Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Измерение величины заряда электрона стало в начале XX столетия столь же важным вызовом для физической науки, каким в XVIII веке было измерение плотности Земли и в дальнейшем – гравитационной постоянной. По той же причине данная информация должна была многое открыть относительно устройства всей Вселенной.

Свою нобелевскую лекцию Милликен начал с просьбы к аудитории: задуматься над «несколькими простыми и знакомыми экспериментами», связанными с электричеством. Если потереть стеклянную палочку о кошачью шерсть, а затем коснуться ею бузинного шарика, бузинный шарик приобретет «новое и поразительное свойство», которое заставит его отскочить от палочки. Таково, продолжал Милликен, элементарное проявление электричества: нечто, называемое «электрическим зарядом», переходит от палочки к шарику, и в результате они оба начинают взаимно отталкиваться. Бенджамин Франклин полагал, что заряд состоит из множества крошечных частиц, или «атомов», электричества и что данное явление объясняется переносом этих крошечных крупиц или их «гроздей».

К концу XIX столетия ученые с удовлетворением убедились, что Франклин был прав: электрический заряд переносят крошечные тела, называемые «электронами», которые являются ключевыми частицами структуры атома. Однако на тот момент исследователи не знали, обладает ли заряд отдельных электронов определенной величиной и может ли он вообще иметь какую-то величину. Ответ на упомянутый вопрос имел принципиальное значение как для физиков, интересовавшихся структурой атома, так и для химиков, занимавшихся химическими связями. Но как обнаружить и измерить мельчайшую крупицу электричества?

Милликен прекрасно понимал, что ввязывается в весьма ненадежное предприятие. Он собирался променять престижную и состоявшуюся карьеру автора университетских учебников на рискованную авантюру с физическими исследованиями. Из прежнего опыта научных исследований он знал, «сколько труда можно приложить в физике и так и не напасть на золотую жилу». Его нынешняя цель – измерение электрического заряда отдельного электрона – была исключительно сложна. Выделение одной из этих немыслимо маленьких частиц материи и дальнейшая работа с ней при любых обстоятельствах являются необычайно трудным делом. К тому же неясно было, каким образом следует проводить подобный эксперимент.

Другими словами, Милликен собирался вскарабкаться на очень высокую гору, весьма туманно представляя себе, по какому из склонов подъем будет более легким или даже просто возможным. Хуже того, огромный интерес, проявлявшийся к величине заряда электрона в научных кругах, означал, что попытками измерения заняты очень многие. Таким образом, Милликену предстояло работать в области, где шла откровенная гонка за научный приоритет, и существовала опасность, что кто-то – более опытный и имеющий в распоряжении лучшую материальную базу – быстрее сделает открытие и точнее измерит искомую величину. Милликен понимал, что ему потребуются исключительная изобретательность и удача.

Главные соперники Милликена работали в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Ее директор, Джозеф Джон Томсон, в 1897 году открыл электрон (точнее, Томсон установил, что у всех электронов отношение заряда к массе одинаково) и прекрасно понимал важность определения точной величины его заряда. Он руководил группой талантливых студентов, занимавшихся данной проблемой. Они уже испробовали массу различных вариантов эксперимента, самым многообещающим из которых, как ни странно, оказался вариант с созданием в лаборатории облака водяных капель.

Несколькими годами ранее Чарльз Вильсон, один из сотрудников Кавендишской лаборатории, изобрел расширительную диффузионную камеру: устройство создавало внутри емкости туман, заставляя перенасыщенный водяными парами воздух конденсироваться на частицах пыли и свободно плавающих частицах, содержащих электрический заряд и называемых ионами (отрицательно заряженные ионы содержат один и более зарядов электрона). Тот факт, что перенасыщенный водяными парами воздух конденсировался вокруг ионов, позволил использовать прибор в отслеживании траекторий быстро движущихся заряженных частиц (к примеру, тех, что выделяются радиоактивными веществами), так как подобные частицы оставляют после себя цепочки ионов.

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.