為什麼密立根油滴實驗被叫做物理學最美實驗?

Wild-Fire

1897年,J•J•湯姆孫發現了電子的存在,電子是帶負電的粒子。但是,電子的電荷量到底是多少,當時並不清楚。1906年,湯姆孫又利用質譜儀確定了電子的荷質比,證實電子荷質比是唯一值,即它是一種特定的粒子。

美國的密立根注意到了湯姆孫的論文,但在他重複湯姆孫的實驗時候發現,實驗結果存在許多不確定性。為了精確測量電子的電荷量,密立根設計了油滴實驗。在兩個平行金屬板中噴入油滴,並用顯微鏡觀測其運動軌跡,在金屬板和油滴都不帶電的情況下,測量油滴下落時間,從而推算出油滴的質量。然後通過X射線照射讓油滴帶電,並在兩塊金屬板間加上電壓,這樣帶電的油滴將會受到靜電力和重力相互平衡,由庫侖定律知道靜電力和電荷量成正比,因此油滴的電荷量就可以通過其重力推算出來。完成這個實驗難度非常大,因為觀測一個油滴就要在顯微鏡下看幾個小時,而密立根總共做了幾千次測量,得到了大量實驗數據。從海量數據中,密立根總結出一個規律——所有油滴帶電量都是某一個數值的整數倍,這就是電子電荷的數值——元電荷,又叫基本電荷。或者說一個電子帶電的電量就是一個單位的負電荷。基本電荷的發現,確立了電子在物理學史上的地位,為科學理論提供了一個基本常數,也敲開了基本粒子世界的大門。

密立根的油滴實驗開創了物理學中用大量實驗數據統計來總結基本物理常數的新方法。不過後來人們研究他的實驗記錄發現,在海量數據中,他還是有目的性地剔除了相當多的一部分“不合理”的數據。雖然實驗設計非常巧妙,但是如此簡單剔除“壞”數據並不是十分科學的做法。幸運的是,後來更多精確的實驗說明,他得到的結果還是準確的。後來用類似的方式,測定了量子力學基本常數——普朗克常數值以及夸克的電荷量等關鍵物理參數。1923年,密立根被授予諾貝爾物理學獎。


飛賊克斯和康德馬特

說密立根油滴實驗是物理學最美實驗,恐怕會有很多人有意見。如果說密立根油滴實驗是物理學十大最美實驗之一,有意見的人就會變得很少很少。在我的記憶中,密立根油滴實驗的確是某次十大最美物理實驗之一。

密立根油滴實驗是密立根在1909年進行的實驗。那時候,電子已被發現,但帶電量是多少還不知道。密立根的油滴實驗不僅測出了電子的帶電量,也發現了油滴的帶電量是某一個值的整數倍,這個最小值被稱為元電荷。這就是帶電量的不連續性,也可以叫做電荷的量子化。

元電荷以及電荷量子化的發現都是物理學發展史上的大事,密立根也是憑此實驗獲得了1923年的諾貝爾物理學獎。而密立根的實驗卻只是用到了很簡單的實驗裝置,目前很多學校的大學物理實驗中就有用油滴實驗測元電荷的實驗。用很簡單的裝置做出如此重大的發現,絕對非常帥!非常美!


刁博

密立根在電場中用一些帶電的油滴進行了實驗,之所以選擇油滴是為了減少蒸發。這些帶電的油滴受到重力、電場力和空氣阻力的作用,通過簡單的換算,可以得到油滴所帶的電荷數,到這裡為止,新的物理學也還沒有誕生。幸運的是,密立根是一個很善於思考的物理學家,在許多不同的油滴進行相應的測量後,也提出了他的「洞見」,他發現油滴的總電荷值皆為同一數字的倍數。今天我們知道,這一數字即為元電荷(電子的電荷量 e),密立根的實驗證明了電荷量子化的特徵,他因此獲得了 1923 年的諾貝爾物理學獎。這個實驗的「美」體現在它用一些宏觀物質(油滴)測量了微觀的(量子化的)電荷,而且實驗的手段也相對簡單,但這個實驗也有很多問題。

密立根實驗有兩個重要的爭議,一方面,密立根沒有讓他的研究生(Harvey Feltcher)在這篇重要的論文上署名,從而導致其學生不能分享諾貝爾獎;另一方面,同時代的其他研究者很多都無法重複密立根的研究結果,密立根在 1953 年去世,在他去世之後,研究者「解密」了密立根的實驗記錄本,發現了密立根似乎存在「學術不端」的嫌疑。在他的實驗原始記錄中,對他的測量結果進行了篩選,丟棄了大約一半的數據,而數據被剔除的理由也很多包括:儀器工作不正常、似乎要對空氣阻力項作高階修正、不符合預期的期望、反常的結果等等。其中部分理由似乎仍然比較合理,但「不符合預期的期望」這樣的理由實在會讓人覺得有點難以接受,這也的確違背了我們今天的學術規範,需要小心這種「洞見」也可能是某種先入為主的「偏見」。


分享到:


相關文章: