Кіріспе
Элементар электр зарядын өлшеу эксперименті
1909 жылы Роберт А. Милликан және Харви Флетчер электрон зарядын (элементар электр зарядын) өлшеу үшін май тамшысы экспериментін жүргізді. Милликан 1923 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Эксперимент конденсатор пластиналарын құрайтын екі параллель металл беті арасындағы май тамшыларының электрлік зарядын байқауды қамтыды. Плиталар көлденең бағытта орналастырылды, бірі екіншісінің үстінде болды. Мұнай тамшыларының бұлтты тұманы жоғарғы пластинадағы кішкентай тесіктен енгізіліп, рентген сәулелерімен ионданып, теріс зарядталды. Алдымен, электр өрісі жоқ кезде, құлау жылдамдығы өлшенді. Ұшыр жылдамдығында, сүйреу күші гравитациялық күшке тең. Екі күш те радиусқа әртүрлі тәсілмен тәуелді болғандықтан, тамшының радиусын, демек массасын және гравитациялық күшін анықтауға болады (мұнайдың белгілі тығыздығын пайдалану арқылы). Содан кейін, пластиналар арасына электр өрісін тудыратын кернеу қолданылып, тамшылар механикалық тепе-теңдікте тұрып қалғанша реттелді, бұл электр күші мен гравитациялық күшінің теңгерімде екенін көрсетеді. Белгілі электр өрісін пайдаланып, Милликан мен Флетчер май тамшысының зарядын анықтады. Экспериментті көптеген тамшылар үшін қайталап, олар зарядтардың барлығы белгілі бір негізгі мәннің кіші бүтін еселері екенін растады, ол 1.5924-ке тең болды, бұл қазіргі таңда қабылданған мәннен шамамен 0,6% айырмашылықты құрайды. Олар бұл бір электронның теріс зарядының шамасы деп болжады.
Өмірбаян
1908 жылы Чикаго университетінің профессоры болған кезде, Милликан Флетчердің маңызды үлесімен, "Джей Инбонг Ли мырзаның қабілетті көмегімен" және жабдығын жетілдіргеннен кейін 1913 жылы маңызды зерттеуін жариялады. Бұл мәселе әлі де даулы, себебі Флетчердің қайтысынан кейін табылған құжаттар Флетчерді докторлық диссертациясын алу шарты ретінде авторлық құқығынан бас тартуға мәжбүрлеген жағдайларды сипаттайды. Ал Милликан Флетчердің Bell Labs-тегі мансабын қолдау үшін өзінің беделін пайдаланды. Милликан мен Флетчердің тәжірибесі екі электрод арасындағы шыны камерадағы май тамшыларына әсер ететін күшті өлшеуді қамтыды, бір электрод жоғары, екіншісі төмен орналастырылған. Электр өрісі есептелгеннен кейін, олар тамшының зарядын өлшеуге мүмкіндік алды, бір электронның заряды (1.592) құрады. Милликан мен Флетчердің май тамшысы тәжірибесі кезінде субатомдық бөлшектердің бар екендігі әлі де толығымен қабылданбаған. 1897 жылы катодтық сәулелермен тәжірибе жасаған Дж. Дж. Томсон, ол оларды теріс зарядталған "корпускулдар" деп атады, олардың массасы сутек атомының шамамен 1/1837 бөлігіне тең болды. Джордж Фицджеральд пен Уолтер Кауфман да ұқсас нәтижелерге қол жеткізді. Дегенмен, сол кездегі электр және магнетизм туралы барлық білім зарядтың үздіксіз шама екендігіне негізделген түсіндіруге келтірілуі мүмкін; жарықтың көптеген қасиеттерін фотондар ағыны емес, үздіксіз толқын ретінде қарастыру арқылы түсіндіруге болады. Элементар заряд e – негізгі физикалық тұрақтылардың бірі, сондықтан оның дәлдігі өте маңызды. 1923 жылы Милликан осы тәжірибесі үшін физикадан Нобель сыйлығын алды. Бұрын зарядты үздіксіз шама деп есептеген Томас Эдисон, Милликан мен Флетчердің құралдарымен жұмыс істегеннен кейін мұның дұрыс екеніне көз жеткізді. Бұл тәжірибе физика студенттерінің көптеген буындарымен қайталанып келеді, бірақ оны дұрыс жүргізу өте қиын және қымбат. 1995 жылдан 2007 жылға дейін SLAC-те бөлінген бөлшектік зарядталған бөлшектерді іздеу үшін бірнеше компьютерлік автоматтандырылған тәжірибелер жүргізілді, бірақ 100 миллионнан астам тамшыны өлшегеннен кейін бөлшектік зарядталған бөлшектерге ешқандай дәлел табылған жоқ.
