Robert Andrews Millikan

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知识的充实总是意味着对我们无知深度的某种理解;这总是有利于谦虚和敬畏。

Robert Andrews Millikan是一位美国实验物理学家,因测量基本电荷和光电效应研究而获得1923年诺贝尔物理学奖。

Millikan于1891年毕业于Oberlin College,并于1895年获得Columbia University博士学位。1896年他成为Chicago University的助教,1910年成为正教授。1909年Millikan开始了一系列实验来测定单个电子所携带的电荷。他首先通过测量电场中带电水滴的运动来进行研究。结果表明液滴上的电荷是基本电荷的倍数,但该实验不够准确而缺乏说服力。1910年他用著名的油滴实验获得了更精确的结果,用油代替了容易蒸发过快的水。

1914年Millikan以相似的高超技能开始了Albert Einstein在1905年引入的光电效应方程的实验验证。他使用这项研究获得了Planck常数的精确值。1921年Millikan离开Chicago University成为California Institute of Technology(Caltech)Pasadena校区Norman Bridge物理实验室的主任。在那里他开展了对物理学家Victor Hess发现的来自外太空辐射的重大研究。Millikan证明了这种辐射确实来自地外,并将其命名为"宇宙射线"。作为Caltech行政委员会主席(该校当时的管理机构)从1921年到1945年退休,Millikan帮助将该校转变为美国领先的研究机构之一。他还从1921年至1953年担任Science Service(现称为Society for Science & the Public)的董事会成员。

传记

教育

Robert Andrews Millikan于1868年3月22日出生在Illinois的Morrison。他在Iowa的Maquoketa高中就读,1891年从Oberlin College获得古典文学学士学位,1895年从Columbia University获得物理学博士学位——他是该系第一位获得博士学位的学生。

在我大二结束时[...]我的希腊语教授[...]问我是否愿意在第二年在预科系教授初等物理课程。当我回答说我根本不懂物理时,他的回答是:"任何能在我的希腊语课上表现出色的人都能教物理。" "好吧,"我说,"你必须承担后果,但我会尽力看看能做什么。"我立即购买了Avery的《物理学基础》,并在1889年夏假的大部分时间在家中尝试掌握这门学科。[...]我怀疑我是否曾在1889年我第一次物理课程中教得更好。我是如此专注于保持我的知识领先于班级的知识,以至于他们可能感受到了我自己的兴趣和热情。

Millikan对教育的热情贯穿他的整个职业生涯,他是一套受欢迎且有影响力的入门教科书系列的合著者,在许多方面都走在时代前沿。与当时的其他书籍相比,它们以物理学家思考的方式来处理这个主题。它们还包含许多家庭作业问题,要求概念性问题,而不仅仅是要求学生将数字代入公式。

电子电荷

从1908年开始,作为Chicago University的教授,Millikan从事油滴实验,测量单个电子的电荷。J. J. Thomson已经发现了电子的电荷与质量的比值。然而,实际的电荷和质量值是未知的。因此,如果这两个值中的一个被发现,另一个就可以轻易地计算出来。Millikan和他当时的研究生Harvey Fletcher使用油滴实验来测量电子的电荷以及电子质量和Avogadro数,因为它们与电子电荷的关系是已知的。

Millikan教授独自获得荣誉,以换取Harvey Fletcher在他的论文中宣称对相关结果的完全所有权。Millikan继续赢得1923年诺贝尔物理学奖,部分原因是这项工作,Fletcher保密了这项协议直到他去世。1910年首次发表结果后,Felix Ehrenhaft的相互矛盾的观察引起了两位物理学家之间的争议。改进了他的设置后,Millikan在1913年发表了他的开创性研究。

Millikan原始油滴装置,约1909–1910年

基本电荷是基本物理常数之一,准确了解其价值具有极大的重要性。他的实验测量了悬浮在两个金属电极之间抵抗重力的微小带电油滴所受的力。了解电场后,就可以确定液滴上的电荷。对许多液滴重复该实验,Millikan表明结果可以解释为公共值1.592 × 10−19库仑的整数倍,这是单个电子的电荷。这比现代值1.602 176 5314 x 10−19库仑略低,可能是由于Millikan使用了不准确的空气粘度值。

虽然在Millikan油滴实验的时代,亚原子粒子存在开始变得清晰,但并非每个人都相信。J. J. Thomson在1897年用阴极射线进行实验,发现了带负电的"微粒"(如他所称),电荷与质量的比值是氢离子的1840倍。George FitzGerald和Walter Kaufmann发现了类似的结果。然而,当时已知的大部分关于电和磁的知识都可以解释为电荷是连续变量的基础;其方式很相似,光的许多特性可以通过将其视为连续波而不是光子流来解释。

Millikan因获得诺贝尔奖而领取超过$40,000的支票

油滴实验的妙处在于,不仅允许相当准确地测定基本电荷单位,Millikan的装置还提供了电荷实际上是量子化的"动手"演示。General Electric Company的Charles Steinmetz以前认为电荷是连续变量,但在与Millikan的装置合作后改变了看法。

