Robert Andrews Millikan

Полнота знаний всегда подразумевает некоторое понимание глубины нашего невежества; и это всегда способствует смирению и благоговению.

Robert Andrews Millikan был американским экспериментальным физиком, удостоенным Нобелевской премии по физике в 1923 году за измерение элементарного электрического заряда и за работу по фотоэлектрическому эффекту.

Миликен окончил Oberlin College в 1891 году и получил докторскую степень в Columbia University в 1895 году. В 1896 году он стал ассистентом Чикагского университета, где в 1910 году стал полным профессором. В 1909 году Миликен начал серию экспериментов для определения электрического заряда, переносимого одним электроном. Он начал с измерения движения заряженных капель воды в электрическом поле. Результаты показали, что заряд на каплях кратен элементарному электрическому заряду, но эксперимент был недостаточно точным, чтобы быть убедительным. Он получил более точные результаты в 1910 году с помощью своего знаменитого эксперимента с масляной каплей, в котором он заменил воду, которая слишком быстро испарялась, на масло.

В 1914 году Миликен с аналогичным мастерством взялся за экспериментальную проверку уравнения, введённого Albert Einstein в 1905 году для описания фотоэлектрического эффекта. Он использовал эти же исследования для получения точного значения постоянной Планка. В 1921 году Миликен покинул Чикагский университет, чтобы стать директором Norman Bridge Laboratory of Physics в California Institute of Technology Caltech в Pasadena, California. Там он провёл крупное исследование радиации, которую физик Victor Hess обнаружил приходящей из космоса. Миликен доказал, что эта радиация действительно имеет внеземное происхождение, и назвал её «космическими лучами». Как председатель Executive Council Caltech, руководящего органа школы в то время с 1921 по 1945 год, Миликен помог превратить школу в один из ведущих научно-исследовательских институтов в Соединённых Штатах. Он также входил в совет попечителей Science Service, теперь известного как Society for Science & the Public, с 1921 по 1953 год.

Биография

Образование

Robert Andrews Millikan родился 22 марта 1868 года в Morrison, Illinois. Он учился в средней школе в Maquoketa, Iowa и получил степень бакалавра по классической филологии в Oberlin College в 1891 году и докторскую степень по физике в Columbia University в 1895 году — он был первым, кто получил докторскую степень от этого факультета.

В конце моего второго курса [...] мой профессор греческого языка [...] попросил меня преподавать курс элементарной физики в подготовительном отделении в течение следующего года. На мой ответ, что я вообще не знаю физики, его ответ был: «Любой, кто хорошо разбирается в моём греческом, сможет преподавать физику». «Хорошо, — сказал я, — вам придётся нести последствия, но я попробую и посмотрю, что я смогу с этим сделать». Я тут же купил Avery's Elements of Physics и провёл большую часть летних каникул 1889 года дома — пытаясь овладеть предметом. [...] Я сомневаюсь, что я когда-либо преподавал лучше в своей жизни, чем в моём первом курсе физики в 1889 году. Я был настолько интенсивно заинтересован в том, чтобы мои знания опережали знания класса, что они, возможно, заразились моим собственным интересом и энтузиазмом.

Энтузиазм Миликена в области образования продолжался на протяжении всей его карьеры, и он был соавтором популярной и влиятельной серии вводных учебников, которые во многих отношениях опередили своё время. По сравнению с другими книгами того времени, они рассматривали предмет так, как его понимали физики. Они также содержали много домашних заданий, которые задавали концептуальные вопросы, а не просто требовали от студента подставлять числа в формулу.

Заряд электрона

Начиная с 1908 года, когда он был профессором Чикагского университета, Миликен работал над экспериментом с масляной каплей, в котором он измерил заряд одного электрона. J. J. Thomson уже открыл соотношение заряда к массе электрона. Однако фактические значения заряда и массы были неизвестны. Поэтому, если бы одно из этих двух значений было открыто, другое можно было бы легко вычислить. Миликен и его тогдашний аспирант Harvey Fletcher использовали эксперимент с масляной каплей для измерения заряда электрона, а также массы электрона и числа Авогадро, поскольку их отношение к заряду электрона было известно.

