想证明爱因斯坦的理论是错的,却因此获诺贝尔奖

话说瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会在1922年11月底破例同时宣布两个获奖消息:一是把将1921年度诺贝尔物理奖授予物理学家爱因斯坦,表彰他解释光电效应。二是把本年度诺贝尔物理奖授予物理学家玻尔,表彰他研究微观世界的原子结构并提出原子模型理论。诺贝尔奖委员会给他们颁完奖后,立刻锁定1923年度物理奖候选人名单:一位在微观世界的电子和解释光电效应方面取得重大突破的美国人罗伯特·安德鲁·密立根。

想证明爱因斯坦的理论是错的,却因此获诺贝尔奖

获诺贝尔奖的密立根 图源:物理双月刊网

富家子弟多才艺

密立根的祖上住在新西兰,父母迁到美国伊利诺伊州。作为家中次子,密立根受到良好的教育,小学时语文、数学成绩都特好,属于“别人家的孩子”。这为他以后多方面发展打下良好的基础。进入美国俄亥俄州奥柏森大学后,他先选学希腊语和数学专业,后改修物理。大二时,他被任命为物理预科班的老师,一边自学一边授课。类似我国上世纪八九十年代的中师生,初中毕业教初中学生,必须是优生中的优生才行。奥柏森大学没有物理学教材,密立根自告奋勇编写了一套基础物理教材。此教材通俗易懂,文采斐然,被许多学校使用,密立根开始崭露头角。
大学毕业后,伊利诺伊州的报社需要一名熟悉法律的记者,密立根应邀去帮忙。他把法律知识融进文章里,写的报道幽默风趣且切中肯綮。当记者期间,他受人之托当陪审法官或辩护律师,在法庭上表现非常出色。自此,密立根在家乡声名鹊起。如果按这个事态发展下去,密立根将成为一名出色的教授、作家或律师,但多半难以获得诺贝尔物理学奖。可是,从教物理那时起,他就知道自己喜欢什么,应该往哪个方面发力。这就是所谓的自知之明。

油滴实验测电荷

1895年,在家乡短暂停留后,27岁的密立根自费到欧洲游学,进修物理。次年回到美国后,他即到芝加哥大学报到,任教物理学,不久因教学出色升为副教授。1921年,他调到加州理工学院担任物理系主任,直到1946年退休。
在芝加哥大学任教期间,密立根对物质微观世界产生了浓厚的兴趣,并冒出测定电子电荷的念头。想证明爱因斯坦的理论是错的,却因此获诺贝尔奖

密立根正在做实验 图源:物理双月刊网

人类对微观世界的探索,在19世纪末取得重大突破:英国科学家J·J·汤姆逊首次用实验证明电子存在,并测出了其电荷与质量间的比值。此举打破了几百年来“原子不可再分”的主流论断。此后,J·J·汤姆逊与汤森德、威尔逊等同行共同致力于测量电子电荷。因为只有测出电子的电荷量,才能对它的质量、运动轨迹等进行推算。可惜进展都不大。1906年,密立根正式用威尔逊的云雾室来测量水中电子的电荷量。然而,一次次变化极大的实验结果让他头痛不已。几年后,他发现测量结果变化大的原因是水滴蒸发快,并因此发明了平衡水滴法。此法就是给云雾室的水滴通电,产生反向电场力,使水滴悬浮起来,减缓蒸发速度。经过反复实验,密立根发现实验数据间的差异只是有所减少,并没解决实际问题。怎么办?山穷水尽之际,和他一起做实验的研究生哈维·弗雷彻提出可否用其它液体代替水滴。一语惊醒梦中人,经过仔细思考,密立根决定用油滴代替水滴,并重新设计实验。他先用两块水平排列的金属板(或电池组)做为正、负极,金属板上设两个小孔,其中一个连接喷雾器,负责把油滴喷入内部装置,另一个是显微镜观察孔。喷入平板的油滴因摩擦获得电荷,在电场力作用下克服重力上升,悬浮在空中。助手调整电压,让油滴通过小孔顺利下落到观察区后保持电压不变,密立根则通过显微镜进行观测。想证明爱因斯坦的理论是错的,却因此获诺贝尔奖油滴实验简图

经过上百次的观测,密立根发现所有飘进观察区的油滴的总电荷值都是同一个数字的整数倍。“这个最小电荷值就是电子电荷!”他感觉已找到突破的方向。为了把数据弄准确,他和弗雷彻轮流上阵,认真观测并记录单个带电油滴的运动情况,常常几个小时一直盯着油滴,很是辛苦。付出总有回报,1912年4月,密立根通过确凿的实验数据计算出基本电荷的电量e=(1.5924± 0.0017)×10-19库仑,这个数据与今天的测量结果e=1.602176634×10-19库仑只差1%。次年,密立根公开发表论文,正式提出“任何电量都是基本电荷的整数倍”这一观点想证明爱因斯坦的理论是错的,却因此获诺贝尔奖

密立根油滴实验详图 图源:物理双月刊网

基本电荷是实验测来的自然界存在的最小电量,它的出现,让许多物理常数的计算达到更高的精度。密立根也因此名声大噪。遗憾的是,密立根在论文中犯了两个错误,导致他和他的油滴实验受到后人诟病。一是论文没有署弗雷彻的名字;二是文中只列举了91组观测结果,对相差较大的49组只字未提,这与论文所说“代表了所有的油滴实验”(见《密立根实验记录本》)所写严重不符。

研究光电得惊喜

中年密立根的精力相当充沛。当弗雷彻一门心思做油滴实验的时候,他又迸出一个想法:通过实验来证明爱因斯坦的光量子理论和光电效应方程是错的

爱因斯坦于1905年提出光量子理论并建立光电效应方程后,按当时观点,直接通过实验精确测量光电流以验证光电效应方程相当困难,但只有理论和实验相结合,新的学说才会成立。只是由于爱因斯坦的光量子理论太慎密了,光电效应方程计算出来也没错误,所以当时的科学家大都认可他的理论,只有包括密立根在内的小部分人持怀疑态度。证明光量子理论的实验比油滴实验更难,油滴毕竟有形有样,光却摸不住抓不着。密立根从1908年开始研究,知道1912年才设计出基本的实验装置。不过在实验中他逐步认可了爱因斯坦的光量子理论,1915年,他终于设计出一套精巧的装置,证实了光电效应方程,并推算出普朗克常量h的值想证明爱因斯坦的理论是错的,却因此获诺贝尔奖密立根光量子实验图 图源:物理双月刊网

1916年,密立根把研究内容公开发表。自此,爱因斯坦的光量子理论得到验证,密立根也因为出色的研究获得了1923年度诺贝尔物理学奖