Роберт Милликен: Жизнь и научные открытия

Введение

Американский физик (1868–1953), лауреат Нобелевской премии

Роберт Эндрюс Милликан (22 марта 1868 – 19 декабря 1953) – американский экспериментальный физик, удостоенный Нобелевской премии по физике в 1923 году за измерение элементарного электрического заряда и за его работы по фотоэлектрическому эффекту. Милликан окончил Оберлинский колледж в 1891 году и получил докторскую степень в Колумбийском университете в 1895 году. В 1896 году он стал ассистентом в Чикагском университете, где в 1910 году получил должность полного профессора. В 1909 году Милликан начал серию экспериментов для определения электрического заряда, переносимого одним электроном. Он начал с измерения траектории заряженных капель воды в электрическом поле. Результаты показали, что заряд капель кратен элементарному электрическому заряду, однако эксперимент был недостаточно точным, чтобы быть убедительным. В 1910 году он получил более точные результаты в эксперименте с масляной каплей, заменив воду (которая быстро испарялась) маслом. В 1914 году Милликан с тем же успехом приступил к экспериментальной проверке уравнения, предложенного Альбертом Эйнштейном в 1905 году для описания фотоэлектрического эффекта. Он использовал те же исследования для получения точного значения постоянной Планка. В 1921 году Милликан покинул Чикагский университет, чтобы стать директором Лаборатории физики Нормана Бриджа в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) в Пасадене, штат Калифорния. Там он провел масштабное исследование излучения, обнаруженного физиком Виктором Гессом, приходящего из космического пространства. Милликан доказал, что это излучение имеет внеземное происхождение, и назвал его «космическими лучами». В качестве председателя Исполнительного совета Калтеха (руководящего органа института в то время) с 1921 года до выхода на пенсию в 1945 году Милликан способствовал превращению института в одно из ведущих исследовательских учреждений в Соединенных Штатах. Он также был членом совета попечителей Научной службы, ныне известной как Общество науки и общественности, с 1921 по 1953 год. Милликан был избранным членом Американского философского общества, Американской академии искусств и наук и Национальной академии наук США.

Robert Andrews Millikan (March 22, 1868 – December 19, 1953) was an American experimental physicist who won the Nobel Prize for Physics in 1923 for the measurement of the elementary electric charge and for his work on the photoelectric effect. Millikan graduated from Oberlin College in 1891 and obtained his doctorate at Columbia University in 1895. In 1896 he became an assistant at the University of Chicago, where he became a full professor in 1910. In 1909 Millikan began a series of experiments to determine the electric charge carried by a single electron. He began by measuring the course of charged water droplets in an electric field. The results suggested that the charge on the droplets is a multiple of the elementary electric charge, but the experiment was not accurate enough to be convincing. He obtained more precise results in 1910 with his oil drop experiment in which he replaced water (which tended to evaporate too quickly) with oil. In 1914 Millikan took up with similar skill the experimental verification of the equation introduced by Albert Einstein in 1905 to describe the photoelectric effect. He used this same research to obtain an accurate value of the Planck constant. In 1921 Millikan left the University of Chicago to become director of the Norman Bridge Laboratory of Physics at the California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, California. There he undertook a major study of the radiation that the physicist Victor Hess had detected coming from outer space. Millikan proved that this radiation is indeed of extraterrestrial origin, and he named it "cosmic rays." As chairman of the Executive Council of Caltech (the school's governing body at the time) from 1921 until his retirement in 1945, Millikan helped to turn the school into one of the leading research institutions in the United States. He also served on the board of trustees for Science Service, now known as Society for Science & the Public, from 1921 to 1953. Millikan was an elected member of the American Philosophical Society, the American Academy of Arts and Sciences, and the United States National Academy of Sciences.

