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

Впрочем, словно подтверждая правильность давней мудрости, что ни одно доброе дело не остается без наказания, Милликену вскоре пришлось пожалеть о своей чрезмерной честности. В том же году в дискуссию вступил Феликс Эренгафт (1879–1952), физик из Венского университета. Воспользовавшись оборудованием, похожим на милликеновское, но с частицами металла вместо капель воды, Эренгафт заявил в 1910 году, что в результате своих исследований он установил существование «субэлектронов» с зарядом меньшим, чем наименьший из обнаруженных Милликеном. Эренгафт не просто провел пересчет данных Милликена, но, воспользовавшись теми наблюдениями Милликена, которые тот отбросил как недостаточно надежные, попытался создать впечатление, что данные американского исследователя подтверждают его выводы.

Однако ко времени появления статьи Эренгафта Милликен уже понял, как можно кардинальным образом усовершенствовать эксперимент. В августе 1909 года, незадолго до представления к публикации своей первой статьи, Милликен съездил в канадский Виннипег на конференцию Британской ассоциации развития науки, президентом которой в тот год был Джозеф Джон Томсон. И хотя Милликен не был включен в список выступающих, он привез с собой результаты своих исследований и, представляя их, привлек к себе большое внимание. Вскоре после конференции он решил заменить капли воды на более тяжелую субстанцию с меньшей скоростью испарения – к примеру, на ртуть или масло. В своей автобиографии, написанной двадцать лет спустя, Милликен называет моментом откровения то, что произошло с ним на пути домой. Он вдруг понял, насколько наивны и даже глупы попытки бороться с испарением водяных капель, при том что существуют часовые масла, специально созданные для предотвращения испарения112.

Вопрос о том, как это происходило на самом деле, столь же туманен и загадочен, как и верхняя поверхность облака. В статьях, опубликованных в то время, Милликен приписывает своему коллеге Дж. Ли заслугу в разработке метода распыления с целью создания крошечных сферических капель. Однако Харви Флетчер, один из аспирантов Милликена, утверждал позднее, что идея использования масляных капель принадлежит именно ему. Скорее всего, ни о каком моментальном озарении у Милликена речи не идет, так как проблемой предотвращения испарения в то время занимались абсолютно все, кто имел хоть какое-то отношение к описываемому эксперименту.

Вернувшись в Чикаго из Виннипега, Милликен поспешил в Райерсон-холл – корпус в самом центре университетского кампуса, где располагалась его лаборатория. Глядя сегодня на впечатляющее неоготическое здание с бойницами в зубчатых стенах, нелегко догадаться, что это одна из первых в Америке физических лабораторий, построенная в конце XIX столетия. Даже оказавшись внутри, трудно поверить, что среди громадных дубовых потолочных балок и живописных винтовых лестниц располагается научная лаборатория. Однако это здание из камня и дерева обладает прекрасными изолирующими свойствами; металлические конструкции при строительстве не употреблялись во избежание магнитных помех, которые могли бы помешать экспериментам с предельно малыми электрическими и магнитными полями. Лабораторию строили на основе рекомендаций американского физика Альберта Майкельсона, настоявшего на определенных технических условиях и строительных материалах, которые, по мнению ученого, требовались для успеха экспериментов.

У входа в Райерсон-холл Милликен столкнулся с самим Майкельсоном. Милликен сообщил своему именитому коллеге, что разработал метод, который позволит ему определить заряд электрона с точностью до одной десятой процента, в противном случае, заявил он, «я вообще ни на что не гожусь». Oн сразу же заказал новый аппарат специально для методики «уравновешенной капли», но с использованием масла. Как и раньше, он собирался создать отрицательные электрические заряды в камере, заполненной каплями (на сей раз масла), выбрать одну из них и позволить ей падать под влиянием только одной силы притяжения. На основании этого он смог бы вычислить радиус капли. Затем он намеревался подключить ток к пластинам и направить крошечную каплю вверх, затем вниз, затем снова вверх. Милликен наблюдал за каплями через небольшое окошечко, освещенное с противоположной стороны специальной подсветкой. Измерение времени подъема и падения капель позволило бы ему вычислить их заряд.

