Двести граммов золота за танец капель масла

Виталий Мацарский
Виталий Мацарский

На первой же лабораторке первого курса физфака нашего достославного Харьковского университета мне досталось измерить заряд электрона методом Милликена. Промаялся я долго, результаты выходили несуразные, а потом меня выгнала спешившая домой лаборантка. Экзаменатор только вздохнул, но зачет, сжалившись, поставил, потому как результаты других лабораторок выглядели куда приличнее. Столь плачевный результат первого в жизни реального физического эксперимента, видимо, застрял как мелкая заноза где-то на задворках моей памяти и вдруг выплыл спустя полвека с лишним. Захотелось мне разобраться, а как же это получилось сделать у Милликена.

Роберт Эндрюс Милликен. 1920-е годы
Роберт Эндрюс Милликен. 1920-е годы

Заниматься электроном Роберт Милликен, профессор Чикагского университета, начал вскоре после открытия этой частицы. (Увлекательную историю этого открытия можно прочитать в прекрасной статье Алексея Левина 1.) В 1908 году 40-летний ученый вместе с аспирантом Луисом Беджменом взялся за проверку результатов опытов английского физика Гарольда Уилсона, который измерял скорость падения заряженных капель воды в электрическом поле. Уже тогда было ясно, что так можно измерить величину элементарного электрического заряда. Результаты Милликена не удовлетворили из-за невысокой точности измерений.

В том же году в Город ветров из захолустной Юты приехал 24-летний амбициозный выпускник тамошнего университета, намереваясь поступить в аспирантуру. Администрация Чикагского университета с неделю рассматривала его прошение и, явно не впечатленная дипломом просителя, предложила сначала закончить полный курс обучения в Чикаго, а уж потом нацеливаться на аспирантуру. Человеку с дипломом университета, пусть и неведомо какого, предлагалось поступить на первый курс, как выпускнику школы.

Естественно, сидеть на студенческой скамье еще четыре года молодому человеку по имени Харви Флетчер совершенно не улыбалось, и он бросился за советом к Милликену, с которым как-то успел познакомиться за ту неделю, что ждал решения администрации. Милликен, отличавшийся отзывчивостью и добрым отношением к людям (что отмечали многие его знавшие) посоветовал попросить об особом студенческом статусе, который давал бы право Флетчеру по окончании первого года обучения сдать часть экзаменов за старшие курсы и тем продемонстрировать свою подготовку.

Совет Милликена сработал прекрасно — Флетчер смог продемонстрировать достаточно высокий уровень подготовки, и ему разрешили подать документы в аспирантуру, так что уже осенью 1909 года он стал аспирантом своего благодетеля. Помимо дельного совета Милликен помог Флетчеру подыскать непыльную, но неплохо оплачиваемую работу, чтобы тому с молодой женой было на что существовать.

Казалось бы, проблемы молодого Флетчера не имели к электрону никакого отношения, однако это не так. Раздумывая над темой будущей диссертации он, естественно, решил детально разобраться, чем же занимается его шеф. Флетчер часто беседовал с Милликеном и Беджменом и довольно быстро понял, над чем они бились.

Выяснилось, что невысокая точность опытов с заряженными капельками объяснялась очень просто: капли испарялись быстрее, чем удавалось их «закрепить» электрическим полем. На исходе жизни Флетчер припоминал 2, что как-то речь зашла о других веществах, капли которых можно было бы подвесить в поле, в частности, о ртути. Кто-то упомянул и масло. Флетчер пишет:

Тогда-то профессор Милликен и сказал мне: вот это и будет темой твоей диссертации — поиск вещества, которое не испарялось бы так быстро. <…> Конечно, в обсуждениях такого рода трудно точно установить, кто что предложил, но мне кажется, что идея применить масло принадлежала мне. В своих воспоминаниях Милликен пишет, что мысль о масле пришла ему в голову еще до этих наших обсуждений. Конечно, я не могу утверждать, так ли было дело, но я точно знаю, что происходило потом.

Молодожены Харви и Лорена Флетчер осенью 1908 года. Фото из архивов Университета Юты
Молодожены Харви и Лорена Флетчер осенью 1908 года. Фото из архивов Университета Юты

Флетчер решил опробовать свою идею использовать масло на собранном им наспех прототипе. Соорудил он его за пару дней буквально на коленках, как любил говорить Резерфорд, «из сургуча и веревки». Результат превзошел все ожидания:

Я увидел зрелище поразительной красоты. Всё поле зрения окуляра довольно большого увеличения было заполнено сияющими звездочками, переливавшимися всеми цветами радуги. Капли побольше скоро падали вниз, а те, что поменьше, исполняли фантастический танец. Я первый раз в жизни видел броуновское движение собственными глазами.

Теперь ему нужно было проверить, есть ли на них электрический заряд. Флетчер включил поле от двух батарей, дававших напряжение в тысячу вольт, и с радостью увидел, что одни капельки поползли вверх, а другие — вниз: одни были заряжены положительно, а другие — отрицательно. Вовремя переключая полярность, можно было удерживать капельки в поле зрения достаточно долго, чтобы произвести необходимые измерения. Флетчер бросился демонстрировать свои успехи боссу, но не нашел его и стал проводить измерения сам. К следующему дню, когда объявился Милликен, аспирант уже смог грубо оценить заряд электрона.