Образование

Роберт Эндрюс Милликан родился 22 марта 1868 года в Моррисоне, штат Иллинойс. Он был первым, кто получил степень доктора философии в этом отделении. В конце второго курса мой профессор греческого языка попросил меня преподавать курс элементарной физики в подготовительном отделении в течение следующего года. На мой ответ, что я совершенно не знаю физики, он ответил: "Тот, кто хорошо успевает по моему греческому, может преподавать физику". "Хорошо, – сказал я, – вам придётся нести ответственность за это, но я попробую и посмотрю, что у меня получится". Я сразу же купил "Элементы физики" Эйвери и провёл большую часть летних каникул 1889 года дома, пытаясь освоить предмет. Я сомневаюсь, что когда-либо преподавал лучше, чем на своём первом курсе физики в 1889 году. Я был настолько увлечён тем, чтобы мои знания опережали знания студентов, что, возможно, смог заразить их своим интересом и энтузиазмом. Энтузиазм Милликана к образованию сохранялся на протяжении всей его карьеры, и он был соавтором популярной и влиятельной серии вводных учебников, которые во многом опередили своё время. По сравнению с другими книгами того времени, они рассматривали предмет больше с точки зрения того, как о нём думали физики. Кроме того, они включали в себя множество домашних заданий с вопросами, требующими концептуального понимания, а не просто подстановки чисел в формулу.

Заряд электрона

Начиная с 1908 года, будучи профессором Чикагского университета, Милликан работал над экспериментом с масляной каплей, в котором он измерял заряд одиночного электрона. Дж. Дж. Томсон уже открыл отношение заряда к массе электрона. Однако точные значения заряда и массы оставались неизвестными. Следовательно, если бы одно из этих двух значений было обнаружено, другое можно было бы легко вычислить. Милликан и его аспирант Харви Флетчер использовали эксперимент с масляной каплей для измерения заряда электрона (а также массы электрона и постоянной Авогадро, поскольку их связь с зарядом электрона была известна). Профессор Милликан присвоил себе всю заслугу в обмен на то, что Харви Флетчер заявил о полном авторстве связанного результата для своей диссертации. Милликан получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году, отчасти за эту работу, а Флетчер сохранил соглашение в тайне до самой смерти. После публикации первых результатов в 1910 году, противоречивые наблюдения Феликса Эренхафта вызвали полемику между двумя физиками. Улучшив свою установку, Милликан опубликовал свою основополагающую работу в 1913 году. Элементарный заряд является одной из фундаментальных физических констант, и точное знание его значения имеет большое значение. Его эксперимент измерял силу, действующую на крошечные заряженные капли масла, находящиеся в состоянии подвеса против силы тяжести между двумя металлическими электродами. Зная напряженность электрического поля, можно было определить заряд капли. Повторив эксперимент для множества капель, Милликан показал, что результаты можно объяснить как целочисленные кратные общего значения (1,592 × 10−19 кулона), которое соответствует заряду одиночного электрона. Тот факт, что это значение несколько ниже современного значения 1,602 176 53(14) × 10−19 кулона, вероятно, связан с использованием Милликаном неточного значения вязкости воздуха. Хотя ко времени экспериментов Милликана с масляными каплями становилось все более очевидным существование субатомных частиц, не все были в этом убеждены. Экспериментируя с катодными лучами в 1897 году, Дж. Дж. Томсон обнаружил отрицательно заряженные «корпускулы», как он их называл, с отношением заряда к массе в 1840 раз превышающим отношение для иона водорода. Схожие результаты были получены Джорджем Фицджеральдом и Уолтером Кауфманом. Большая часть того, что тогда было известно об электричестве и магнетизме, могла быть объяснена предположением о непрерывности заряда. Это аналогично тому, как многие свойства света можно объяснить, рассматривая его как непрерывную волну, а не как поток фотонов. Ценность эксперимента с масляной каплей заключается в том, что он не только позволял достаточно точно определить фундаментальную единицу заряда, но и предоставлял наглядную демонстрацию того, что заряд действительно квантован. Чарльз Штайнмец из General Electric Company, ранее считавший заряд непрерывной величиной, изменил свое мнение после работы с установкой Милликана.

