1913 年8 月:密立肯和他的油滴实验

时间:2020-06-04 作者:

 


1913 年8 月:密立肯和他的油滴实验

密立肯

密立肯(Robert A.Millikan 1868-1953)着名的油滴实验发表于 1913 年 8 月,此实验对以往测量电子电荷的方式做了大幅的改良,很精巧地测出基本电荷量,被誉为是物理史上最巧妙的实验之一,但它也成了指控密立肯在科学行为上有瑕疵的根据。

密立肯诞生于 1868 年,是家里的第二个儿子,在美国爱荷华州的乡村长大,父亲是牧师。密立肯毕业于奥伯林学院,在哥伦比亚大学获得博士学位后,到德国一年,然后至芝加哥大学任职。

大约在 1906 年时,密立肯已是一个很成功的教育家及教科书的编写者,但他知道他尚未做出任何真正有科学重要性的研究,因此很急切地想在研究上也有所突破。1897 年,汤姆森(J.J. Thomson)发现了电子,也测出电子电荷和其质量比,下一步就是要单独测量其电荷量。

汤姆森和其他的研究员都试着使用带电的水蒸气云,观察电子在重力和电场的影响下降落的速度来测出其电荷量,而此方法也的确可以约略估计出电子的电荷值。密立肯看出,改进这些测量的方式是做出有重要贡献的好机会,他也认为算出个别水滴的电荷量要比测出整片水蒸气云的电荷量好些。

1909 年,他开始着手进行实验,但很快地就发现水滴的蒸发太快,无法精确地做测量,所以他叫他的研究生 Harvey Fletcher 想想如何使用蒸发较慢的物质来做实验。Fletcher 很快地就发现他可以使用简易的香水喷壶所产生的油滴来做实验。他将油滴喷至充满空气的厢内,已经离子化的空气会让油滴带电,再经由实验者的操作,油滴就能在重力、空气的黏性和电场的综合影响下上升或下降;实验者可透过特殊设计的望远镜来观察油滴,并记录它上升与下降的时间。经过反覆地记录油滴上升下降的时间之后,密立肯即可计算出它的电荷量。

1913 年8 月:密立肯和他的油滴实验

密立肯发表于《物理评论》的论文中油滴实验的配置图

1910 年,密立肯将这些实验的最初结果发表出来,很清楚地显示出这些油滴的电荷量全都是基本电荷量的整数倍。但在这些结果发表后,维也纳的物理学家 Felix Ehrenhaft 宣称他也做了相似的实验,测出的基本电荷量却小很多,他进而说这可证明「次电子」存在的概念。Ehrenhaft 的挑战促使密立肯改进他的实验,并收集了更多的资料来证明他是对的。

1913 年 8 月,他在《物理评论》(Physical Review)发表更新、更精确的结果。他说,新的结果只有 $$0.2\%$$ 的不确定性,大大改进了他先前的实验。密立肯所报告出来的基本电荷值是 $$1.592\times 10^{-19}$$ 库伦,比目前所接受的电子电荷值 $$1.62\times 10^{-19}$$ 库伦小一点点,这可能是因为密立肯所使用的空气黏性係数不够準确所致。

这是一个十分精巧的实验,它很準确地测出了基本电荷值,也很明确、有说服力地证明「次电子」是不存在的。密立肯因此实验,以及 1916 年测出了蒲朗克常数值,而于 1923 年荣获诺贝尔奖。但是后来历史学家和科学家在检视密立肯的实验室笔记时透露出,密立肯在 1912 年的 2 月至 4 月间所做的油滴实验资料比他在论文中所纪录的要多很多。这令大家很困惑,因为在密立肯于 1913 年 8 月所发表的论文中,他很明确地说明一点:「这个实验值得注意的是,它不是经过筛选的油滴,而是代表在连续 60 天中所试验的所有油滴。」

然而,在论文中的另一方面他却写说,他所报告的 58 个油滴都是「经过了完整系列的观察」。不仅如此,在他的笔记空白处有一些注记,例如「完美发表」,或「有些错误」。是密立肯故意摒弃不符合他所要结果的资料吗?也许因为他有来自竞争对手的压力,也很迫切地想成为杰出的科学家,所以他误报了他的资料。

有人认为这是科学诈欺的实例,但是,也有些科学家和历史学家在仔细检视他的笔记后下结论说,密立肯只报导他所得到最可靠的资料,是要努力去找寻準确性,不是故意要误导别人。例如,他捨弃太大的油滴,因为油滴太大会下降太快而无法用他的设备精确地测量;或太小的油滴,因为油滴太小会过度地受布朗运动的影响。有些油滴资料不全,表示这些油滴在过程中失败了。事到如今,要知道密立肯当年是否意图误报他的结果很难,不过有些科学家在检视过密立肯的资料后认为,即使密立肯在他的分析中使用了所有的油滴,他所算出的基本电荷值也不会改变太多。

 

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