Lee", and after improving his setup, published his seminal study in 1913. This remains controversial since papers found after Fletcher's death describe events in which Millikan coerced Fletcher into relinquishing authorship as a condition for receiving his PhD. In return, Millikan used his influence in support of Fletcher's career at Bell Labs. Millikan and Fletcher's experiment involved measuring the force on oil droplets in a glass chamber sandwiched between two electrodes, one above and one below. With the electrical field calculated, they could measure the droplet's charge, the charge on a single electron being ( 1.592). At the time of Millikan and Fletcher's oil drop experiments, the existence of subatomic particles was not universally accepted. Experimenting with cathode rays in 1897, J. J. Thomson had discovered negatively charged "corpuscles", as he called them, with a mass about 1/1837 that of a hydrogen atom. Similar results had been found by George FitzGerald and Walter Kaufmann. Most of what was then known about electricity and magnetism, however, could be explained on the basis that charge is a continuous variable; in much the same way that many of the properties of light can be explained by treating it as a continuous wave rather than as a stream of photons. The elementary charge e is one of the fundamental physical constants and thus the accuracy of the value is of great importance. In 1923, Millikan won the Nobel Prize in physics, in part because of this experiment. Thomas Edison, who had previously thought of charge as a continuous variable, became convinced after working with Millikan and Fletcher's apparatus. This experiment has since been repeated by generations of physics students, although it is rather expensive and difficult to conduct properly. From 1995 to 2007, several computer automated experiments have been conducted at SLAC to search for isolated fractionally charged particles, however, no evidence for fractional charge particles has been found after measuring over 100 million drops.
Құрылғы
Милликан мен Флетчердің аппаратында бір-біріне параллель екі көлденең металл пластинасы болған. Пластиналараға потенциалдар айырмасын қолдану арқылы, олардың арасындағы кеңістікте біртекті электр өрісі құрылды. Пластиналаларды бір-бірінен ұстап тұру үшін оқшаулағыш материалдан жасалған сақина пайдаланылды. Сақинаға төрт тесік салынған, оның үшеуі жарық шашу үшін, ал қалғаны микроскоп арқылы бақылауға арналған. Пластиналалардың үстіндегі камераға май тамшыларының жұқа шашырауы бүркілді. Май, әдетте вакуумдық құралдарда қолданылатын және өте төмен бу қысымына ие болғандықтан таңдалды. Кәдімгі майлар жарық көзінің қыздыруынан буланып, эксперимент барысында май тамшысының массасы өзгеруіне себеп болар еді. Кейбір май тамшылары сопломен үйкелісу арқылы электрленген. Сонымен қатар, зарядтау иондаушы сәулелену көзін (мысалы, рентген түтігін) қосу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Тамшылар пластиналалар арасындағы кеңістікке еніп, зарядталғандықтан, пластиналалардағы кернеуді өзгерту арқылы жоғары көтеріліп немесе төмен түсуіне болады.
Дау
Физик Джеральд Холтон (1978) кейбір дауларды қоздырды, ол Милликан өзінің күнделігінде соңғы нәтижелеріне енгізгеннен гөрі көп өлшемдерді тіркегенін көрсетті. Холтон бұл деректердің оның эксперименттерінде өлшенген май тамшыларының үлкен жиынтығынан ешқандай түсіндірмей алып тасталғанын болжады. Бұл таласты Колорадо университетінің жоғары энергиялық физика экспериментаторы және ғылым философы Аллан Франклин жоққа шығарды. Франклин Милликанның деректерді алып тастауы оның *e* мәнінің соңғы нәтижесіне маңызды әсер етпегенін, бірақ бұл шамалаудың статистикалық қатесін азайтқанын айтты. Бұл Милликанға *e*-ні бір пайыздан жартысынан да жақсырақ есептегенін мәлімдеуге мүмкіндік берді; шындығында, егер Милликан барлық деректерді қалдырған болса, орташа мәннің стандартты қатесі 2% құрар еді. Бұл Милликанның сол кездегі кез келген адамнан жақсы өлшегенін көрсеткенімен, сәл үлкен белгісіздік физикалық қауымдастықта оның нәтижелерімен келіспеушілікке мүмкіндік берген болар еді. Франклин Милликанның өлшемін қолдаумен, Милликан деректерге «косметикалық түзетулер» жасаған болуы мүмкін деген қорытындыға келді. Ал Дэвид Гудштейн Милликан сақтаған түпнұсқалық жазбаларды зерттеді, оның нәтижесінде Милликан осы жазбаларда және есептерінде тек «толық бақылау сериясінен» өткен тамшыларды ғана қосқанын және толық өлшемдер тобынан ешқандай тамшыны алып тастамағанын анықтады. Толық бақылау жасалмауына себептер: аппаратты орнатуға, май тамшыларының түзілуіне және атмосфералық әсерлерге қатысты жазбалар, бұл Милликанның пікірінше (осы жиынтықтағы қателік азайтылғандықтан) нақты өлшемді жарамсыз ететін.
