Физика

Нобелевские лауреаты: Роберт Милликен. Премия за капельку масла

Измеривший заряд электрона

Роберт Милликен

Clark Millikan/Wikimedia Commons/Indicator.Ru

Как репортер стал нобелевским лауреатом, научился преподавать физику, учась греческому языку, как прийти к Нобелевской премии «за два эксперимента» и показать правоту Эйнштейна, но не признать ее, рассказывает сегодняшний выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Роберт Эндрюс Милликен

Родился 22 марта 1868 года, Моррисон, штат Иллинойс, США

Умер 19 декабря 1953 года, Сан-Марино, штат Калифорния, США

Нобелевская премия по физике 1923 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За работы по определению элементарного электрического заряда и по фотоэлектрическому эффекту» (for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect).

Путь нашего героя к Нобелевской премии начался очень необычно. Работать Роберт Милликен начинал обычным репортером. Более того, начав высшее образование в колледже Оберлин в Огайо, где училась его мать, он интересовался античной культурой, да и диплом бакалавра Милликен получил в области классической культуры: античные языки, философия и искусство Древней Греции и Рима. Но потом жизнь заложила крутой вираж. Предоставим слово самому нобелиату.

«В последний год обучения мой профессор по греческому попросил меня прочесть курс по элементарной физике в подготовительном отделении в следующем году. На мой ответ, что я ничего не знаю из физики, он ответил: "Любой, кто смог получить у меня хорошую отметку по греческому, может преподавать физику". "Хорошо, — ответил я. — Под вашу ответственность я попробую и посмотрю, что из этого получится". Сразу после этого я купил книгу Эвери "Начала физики" и провел большую часть летних каникул 1889 года дома, пытаясь вникнуть в предмет. сомневаюсь, преподавал ли я лучше когда-либо в моей жизни, чем во время того моего первого курса по физике в 1889 году. Я был настолько заинтересован в том, чтобы знать больше, чем мои ученики, что они, наверное, подхватили часть моего интереса и энтузиазма», — так пишет Милликен о своем первом столкновении со специальностью.

Наш герой преподавал физику два года, несмотря на то, что его курс в колледже составлял всего 12 недель. Тем не менее самоподготовка его оказалась настолько замечательной, а конспекты лекций, которые Роберт готовил к занятиям, настолько полными и интересными, что наградой ему была степень магистра по физике и аспирантская стипендия Колумбийского университета. Там он учился уже физике как большой науке.

Впрочем, нужно сказать, что преподавание физики и написание учебников, пожалуй, стало главным занятием Милликена на всю жизнь. И ораторские навыки, кстати, остались с ним навсегда: хорошо известна история, когда друзья в шутку предложили назвать единицу говорливости «кен» с тем, чтобы средняя разговорчивость обычного человека составляла примерно половину милликена.

Несмотря на то, что аспирантуру Милликен проходил в Колумбии, понимание того, что именно физика — его призвание, пришло в другом месте — в Чикаго. Там он провел одно лето, работая у будущего нобелевского лауреата, великого экспериментатора Альберта Майкельсона. Интересно, что впоследствии и опыт Майкельсона, и опыт Милликена сыграют важную роль в признании Альберта Эйнтштейна.

Альберт Майкельсон

Wikimedia Commons

В 1895 году Милликен стал доктором физики, съездил преподавать в Европу (в Берлин и Геттинген), а в 1896 году стал ассистентом профессора в Чикаго, у Майкельсона. Впрочем, вместо того, чтобы полностью уйти в экспериментальную физику, Милликен 12 лет потратил на то, чтобы написать корпус учебников по физике для американских студентов. Это стали первые чисто американские учебники, которые не были переведены с немецкого или завезены из Британии.

Экспериментальная установка Милликена

Wikimedia Commons

А вот в 1908 году Милликен «нырнул» в опыты. И первый же большой его эксперимент привел к Нобелевской премии. Как мы помним, незадолго до того Джозеф Джон Томсон открыл в катодных лучах электрон. Естественно было предположить, что именно электрон — носитель элементарного заряда, но этот заряд надо было измерить.

