Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

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.

Практически все облако – очевидно, состоявшее из капель с более чем одним электроном – было сметено сильным электрическим полем. Милликен писал:

...

«Поначалу создалось впечатление, что мой эксперимент полностью провалился, а вместе с ним провалились и все другие попытки экспериментирования на основе измерения скорости опускания ионизированного облака».

При повторении попытки произошло то же самое. Внезапно Милликен обратил внимание на то, что кардинальным образом преобразило его подход к эксперименту, а именно – на небольшое количество неиспарившихся капель:

...

«Это были капли, по случайности имевшие именно то отношение заряда к массе, или весу, которое было необходимо, чтобы направленная вниз сила тяготения, действовавшая на каплю, уравновешивалась направленной вверх силой, обусловленной воздействием поля на электрический заряд, который переносила капля… Так возникло то, что я назвал определением е [заряда электрона] „методом уравновешенной капли“»109.

Итак, Милликен обнаружил способ работать с одним «бузинным шариком», а не с целым их облаком. Настроив заряд электрических полей в камере, он мог заставить крошечные капли двигаться в камере вверх и вниз и даже оставаться неподвижными. Проделав эксперимент много раз, он заметил, что заряд, необходимый для уравновешивания капель, всегда представлял собой точное число, кратное наименьшему заряду, наблюдаемому на капле. Это стало первым однозначным доказательством того, что электрический заряд состоит из отдельных «крупиц».

Затем Милликен переделал аппарат так, чтобы иметь возможность изучать отдельные капли, а не облака. Устройство теперь состояло из камеры, в которой заряженные капли падали через крошечное отверстие в горизонтальной пластине, переходя туда, где за их поведением можно было бы наблюдать в микроскоп, когда они проходили между двух перекрестий визира110.

Милликену повезло, и он сумел правильно воспользоваться плодами своей удачи. Эксперимент был возможен лишь при очень строгом соблюдении целого ряда параметров. Если бы капли были значительно меньше, то из-за броуновского движения (хаотического движения мелких частиц в жидкости, вызванного столкновением молекул этой жидкости) наблюдение стало бы невозможным, и, наоборот, если бы капли были бы значительно больше, Милликену не удалось бы создать напряжение, необходимое для удержания их на месте. Позднее он писал:

...