Starting in 1908, while a professor at the University of Chicago, Millikan worked on an oil drop experiment in which he measured the charge on a single electron. J. J. Thomson had already discovered the charge to mass ratio of the electron. However, the actual charge and mass values were unknown. Therefore, if one of these two values were to be discovered, the other could easily be calculated. Millikan and his then graduate student Harvey Fletcher used the oil drop experiment to measure the charge of the electron (as well as the electron mass, and Avogadro constant, since their relation to the electron charge was known). Professor Millikan took sole credit, in return for Harvey Fletcher claiming full authorship on a related result for his dissertation. Millikan went on to win the 1923 Nobel Prize for Physics, in part for this work, and Fletcher kept the agreement a secret until his death. After a publication on his first results in 1910, contradictory observations by Felix Ehrenhaft started a controversy between the two physicists. After improving his setup, Millikan published his seminal study in 1913. The elementary charge is one of the fundamental physical constants, and accurate knowledge of its value is of great importance. His experiment measured the force on tiny charged droplets of oil suspended against gravity between two metal electrodes. Knowing the electric field, the charge on the droplet could be determined. Repeating the experiment for many droplets, Millikan showed that the results could be explained as integer multiples of a common value (1.592 × 10−19 coulomb), which is the charge of a single electron. That this is somewhat lower than the modern value of 1.602 176 53(14) x 10−19 coulomb is probably due to Millikan's use of an inaccurate value for the viscosity of air. Although at the time of Millikan's oil drop experiments it was becoming clear that there exist such things as subatomic particles, not everyone was convinced. Experimenting with cathode rays in 1897, J. J. Thomson had discovered negatively charged 'corpuscles', as he called them, with a charge to mass ratio 1840 times that of a hydrogen ion. Similar results had been found by George FitzGerald and Walter Kaufmann. Most of what was then known about electricity and magnetism could be explained on the basis that charge is a continuous variable. This 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 beauty of the oil drop experiment is that as well as allowing quite accurate determination of the fundamental unit of charge, Millikan's apparatus also provided a 'hands on' demonstration that charge is actually quantized. General Electric Company's Charles Steinmetz, who had previously thought that charge is a continuous variable, became convinced otherwise after working with Millikan's apparatus.

Спор о выборе данных

Существует некоторая полемика относительно избирательности при использовании Милликаном результатов его второго эксперимента по измерению заряда электрона. Этот вопрос обсуждался Алланом Франклином, бывшим экспериментатором в области высоких энергий и нынешним философом науки в Университете Колорадо. Франклин утверждает, что исключения данных, сделанные Милликаном, не влияют на окончательное значение полученного заряда, однако значительные "косметические изменения", внесённые Милликаном, уменьшили статистическую погрешность. Это позволило Милликану определить заряд электрона с точностью лучше, чем в пределах половины процента. Фактически, если бы Милликан включил все отброшенные им данные, погрешность составила бы менее 2%. Хотя это все равно означало бы, что Милликан измерил заряд e− точнее, чем кто-либо другой в то время, несколько большая неопределенность могла бы спровоцировать больше несогласия с его результатами в физическом сообществе, чего Милликан, вероятно, стремился избежать. Дэвид Гудштейн утверждает, что заявление Милликана о том, что все капли, наблюдаемые в течение 60 дней, были использованы в статье, было уточнено в последующем предложении, где указано, что использованы все "капли, для которых были выполнены полные серии наблюдений". Гудштейн подтверждает, что это действительно так, и отмечает, что эти два предложения разделены пятью страницами таблиц.

