного света , а потом измерялись ее флу оресцирующи е свойства . Как-то испортилась погода , и Бе ккерель от-ложил препарат в сторону на нес колько дней . Совершенно случайно соль оказала сь в одном ящике стола с горкой фотог рафических пластинок . Второй случайностью было то , что Бекке-рель решил прове р и ть фотопластинки перед возобновлением опыта. Он проявил первую пластинку , лежавшую сверху , и , к своему удивлению , обнаружил , чт о она засвечена , причем засвеченное пятно имело такую форму , словно что-то отбрасывало при засвечивании тень на пластинку . Ища о бъяснение , Беккерель обнаружил , что есл и рас-сматривать пятно с некоторой долей в оображения оно начинает напоминать по форме метал-лический диск , в котором хранилась урановая соль . Случись это раньше , Беккерель выбросил бы пластинку и забыл про нее . Но шу м вокруг икс - лучей за ставил всех физиков насторо-житься . Беккерель решил разобраться в происходящем до конца. Он вновь выставил урановую соль на солнечный свет . а потом поместил ее в темный ящик стола поверх фотопластинки , зав ернутой в черную бумагу . И сн ова у рановый сульфат засветил пластинку. В течение нескольких месяцев Беккерелю казалось , что для того , чтобы засветить пластинку , сульфат урана нужно предварительно подержать в солнечных лучах. Но вскоре он обнаружил , что препарат уранового сульфата , и не будучи под вергнут дейст-вию солнечного света , засвечивает пластинку с неменьшей интенсивностью . Явление казалось таинственным , непостижимым . Затем Бе ккерель открыл , что чистый уран , не являвш ийся флуо-ресцирующим веществом , производит еще более сильное д е йствие на фото пластинку , чем ура-новое соединение , так что флуоресценцию можно было сбросить со счето в . Далее Беккерель об-наружил , что эти неви димые лучи , испускаемые ураном , обладали свойс твом разряжать тела , несущие электрический за ряд . То же свойство о ткрыл Рентг ен и у икс - лучей . Беккерель назвал эт о неизвестное до той поры явление “радиоа ктивностью”. Лучи Беккереля (их назвали именно так ) были столь же удивительны , как и рент геновские лучи , и вызывали у физиков равны й интерес . Два ассистента Беккерел я - П ьер Кюри и его жена Мария стали разра батывать эту проблему . По прошествии некоторо го времени они обна-ружили , что существуют два других химических элемента с теми же свойствами . Оба они не были ранее изв естны науке . Один из них был назван по лонием - в честь родины г-жи Кюри , другой - радием. Казалось , что великие классические теории физики потрясены до самого основания . Физ ики полагали , что икс - лучи опровергают за коны Максвелла , но потом Рентген доказал , что они не противоречат эфирной теории , та к ка к обладают нормальными оптическими свойствами - отра-жением , рефракцией и интерферен цией . Явление радиоактивности , замеченное Беккерел ем , ка-залось , означало конец красивой теории сохранения энергии . Каким образом вещество без уста-ли вырабатывает энергию, по всей очевидности , никак не пополняя ее запасов ? Любопытное открытие было сделано в 1887 г оду . Генрих Герц обнаружил , что ультра-фиолетов ый свет , падая на электрод , который присое динен к цепи с высоким напряжением , за-ста вляет искру отскакивать значител ьно дальш е . Дж . Дж . Томсон доказал , что это проис ходит из-за того , что ультрафиолетовый свет создает на поверхности металла отрицательный заряд . Явление получило название “фотоэлектриче ский эффект”. Открытие икс - лучей заставило физиков не только присталь нее присмотреться к явлению флуоресценции , но и побудило их вернуться к природе катодных лучей . Существ овали две точ-ки зрения . Немецкие ученые п олагали , что катодные лучи в трубке предст авляют собой вибра-ции в эфире . Английские физики склонны были счита т ь эти лучи заряженными электри-чеством частицами , к ак это предсказывал Бенджамен Франклин . Выдаю щимся выразителем английской школы был Дж . Дж . Томсон. В 1897 году Томсон опубликовал классическую статью под названием “Катодные лучи” , в которой он сделал обз ор всех опы тов с катодными лучами . Статья включала та кже описание не-которых из его собственных опытов . Он пришел к выводу , что катодный луч - это на самом де-ле поток движущи хся при высоком напряжении отрицательно заряж енных частиц