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

«Всех интересовала величина заряда электрона, так как электрон, вероятно, самая фундаментальная и постоянная сущность во Вселенной, хотя она до того времени не была измерена с точностью, равной хотя бы ста процентам [то есть с величиной неопределенности, равной измеряемому явлению]» 107.

Измерение величины заряда электрона стало в начале XX столетия столь же важным вызовом для физической науки, каким в XVIII веке было измерение плотности Земли и в дальнейшем – гравитационной постоянной. По той же причине данная информация должна была многое открыть относительно устройства всей Вселенной.

Свою нобелевскую лекцию Милликен начал с просьбы к аудитории: задуматься над «несколькими простыми и знакомыми экспериментами», связанными с электричеством. Если потереть стеклянную палочку о кошачью шерсть, а затем коснуться ею бузинного шарика, бузинный шарик приобретет «новое и поразительное свойство», которое заставит его отскочить от палочки. Таково, продолжал Милликен, элементарное проявление электричества: нечто, называемое «электрическим зарядом», переходит от палочки к шарику, и в результате они оба начинают взаимно отталкиваться. Бенджамин Франклин полагал, что заряд состоит из множества крошечных частиц, или «атомов», электричества и что данное явление объясняется переносом этих крошечных крупиц или их «гроздей».

К концу XIX столетия ученые с удовлетворением убедились, что Франклин был прав: электрический заряд переносят крошечные тела, называемые «электронами», которые являются ключевыми частицами структуры атома. Однако на тот момент исследователи не знали, обладает ли заряд отдельных электронов определенной величиной и может ли он вообще иметь какую-то величину. Ответ на упомянутый вопрос имел принципиальное значение как для физиков, интересовавшихся структурой атома, так и для химиков, занимавшихся химическими связями. Но как обнаружить и измерить мельчайшую крупицу электричества?

Милликен прекрасно понимал, что ввязывается в весьма ненадежное предприятие. Он собирался променять престижную и состоявшуюся карьеру автора университетских учебников на рискованную авантюру с физическими исследованиями. Из прежнего опыта научных исследований он знал, «сколько труда можно приложить в физике и так и не напасть на золотую жилу». Его нынешняя цель – измерение электрического заряда отдельного электрона – была исключительно сложна. Выделение одной из этих немыслимо маленьких частиц материи и дальнейшая работа с ней при любых обстоятельствах являются необычайно трудным делом. К тому же неясно было, каким образом следует проводить подобный эксперимент.

Другими словами, Милликен собирался вскарабкаться на очень высокую гору, весьма туманно представляя себе, по какому из склонов подъем будет более легким или даже просто возможным. Хуже того, огромный интерес, проявлявшийся к величине заряда электрона в научных кругах, означал, что попытками измерения заняты очень многие. Таким образом, Милликену предстояло работать в области, где шла откровенная гонка за научный приоритет, и существовала опасность, что кто-то – более опытный и имеющий в распоряжении лучшую материальную базу – быстрее сделает открытие и точнее измерит искомую величину. Милликен понимал, что ему потребуются исключительная изобретательность и удача.

Главные соперники Милликена работали в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Ее директор, Джозеф Джон Томсон, в 1897 году открыл электрон (точнее, Томсон установил, что у всех электронов отношение заряда к массе одинаково) и прекрасно понимал важность определения точной величины его заряда. Он руководил группой талантливых студентов, занимавшихся данной проблемой. Они уже испробовали массу различных вариантов эксперимента, самым многообещающим из которых, как ни странно, оказался вариант с созданием в лаборатории облака водяных капель.

Несколькими годами ранее Чарльз Вильсон, один из сотрудников Кавендишской лаборатории, изобрел расширительную диффузионную камеру: устройство создавало внутри емкости туман, заставляя перенасыщенный водяными парами воздух конденсироваться на частицах пыли и свободно плавающих частицах, содержащих электрический заряд и называемых ионами (отрицательно заряженные ионы содержат один и более зарядов электрона). Тот факт, что перенасыщенный водяными парами воздух конденсировался вокруг ионов, позволил использовать прибор в отслеживании траекторий быстро движущихся заряженных частиц (к примеру, тех, что выделяются радиоактивными веществами), так как подобные частицы оставляют после себя цепочки ионов.