Фотоэлектрический эффект

Когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою работу 1905 года о корпускулярной теории света, Милликан был убежден, что она должна быть ошибочной, из-за огромного количества доказательств, уже показавших, что свет является волной. Он начал десятилетнюю экспериментальную программу для проверки теории Эйнштейна, которая потребовала создания того, что он описал как «механическую мастерскую в вакууме», чтобы подготовить очень чистую металлическую поверхность фотоэлектрода. Его результаты, опубликованные в 1914 году, подтвердили предсказания Эйнштейна во всех деталях, но Милликан не был убежден в интерпретации Эйнштейна и еще в 1916 году писал: «Фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна, по моему мнению, в настоящее время не может считаться основанным на каком-либо удовлетворительном теоретическом фундаменте», хотя «оно на самом деле очень точно описывает поведение» фотоэлектрического эффекта. Однако в своей автобиографии 1950 года он заявил, что его работа «едва ли допускает иную интерпретацию, кроме той, которую изначально предложил Эйнштейн, а именно полукорпускулярную или фотонную теорию света». Хотя работа Милликана заложила основу современной физики частиц, он придерживался консервативных взглядов на развитие физики в XX веке, как в случае с теорией фотонов. Другой пример – его учебник, в версии 1927 года, однозначно утверждает существование эфира и упоминает теорию относительности Эйнштейна лишь в сдержательной примечании в конце подписи к портрету Эйнштейна, где говорится, что он был «автором специальной теории относительности в 1905 году и общей теории относительности в 1914 году, обе из которых имели большой успех в объяснении необъяснимых явлений и в предсказании новых». Милликану также приписывают измерение значения постоянной Планка с использованием графиков фотоэмиссии различных металлов.

Поздние годы

В 1917 году солнечный астроном Джордж Эллери Хейл убедил Милликана начать проводить несколько месяцев в году в Throop College of Technology, небольшом учебном заведении в Пасадене, штат Калифорния, которое Хейл стремился превратить в крупный центр научных исследований и образования. Через несколько лет Throop College стал Калифорнийским технологическим институтом (Caltech), а Милликан покинул Чикагский университет, чтобы занять должность "председателя исполнительного совета" Caltech (фактически, президента института). Милликан занимал этот пост с 1921 по 1945 год. В Caltech основная часть его научных исследований была посвящена изучению "космических лучей" (термин, который он ввёл). В 1930-х годах он вступил в полемику с Артуром Комптоном относительно природы космических лучей: состояли ли они из фотонов высокой энергии (точка зрения Милликана) или заряженных частиц (точка зрения Комптона). Милликан полагал, что его космические фотоны являлись "первыми криками" новых атомов, непрерывно возникающих для противодействия энтропии и предотвращения тепловой смерти Вселенной. Комптону в конечном итоге удалось доказать свою правоту, обнаружив, что космические лучи отклоняются магнитным полем Земли (следовательно, должны состоять из заряженных частиц). Во время Первой мировой войны Милликан был вице-председателем Национального исследовательского совета и участвовал в разработке противолодочных и метеорологических устройств. В ходе военной службы расследование, проведённое генеральным инспектором Уильямом Т. Вудом, выявило попытку Милликана украсть конструкцию центрифугирующего орудия у другого изобретателя с целью личной выгоды. Вуд рекомендовал уволить Милликана из армии, но последующее расследование, проведённое Фрэнком МакИнтайром, помощником начальника штаба армии, оправдало Милликана. Милликан входил в оргкомитет Олимпийских игр 1932 года в Лос-Анджелесе, а в личной жизни был увлечённым игроком в теннис. Он был женат и имел троих сыновей, старший из которых, Кларк Б. Милликан, стал известным инженером-аэродинамиком. Другой сын, Гленн, также физик, женился на дочери (Клэр) Джорджа Лея Маллори, прославившегося своим восхождением на Эверест ("Потому что он там"). Гленн погиб в результате несчастного случая в горах Камберленд в 1947 году. После землетрясения в Лонг-Бич в 1933 году Милликан возглавил Объединённый технический комитет по защите от землетрясений, который разработал доклад с предложениями по минимизации человеческих жертв и материального ущерба при будущих землетрясениях, в частности, путём ужесточения строительных норм. Будучи религиозным человеком и сыном священника, в зрелом возрасте Милликан активно отстаивал взаимодополняемость христианской веры и науки, изложив свои взгляды в серии лекций Терри, прочитанных в Йельском университете в 1926–1927 годах и опубликованных под названием «Эволюция в науке и религии». Он был христианским теистом и сторонником теистической эволюции. Более спорным было его убеждение в евгенике – он был одним из первых попечителей Фонда улучшения человеческого развития и высоко оценил Сан-Марино, Калифорния, как "самый западный форпост нордической цивилизации [с] населением, которое в два раза превышает долю англосаксонского населения в Нью-Йорке, Чикаго или любом другом крупном городе этой страны". В 1936 году Милликан посоветовал президенту Университета Дьюка в тогдашних расово сегрегированных южных Соединенных Штатах не нанимать женщину-физика, полагая, что лучше нанять молодых людей. В связи с причастностью Милликана к Фонду улучшения человеческого развития, в январе 2021 года Совет попечителей Caltech санкционировал удаление имени Милликана (а также имён пяти других исторических личностей, связанных с Фондом) с названий зданий кампуса.