Профессор Миликен взял всю заслугу, в обмен на то, что Harvey Fletcher получил полное авторство за смежный результат для своей диссертации. Миликен в 1923 году получил Нобелевскую премию по физике, отчасти за эту работу, а Fletcher хранил это соглашение в секрете до своей смерти. После публикации его первых результатов в 1910 году противоречивые наблюдения Felix Ehrenhaft начали спор между двумя физиками. После улучшения своей установки Миликен опубликовал свой основополагающий труд в 1913 году.

Элементарный заряд — одна из фундаментальных физических констант, и точное знание его значения имеет большое значение. Его эксперимент измерял силу, действующую на крошечные заряженные капли масла, подвешенные против гравитации между двумя металлическими электродами. Зная электрическое поле, можно было определить заряд на капле. Повторяя эксперимент для многих капель, Миликен показал, что результаты можно объяснить как целые кратные общему значению 1,592 × 10−19 кулона, что является зарядом одного электрона. То, что это несколько ниже современного значения 1,602 176 5314 x 10−19 кулона, вероятно, связано с использованием Миликеном неточного значения вязкости воздуха.

Хотя во времена экспериментов Миликена с масляной каплей становилось ясно, что существуют такие вещи, как субатомные частицы, не все в это верили. Экспериментируя с катодными лучами в 1897 году, J. J. Thomson открыл отрицательно заряженные «корпускулы», как он их называл, с соотношением заряда к массе в 1840 раз больше, чем у ионов водорода. Аналогичные результаты были получены George FitzGerald и Walter Kaufmann. Однако большинство того, что было тогда известно об электричестве и магнетизме, могло быть объяснено на основе того, что заряд является непрерывной переменной; во многом так же, как многие свойства света можно объяснить, рассматривая его как непрерывную волну, а не как поток фотонов.

Красота эксперимента с масляной каплей заключается в том, что, помимо возможности довольно точного определения фундаментальной единицы заряда, аппарат Миликена также обеспечил наглядную демонстрацию того, что заряд действительно квантован. Charles Steinmetz из General Electric Company, который раньше думал, что заряд является непрерывной переменной, убедился в обратном после работы с аппаратом Миликена.

Противоречие при отборе данных

Существует некоторое противоречие в отношении избирательности использования Миликеном результатов своего второго эксперимента по измерению заряда электрона. Этот вопрос обсуждался Allan Franklin, бывшим физиком высоких энергий и нынешним философом науки в University of Colorado. Franklin утверждает, что исключения данных Миликеном не влияют на конечное значение полученного заряда, но что существенная «косметическая операция» Миликена снизила статистическую ошибку. Это позволило Миликену определить заряд электрона с точностью лучше одной второй процента; фактически, если бы Миликен включил все отброшенные им данные, ошибка была бы менее 2%. Хотя это всё равно привело бы к тому, что Миликен измерил заряд e− лучше, чем кто-либо другой в то время, чуть большая неопределённость могла бы позволить больше несогласия с его результатами в среде физиков, чего Миликен, вероятно, пытался избежать. David Goodstein утверждает, что утверждение Миликена о том, что все капли, наблюдаемые в течение шестидесятидневного периода, были использованы в статье, было уточнено в последующем предложении, в котором указаны все «капли, по которым были проведены полные серии наблюдений». Goodstein подтверждает, что это действительно так, и отмечает, что пять страниц таблиц разделяют два предложения.

Фотоэлектрический эффект

Когда Einstein опубликовал свою основополагающую работу 1905 года о корпускулярной теории света, Миликен был убеждён, что она должна быть ошибочной, из-за обширного количества свидетельств, которые уже показали, что свет был волной. Он предпринял десятилетнюю экспериментальную программу для проверки теории Einstein, которая требовала создания того, что он описал как «механический цех в вакууме», чтобы подготовить очень чистую металлическую поверхность фотоэлектрода. Его результаты, опубликованные в 1914 году, подтвердили предсказания Einstein во всех деталях, но Миликен не был убеждён в интерпретации Einstein и, вплоть до 1916 года, писал: «Фотоэлектрическое уравнение Einstein... в моём мнении нельзя рассматривать в настоящее время как опирающееся на какой-либо удовлетворительный теоретический фундамент», хотя «оно действительно очень точно представляет поведение» фотоэлектрического эффекта. Однако в своей автобиографии 1950 года он просто объявил, что его работа «едва ли допускает какую-либо иную интерпретацию, чем ту, которую первоначально предложил Einstein, а именно теорию полукорпускулярной или фотонной природы самого света».

