Введение
Эксперимент по измерению элементарного электрического заряда
Эксперимент с масляной каплей был проведён Робертом Милликаном и Харви Флетчером в 1909 году для измерения элементарного электрического заряда (заряда электрона). Милликан получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году. Эксперимент заключался в наблюдении за крошечными электрически заряженными капельками масла, расположенными между двумя параллельными металлическими пластинами, образующими конденсатор. Пластины были ориентированы горизонтально, одна над другой. Туман атомизированных капель масла вводился через небольшое отверстие в верхней пластине и ионизировался рентгеновскими лучами, что придавало им отрицательный заряд. Сначала, при отсутствии приложенного электрического поля, измерялась скорость падения капельки. При достижении установившейся скорости сила сопротивления равна силе тяжести. Поскольку обе силы зависят от радиуса по-разному, радиус капельки, а следовательно, и её масса и сила тяжести, могли быть определены (используя известную плотность масла). Затем между пластинами подавалось напряжение, создающее электрическое поле, которое регулировалось до тех пор, пока капли не оставались неподвижными в состоянии механического равновесия, что указывало на баланс электрической и силы тяжести. Используя известное электрическое поле, Милликан и Флетчер смогли определить заряд на масляной капельке. Повторив эксперимент для множества капель, они подтвердили, что все заряды были малыми целыми кратными некоторого основного значения, которое было определено как 1,5924, что отличается от современного общепринятого значения примерно на 0,6%. Они предположили, что это величина отрицательного заряда одиночного электрона.
Предыстория
Начиная с 1908 года, будучи профессором Чикагского университета, Милликан, при значительном участии Флетчера, "благодаря умелой помощи мистера Дж. Инбонг Ли", и после усовершенствования своей установки, опубликовал свое основополагающее исследование в 1913 году. Это остается предметом споров, поскольку документы, обнаруженные после смерти Флетчера, описывают события, в которых Милликан вынудил Флетчера отказаться от соавторства в обмен на получение докторской степени. В свою очередь, Милликан использовал свое влияние для поддержки карьеры Флетчера в Bell Labs. Эксперимент Милликана и Флетчера заключался в измерении силы, действующей на капли масла в стеклянной камере, расположенной между двумя электродами – верхним и нижним. Рассчитав электрическое поле, они смогли измерить заряд капли, который для одного электрона составлял (1,592). Во времена экспериментов Милликана и Флетчера с масляными каплями существование субатомных частиц не было общепризнанным. Экспериментируя с катодными лучами в 1897 году, Дж. Дж. Томсон обнаружил отрицательно заряженные "корпускулы" (так он их называл), масса которых составляла примерно 1/1837 массы атома водорода. Подобные результаты были получены Джорджем Фицджеральдом и Уолтером Кауфманом. Однако, большая часть того, что тогда было известно об электричестве и магнетизме, могла быть объяснена, исходя из предположения о непрерывности заряда, подобно тому, как многие свойства света можно объяснить, рассматривая его как непрерывную волну, а не как поток фотонов. Элементарный заряд e является одной из фундаментальных физических констант, и поэтому точность его значения имеет большое значение. В 1923 году Милликан был удостоен Нобелевской премии по физике, в том числе за этот эксперимент. Томас Эдисон, ранее считавший заряд непрерывной величиной, изменил свое мнение после работы с установкой Милликана и Флетчера. С тех пор этот эксперимент неоднократно повторялся поколениями студентов-физиков, хотя его проведение требует значительных затрат и определенных навыков. С 1995 по 2007 год в SLAC было проведено несколько автоматизированных компьютерных экспериментов для поиска изолированных частиц с дробным зарядом, однако, после измерения более 100 миллионов капель, каких-либо свидетельств существования частиц с дробным зарядом обнаружено не было.
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.
Аппаратура
Устройство Милликана и Флетчера включало в себя параллельную пару горизонтальных металлических пластин. При приложении разности потенциалов между пластинами в пространстве между ними создавалось однородное электрическое поле. Кольцо из изоляционного материала использовалось для поддержания расстояния между пластинами. В кольце было проделано четыре отверстия: три для освещения ярким светом и одно для наблюдения через микроскоп. Тонкий туман масляных капель распылялся в камеру, расположенную над пластинами. Масло было выбрано специального типа, обычно используемого в вакуумных установках, из-за его чрезвычайно низкого давления паров. Обычные масла испарялись бы под воздействием тепла от источника света, что приводило бы к изменению массы масляной капли в ходе эксперимента. Некоторые масляные капли приобретали электрический заряд в результате трения о сопло при распылении. В качестве альтернативы, заряд можно было создать, используя источник ионизирующего излучения (например, рентгеновскую трубку). Капли попадали в пространство между пластинами и, поскольку были заряжены, их можно было поднимать и опускать, изменяя напряжение на пластинах.
