Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Я зарядил обычный парфюмерный пульверизатор вазелиновым маслом и впрыснул его в камеру поверх верхней латунной пластины. Потом подождал, пока несколько капель не опустятся через крохотное отверстие в пластине. Капли выглядели, скорее, как пылинки в снопе солнечного света, а не как маленькие звездочки. Однако их воздействие было гипнотическим. Я отобрал ту, которая падала плавно и прямо, и включил напряжение. Если бы она неожиданно устремилась вверх, это означало бы, что у нее есть заряд. Двигая рубильник вверх и вниз и регулируя напряжение, я засекал время подъема и падения капель между делениями измерительной сетки окуляра — 4,2 секунды вниз, 2,6 секунды вверх… 6,8 секунды вверх… 7, 1 и 2,2…8,1 и 3,3.

Мне это стало нравиться, но, чтобы правильно проводить эксперимент, требовалось выделять одну каплю и долго наблюдать разброс во времени подъема, который сигнализирует об отдаче или захвате электрона каплей. Когда я накопил данные измерений для десятка капель и примерно определил их массу (по уравнению, которое известно как закон Стокса), мне удалось рассчитать, чему равна единица заряда.

Это только в учебниках по физике все выглядит так просто. Там нет упоминания о том, что между латунными пластинами может произойти короткое замыкание или что они могут искрить оттого, что съехала контактная клипса. Молчит учебник и о том, что можно выпустить из пульверизатора слишком много масла и тогда отверстие в пластине забьется. Я уже не говорю, как легко перепутать капли или принять за каплю соринку в своем глазу.

Я выделил каплю, которая показалась мне идеальным образцом, а потом беспомощно наблюдал, как она покидает фокальную плоскость. Иногда капля оказывалась такой тяжелой, что камнем шла на дно, или заряжалась так сильно при включении электричества, что ракетой исчезала из виду. Только после множества неудачных попыток я понял, что освоить такой тонкий эксперимент для меня — все равно что выучиться играть на скрипке или стать столяром-краснодеревщиком.

А вот маэстро Милликен так ловко обходился со своей установкой, что, поймав в прицел оптического прибора каплю, мог пойти поужинать, а, вернувшись, обнаружить, что его капля практически не сдвинулась со своего места. Имея же такого помощника, как Флетчер, он легко фиксировал изменения в скорости движения капель, когда электроны «прилипали» к капле или покидали ее, как пассажиры сан-францисского трамвая. Если ему нужно было придать каплям небольшое ускорение, он открывал свинцовую дверцу и «подгонял» их радием.

Его данные, полученные в эксперименте с водяными каплями, уже подверглись сомнению со стороны одного австрийского экспериментатора, который утверждал, что ему удалось выделить «суб-электроны», которые, как он подозревал, являются наименьшими единицами заряда. Однако результаты, полученные Милликеном в его раннем» более грубом эксперименте, нашли полное подтверждение в экспериментах с масляными каплями. Электроны действительно существовали. Однажды вечером Чарльз Протеус Штейнмец, пионер электротехники, пришел к Милликену посмотреть на эксперимент. «Никогда бы не поверил!» — все повторял он, благодарно тряся руку Флетчера.

В начале 1910 года они начали записывать результаты, и в течение трех последующих лет Милликен непрерывно совершенствовал эксперимент. Простая настольная установка постепенно превратилась в высокотехнологичное устройство с фильтрацией воздуха, точным контролем температуры, давления и напряжения, а также часами, способными отмерять миллисекунды. Не менее важно и то, что он научился понимать поведение капель. Все неудачи и успехи Милликен записывал в дневнике:

Очень медленно что-то не так… не уверен в расстоянии… Возможно, сдвоенная капля… Красотка… Опубликовать… Хороша для небольшой капли… Отлично… Правильно… Имеет значение… Не получится… Опубликовать эту красотку.

По мере освоения количество «красоток» увеличивалось:

Само совершенство… Лучшая из всех.

Было такое впечатление, что это сами электроны переливались всеми цветами радуги.

Все, кто видел этот эксперимент… по сути, ВИДЕЛИ электрон, — позднее напишет Милликен, специально выделив это место, — Можно было посчитать количество электронов в конкретном небольшом электрическом заряде с такой же точностью, с какой считают пальцы на руках и ногах.