Английский физик Уилсон пытался измерить этот заряд, манипулируя капельками эфира, но толку вышло мало. Но Милликен работал у величайшего экспериментатора. Вместе с коллегой Харви Флетчером он построил установку, позволившую манипулировать мельчайшими заряженными капельками масла, которые находились в балансе сил тяжести, электрического отталкивания и силы Стокса. Повторив эксперимент со многими капельками, Милликен и Флетчер показали, что заряд каждой капли складывается из элементарных зарядов, и смогли его измерить.

Схема опыта Милликена

Wikimedia Commons

Результат Милликена, опубликованный в статье «Об элементарном электрическом заряде и числе Авогадро» в журнале Physical Review (публикация в этом журнале и поныне считается почетной среди физиков), оказался равен 1,5924(17)×10 −19 кулон. Для сравнения, современное значение, уточненное лишь через десятилетия после Милликена — 1,602176487(40)×10 −19 кулон. Впрочем, некоторые до сих пор говорят, что эксперимент Милликена неточен или «подогнан». В любом случае, Роберт Милликен стал первым, кто показал, что электрический заряд любого тела состоит из элементарных зарядов, и первым измерил заряд электрона.

Страничка из журнала Physical Review c описанием эксперимента

Physical Review

Второй знаменитый результат нашего героя — это изучение фотоэффекта. Несмотря на то, что к началу XX века практически все физики считали, что свет — это волна, Альберт Эйнштейн предположил, что свет состоит из частиц — фотонов. И исходя из этого предположения сумел объяснить фотоэлектрический эффект, на котором работают все солнечные батареи.

Милликен считал, что Эйнштейн неправ, и решил доказать это. В 1912 году он собрал сложнейшую экспериментальную установку, которая показала, что соотношение Эйнштейна, которое устанавливало связь между энергией выбитых из поверхности электронов и частотой квантов падающего света, выполняется. При этом измерения Милликена были столь точны, а совершенная экспериментальная установка настолько исключала все помехи, что сомнений в правоте Эйнштейна не осталось почти ни у кого. Разве что у самого Милликена, который еще в своих учебниках середины 1920-х не жаловал великого теоретика.

Наверное, больше всего физика «старой школы» расстроило то, что именно его результаты, которые, помимо всего, принесли самое точное на то время измерение постоянной Планка, убедили мировое сообщество в верности квантовой теории.

Впрочем, судьба подготовила Милликену достойное утешение — Нобелевскую премию по физике 1923 года. В своей лекции он сказал: «Наука шагает вперед на двух ногах — на теории и эксперименте... Иногда вперед выдвигается одна нога, иногда другая, но неуклонный прогресс достигается лишь тогда, когда шагают обе». Милликен знал, о чем говорит. Впрочем, его исследования на этом триумфе не закончились. Как и Нобелевские премии, пусть и не его самого.

Незадолго до награды Милликен получил отличное место работы — профессуру в Калифорнийском технологическом институте. Сейчас в нем расположена одна из самых «космических» лабораторий мира — знаменитая JPL, Лаборатория реактивного движения. И именно Милликен начал в Калтехе изучать космос.

Карл Андерсон

Wikimedia Commons

Он обратил внимание на открытые австрийцем Виктором Гессом «лучи», приходящие из космоса в атмосферу. Как в случае с радиоактивным излучением и с катодными лучами, космические лучи (этот термин, кстати, придумал сам Милликен), оказались не совсем лучами, а потоком частиц. Именно Милликен организовал первое масштабное изучение космических лучей. Понимая, что атмосфера Земли активно поглощает лучи, Милликен с учениками старались поднимать приборы как можно выше: сначала на вершины гор, а затем — при помощи воздушного шара — еще выше. Именно так ученик Милликена Карл Андерсон открыл первую частицу антивещества (позитрон). Так нобелевский лауреат Милликен обеспечил премию и своему ученику, которую он разделил с Виктором Гессом.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.