Измеривший заряд электрона

Милликен Роберт Эндрус (Robert Andrews Millikan) – американский физик экспериментатор. Родился 22 марта 1868 г. в Моррисоне, Иллинойс, США. Роберт был вторым сыном священника конгрегационалистской церкви Сайласа Франклина Милликена и Мэри Джейн (Эндрюс) Милликен, бывшего декана женского отделения колледжа Оливе в Мичигане. В 1875 г. семья Милликен переехала в Макуокета (штат Айова), небольшой городок неподалеку от реки Миссисипи, где Роберт рос вместе с двумя братьями и тремя младшими сестрами. “Мой отец и мать воспитали шестерых детей – трех девочек и трех мальчиков, живя на жалованье священника небольшого городка в тысячу триста долларов в год, – рассказывал он. – Мы носили костюмы, и платья из синей бумажной ткани и ходили босиком, начиная с окончания школы в мае и до начала занятий в сентябре. Зимой мы, мальчики, распиливали ежедневно десять четырехфутовых бревен. Так продолжалось до тех пор, пока мы не напиливали 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”.

Перед поступлением в колледж Оберлин в Огайо Милликен работал некоторое время репортёром. Он окончил Колумбийский и Чикагский университеты.

В 1891 году получил степень бакалавра по классике — языку, философии, истории и искусству Древнего Средиземноморья. В 1895 г. получил степень доктора по физике. В своей автобиографии он так объяснил столь разительную смену темы изучения: «В последний год обучения … мой профессор по греческому … попросил меня прочесть курс по элементарной физике в подготовительном отделении в следующем году. На мой ответ, что я ничего не знаю из физики, он ответил — «любой, кто смог получить у меня хорошую отметку по греческому, может преподавать физику». «Хорошо» – ответил я – «под вашу ответственность я попробую и посмотрю, что из этого получится». Сразу после этого я купил книгу Эвери «Начала физики» и провёл большую часть летних каникул 1889 года дома … пытаясь вникнуть в предмет. … сомневаюсь, преподавал ли я лучше когда-либо в моей жизни, чем во время того моего первого курса по физике в 1889 году. Я был настолько заинтересован в том, чтобы знать больше, чем мои ученики, что они, наверно, подхватили часть моего интереса и энтузиазма».

     В награду факультет Оберлин-колледжа присудил ему в 1893 г. магистерскую степень по физике и направил конспекты его занятий в Колумбийский университет, который назначил Милликену аспирантскую стипендию.

     В Колумбийском университете Милликен занимался под руководством известного физика и изобретателя Майкла И. Пьюпина. Летом 1896 года Милликен получил от А. А. Майкельсона телеграмму с предложением занять место ассистента в Чикагском университете. Милликену было тогда 28 лет. "Я отдал мою одежду вместе с чемоданом в заклад капитану одного из судов Американской транспортной линии, заверив компанию, что я выплачу капитану стоимость проезда в Нью-Йорке и только после этого приду за вещами".

Одно лето он провёл в Чикагском университете, где работал под руководством знаменитого физика-экспериментатора Альберта А. Майкельсона. Именно тогда он окончательно убедился в том, что физика – его истинное призвание.

     После завершения обучения Милликен преподавал в различных местах, в том числе в Йене, Париже, один год проработал в университетах Берлина и Гёттингена. Встречался с Анри Беккерелем, Максом Планком, Вальтером Нернстом и Анри Пуанкаре.

      В 1896 году он возвращается в США, где становится ассистентом профессора Майкельсона, а затем и профессором физики в Чикагском университете (1896-1921).

В 1902 г. Милликен женился на Грете Ирвин Бланшар, выпускнице отделения классической филологии Чикагского университета. Её специальностью был древнегреческий язык. У них родились трое сыновей — Кларк, Гленн и Макс. Все они стали известными учеными.

За двенадцать лет после возвращения в США Милликен написал несколько учебников по физике. Это были первые книги, написанные для американских студентов, а не переводы французских или немецких учебников. Книги Милликена были приняты в качестве стандартных учебников в колледжах и средних школах и с дополнениями оставались ими более полувека.

Основные работы Милликена относятся к областям атомной физики, спектроскопии, физики космических лучей.