In 1917, solar astronomer George Ellery Hale convinced Millikan to begin spending several months each year at the Throop College of Technology, a small academic institution in Pasadena, California, that Hale wished to transform into a major center for scientific research and education. A few years later Throop College became the California Institute of Technology (Caltech), and Millikan left the University of Chicago to become Caltech's "chairman of the executive council" (effectively its president). Millikan served in that position from 1921 to 1945. At Caltech, most of his scientific research focused on the study of "cosmic rays" (a term he coined). In the 1930s he entered into a debate with Arthur Compton over whether cosmic rays were composed of high energy photons (Millikan's view) or charged particles (Compton's view). Millikan thought his cosmic ray photons were the "birth cries" of new atoms continually being created to counteract entropy and prevent the heat death of the universe. Compton was eventually proven right by the observation that cosmic rays are deflected by the Earth's magnetic field (hence must be charged particles). Millikan was Vice Chairman of the National Research Council during World War I. During that time, he helped to develop anti submarine and meteorological devices. During his wartime service, an investigation by Inspector General William T. Wood determined that Millikan had attempted to steal another inventor's design for a centrifugal gun in order to profit personally. Wood recommended termination of Millikan's army commission, but a subsequent investigation by Frank McIntyre, the executive assistant to the army chief of staff, exonerated Millikan. Millikan was a member of the organizing committee of the 1932 Los Angeles Olympics, and in his private life was an enthusiastic tennis player. He was married and had three sons, the eldest of whom, Clark B. Millikan, became a prominent aerodynamic engineer. Another son, Glenn, also a physicist, married the daughter (Clare) of George Leigh Mallory of "Because it's there" Mount Everest fame. Glenn was killed in a climbing accident in Cumberland Mountains in 1947. In the aftermath of the 1933 Long Beach earthquake, Millikan chaired the Joint Technical Committee on Earthquake Protection. They authored a report proposing means to minimize life and property loss in future earthquakes by advocating stricter building codes. A religious man and the son of a minister, in his later life Millikan argued strongly for a complementary relationship between Christian faith and science. He dealt with this in his Terry Lectures at Yale in 1926–27, published as Evolution in Science and Religion. He was a Christian theist and proponent of theistic evolution. A more controversial belief of his was eugenics – he was one of the initial trustees of the Human Betterment Foundation and praised San Marino, California for being "the westernmost outpost of Nordic civilization [with] a population which is twice as Anglo Saxon as that existing in New York, Chicago, or any of the great cities of this country." In 1936, Millikan advised the president of Duke University in the then racial segregated southern United States against recruiting a female physicist and argued that it would be better to hire young men. On account of Millikan's affiliation with the Human Betterment Foundation, in January 2021, the Caltech Board of Trustees authorized removal of Millikan's name (and the names of five other historical figures affiliated with the Foundation), from campus buildings.

