Читать книгу "Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон"

Ранняя версия эксперимента Милликен а с масляными каплями. Капли опускались через небольшое отверстие и располагались в пространстве между латунными пластинами С и D, которые через рубильник были подключены к источнику электричества. Слева — источник рентгеновского излучения, который использовался для «выбивания» электронов из капель и изменения их заряда

Моя установка, спроектированная и созданная бирмингемской компанией Phillip Harris, представляла собой упрощенную версию установки Милликена, однако идея Милликена реализовалась в ней без каких-либо изменений. Латунные пластины были установлены внутри покоящейся на трех ножках плексигласовой платформы, смонтированной на твердом деревянном брусе размером примерно 40 х 50 см. Сбоку располагался источник освещения — металлический корпус, покрашенный в серый лабораторный цвет и снабженный фокусирующей линзой. Английских ламп у меня не было, но я смог найти поместившуюся в этот корпус галогеновую лампу, для которой потребовался адаптер.

Более поздняя версия установки. Серийный пульверизатор А подавал очищенный через фильтр воздух, чтобы рассеять масло в камере С, откуда случайная капля продолжала свой путь через отверстие в верхней пластине М

Для наблюдения за пляшущими каплями у меня был телемикроскоп (что-то среднее между телескопом и микроскопом), оснащенный окуляром с измерительной сеткой. Для подачи напряжения имелся рубильник. В верхнем положении напряжение подавалось на пластины (надпись на черном шильдике гласила: «Не превышать 2000 В!»). В нижнем положении происходило замыкание, и заряд рассеивался. И вот, разобрав установку и очистив ее от пыли и осевшего за тысячи студенческих демонстраций масла, я был готов к проведению своего собственного эксперимента.

Установка Милликена производства компании Phillip Harris

Рисунок Элисон Кент

Я зарядил обычный парфюмерный пульверизатор вазелиновым маслом и впрыснул его в камеру поверх верхней латунной пластины. Потом подождал, пока несколько капель не опустятся через крохотное отверстие в пластине. Капли выглядели, скорее, как пылинки в снопе солнечного света, а не как маленькие звездочки. Однако их воздействие было гипнотическим. Я отобрал ту, которая падала плавно и прямо, и включил напряжение. Если бы она неожиданно устремилась вверх, это означало бы, что у нее есть заряд. Двигая рубильник вверх и вниз и регулируя напряжение, я засекал время подъема и падения капель между делениями измерительной сетки окуляра — 4,2 секунды вниз, 2,6 секунды вверх… 6,8 секунды вверх… 7, 1 и 2,2…8,1 и 3,3.

Мне это стало нравиться, но, чтобы правильно проводить эксперимент, требовалось выделять одну каплю и долго наблюдать разброс во времени подъема, который сигнализирует об отдаче или захвате электрона каплей. Когда я накопил данные измерений для десятка капель и примерно определил их массу (по уравнению, которое известно как закон Стокса), мне удалось рассчитать, чему равна единица заряда.

Это только в учебниках по физике все выглядит так просто. Там нет упоминания о том, что между латунными пластинами может произойти короткое замыкание или что они могут искрить оттого, что съехала контактная клипса. Молчит учебник и о том, что можно выпустить из пульверизатора слишком много масла и тогда отверстие в пластине забьется. Я уже не говорю, как легко перепутать капли или принять за каплю соринку в своем глазу.

Я выделил каплю, которая показалась мне идеальным образцом, а потом беспомощно наблюдал, как она покидает фокальную плоскость. Иногда капля оказывалась такой тяжелой, что камнем шла на дно, или заряжалась так сильно при включении электричества, что ракетой исчезала из виду. Только после множества неудачных попыток я понял, что освоить такой тонкий эксперимент для меня — все равно что выучиться играть на скрипке или стать столяром-краснодеревщиком.

А вот маэстро Милликен так ловко обходился со своей установкой, что, поймав в прицел оптического прибора каплю, мог пойти поужинать, а, вернувшись, обнаружить, что его капля практически не сдвинулась со своего места. Имея же такого помощника, как Флетчер, он легко фиксировал изменения в скорости движения капель, когда электроны «прилипали» к капле или покидали ее, как пассажиры сан-францисского трамвая. Если ему нужно было придать каплям небольшое ускорение, он открывал свинцовую дверцу и «подгонял» их радием.

Его данные, полученные в эксперименте с водяными каплями, уже подверглись сомнению со стороны одного австрийского экспериментатора, который утверждал, что ему удалось выделить «суб-электроны», которые, как он подозревал, являются наименьшими единицами заряда. Однако результаты, полученные Милликеном в его раннем» более грубом эксперименте, нашли полное подтверждение в экспериментах с масляными каплями. Электроны действительно существовали. Однажды вечером Чарльз Протеус Штейнмец, пионер электротехники, пришел к Милликену посмотреть на эксперимент. «Никогда бы не поверил!» — все повторял он, благодарно тряся руку Флетчера.

В начале 1910 года они начали записывать результаты, и в течение трех последующих лет Милликен непрерывно совершенствовал эксперимент. Простая настольная установка постепенно превратилась в высокотехнологичное устройство с фильтрацией воздуха, точным контролем температуры, давления и напряжения, а также часами, способными отмерять миллисекунды. Не менее важно и то, что он научился понимать поведение капель. Все неудачи и успехи Милликен записывал в дневнике:

Очень медленно что-то не так… не уверен в расстоянии… Возможно, сдвоенная капля… Красотка… Опубликовать… Хороша для небольшой капли… Отлично… Правильно… Имеет значение… Не получится… Опубликовать эту красотку.

По мере освоения количество «красоток» увеличивалось:

Само совершенство… Лучшая из всех.

Было такое впечатление, что это сами электроны переливались всеми цветами радуги.

Все, кто видел этот эксперимент… по сути, ВИДЕЛИ электрон, — позднее напишет Милликен, специально выделив это место, — Можно было посчитать количество электронов в конкретном небольшом электрическом заряде с такой же точностью, с какой считают пальцы на руках и ногах.

В 1913 году он опубликовал окончательную величину единицы электрического заряда: 1,5924 х 10-19 кулона. Десять лет спустя он получил Нобелевскую премию.