Милликанның эксперименті ғылыми әдістеменің психологиялық әсерлерінің үлгісі ретінде
1974 жылы Калифорния технология институтында (Caltech) өткен диплом беру салтанатында сөз сөйлеген (және 1985 жылы «Сіз әзілдейсіз бе, мырза Файнман!» және 1999 жылы «Нәрсені табудың ләззаты» еңбектерінде жарияланған) физик Ричард Фейнман мынаны атап өтті:
We have learned a lot from experience about how to handle some of the ways we fool ourselves. One example: Millikan measured the charge on an electron by an experiment with falling oil drops, and got an answer which we now know not to be quite right. It's a little bit off because he had the incorrect value for the viscosity of air. It's interesting to look at the history of measurements of the charge of an electron, after Millikan. If you plot them as a function of time, you find that one is a little bit bigger than Millikan's, and the next one's a little bit bigger than that, and the next one's a little bit bigger than that, until finally they settle down to a number which is higher. Why didn't they discover the new number was higher right away? It's a thing that scientists are ashamed of—this history—because it's apparent that people did things like this: When they got a number that was too high above Millikan's, they thought something must be wrong—and they would look for and find a reason why something might be wrong. When they got a number close to Millikan's value they didn't look so hard. And so they eliminated the numbers that were too far off, and did other things like that
as of 2019 the value of the elementary charge is defined to be exactly Before that, the most recent (2014) accepted value was 1.6021766208, where the (98) indicates the uncertainty of the last two decimal places. In his Nobel lecture, Millikan gave his measurement as 4.774, which equals 1.5924. The difference is less than one percent, but is six times greater than Millikan's standard error, so the disagreement is significant. Using X ray experiments, Erik Bäcklin in 1928 found a higher value of the elementary charge, 4.793 or 1.5987, which is within uncertainty of the exact value. Raymond Thayer Birge, conducting a review of physical constants in 1929, stated "The investigation by Bäcklin constitutes a pioneer piece of work, and it is quite likely, as such, to contain various unsuspected sources of systematic error. If [ it is ] weighted according to the apparent probable error [ ], the weighted average will still be suspiciously high. [ ] the writer has finally decided to reject the Bäcklin value, and to use the weighted mean of the remaining two values." Birge averaged Millikan's result and a different, less accurate X ray experiment that agreed with Millikan's result. Successive X ray experiments continued to give high results, and proposals for the discrepancy were ruled out experimentally. Sten von Friesen measured the value with a new electron diffraction method, and the oil drop experiment was redone. Both gave high numbers. By 1937 it was "quite obvious" that Millikan's value could not be maintained any longer, and the established value became 4.800 or 1.6011.