гораздо меньшего разме р а , чем самый малый атом . Используя предложенное Стони название , Томсон дал этой частице имя “электрон” . Он утверждал , что фотоэлектрический эффект есть не что ино е , как выбивание этих электронов из металл ической поверхности лучом ультрафиолетового свет а . Т омсон настаивал и на том , что электрон был также составной частью лучей Беккереля. Утверждение Томсона казалось фантастическим целому поколению ученых , которые не хо-те ли признавать гипотезу , что материя состоит из атомов . Предположение , что существует час -тица еще меньшая , чем атом , вызвало бурю . Некоторые ученые были готовы согласит ься с тем , что электричество - это поток очень маленьких частиц , имеющих электрический заряд , но еще надо было доказать , что каждая такая частица обладала определенной массой и определенным электрическим зарядом . Нужно было провести опыт , чтобы раз и навсегда доказать , что элек-троны существуют на самом деле. В 90-х годах прошлого века был все же один немецкий ученый , который не р азделял эфир-ную теорию икс - лучей . Его зва ли Ал ьберт Эйнштейн . На этого ученого произвел глубокое впечатление опыт Майкельсо на с интерферометром . И еще один немец возражал против эфир-ной теории - Макс Планк . Он сделал в равной степени радикальное предположение : лучевую энергию , т . е . свет , следует пр е дставлять в виде “квантов” , или мельчайших частиц . Эйнштейн исп ользовал квантовую теорию Планка для объяснен ия фотоэлектрического эффекта и соста-вил изу мительное по красоте суммирующее уравнение . Н о в то время мысли Эйнштейна о фо-тоэл ектрическом эффекте не встретили дове рия. Милликен - один из немногих американских аспирантов , работавших тогда в Европе , - был тем человеком , которому суждено было посл е долгих лет трудов и раздумий поставить два важ-нейших эксперимента эпохи : один о пыт подтвердил правильнос ть электронной т еории Томсо-на ; второй дал доказательство теор ии фотоэлектрического эффекта Эйнштейна и тог о , что кван-товая теория - нечто большее , чем “бред” математика. Электрон на капле масла “К концу первого десятилетия , проведенног о в Чикагском униве рситете (1906 год ), я все еще был преподавателем-ассистентом , - писал Роберт Милликен . - У меня росло двое сыно вей . Я начал строить дом , рассчитывая опла тить расходы за счет моих гонораров , но я знал , что до сих пор не занимал сколько-нибудь заметного мес т а сред и физиков-исследователей”. Учебник , над которым он работал , был уже в издательстве . Наконец он смог при ступить к интенсивной исследовательской работе . В его ученой карьере начался новый эта п. “Все физики интересовались величиной элек трического заряда электрона , и , тем не менее , до сих пор не удалось ее изм ерить...” Много попыток провести это решающее и змерение уже предпринял Дж . Дж . Томсон , но прошло десять лет работы , и ассистент Томсона Г . Вильсон сообщил , что после од иннадцати различных измерений о ни получил и одиннадцать различных результатов. Прежде чем начать исследования по сво ему собственному методу , Милликен ставил опыт ы по методу , применявшемуся в Кембриджском университете . Теоретическая часть эксперимента заключалась в следующем . Масса тела о п ределялась путем измерения давления , производимог о телом под воздействием силы тяжести на чашу весов . Если сообщить бесконечно мало й частице вещества электрический заряд и если приложить направленную вверх электрическую силу , рав-ную силе тяжести , направ л енной вниз , то эта частица будет н аходиться в состоянии равнове-сия , и физик может рассчитать величину электрического заряда . Если в данном случае частице будет с ообщен электрический заряд одного электрона , можно будет высчитать величину этого заряда. Кемб риджская теория была вполне л огичной , но физики никак не могли создать прибор , при помощи которого можно было бы заниматься исследованиями отдельных частиц веществ . Им приходилось довольствоваться наб людением за поведением облака из водяных капель , заря-ж е нных электричеством . В камере , воздух из которой был частично удален , создавалось облако пара . К верхней части камеры подводился ток . Через определенн ое время капельки тумана в об-лаке успокаи вались . Затем сквозь туман пропускали икс - лучи , и водяные кап л