数据选择争议

关于Millikan在第二个测量电子电荷的实验结果中使用的选择性存在一些争议。这个问题已经被Allan Franklin讨论过,他是一位前高能实验物理学家和University of Colorado当前的科学哲学家。Franklin主张Millikan排除的数据不影响获得的电荷的最终值,但Millikan实质性的"整容手术"减少了统计误差。这使Millikan能够将电子电荷精确到百分之零点五以内;实际上,如果Millikan包括了他丢弃的所有数据,误差会小于2%。虽然这仍然会导致Millikan测量电子电荷优于当时任何其他人,但稍微更大的不确定性可能会允许物理学界对他的结果有更多的分歧,这Millikan可能试图避免。David Goodstein主张Millikan的声明,即在六十天期间观察到的所有液滴都用在论文中,在随后的句子中得到了澄清,该句子指定所有"进行完整观察系列的液滴"。Goodstein证实这确实是事实,并指出五页的表格分隔了两个句子。

光电效应

当Einstein发表他在1905年关于光的粒子论的开创性论文时,Millikan确信它必然是错误的,因为已经有大量证据表明光是波。他开展了为期十年的实验计划来测试Einstein的理论,这需要建造他所称的"真空中的机器厂"以准备光电极的非常清洁的金属表面。他1914年发表的结果在各个细节上都证实了Einstein的预测,但Millikan不相信Einstein的解释,到1916年他仍然写道,"Einstein的光电方程...在我的判断中目前不能被视为建立在任何令人满意的理论基础之上",尽管"它实际上非常准确地代表了"光电效应的行为。然而,在他1950年的自传中,他简单地宣称他的工作"几乎不允许任何其他解释,除了Einstein最初提出的解释,即光的半粒子或光子理论"。

Robert Millikan和Albert Einstein在1932年California Institute of Technology

由于Millikan的工作构成了现代粒子物理学的一些基础,具有讽刺意味的是他对20世纪物理学发展的观点相当保守,就像光子理论的情况一样。另一个例子是他的教科书,至1927年版本,明确表示以太的存在,并且只在Einstein肖像下方标题的最后以非承诺的注释提及Einstein的相对论,作为成就列表中的最后一项声称他是"1905年狭义相对论和1914年广义相对论的作者,两者都在解释原本未解释的现象和预测新现象方面取得了巨大成功"。

Millikan还因使用各种金属的光电发射图表测量Planck常数的值而获得了荣誉。

晚年

1917年,太阳天文学家George Ellery Hale说服Millikan开始每年在Throop College of Technology(一个小型学术机构,位于California的Pasadena,Hale希望将其转变为科学研究和教育的主要中心)花费几个月的时间。几年后Throop College成为California Institute of Technology(Caltech),Millikan离开了Chicago University以成为Caltech的"行政委员会主席"实际上是其主席。Millikan从1921年至1945年担任这个职位。在Caltech,他的大部分科学研究集中在"宇宙射线"的研究上——这是他创造的术语。在20世纪30年代,他与Arthur Compton就宇宙射线是由高能光子(Millikan的观点)还是带电粒子(Compton的观点)组成进行了辩论。Millikan认为他的宇宙射线光子是不断被创造以抵抗熵并防止宇宙热寂的新原子的"出生的呐喊"。Compton最终被证明是对的,通过观察宇宙射线被地球磁场偏转因此必须是带电粒子。

Robert A. Millikan约1923年

Robert Millikan在第一次世界大战期间是National Research Council的副主席。在那段时间,他帮助开发了防潜艇和气象装置。他获得了中国玉石勋章。战后,Millikan从1922年开始对League of Nations Committee on Intellectual Cooperation的工作做出了贡献,取代了George E. Hale,直到1931年,与其他杰出的研究人员如Marie Curie、Albert Einstein、Hendrik Lorentz等合作。在私生活中,Millikan是一个热情的网球运动员。他已婚并有三个儿子,其中最年长的Clark B. Millikan成为了杰出的空气动力学工程师。另一个儿子Glenn也是物理学家,与"因为它在那里"Mount Everest著名的George Leigh Mallory的女儿Clare结婚。Glenn在1947年在Cumberland Mountains的登山事故中丧生。

Millikan是一个有信仰的人,也是一位牧师的儿子,在他晚年强烈主张基督教信仰和科学之间的互补关系。他在1926-27年的Terry Lectures中处理了这一点,出版为《进化中的科学和宗教》。他是一位基督教有神论者和有神论进化论的支持者。他的一个更有争议的信念是优生学。他是Human Betterment Foundation的初期受信者之一,并赞扬San Marino, California为"北欧文明的最西端哨所......一个人口中盎格鲁撒克逊人的比例是New York、Chicago或这个国家任何大城市中存在的人口的两倍"。

Westinghouse时间胶囊

1938年,他写了一篇简短的段落放入Westinghouse时间胶囊。

此刻,1938年8月22日,代议制政府的原则,如Anglo-Saxon、French和Scandinavian国家的政府所代表的那样,处于

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