Поскольку работа Миликена легла в основу современной физики элементарных частиц, иронично, что он был довольно консервативен в своих взглядах на разработки физики XX века, как в случае с теорией фотонов. Другой пример — его учебник, вплоть до издания 1927 года, недвусмысленно утверждает существование эфира и упоминает теорию относительности Einstein только в неоднозначном примечании в конце подписи под портретом Einstein, указывая в конце списка достижений, что он был «автором специальной теории относительности в 1905 году и общей теории относительности в 1914 году, обе из которых имели большой успех в объяснении ранее необъяснённых явлений и в предсказании новых».

Миликен также известен измерением значения постоянной Планка с помощью графиков фотоэлектрического излучения различных металлов.

Поздняя жизнь

В 1917 году солнечный астроном George Ellery Hale убедил Миликена начать проводить несколько месяцев в год в Throop College of Technology, небольшом академическом учреждении в Pasadena, California, которое Hale хотел превратить в крупный центр научных исследований и образования. Несколько лет спустя Throop College стал California Institute of Technology Caltech, и Миликен покинул Чикагский университет, чтобы стать «председателем исполнительного совета» Caltech, фактически его президентом. Миликен занимал эту должность с 1921 по 1945 год. В Caltech большинство его научных исследований было сосредоточено на изучении «космических лучей», термин, который он придумал. В 1930-х годах он вступил в дебаты с Arthur Compton о том, состоят ли космические лучи из высокоэнергетических фотонов (мнение Миликена) или заряженных частиц (мнение Compton). Миликен думал, что его фотоны космических лучей были «криками рождения» новых атомов, постоянно создаваемых для противодействия энтропии и предотвращения теплового смертного приговора Вселенной. Compton в итоге был доказан правым наблюдением того, что космические лучи отклоняются магнитным полем Земли и, следовательно, должны быть заряженными частицами.

Robert Millikan был заместителем председателя National Research Council во время Первой мировой войны. В течение этого времени он помогал разрабатывать противолодочные устройства и метеорологические приборы. Он получил китайский Орден нефрита. После войны Миликен внёс свой вклад в работу Committee on Intellectual Cooperation Лиги Наций с 1922 года, заменив George E. Hale, до 1931 года, вместе с другими выдающимися исследователями Marie Curie, Albert Einstein, Hendrik Lorentz и др.. В личной жизни Миликен был заядлым теннисистом. Он был женат и имел трёх сыновей, старший из которых, Clark B. Millikan, стал выдающимся инженером-аэродинамиком. Другой сын, Glenn, также физик, женился на дочери Clare George Leigh Mallory, известного своей фразой «Because it's there» (Потому что она там) на Mount Everest. Glenn погиб в несчастном случае при восхождении в Cumberland Mountains в 1947 году.

Религиозный человек и сын министра, в поздней жизни Миликен настойчиво доказывал взаимодополняющие отношения между христианской верой и наукой. Он рассмотрел это в своих Terry Lectures в Yale в 1926–27 годах, опубликованных как Evolution in Science and Religion. Он был христианским теистом и сторонником теистической эволюции. Более противоречивым его убеждением была евгеника. Он был одним из первоначальных попечителей Human Betterment Foundation и хвалил San Marino, California за то, что он был «самым западным форпостом нордической цивилизации ... население, которое в два раза более англосаксонское, чем население, существующее в New York, Chicago, или в любом из великих городов этой страны».

Капсула времени Westinghouse

В 1938 году он написал короткий отрывок, который должен был быть помещён в Капсулы времени Westinghouse.

В этот момент, 22 августа 1938 года, принципы представительного баллотного правления, такие как представлены правительствами англосаксонских, французских и скандинавских стран, находятся в