        В 1910 году, будучи профессором в Чикагском университете, Милликен опубликовал первые результаты своих экспериментов с заряженными капельками масла, в которых он измерил заряд электрона. Элементарный электрический заряд является одной из фундаментальных физических констант, и знание его точного значения очень важно. Много попыток провести измерение заряда электрона уже предпринял Дж. Дж. Томсон, но прошло десять лет работы, и ассистент Томсона Г. Вильсон сообщил, что после одиннадцати различных измерений они получили одиннадцать различных результатов.

  С помощью разработанного им метода заряженной капельки Милликен измерял силу, действующую на мельчайшие заряженные капельки масла, подвешенные между электродами при помощи электрического поля. При известном значении электрического поля можно определить заряд капли. Проведя повторные эксперименты с большим количеством капелек, Милликен показал, что результаты могут быть объяснены, если предположить, что заряд капли пропорционален целому числу элементарных зарядов, величиной −1,592•10−19 кулон. Несколько меньшее значение, чем принятое на сегодняшний день −1,60217653•10−19 кулон, объясняется тем, что Милликен использовал неточные значения динамического коэффициента вязкости воздуха.

Тем самым экспериментально была доказана дискретность электрического заряда и достаточно точно определена его величина.

      Когда Альберт Эйнштейн в 1905 году опубликовал статью по корпускулярной теории света, в которой он попытался объяснить некоторые особенности фотоэлектрического эффекта с помощью гипотезы о том, что свет состоит из частиц, которые он назвал фотонами, Милликен был убеждён, что эта теория неверна, так как к этому времени существовало большое количество доказательств в пользу волновой природы света. Гипотеза Эйнштейна была обобщением более ранней, выдвинутой Максом Планком гипотезы о том, что энергия колеблющегося атома излучается порциями, или квантами. Поскольку идея Эйнштейна противоречила общепринятому представлению о свете как о волне (волновая природа света была подтверждена убедительными экспериментальными данными), в неё не поверили большинство физиков.

     Для проверки эйнштейновской теории Милликен предпринял серию экспериментов, продолжавшихся десять лет, которая потребовала того, что он назвал «a machine shop in vacuo» («механическая мастерская в вакууме») для приготовления очень чистой поверхности фотоэлектрода. Его результаты в точности подтвердили предсказания Эйнштейна, но это не убедило Милликена в эйнштейновской интерпретации, и в 1916 году он написал: «Уравнение фотоэффекта Эйнштейна… по моему мнению, не может рассматриваться как имеющее хоть какое-то удовлетворительное теоретическое обоснование», — даже если «оно действительно очень точно описывает процесс» фотоэффекта. Тем не менее, в своей автобиографии 1950 года он писал, что «едва ли допускает какие-либо интерпретации, кроме первоначально предложенной Эйнштейном, а именно саму полукорпускулярную, или фотонную, теорию».

       Так как работы Милликена отчасти лежат в основе современной физики частиц, ироничным кажется то, что он был весьма консервативен в своих убеждениях по поводу открытий в физике в XX веке, как в случае с фотонной теорией. В качестве ещё одного примера можно привести его учебник 1927 года издания, где недвусмысленно утверждалось существование эфира, а эйнштейновская теория относительности в уклончивой форме упоминалась лишь в примечании в конце главы под портретом Эйнштейна, которое завершало список достижений и гласило, что он стал «автором специальной теории относительности в 1905 году и общей теории относительности в 1914 году; обе теории явились большим достижением в объяснении явлений, не объяснимых никак иначе, и в предсказании новых явлений». Также признавалась заслуга Эйнштейна в измерении значения постоянной Планка из графиков фотоэлектронной эмиссии для различных металлов.

Милликен проверил уравнение Эйнштейна для фотоэффекта в области видимых и ультрафиолетовых лучей. В 1914 г. он определил постоянную Планка. В 1923 г. Милликен был удостоен Нобелевской пре¬мии «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрическому эффекту». В своей Нобелевской лекции Милликен, ссылаясь на опыт работы в обеих областях, высказал убеждение, что «наука шагает вперед на двух ногах – на теории и эксперименте... Иногда вперед выдвигается одна нога, иногда другая, но неуклонный прогресс достигается лишь тогда, когда шагают обе».