и получали электрический заряд. При этом исследователи полагали , что э лектрическая сила , направленная вверх , к на-ход ящейся под высоким напряжением крышке камеры , должна якобы удерживать капли от па-дени я . Однако на деле не выполнялось ни од но из сложных у словий , при которых , и только при которых , частицы могли бы находиться в состоянии равновесия. Милликен начал искать новый путь реше ния проблемы . Дело было не в аппарате , а в том , как им пользоваться . Он внес в его конструкцию ряд небольших изменени й , кото рые “впервые позволили провести все измерения на одной и той же отд ельной капельке”. “В качестве первого шага в области усовершенствования в 1906 году сконструировал не-б ольшую по габаритам батарею на 10 тысяч вол ьт (что само по себе было в то вре мя немалы м достижением ), которая создавала поле , достаточно сильное для того , чтобы удерживать верх-нюю поверхность облака Вильс она в подвешенном , как “гроб Магомета” , со стоянии . Когда у меня все было готово и когда образовалось облако , я повернул вы ключатель и об л ако оказалось в электрическом поле . В то же мгновение о но на моих глазах растаяло , другими словам и - от целого облака не осталось и мале нького кусочка , который можно было бы набл юдать при помо-щи контрольного оптического пр ибора , как это делал Вильсон и с о бирался сделать я . Как мне сначала показалось , бесследное исчезновение облака в электрическом поле между верхней и нижней пластинами означало , что эксперимент закончи лся безрезультатно ... Однако , повторив опыт , я решил , что это явление гораздо более ва жно е , чем я предполагал . Повторные опыты по-казали , что после рассеивания облак а в мощном электрическом поле на его месте можно было различить несколько отдельны х водяных капель”. Создавая мощное электрическое поле , Милли кен неизменно рассеивал облако . От него оста-валось очень небольшое число части ц , масса и электрический заряд которых нах одились в иде-альном равновесии . На самом деле , именно те капли , которые были теперь удалены из камеры , нарушали все предшеств овавшие измерения. “Я наблюдал при помощи моего короткоф окусного телескопа за поведением этих находя- щихся в равновесии капелек в электрическом поле . Некоторые из них начинали медленно дви-гаться вниз , а затем , постепенно теряли вес в результате испарении , останавливались , п овора-чивались ... и медленно начинал и двигаться вверх , так как сила тяжести все уменьшалась вслед-ствие испарения ... Если электрическое поле внезапно исчезало , все н аходящиеся в равновесии капельки , похожие на звездочки на темном поле , начинали падать - о д ни медленно , другие го-раздо быстрее . Эти последние капельки оказались в о взвешенном состоянии потому , что они нес ли на себе два , три , четыре , пять и больше электронов вместо одного ... Это было , наконец , первое отчетливое , ясное и недвусм ысленное доказате л ьство того , что электричество едино по структуре”. Это последнее наблюдение было в то время фактически значительно более важным , чем из-мерение заряда электрона. Милликен закончил первые измерения заряда электрона в сентябре 1909 года и незамед-лит ельно вы ступил с сообщением на совеща нии Британской ассоциации содействия науке в Виннипеге . Хотя его имени не было в списке докладчиков , ему дали возможность вы ступить . Правда , он не питал никаких иллюз ий . Он хорошо понимал , что результаты его опытов явля-ются л и шь предварител ьными и что с помощью более совершенных в техническом отношении приборов могут быт ь получены более точные данные. “Возвращаясь в Чикаго с этого совещан ия , я смотрел из окна моей почтовой ка реты на рав-нины Манитобы и внезапно сказа л себе : “Ка кой глупец ! Пытаться таким грубым способом пре-кратить испарение воды в водяных капельках в то время , как человечество затратило последние триста лет на усовершенствование масла для смазки часов , стремясь получить смазочное веще-ство , которо е вообще не ис п аряется !” Когда я вернулся в Чикаго , у входа в лабораторию я встретил Майкельсона . Мы уселись на пороге и начали болтать . Я спросил его , насколько , по его мнению , точно измерил он скорость света . Он ответ ил , что измерение произведено с точностью примерно д о одной де-сятитысячной . “Так вот , - сказал я , - я придумаю метод , при помощи которого я смогу опре-делить величин у заряда электрона с точностью до одной тысячной , или грош мне цена”. Я немедленно направился в мастерскую и попросил механика изготовить возд ушный кон-денсатор , состоящий из двух круглых л атунных пластин около 10 дюймов в диаметре , которые были бы закреплены на расстоянии примерно шести десятых дюйма одна от друг ой . В центре верхней пластины было просвер лено несколько полумиллиметровых отверст и й , сквозь кото-рые капельки смазочного масла , поступающие из распылителя , могли бы попасть в пространст-во между пластинами . К пластинам были подключены выводы моей ба тареи на 10 тысяч вольт” ... Милликен намеревался зарядить капельки масла при помощи пото к а икс -лучей , как он делал это раньше с водой. В течение трех лет , с 1909 по 1912 год , он посвящал все свое время опытам над капельками смазочного масла. “Меня зачаровывала та абсолютная уверенно сть , с которой можно было точно пересчитат ь количество электр онов , сидевших на д анной капле , будь это один электрон или любое их чис-ло , до сотни включительно . Д ля этого требовалось лишь заставить исследуем ую каплю проде-лать большую серию перемещении вверх и вниз , точно измерив время , пот раченное ею на каж-дое пер е мещение , а затем высчитать наименьшее общее кратн ое довольно большой серии ско-ростей. Для того чтобы получить необходимые д анные по одной отдельной капле , иногда тре -бовалось несколько часов . Однажды г-жа Миллике н и я пригласили к обеду гостей . Когда про- било шесть часов , у меня была всего лишь половина необходимых мне данн ых . Поэтому я вы-нужден был позвонить г-же Милликен по телефону и сказать , что у же в течение полутора часов наблюдаю за ионом и должен закончить работу . Я прос ил ее обедать без меня . По з дне е гости осыпали меня комплиментами по пов оду моего пристрастия к домашнему хозяйству , потому что , как они объясняли , г-жа Ми лликен сообщила им , что я в течение по лутора часов стирал и гладил и должен был закончить работу” (англ . “ watch an ion” - набл юдат ь за ионом ; “ washed and ironed” - стирал и гладил ). Милликен опубликовал результаты своих опы тов осенью 1910 года и оказался в центре вни-мания физиков всего мира . Немецкая школа , в том числе и Рентген , открывший за 15 лет до этого икс - лучи , полностью изм енила свою точку зрения . Представитель этой школы , великий ученый в области фи зической химии Оствальд в 1912 году писал : “Т еперь я убежден ... Полу-ченные опытным путем доказательства ... которые люди безуспешно искали в течение сотен и тысяч лет ... теперь.. . дают возможность даже самому осторожно му ученому говорить о том , что теория атомного строения вещества экспериментально дока зана”. Революция в области света В период с 1921 по 1945 гг . Милликен - дире ктор Лаборатории Нормана Бриджа Калифор-нийского техно логического института. В 1921 году Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за разработку теории , объяснившей фотоэлектрический эффект . Спустя два года Роберт Милликен получил Нобелев-скую премию за проведение опыта , подтвердившего теорию Эйнштейна . Теория Эйнштейна была выдвинута в 1905 году . Великий эксперимент Миллик ена был проведен почти десять лет спустя . Двойное присуждение премии означало успех одной из самых великих революций в об-л асти физики. Исаак Ньютон обогатил физику двумя те ориями : пе рвая касалась законов движения тел ; со-гласно второй свет представлял со бой скопище крошечных частиц светящейся матер ии . Первая теория Ньютона принесла ему реп утацию гениального ученого . И только благодар я его прести-жу была принята вторая теория - о корп у скулярной структуре свет а , хотя она была значительно слабее первой и объясняла всего два из всех извест ных свойств света. По Ньютону , отражение - это просто отск акивание упругих частиц света от отражающей поверхности . Рефракция же , преломление светов ых луч ей при переходе из менее пл отной сре-ды , такой , например , как воздух , в более плотную , как , например , вода , имело место в результа-те изменения скорости част ички света в момент прохождения ее сквозь поверхность более плотной среды . Ньютоновска я теория све т а не могла объяс нить интерференции , дифракции и поляризации. К началу XVIII