Профессор был восхищен. Он не мог оторваться от окуляра, завороженно наблюдая за сияющими капельками. Опыты с водой были отставлены. Было решено срочно строить настоящую установку для работы с маслом. Беджмен остался не у дел. Диссертацию он всё же защитил на ту же тему — определение заряда электрона. Потом вернулся в родную Айову и работал преподавателем колледжа. Мироздание отмерило ему долгий срок: он прожил до 93 лет3.

Схема устройства Милликена
Схема устройства Милликена

Альтернативная версия событий изложена в автобиографии Милликена:

Возвращаясь поездом в сентябре 1909 года с проходившей в Канаде конференции, я рассеянно глядел на проплывающие за окном долины Манитобы, как вдруг меня осенило. Каким же я был дураком, пытаясь сладить с капельками воды, когда человечество потратило последние три сотни лет на поиски идеального масла для часовых механизмов, т. е. на поиски практически невысыхающей смазки4.

Установку построили быстро, и вскоре Милликен со своим аспирантом стали готовить к печати пять работ как по определению заряда электрона, так и по броуновскому движению. Весть об их достижениях распространилась быстро и широко, так что они удостоились внимания не только ученых, но и газетчиков. Желающих своими глазами «увидеть электроны» было множество. Флетчер вспоминал, что одним из них был Чарлз Штейнмец, кудесник электричества из General Electric:

Он не верил в существование электронов. Все электрические явления он объяснял натяжениями эфира. Он просидел перед окуляром почти полдня, а потом поднялся, пожал мне руку и сказал: «Никогда бы в это не поверил. Никогда». И ушел.

Чарлз Штейнмец заслуживает нескольких слов. Родился он в прусском Бреслау (ныне Вроцлав) в 1865 году. Поступил в тамошний университет, но из-за своих социалистических убеждений был вынужден эмигрировать сначала в Швейцарию, а потом в США. Попав на работу в General Electric, проявил недюжинные математические способности — в частности, продемонстрировал преимущества переменного тока перед постоянным, в особенности при передаче электричества на большие расстояния. Тем самым он победил великого Томаса Эдисона, ратовавшего за применение постоянного тока. Уравнениями для переменного тока, которые вывел Штейнмец, инженеры-электрики пользуются до сих пор. Удивляет, конечно, что электротехник не верил в электроны, но такова была ситуация в начале XX века.

Отличался Штейнмец как внешностью, так и поведением. Он был карликом-горбуном (как и отец, и дед), а потому не стал жениться, чтобы не передать свои генетические дефекты детям. Зато он безвозмездно поселил у себя дома женатого коллегу, а когда у того пошли дети, усыновил его, чтобы официально обзавестись потомством. А в 1922 году, желая помочь молодой Стране Советов, Штейнмец написал Ленину письмо, где предложил свое участие в разработке и осуществлении плана электрификации страны, но получил от вождя пролетариата отказ.

Однако пора вернуться к Милликену и Флетчеру, тем более, что у них состоялся деликатный, но эпохальный для аспиранта разговор. Флетчер вспоминает:

Моя дочь родилась в мае 1910 года, примерно тогда же мы заканчивали первую статью. Примерно через месяц, когда я остался один нянчить младенца, а жена ушла по делам, раздался звонок в дверь. Я открыл и удивился посещению нашей скромной обители самим профессором. Оказалось, он зашел, чтобы обсудить, кто будет значиться автором нашей первой статьи. Мы готовили еще четыре, и я полагал, что во всех пяти мы будем соавторами.

Но профессор сообщил мне, что по правилам Чикагского университета соискатель степени, подающий в качестве диссертации свою статью, должен быть ее единственным автором. Поэтому он предложил мне стать единственным автором задуманной пятой статьи о проверке теории броуновского движения. Было ясно, что единственным автором первой статьи 5 об определении заряда электрона он хочет быть сам. Мне это не очень понравилось, но выхода у меня не было, и я согласился стать единственным автором пятой статьи 6.

Работа об измерении заряда электрона сразу сделала Милликена мировой знаменитостью. Флетчер с отличием (summa cum laude) защитил диссертацию, но, видимо, понял, что нужно менять поле деятельности. Он вернулся домой, в Юту, где продолжил исследовать броуновское движение. Связи с Милликеном он не потерял, и тот продолжал оказывать Флетчеру всяческую поддержку: к примеру, рекомендовал его в компанию Western Electric, но Флетчер отказывался туда переходить. Компания донимала его на протяжении пяти лет, однако он упорно отвечал отказом, пока Милликен его не переубедил:

В настоящее время главные научные проблемы в США решаются в промышленных исследовательских лабораториях. <…> Условия для работы там часто лучше, чем в наших ведущих университетах.