Рис. 18. Схема эксперимента с каплей масла (чертеж и подпись Милликена)

С того момента Милликен посвятил практически все свое свободное от преподавания время эксперименту. Его жена Грета, привыкнув к почти постоянному отсутствию мужа, постоянно объяснялась по этому поводу с приходившими к ним в дом гостями. Однажды Милликен был крайне озадачен комплиментами одного из своих знакомых, который выразил восхищение тем, что ученый при всей своей занятости находит время помогать жене по хозяйству. Позднее выяснилось, что Грета объяснила отсутствие мужа на ужине тем, что он «полтора часа наблюдал за ионом» и еще не закончил работу. Глуховатому гостю послышалось, что Милликен «полтора часа стирал и гладил» и поэтому не смог выйти к ужину [16] 113. В сентябре 1910 года Милликен опубликовал в журнале Science еще одну крупную работу по проблеме заряда электрона – первую, основанную на экспериментах с масляными каплями. На тот момент он еще не читал статьи Эренгафта, где австрийский ученый противопоставлял выводам Милликена свои собственные данные, и потому вторая статья Милликена написана в том же духе, что и первая. Хотя на сей раз он и не проводит ранжирования капель, но совершенно откровенно заявляет, что не включил несколько эпизодов измерений в свои вычисления заряда электрона. В некоторых случаях, писал он, это было связано с довольно значительной ошибкой в эксперименте:

...

«Когда скорости чрезвычайно малы, то из-за остаточных конвекционных потоков [потоков воздуха, вызываемых разницей температур] возникают ошибки, а когда скорости чрезвычайно велики, невозможно точно определить временные параметры».

В других случаях он отбрасывал их потому, что их значения были «нерегулярны», то есть существенно отклонялись от средней величины, установленной для большого числа капель. Однако их включение никак не повлияло бы на определение средней величины заряда электрона и отразилось бы только на степени погрешности эксперимента. Милликен писал:

...

«Метод, использовавшийся нами, настолько прост, а выводы настолько очевидны и убедительны, что даже непосвященный человек без особого труда понял бы нашу методику и смог оценить результаты»114.

Милликен продолжал совершенствовать свое оборудование, включив в него, к примеру, более точный прибор по измерению времени и более совершенное оборудование по контролю температуры. На протяжении всего 1911 года и в следующем году он продолжал наблюдения. Весной 1912-го, например, Милликен в течение нескольких недель наблюдал за масляными каплями через микроскоп, установленный в стенке камеры. В полдень пятницы 15 марта он полчаса разглядывал под микроскопом каплю номер 41 и с помощью секундомера пытался определить время ее подъема и падения между крошечными перекрестиями визира. Эту каплю он видел очень хорошо; обычные источники возмущений (например, воздушные потоки) отсутствовали. Несмотря на то, что работа, в общем-то, была довольно однообразной и утомительной, волнение исследователя нарастало. Завершив запись данных в свой лабораторный блокнот, он в нижнем левом углу записал слова, которые позднее процитировал во введении к своей книге:

...

«Очень красиво. Обязательно нужно это опубликовать, очень красиво!»115

К тому времени Милликену стало известно о статье Эренгафта и о группе исследователей, разделявших точку зрения австрийского ученого. Эренгафт обвинял Милликена в публикации ложных данных и заявлял, что его собственные данные доказывают существование субэлектронов. В 1913 году Милликен опубликовал подробную статью с изложением результатов своих экспериментов на усовершенствованном оборудовании. Явно задетый обвинениями Эренгафта, ученый попытался защититься от незаслуженных инсинуаций. Он писал, что обнародованные им данные основываются на ряде наблюдений с пятьюдесятью восьмью каплями, которые, как он подчеркивал, не были «специально отобраны, а включали все капли, с которыми проводился эксперимент в течение 60 дней подряд»116. В результате данной работы было получено значение заряда электрона (4,774 ± 0,009 × 10-10 электростатических единиц, или esu ) с точностью до 0,5%.