столетия стала привлекать внимание волновая теория света , выдвинутая со- временником Ньютона - Гюйгенсом . По этой теории свет состоит из вибрации в эфире . Вел и-кий французский физик Френель математическ и доказал , что если свет действительно вол новое явление , то все его наблюдаемые проя вления легко можно объяснить . Спустя полстоле тия Джемс Максвелл подкрепил волновую теорию света , теоретически доказав , что свет явл яется вибрацией эле к трических и м агнитных волн . До последнего десятилетия XIX век а в теории Максвелла не было , казалось , никаких противоречий. В 1887 году Герц заметил , что свет , ос обенно ультрафиолетовые лучи , заряжали ме-талличес кие поверхности электричеством . Томсон доказа л , что положительный заряд на по-верхн ости металла был следствием мгновенного испус кания им отрицательно заряженных электронов. Альберт Эйнштейн был единственным физиком , понявшим , что в этом таилось проти-воречи е , которое волновая теория света не может ра зрешить . В 1905 году он высказал пр ед-положение , что фотоэлектрический эффект можно объяснить , только возвратившись к кор-пускулярн ой теории света , в которую следует внести некоторые важные изменения. По мнению Эйнштейна , противоречие заключа лось в следующ ем : чем больше света падает на металлическую поверхность , тем бо льше выделяется электронов ; однако энергия ка ждого от-дельного электрона с изменением инте нсивности света не изменяется , хотя , по те ории Максвел-ла , интенсивность света служит ме рилом его эне р гии. Эйнштейн предложил следующее объяснение : луч света состоит из потока крошечных кор- пускул , каждая из которых несет определенную энергию . Энергия корпускулы пропор-циональна цвету , или , выражаясь классическим языком , част оте света , а не его амплитуде , как заявлял Максвелл . Когда свет падает на твердое вещество , некоторые из эйнштейновских кор-пускул энергии поглощаются . Количество поглоща емой энергии в некоторых случаях оказыва-ется настолько большим , что электроны получают возможность покинуть атомы , в которы х они находились . Энергия этих освобожденных “фотоэлектронов” должна поэтому быть абсолют но равной энергии пойманных корпускул света , называемых “квантами” , минус количество энер- гии , нужной для того , чтобы вырвать электр оны из атомов. Это последнее количество , “работа вы хода” , может быть непосредственно измерено. Эйнштейн сообщит об этом в форме уравнения , в котором была установлена связь между скоростью вылетевшего электрона , энергией пойманного кванта света и с работой выхода”. “Такая корпускулярн ая теория , говорил Милликен , - не была подтверждена экспе-риментал ьно , за исключением наблюдений , проведенных Ле нардом в 1900 году и сводившихся к тому , ч то энергия , с которой электроны вылетают и з цинковой пластинки , кажется , не зави-сит от интенсивности света . Я думаю , пр авильно будет сказать , что мысль Эйнштейна о кван-тах света , несущихся в пространстве в форме импульсов , или , как мы называе м их теперь , “фо-тонов” , приблизительно до 1915 года не имела практически ни одного убе жденного сторонни-ка. Тогда , на тех ранних этапах , даже сам Эйнштейн не отстаивал эту мысль с достаточной ре-шительностью и определенностью”. Милликен тоже далеко не был убежден в правоте Эйнштейна , но , поскольку лаборатор ия в Чикаго , руководимая Майкельсоном , проводи ла очень много экспериментов , основанных на волновой теории света , Милликен решил раз и навсегда проверить гипотезу Эйнштейн а. “Как только я вернулся в свою лаб ораторию осенью 1912 года , - писал Милликен , - я при-ступил к конструированию нового аппарата , при помощи котор ого можно было бы получить убедительное решение проблемы этого фотоэлектрического уравнения Эйнштейна . Я почти не надеялся , что решение , если только я его получу , будет положительным . Но вопр ос был чрезвы-чайно важным , и найти какое-т о решение было необхо д имо . Я н ачал фотоэлектрические иссле-дования в октябре 1912 года , и они заняли практически все мое время , которое я посвящал ис-следованиям на протяжении последующих трех лет”. Вся трудность сводилась к тому , чтобы определить , в какой зависимости находится энергия от цвета , или частоты . Эйншт ейн говорил , что эта зависимость была прям ой : энергия равна