Капсула времени Вестингауза

В 1938 году он написал короткий текст для размещения в "Капсулах времени" компании Westinghouse. В этот момент, 22 августа 1938 года, принципы представительного правления, воплощенные в правительствах англосаксонских, французских и скандинавских стран, находятся в смертельной схватке с принципами деспотизма, которые до двух столетий назад определяли судьбу человечества на протяжении практически всей известной истории. Если в этой борьбе победят рациональные, научные и прогрессивные принципы, то перед человечеством откроется возможность наступления безвоенного, золотого века. Если же реакционные принципы деспотизма восторжествуют сейчас и в будущем, то будущая история человечества повторит печальную летопись войн и угнетения, как это было в прошлом.

Смерть и наследие

Милликан скончался от сердечного приступа в своем доме в Сан-Марино, Калифорния, в 1953 году в возрасте 85 лет и был похоронен в "Суде Почёта" на кладбище Forest Lawn Memorial Park в Глендейле, Калифорния. 26 января 1982 года почтовая служба США увековечила его память, выпустив почтовую марку серии "Великие американцы" (1980–2000) номиналом 37 центов. Компания Tektronix назвала улицу на территории своего кампуса в Портленде, штат Орегон, в честь Милликана, а станцию MAX "Millikan Way" линии MAX Blue Line в Портленде получила название от этой улицы.

Удаление имени из кампусов колледжей в течение 21-го века

В середине и конце XX века несколько колледжей назвали здания, элементы ландшафта, награды и профессорские должности в честь Милликана. В 1958 году Помона-колледж назвал здание естественнонаучного корпуса Лабораторией Милликана в его честь. После пересмотра связи Милликана с движением евгеники, администрация колледжа в октябре 2020 года проголосовала за переименование здания в Лабораторию имени миссис Мэри Эстеллы Сивер и мистера Карлтона Сивера. На территории Калтеха несколько элементов ландшафта, помещений, наград и профессорская должность были названы в честь Милликана, включая Библиотеку Милликана, строительство которой было завершено в 1966 году. В январе 2021 года совет управляющих проголосовал за немедленное исключение имени Милликана со всех объектов кампуса Калтеха в связи с его причастностью к евгенике. Библиотека Роберта Милликана была переименована в Калтех-холл. В ноябре 2021 года профессорская должность имени Роберта А. Милликана была переименована в профессорскую должность имени судьи Ширли Хафстедлер.

Возможное удаление имени из средних школ в течение 21-го века

В ноябре 2020 года средняя школа Милликан (ранее младшая школа Милликан) в пригородном районе Шерман-Оукс города Лос-Анджелес начала процесс переименования школы. В феврале 2022 года совет директоров Объединенного школьного округа Лос-Анджелеса единогласно проголосовал за переименование школы в честь музыканта Луи Армстронга. В августе 2020 года Объединенный школьный округ Лонг-Бич сформировал комитет для оценки необходимости переименования их средней школы имени Роберта А. Милликана. По состоянию на начало 2023 года Лонг-Бич остается единственным городом, где все еще существует образовательное учреждение, названное в честь Милликана.

Удаление имени из премий

Весной 2021 года Американская ассоциация учителей физики единогласно проголосовала за исключение имени Милликана из названия премии имени Роберта А. Милликана, которая присуждается за "значительный и новаторский вклад в обучение физике". Через несколько месяцев AAPT объявила о переименовании премии в честь Лилиан К. Макдермот, профессора физики Вашингтонского университета, скончавшейся в прошлом году.

Личная жизнь

В 1902 году он женился на Грете Эрвин Бланшар (1876–1955). У них было трое сыновей: Кларк Бланшар, Гленн Аллан и Макс Франклин. «Более искренних искателей истины и интеллектуалов с более глубоким видением нигде и ни в какое время не найти, и тем не менее каждый из них был ревностным и признанным последователем религии».