Флетчер снова прислушался к совету своего бывшего наставника. Нам повезло, что Флетчер перешел работать в промышленность: он занялся проблемами звукозаписи, сотрудничал с ведущими музыкантами, в том числе с выдающимся дирижером Леопольдом Стоковски, и в результате сумел заложить основы современной стереофонической техники звукозаписи7.

А Милликен недолго почивал на лаврах. Он постоянно совершенствовал свой метод измерения заряда электрона и в 1917 году опубликовал, например, статью, уточнявшую величину заряда электрона, а также прочих фундаментальных констант 8. В этой работе он, в частности, рассчитал значение постоянной Ридберга и с плохо скрытым изумлением обнаружил, что расчет по Бору дает поразительное совпадение с экспериментом.

Нобелевская премия по физике была присуждена Милликену в 1923 году «за работы в области фотоэлектрического эффекта и за измерения заряда электрона». Нобелевская лекция, прочитанная в мае 1924 года, была озаглавлена «Электрон и квант света с экспериментальной точки зрения». К взглядам Эйнштейна на природу света, которые он называл «концепцией Томсона — Планка — Эйнштейна», Милликен относился явно скептически: хотя признавал, что объяснение фотоэффекта экспериментально подтверждается с поразительной точностью, однако отметил:

Представление о локализованных квантах света, на основе которого Эйнштейн вывел свою формулу, следует пока считать весьма далеким от общепринятого.

В нобелевской лекции Милликена нет ни слова о Флетчере, хотя до того (например, в книге «Электрон» 9) он упоминал своего бывшего аспиранта довольно часто. Похоже, Флетчер не был в обиде на своего ментора. Вот что он писал в своих воспоминаниях, которые, кстати, не разрешил публиковать целиком, заявив, что они предназначаются лишь его детям:

Меня часто спрашивали, не обижен ли я на Милликена за то, что он не сделал меня соавтором работы, которая в конце концов принесла Нобелевскую премию. Я всегда отвечал отрицательно, хотя, конечно, был расстроен, ведь я внес в ту статью немалый вклад. Но главным для меня всегда была наша дружба. Когда незадолго до смерти Милликен писал свои мемуары, он мог просто забыть некоторые детали нашей совместной работы.

Однако не все были настроены так благодушно. Позже, когда Милликен занялся организацией исследовательской программы Массачусетского технологического института, кто-то написал там на стене большими буквами: «Спасает Иисус, а слава достается Милликену». Вряд ли это справедливо. Все-таки Милликен был основным исследователем и вполне мог считать, что метод определения заряда электрона принадлежит ему, а Флетчер лишь присоединился к уже ведущимся исследованиям, в которые внес посильный вклад.

Меня же интересует вот что. Наступят ли такие времена, когда первокурсникам физфака предложат в качестве лабораторной работы, например, оценку массы хиггсовского бозона?

Виталий Мацарский


1 elementy.ru/novosti_nauki/433961/Ot_korpuskuly_do_elektrona_kto_kogda_i_kak_otkryl_pervuyu_elementarnuyu_chastitsu

2 Отрывки из воспоминаний Флетчера напечатаны в журнале Physics Today за июнь 1982 года.

3 scua.library.uni.edu/university-archives/biographies/louis-begeman

4 Millikan R. A. The Autobiography of Robert A. Millikan, Prentice-Hall, New York (1950).

5 The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of Its Charge, and the Correction of Stokes’s Law // Science, vol. XXXII, no. 822 (1910).

6 A Verification of the Theory of Brownian Movements and a Direct Determination of the Value of Ne for Gaseous Ionization // Phys. Rev. (Series I), 33, 81 (1911).

7 Советуем посмотреть духоподъемное видео «История Харви Флетчера»: youtu.be/watch?v=4lW-_3HLHYoРед.

8 A Re-Determination of the Value of the Electron and of Related Constants // PNAS, Vol.4, No. 3 (1917).

9 The Electron, U. Chicago Press, Chicago (1917).

Подписаться
Уведомление о
guest

3 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Old_Scientist
Old_Scientist
17 дней(-я) назад

Если молодой научный сотрудник хочет быть единственным автором научных результатов, полученных по теме, предложенной и придуманной его руководителем, это называется сверхнаглость. Придумай что-то свое, найди новое направление, придумай свои собственные научные идеи и потом сумей сделать что задумал, сумей найти возможности для реализации своих планов! И смотри, чтобы тебя не выгнали из коллектива, который не любит выскочек, нарушающих утвержденные планы работы…Мне удалось.

В.М.
В.М.
16 дней(-я) назад
В ответ на:  Old_Scientist

Флетчер четко написал, что он ожидал быть СО-автором всех пяти работ, выполненных под руководством Милликена. Более того, Флетчер вспоминал, что первую работу в основном написал он (о чем я, увы, не упомянул), а Милликен лишь поправил некоторые формулировки. Так что о сверхнаглости речь вряд ли может идти.

res
res
16 дней(-я) назад

Отличная статья. А то сейчас на фоне общей деградации науки снова всплыло «напряжение эфира» ))
И где, на физфаке МГУ! ((

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (7 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...