час-тоте , помноженной на определенное число . Это “определенное число” было постоянным для любого паста . Оно долж но было быть природной константой . Эйнштейн пр и меняя для этого числа обозн ачение h из уважения к своему коллеге Макс у Планку. За несколько лет до этого Макс Пл анк первый сумел решить теоретическую проблем у в об-ласти радиации , произвольно заменив в формуле член , обозначающий энергию , другим членом , в к оторый входили обозначения частоты и этой самой постоянной величины . Планк обозначил эту величину через h и р ассматривал всю операцию лишь как удобный математический прием , который помог ему реш ить задачу . Эйнштейн же увидел , что Планк невольно сделал зна ч итель-но боль ше . При помощи “математического приема” Планк а проблема решалась - значит , он точ-но отра жал истинное положение вещей. Эйнштейн придал этому приему буквальное значение , и его фотоэлектрическое уравнение стало первым непосредственным применение м новой квантовой теории . Милликен решил п ро-верить теорию Эйнштейна , попытавшись получить ответы на следующие три вопроса : 1. Действительно ли энергия кванта света равна частоте света , взятой h раз ? 2. Является ли число h действительно посто янной величиной для всех цветов ? 3. Соответствует ли фотоэлектрическое уравне ние Эйнштейна тому , что имеет место в при-роде ? Для опытов Милликен сконструировал оригин альный аппарат , который он позднее назвал “вакуу мной парикмахерской” . В стеклянную вакуумную камеру он поместил поворотный диск . Этот диск можно было поворачивать при помощи магнита , расположенного за пределами каме-ры . С трех сторон на диске находили сь небольшие количества трех металлов , отлича ющихся в ысокой активностью , - натрия , калия и лития , каждый реагировал на свет только одной опре-деленной частоты. Вследствие того , что успех эксперимента в огромной степени зависел от характера по-верхности каждого из металлических образцов , в камеру было также п омещено неб ольшое при-способление для шлифовки поверхности образцов . Оно приводилось в действие при помощи магнитов , расположенных вне камеры. Проходя сквозь линзы и призму , белый свет преломлялся . Сквозь узкую щель луч того или иного основного цвета получ авшегося спектра направлялся на поверхнос ть металлического об-разца , и Милликен мог наблюдать действие луча одного цвета на м еталл . В то время как метал-лическая повер хность освещалась последовательно лучом каждого основного цвета , Милликен измерял количе с тва вылетавших электронов и их энергию , определяя количество электриче-ской эн ергии , необходимой , чтобы остановить их . Если , например , для того , чтобы удержать в воз духе тело неизвестного веса , необходима сила , равная пяти фунтам , то можно сказать , что эт о тело весят пять фунтов . Рассуждая таким образом . Милликен определял скорость электро-нов путем измерения силы , требуемой для полной остановки их . Зная скорость , он мог высчи-тать энергию электрон ов , выделяющихся при освещении металлической поверхности лу ч ом каждого цвета. Когда этот опыт и расчеты были пр оделаны для всех частей спектра , Милликен смог вычер-тить кривую , показывающую зависимость энергии электрона от цвета луча , или ча стоты . Полу-ченные им результаты дали абсолютн о положительные ответы на пос тавленные им три вопроса и подтвердили верность теории Эйнштейна . После прямых измерений оказ алось , что постоян-ная величина Планка равна Дж *секунд ( эрг *секунд ). Милликен также разработал методику атомно й спектороскопии в крайней ультрафиолето-вой обла сти и исследовал космические лучи с помощью ионизационной камеры. Он умер 19 декабря 1953 года в Сан-Марино. Америка долго ждала такого человека , к ак Милликен . Он был выдающимся исследователем . Работая преподавателем в Чикаго , он отда вал много времени подг отовке и поощре нию моло-дых людей , на работу с которыми у Майкельсона не хватало терпения . Выполняя администра-тивные функции в Калифорнийском т ехнологическом институте , он подготовил несколько по-колений молодых ученых . Уровень их под готовки был настольк о высок , что отпала необходи-мость направлять молодых америк анцев за границу для получения научного о бразования . Бла-годаря Роберту Эндрюсу Милликену американская наука вступила в пору зрелост и.