Противоречия
Некоторые споры вызвал физик Джеральд Холтон (1978), который отметил, что Милликан зафиксировал в своем журнале больше измерений, чем включил в свои окончательные результаты. Холтон предположил, что эти точки данных были исключены из большого набора масляных капель, измеренных в его экспериментах, без видимой причины. Это утверждение оспорил Аллан Франклин, экспериментатор в области физики высоких энергий и философ науки из Университета Колорадо. Франклин утверждал, что исключения данных Милликаном не оказали существенного влияния на его окончательное значение *e*, но уменьшили статистическую погрешность вокруг этой оценки *e*. Это позволило Милликану заявить, что он вычислил *e* с точностью лучше, чем в пределах половины процента; на самом деле, если бы Милликан включил все отброшенные данные, стандартная ошибка среднего значения составила бы около 2%. Хотя это все равно означало бы, что Милликан измерил *e* точнее, чем кто-либо другой в то время, немного большая неопределенность могла бы спровоцировать больше несогласия с его результатами в физическом сообществе. Хотя Франклин, поддерживая измерения Милликана, признал, что Милликан, возможно, проводил "косметическую коррекцию" данных, Дэвид Гудштейн изучил оригинальные подробные записи Милликана и пришел к выводу, что Милликан четко указывает в них и в отчетах, что он включал только капли, прошедшие "полный цикл наблюдений", и не исключал ни одной капли из этой группы полных измерений. Причины невозможности получения полного наблюдения включают в себя пометки, касающиеся настройки аппаратуры, производства масляных капель и атмосферных эффектов, которые, по мнению Милликана (что подтверждается уменьшением погрешности в этом наборе), делали конкретное измерение недействительным.
Эксперимент Милликана как пример психологического эффекта в научной методологии
В выступлении на выпускном, произнесенном в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) в 1974 году (и переизданном в "Surely You're Joking, Mr. Feynman!" в 1985 году, а также в книге "Удовольствие от познания" в 1999 году), физик Ричард Фейнман отметил: "Мы многому научились на опыте, как справляться с некоторыми способами, которыми мы обманываем самих себя. Один пример: Милликан измерил заряд электрона экспериментом с падающими каплями масла и получил результат, который, как мы теперь знаем, не совсем верен. Он немного неточен, поскольку он использовал неверное значение вязкости воздуха. Интересно взглянуть на историю измерений заряда электрона после Милликана. Если построить график этих измерений во времени, можно заметить, что одно немного больше результата Милликана, следующее – еще больше, и так далее, пока они, наконец, не стабилизируются на более высоком значении. Почему они не обнаружили, что новое значение выше, сразу? Это то, чего ученые стыдятся – этой истории, – потому что очевидно, что люди поступали так: когда они получали число, значительно превышающее результат Милликана, они думали, что что-то не так, и искали, и находили причину возможной ошибки. Когда они получали число, близкое к значению Милликана, они не старались так усердно. И таким образом они отбрасывали слишком далекие значения и делали другие подобные вещи.
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.
По состоянию на 2019 год значение элементарного заряда определено как точное. До этого, самое последнее (2014) принятое значение составляло 1.6021766208, где (98) указывает на неопределенность последних двух десятичных знаков. В своей Нобелевской лекции Милликан привел свое измерение как 4.774, что равно 1.5924. Разница составляет менее одного процента, но в шесть раз превышает стандартную ошибку Милликана, поэтому расхождение существенно. Используя рентгеновские эксперименты, Эрик Баклин в 1928 году обнаружил более высокое значение элементарного заряда – 4.793 или 1.5987, которое находится в пределах неопределенности точного значения. Раймонд Тейер Бирж, проводя обзор физических констант в 1929 году, заявил: "Исследование Бэклина является пионерской работой и, вероятно, содержит различные непредвиденные источники систематической ошибки. Если [оно] взвешено в соответствии с кажущейся вероятной ошибкой [ ], взвешенное среднее все равно будет подозрительно высоким. [ ] Автор, наконец, решил отклонить значение Бэклина и использовать средневзвешенное значение оставшихся двух значений". Бирж усреднил результат Милликана и другой, менее точный рентгеновский эксперимент, который согласовался с результатом Милликана. Последующие рентгеновские эксперименты продолжали давать высокие результаты, а предложения по объяснению расхождения были экспериментально опровергнуты. Стен фон Фризен измерил значение новым методом электронной дифракции, и эксперимент с каплей масла был повторен. Оба дали высокие значения. К 1937 году стало "вполне очевидно", что значение Милликана больше не может быть поддержано, и установленным значением стало 4.800 или 1.6011.
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.