В 1921- 1922 г.г. проводил опыты с воздушными шарами с самопишущими электроскопами на высоте более 15 тыс. метров. В 1925 - 1927 г.г. показал, что ионизирующее действие космического излучения уменьшается с глубиной, предложил для него название "космические лучи". Одним из первых установил сложный характер космических лучей, обнаружив в них альфа - частицы, быстрые электроны, протоны, нейтроны, позитроны и гамма - кванты. Независимо от С.Н. Вернова, открыл широтный эффект космических лучей в стратосфере

       Труды Милликена снискали ему международное признание, а результаты его исследований стали внедряться в промышленность. В 1913 г. он стал консультантом компании «Вестерн электрик» по вакуумным приборам, с 1916 по 1926 г. работал экспертом в патентном бюро. В 1917 г. по приглашению астронома Джорджа Эллери Хейла Милликен отправился и Вашингтон, где занял посты вице-председателя и главы научных исследований Национального совета по исследованиям – специальной организации при Национальной академии наук, созданной американским правительством во время первой мировой войны. Служил Милликен и в войсках связи, где координировал деятельность ученых и инженеров, в особенности в такой жизненно важной области, как связь с подводными лодками.

        После войны Милликен вернулся в Чикагский университет, но лишь на короткое время. Хейл, член попечительского совета Калифорнийского технологического института (Калтеха) в Пасадене, пригласил Милликена в 1921 г. в Калифорнию, предложив ему возглавить новую лабораторию с годовым фондом в 90000 долларов. Милликен. был назначен директором новой Бриджесской физической лаборатории и председателем исполнительного комитета Калтеха, т.е., по существу, президентом института. Всю свою деятельность в последующие годы Милликен посвятил тому, чтобы превратить Калтех в один из лучших научно-исследовательских и инженерных институтов мира. Но его величайшей заслугой стало привлечение в Калтех лучшей профессуры и способных студентов. Даже после ухода в отставку с поста главы исполнительного комитета в 1946 г. Милликен до самой смерти продолжал свою деятельность выдающегося администратора.

      Первым проектом Милликен в Калтехе было исследование излучения, падающего на Землю из космического пространства (оно было впервые обнаружено австрийским физиком Виктором Ф. Гессом). Милликен назвал такое излучение космическими лучами. Этот термин быстро привился и в среде ученых, и среди широкой публики. Стремясь разгадать природу таинственных лучей, Милликен вместе со своими ассистентами поднимал приборы на вершины гор, запускал их на воздушных шарах и опускал на дно глубоких озер. В ходе этих исследований один из учеников Милликена, Карл Д. Андерсон, открыл позитрон и мюон.

     Придерживаясь в политике консервативных взглядов, Милликен был противником Нового курса президента Франклина Д. Рузвельта. Он считал, что вернейшим средством, которое может помочь Соединенным Штатам оправиться от депрессии, является сотрудничество науки и промышленности. Но, как и многие консерваторы того времени, Милликен был противником изоляционизма и весьма деятельно способствовал повороту исследовательских программ Калтеха к военным нуждам во время второй мировой войны.

      Милликен был религиозным модернистом и написал несколько книг о взаимоотношении науки и религии. На досуге он любил играть в теннис и гольф. В последние годы жизни Р. Милликен занимался литературным творчеством, обратившись к истории науки и религии.

         Милликен был удостоен многих наград, в том числе медали Хьюза Лондонского королевского общества (1923) и медали Фарадея Британского химического общества (1924). Он был командором ордена Почетного легиона и кавалером ордена Янтаря, которым его наградило китайское правительство. Двадцать пять университетов избрали его своим почетным доктором. В различные периоды он был президентом Американской ассоциации содействия развитию науки и Американского физического общества, состоял членом Американского философского общества. С 1903 по 1916 г. он был заместителем главного редактора журнала «Американское физическое обозрение».

  К концу жизни Милликен был членом двадцати одной научной академии. За его научные достижения в Америке его называли " деканом " американских ученых.

       Умер Роберт Милликен 19 декабря 1953 года в Сан-Марино, Калифорния, США.

     В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Роберта Милликена кратеру на обратной стороне Луны.

Однажды он сказал

• Цивилизация заключается в умножении и уточнение человеческих потребностей.

• За деньги невозможно купить друга, но можно приобрести врагов поприличнее.

• Благополучие и прогресс человечества зиждутся на двух столпах. Если один из них рухнет - погибнет все строение. Эти два столпа суть культивирование и распространение по всему миру: 1) духа религии; 2) духа науки (знания).

