Джордж Джонсон - Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Этот метод, использующий так называемую камеру Вильсона, не устранял неопределенность и возможность разных интерпретаций. Пар возникал постоянно, верхний край облака был неровным и нечетким, отчего наблюдение за его движением было делом весьма нелегким. Милликен увеличил напряжение в надежде устойчиво зафиксировать мишень между положительным и отрицательным полюсами. Тогда удастся, полагал он, измерить скорость испарения и учесть ее в дальнейших расчетах.

Вместо этого после включения рубильника облако исчезло, и эксперимент не получился. По крайне мере, так казалось до тех пор, пока ученый не заметил, что несколько водяных капель остались висеть в воздухе. Значит, их вес и заряд оказались такими, при которых сила притяжения полностью уравновешивалась действующим в противоположном направлении электрическим полем.

Милликен понял, что это позволит поставить более точный эксперимент. Вместо того чтобы изучать поведение целого облака капель в массе, он сможет наблюдать капли по одной. Глядя через небольшой телескоп, установленный на расстоянии чуть более полуметра от установки, он выберет зависшую каплю, а затем выключит электричество! С хронометром в руке он рассчитывал время падения капли между отдельными делениями окуляра телескопа. Час за часом он записывал результаты, сравнивая примерный вес капли и количество заряда, необходимое для ее удержания. Как сообщал Милликен, результаты всегда были 1, 2, 3, 4 или любой другой целый множитель минимального заряда, который когда-либо измерялся для минимальной капли». И действительно, заряд увеличивался равными порциями, которые, по его расчетам, равнялись 1,55 х 10 -19кулона.

В сентябре 1909 года он отправился в Виннипег, чтобы доложить результаты своих опытов, которые он считал предварительными, на заседании Британский ассоциации содействия науке. Вступительную речь произнес сам Томсон, а Эрнст Резерфорд — ему только что была вручена Нобелевская премия — прочел лекцию о состоянии атомной физики, отмечая, что при всех успехах последнего времени «обнаружить отдельный электрон пока не удалось». Тогда Милликен, который не был даже заявлен в повестке дня, удивил многих, заявив, что он уже близок к решению этой задачи.

Возвращаясь в поезде домой, он размышлял, как сделать его эксперимент более убедительным. Из-за испарения каждая капля живет всего несколько секунд. Если бы капля жила минуты или даже часы, то можно было бы регулировать напряжение в более широком диапазоне. Поскольку в это время он любовался равнинами Манитобы [5] Манитоба — провинция в центре Канады. , то ответ, как он впоследствии вспоминал, пришел мгновенно.

По приезде в Чикаго он попросил Харвея Флетчера, который тогда искал тему для докторской диссертации, посмотреть, можно ли экспериментировать не с каплями воды, а с каплями других, более «живучих» жидкостей. Приобретя секундомер и понаблюдав в соседней аптеке за поведением масла, Флетчер стал собирать установку для эксперимента: две круглые латунные пластины (причем в верхней он посредине просверлил отверстие) устанавливались на лабораторном столе и подсвечивались ярким светом сбоку. Над установкой он распылял масло и наблюдал за ним в телескоп. Впоследствии он говорил, что это было незабываемое зрелище:

Пространство было усыпано крохотными звездочками всех цветов радуги. Более крупные капли вскоре упали на дно, а маленькие оставались в воздухе почти минуту. Они исполняли невероятно замысловатый танец.

На следующее утро Флетчер вкатил в лабораторию большую батарею гальванических элементов, способных дать одну тысячу вольт, и подсоединил их к латунным пластинам. Увеличивая ток, он восхищенно наблюдал за тем, как отдельные капли подпрыгивали вверх, а другие опускались вниз. Трение о сопло пульверизатора придавало им то положительный, то отрицательный заряд. Увидев, как хорошо сработал его план, Милликен пришел в восторг. Вместе с Флетчером он усовершенствовал установку и каждый вечер все последующие полгода проводил в лаборатории, накапливая данные.

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.

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.

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.