Біз өзімізді қалай алдайтынымыздың кейбір тәсілдерін тәжірибе арқылы жақсы түсіндік. Мысалы, Милликан электрон зарядын май тамшыларын түсіру арқылы эксперимент жасап өлшеген, ал қазір білеміз, нәтижесі толық дұрыс емес. Бұл шамалы қателік, себебі ол ауаның тұтқырлығын дұрыс анықтамаған. Милликаннан кейін электрон зарядын өлшеу тарихы қызықты. Егер осы өлшемдерді уақыт бойынша графиктік түрде көрсетсек, біріншісі Милликан көрсеткеннен сәл үлкен, келесісі одан да үлкен, одан кейін тағы да үлкен болып, соңында жоғарырақ мәнге орналасады. Неге олар жаңа мән жоғары екенін бірден байқамады? Ғалымдар бұл тарихтан ұялады, себебі адамдардың осындай жағдайларда былай істегені анық: Милликан көрсеткеннен жоғары нәтиже алғанда, олар бірдеңе дұрыс емес деп ойлап, қате болуы мүмкін себептерді іздеген. Милликанның мәніне жақын нәтиже алғанда, олар соншалықты мұқият іздемеген. Осылайша, олар тым алыс нәтижелерді жойып, басқа да әрекеттер жасады. 2019 жылғы мәлімет бойынша, элементар зарядтың мәні дәл деп анықталды. Бұрынғы ең соңғы (2014) қабылданған мәні 1.6021766208 болған, мұнда (98) соңғы екі ондық таңбаның қателік деңгейін көрсетеді. Нобель сыйлығының лауреаты Милликан өзінің өлшемін 4.774 деп көрсеткен, бұл 1.5924-ке тең. Айырмасы бір проценттен кем, бірақ Милликанның стандартты қателігінен алты есе жоғары, сондықтан бұл айырмашылық маңызды. 1928 жылы Эрик Беклин рентгендік эксперименттер арқылы элементар зарядтың жоғары мәнін тапты – 4.793 немесе 1.5987, бұл нақты мәнге жуық. Реймонд Тейер Бирж 1929 жылы физикалық тұрақтыларды қарастырғанда: «Беклиннің зерттеуі маңызды жұмыс болып табылады және оның жүйелі қателіктердің әртүрлі көздерін қамтуы мүмкін. Егер [ол] ықтимал қателікке сәйкес салмақталса, салмақталған орташа мән күдікті түрде жоғары болады. [ ] Автор ақыры Беклиннің мәнін қабылдамауға және қалған екі мәннің салмақталған орташасын пайдалануға шешім қабылдады». Бирж Милликанның нәтижесін және Милликанның нәтижесімен сәйкес келетін, бірақ аз дәл рентгендік эксперименттің нәтижесін орташалады. Рентгендік эксперименттер жоғары нәтижелерді көрсетуді жалғастырды, ал бұл қарама-қайшылыққа қатысты ұсыныстар тәжірибе жүзінде жоққа шығарылды. Стен фон Фризен жаңа электронды дифракция әдісімен мәнді өлшеді, ал май тамшысының эксперименті қайта жасалды. Екеуі де жоғары мән берді. 1937 жылға қарай Милликанның мәні енді қолдауға келмейтіні «нақты болды», ал қабылданған мән 4.800 немесе 1.6011 құрады.
We have learned a lot from experience about how to handle some of the ways we fool ourselves. One example: Millikan measured the charge on an electron by an experiment with falling oil drops, and got an answer which we now know not to be quite right. It's a little bit off because he had the incorrect value for the viscosity of air. It's interesting to look at the history of measurements of the charge of an electron, after Millikan. If you plot them as a function of time, you find that one is a little bit bigger than Millikan's, and the next one's a little bit bigger than that, and the next one's a little bit bigger than that, until finally they settle down to a number which is higher. Why didn't they discover the new number was higher right away? It's a thing that scientists are ashamed of—this history—because it's apparent that people did things like this: When they got a number that was too high above Millikan's, they thought something must be wrong—and they would look for and find a reason why something might be wrong. When they got a number close to Millikan's value they didn't look so hard. And so they eliminated the numbers that were too far off, and did other things like that
as of 2019 the value of the elementary charge is defined to be exactly Before that, the most recent (2014) accepted value was 1.6021766208, where the (98) indicates the uncertainty of the last two decimal places. In his Nobel lecture, Millikan gave his measurement as 4.774, which equals 1.5924. The difference is less than one percent, but is six times greater than Millikan's standard error, so the disagreement is significant. Using X ray experiments, Erik Bäcklin in 1928 found a higher value of the elementary charge, 4.793 or 1.5987, which is within uncertainty of the exact value. Raymond Thayer Birge, conducting a review of physical constants in 1929, stated "The investigation by Bäcklin constitutes a pioneer piece of work, and it is quite likely, as such, to contain various unsuspected sources of systematic error. If [ it is ] weighted according to the apparent probable error [ ], the weighted average will still be suspiciously high. [ ] the writer has finally decided to reject the Bäcklin value, and to use the weighted mean of the remaining two values." Birge averaged Millikan's result and a different, less accurate X ray experiment that agreed with Millikan's result. Successive X ray experiments continued to give high results, and proposals for the discrepancy were ruled out experimentally. Sten von Friesen measured the value with a new electron diffraction method, and the oil drop experiment was redone. Both gave high numbers. By 1937 it was "quite obvious" that Millikan's value could not be maintained any longer, and the established value became 4.800 or 1.6011.