• Я как минимум могу с уверенностью утверждать, что научного основания для того, чтобы отвергать религию, нет, - равно как, на мой взгляд, нет и никакого оправдания конфликту между наукой и религией, так как они принадлежат к совершенно разным областям. Те, кто очень плохо разбирается в науке, и те, кто очень плохо разбирается в религии, действительно иногда затевают ссоры, и сторонним наблюдателям кажется, что происходит конфликт между наукой и религией, хотя на самом деле конфликт этот только между двумя видами невежества.

    Первая серьезная ссора подобного рода произошла, когда Коперник выдвинул свою теорию, согласно которой Земля - не плоская поверхность и не центр вселенной, а всего лишь одна из многочисленных маленьких планет, которая за день совершает оборот вокруг своей оси, а за год - вокруг Солнца. Коперник был священником, настоятелем собора, человеком, прежде всего религиозным, а не ученым. Он знал, что основания подлинной религии сокрыты там, где их не могут потревожить никакие научные открытия. Он подвергся гонениям не потому что восстал против религиозного учения, а потому что, согласно его теории, человек не был центром вселенной, - и для ряда эгоистов эта новость оказалась весьма неприятной».

• Я не могу представить себе, как может настоящий атеист быть учёным.

• Никогда не встречал думающего человека, который не верил бы в Бога.

• Но я пойду еще дальше, потому что кто-то спросит: "Откуда появилась идея Бога? Разве это не часть религии?" Думаю, да, часть; и поэтому отвечу тремя способами.

В качестве первого ответа я приведу цитату из Священного Писания, где сказано: "Бога никто никогда не видел… Кто говорит: "я люблю Бога", а брата своего ненавидит, тот лжец: ибо не любящий брата своего, которого видит, как может любить Бога, Которого не видит?" Иными словами, отношение человека к Богу проявляется и отражается в отношении этого человека к другим людям - его братьям.

       Мой второй ответ - высказывание Шайлера Мэтьюса, декана Баптистского богословского факультета Чикагского университета. Когда его спросили: "Верите ли вы в Бога?", он сказал: "Друг мой, тот, кто задает такой вопрос, нуждается в образовании, а не в ответе".

      Третий ответ - мой собственный. Тысячи лет назад Иов, поняв тщетность попыток охватить Бога ограниченным человеческим разумом, воскликнул: "Можешь ли ты исследованием найти Бога? Можешь ли совершенно постигнуть Вседержителя?" Мудрецы всегда поражались удивительному порядку в природе, осознавая при этом собственную ограниченность и невежество. Для них довольно было просто стоять в тишине и благоговении перед Тем, Кто имманентным образом присутствует в природе. Они вторили словам псалмопевца: "Сказал безумец в сердце своем: "нет Бога».

• Религию и науку я считают двумя родственными силами, которые тянули и тянут человечество вперед и вверх.

• То, что конфликт между подлинной наукой и подлинной религией невозможен в принципе, становится очевидным при изучении целей науки и религии. Цель науки заключается в развитии знания о фактах, законах и процессах природы - знания без предрассудков и предубеждений. Цели же религии, которые даже важнее целей науки, - становление совести, идеалов и устремлений человечества.

• Наука приводит к грандиозной концепции Бога. В соответствии с этой концепцией, которая полностью согласуется с высшими идеалами религии, Бог на протяжении веков являет Себя, создавая землю, на которой обитает человек. Веками Он вдыхает жизнь в материю, и кульминацией этого процесса становится человек, обладающий духовной природой и богоподобными силами.

• Мы не знаем, какое именно место отведено нам в замысле Великого Автора и что Он предназначил нам сделать.

       Но какую-то роль в этом замысле мы определенно играем, иначе бы у нас не было чувства ответственности. Исключительно материалистическая философия представляется мне верхом невежества.

       Именно это чувство ответственности - осознание, что мы должны сыграть отведенную нам роль как можно лучше - составляет наше богоподобие.

• Наше научное знание велико в сравнении с тем, что мы знали сто лет назад. Но оно ничтожно в сравнении с тем, что еще предстоит узнать. На карте мира раньше было много белых пятен, отмеченных как "неизученные земли". Теперь их очень мало.

       Карта научного знания по-прежнему представляет собой огромный белый лист, на котором лишь кое-где нанесены точки, отмечающие область изученного. Чем больше мы исследуем, тем явственнее осознаем, насколько мы далеки от подлинного понимания. Честно признавая свое невежество и ограниченность, мы признаем также, что существует некая Сила, Бытие, в Котором и Которым мы живем и движемся и существуем, - Творец, каким бы именем мы Его ни называли.