В 1913 году он опубликовал окончательную величину единицы электрического заряда: 1,5924 х 10-19 кулона. Десять лет спустя он получил Нобелевскую премию.

Эта история имела неприятное продолжение. В 1981 году, после смерти Гарвея Флетчера, бывшего помощника Милликена, появились мемуары, в которых он не только благодарил Милликена за то, что тот помог ему с карьерой, но и высказал свое разочарование по поводу того, что его участие в эксперименте с масляными каплями было недооценено. По его словам, профессор Милликен однажды появился у него в квартире и предложил сделку: мол, он, Милликен, будет единственным автором статьи о заряде электрона, а во всех менее значимых их совместных работах Флетчер будет указан как соавтор.

Флетчер хотел, чтобы его мемуары появились только после его смерти, и это заставляет ему верить, но таким образом он лишил Милликена (который умер в 1953 году) возможности дать ответ. Если судить по автобиографии Милликена, то он меньше всего был похож на человека, с которым «хотелось бы идти в разведку». Он мог быть снисходительным и даже фанатичным. Хоть его авторство идеи изолирования и измерения электрона ни у кого не вызывает сомнения, он все равно мог бы быть более справедливым по отношению к своему ученику.

Еще более печальными выглядят обвинения Милликена в том, что он подделал опубликованные результаты. Обнаруженные в архивах записи его лабораторных журналов показывают, что он отбирал только те результаты, которые не противоречили его представлениям. Однако все эти обвинения не совсем убедительны. Подозреваю, что у Милликена возникло ощущение того, что должно происходить; своим шестым чувством он мог отличать, когда что-нибудь шло не так — палец соскочил с секундомера, резко изменилась температура или напряжение на пластинах, частица пыли могла показаться каплей масла. Он знал, чувствовал, когда результат измерений был ошибочным.

Более интересным по сравнению с такими обвинениями является ответ на вопрос о том, как определить, где инстинкт, а где подсознательное желание подтолкнуть прибор так, чтобы, как на спиритической доске, получить желаемый ответ. С таким соблазном приходится бороться каждому экспериментатору. Дело в том, что самой темпераментной частью лабораторного оборудования всегда является человеческий мозг.

Послесловие

ОДИННАДЦАТЫЙ, И САМЫЙ КРАСИВЫЙ, ЭКСПЕРИМЕНТ

Осенью 2006 года, когда я был штатным публицистом Института теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре, штат Калифорния, я выступил со своим изложением книги «Десять самых изящных экспериментов». После этого выступления ко мне подошла женщина и спросила, почему героями книги оказались только мужичины.

Я действительно подумывал над тем, чтобы включить в книгу Марию Кюри в связи с ее экспериментами с радием и готовностью перебрать тонны радиоактивной руды, чтобы найти всего несколько сияющих частиц. Однако после некоторых размышлений я пришел к выводу, что в этом было больше героизма, чем сознательного желания «с пристрастием допросить природу». Более вероятным кандидатом мне показалась Лизе Майтнер, однако ее пионерские работы по делению ядра проводились в 30-е годы прошлого столетия совместно с Отто Ганом и Фрицем Штрасманом. Похоже, наука постепенно становилась плодом коллективных усилий ученых, т. е. такой, какой мы ее знаем сегодня. Под статьей, заявляющей об открытии топ-кварков, стоит 439 фамилий!

Бели бы я нарушил установленные мною рамки, то, возможно, одиннадцатым самым изящным экспериментом стало бы открытие Ритой Леви-Монтальчини фактора роста нервной ткани, работа Барбары Мак-Клинток по исследованию транспозирующих генетических систем или же блестящая демонстрация У Цзяньсюн того, что при слабых взаимодействиях закон сохранения четности может нарушаться.

Не успел я закончить книгу, как начал сомневаться в своем выборе. Почему не Резерфорд и атомное ядро, Джеймс Чедвик и нейтрон или Хейке Камерлинг-Оннес и сверхпроводимость? В биологии были Грегор Мендель и его садовые эксперименты по генетике, а также Освальд Авери, который доказал, что гены состоят из ДНК. К числу изящных можно отнести и знаменитый эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз, показавший, что генетическая информация содержится в ДНК. Не менее красивый эксперимент Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя — многие считают его самым блестящим в истории биологии — продемонстрировал механизм репродуцирования ДНК, следовавший из модели двойной спирали Уотсона и Крика.