• Многие величайшие ученые были людьми глубоко религиозными, о чем свидетельствовала их жизнь: сэр Исаак Ньютон, Майкл Фарадей, Джеймс Клерк Максвелл, Луи Пастер. Они были не просто верующими, но и верными членами своих религиозных общин. Ведь важнее всего в жизни верить в моральные и духовные ценности, верить, что жизнь имеет значение и смысл, верить, что мы куда-то идем! Вряд ли бы эти ученые стали великими, если бы у них не было такой веры.

• Я видел, по сути, отпечатки пальцев Бога в небесах. Я увидел, что Он постоянно бодрствует над Своим Творением. Я свидетельствую, что наука удивительным образом перекликается с учением Иисуса в том, что природа, в сущности своей, блага.

• Наука начала открывать нам мир, в котором красота сочетается с упорядоченностью; мир, который не подчиняется прихотям, но в котором происходят познаваемые и предсказуемые процессы; мир, на который можно положиться. Словом, мы видим, что Бог действует посредством законов.

• Наука, управляемая духом религии, есть ключ к прогрессу и надежда человечества.

Рассказывают, что ...

• Р.Милликен был известен своей словоохотливостью. Его сотрудники, подшучивая над ним, предложили ввести новую единицу - "кен" для измерения разговорчивости. Тысячная часть её, т.е. милликен, должна была превышать разговорчивость среднего человека.

• Дж.Дж. Томсон в 1897 г. определил скорость катодных лучей, а из величины их отклонения в магнитном поле нашёл отношение заряда к массе частицы. Значение массы оказалось примерно в 1000 раз меньше массы самого лёгкого атома - водорода. На основе такой огромной разницы Томсон сделал вывод, что речь идёт о неизвестной ранее элементарной частице, об электроне. Точную массу электрона, равную 1/1837 массы атома водорода установил в 1909 - 1913 г.г. Р.Э. Милликен.

        * Милликен опубликовал результаты своих опытов осенью 1910 года и оказался в центре внимания физиков всего мира. Немецкая школа, в том числе и Рентген, открывший за 15 лет до этого икс-лучи, полностью изменила свою точку зрения. Представитель этой школы, великий ученый в области физической химии Оствальд, в 1912 году писал: "Теперь я убежден... Полученные опытным путем доказательства... которые люди безуспешно искали в течение сотен и тысяч лет... теперь... дают возможность даже самому осторожному ученому говорить о том, что теория атомного строения вещества экспериментально доказана".

• А.Иоффе вспоминал: «Милликена я встретил ещё раз, когда он отправлялся в Швецию для получения Нобелевской премии. Я находился в это время в Париже, о чём Милликен узнал от Эренфеста. Неожиданно получаю радиограмму с океанского парохода с предложением проехать с ним из Шербурга в Бремен и за это время побеседовать.

     Я так и сделал. Подготовленная Милликеном встреча протекала следующим образом. Сначала он изложил мне свои принципы и своё отношение к жизни, для того, как он объяснил, чтобы я знал, с кем имею дело. Эти принципы заключались в соблюдении всех десяти евангельских заповедей. Понимание жизни он сводил к сочетанию и чёткому разделению религиозной веры и научного исследования. Несмотря на явную несложность этих положений, их изложение заняло всё наше время до обеда. ...

На Сольвеевском конгрессе мне рассказали о том, как Милликен, приехав в Брюссель, предложил прочесть в университете лекцию на тему психологии в Америке. На лекцию пришли почти все профессора, чтобы оказать внимание и гостеприимство знаменитому гостю. Милликен сказал: «Я типичный американец, и американская психология вам будет яснее всего, если я расскажу о себе». Последовало систематическое описание его биографии, которое закончилось сообщением о том, какого высокого положения и заработка ему удалось достичь».

• В 1921 году Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за разработку теории, объяснившей фотоэлектрический эффект. Спустя два года Роберт Милликен получил Нобелевскую премию за проведение опыта, подтвердившего теорию Эйнштейна. Теория Эйнштейна была выдвинута в 1905 году. Великий эксперимент Милликена был проведен почти десять лет спустя. Двойное присуждение премии означало успех одной из самых великих революций в области физики.