羅伯特·密立根的足跡：一位杰出科學家的生活側影

　　在從事與溫度相關的研究工作時，密立根和沮徹斯特僅僅是這一領域內(nèi)眾多研究者中間的兩個。②而且，密立根在光電子方面的研究并沒有產(chǎn)生他預期的影響，他在后來被稱作“金屬的冷逸出’一一帶強負電的金屬表面放出電流的現(xiàn)象一一方面的工作在那時還毫無收獲。他自己認為，他在探索現(xiàn)代物理基本問題的最初努力是失敗的。他在{自傳}中回憶道：“到現(xiàn)在為止，我作為一個實驗物理學家?guī)缀跷慈〉檬裁闯晒Α！雹墼谥ゼ痈绱髮W的第一個十年接近尾聲之際，密立根情緒很低落。確切地講，他是一個成功的教科書作家，在賴爾森實驗室與芝大倍受尊敬，并且其他地方還有幾個誘人職位在等待著他。但他想成為研究者受重視的渴望并沒有得到滿足。盡管他把“從其他緊迫的工作中擠出的每一小時”都花在研究上，但沒有取得具有重要意義的成果，當然也沒有能夠為他贏得“杰出的科研物理學家的聲望”。他仍然迫切希望“在研究領域內(nèi)有所作為’。④一個40歲的物理學家如何才能在現(xiàn)代物理領域內(nèi)有所作為呢？在1907年末以及1908年的大部分時間里，密立根開始了一系列的研究，這些研究最后測定了電子的電荷c，并使他贏得了諾貝爾獎。但力什么？為什么要進人一個許多人都在研究的領域面又偏偏選中了這一問題呢？就我們現(xiàn)有的材料不可能得出確切的答案。但我們不妨做一些有根據(jù)的推斷。首先，盡管密立根對自己以前從事的現(xiàn)代物理學實驗研究不甚滿意，他仍然堅持研究對高等物理具有關鍵意義的問題，即他與同事們認為的前沿性課題。他后來回憶道：“每個人都對電子的電荷值感興趣，因為這可能是宇宙中最基本、最恒定的量，但其測量的精確度甚至至今還未進入100％?！雹匐娮拥碾姾蒭，也是當代物理理論的一個基本量；不精確地知道它，現(xiàn)代物理學就將像空中樓閣一樣。其次，密立根想做些能夠博得邁克爾遜和同事們尊敬的工作，并吸引世界上一流物理學家的注意。這一點對他作出上述決定可能起到了同等重要的作用。我們可以回憶一下，邁克爾遜早就認為物理學“重大的基本原理”已經(jīng)“牢固地建立起來”，所需的只是精確度問題一一也即精確地將這些原則應用于一切物理現(xiàn)象，或著說，精確到小數(shù)點后第六位的物理學。②這個課題或許對青年革新家們沒有吸引力，但仍然頗為宏大。它提出了一個物理學界決不能忽視的謹慎、敬業(yè)與優(yōu)秀的標準。密立根對研究方向的選擇有些微妙。一方面，1895年以來發(fā)生的事件使他深信物理學的根基正經(jīng)歷著深刻的變化，關于原子結構與進化的問題激發(fā)了他的想象力；另一方面，他極為尊重邁克爾遜的研究方法以及他關于“好工作”的高標準。如果密立根想有所作為，他必須遵循邁克爾遜令他尊敬的東西：嚴格、謹慎及他為使快速變化的物理界平穩(wěn)發(fā)展進行的努力。從某種意義上來說，密立根選擇測量電荷e反映了這兩種目的。這樣的測量是邁克爾遜精確測定光速的現(xiàn)代翻版。通過這種工作，密立根既可以成為邁克爾遜所預言的精確到小數(shù)點后第六位的科學家，同時又能服務于新物理學的基本需求。他在1910年題為《測定基本電荷妁云霧法的新改進及基本電荷的最可能值》的論文中這樣解釋：人們一致認為，在所有的物理常數(shù)中，有兩個尤為重要：一個是光速，它出現(xiàn)在理論物理學的許多基本方程中；另一個是最小的，或基本電荷，認識了它才有可能決定許多其他重要的量。盡管目前對光速的認識已精確到二萬分之一（邁克爾遜的功勞），但基本電荷的值還遠未確定。關于密立根之前在這個領域所作的實驗以及密立根所作的更為精確的實驗在其他地方另有記載。①但對此作簡單的回顧當可有助于我們更清晰地理解他所作貢獻的性質。密立根曾長時間仔細觀察了湯姆遜及其學生在劍橋大學卡文迪許實驗室的工作。湯姆遜與其他人發(fā)明了一種稱作“云霧法”的測量電子電荷的方法?？ㄎ牡显S實驗室的另一研究人員。C．T．R．威爾遜（Wilson）察到：在過飽和的水蒸汽中，帶電的原子或離子可以作為凝結核形成云霧。在1898和1899年，湯姆遜應用威爾遜的方法用X射線將空氣電離，然后對生成的云霧進行測量。在利用靜電計測量了云霧中的總電荷后，湯姆遜間接地測量了“平均”霧滴上的電荷。②湯姆森的另一學生H．A．威爾遜（wilson）改進了云霧法。他在兩個金屬板間形成云霧，并加上一個強度已知、可隨時關閉的電場。利用已知理論，威爾遜可以推斷，關閉電場后，霧滴會在自身重力的作用下以與重量成比例的速度下落。加上電場時，外加電場的額外拉力會使速度增加。威爾遜測量了云霧輪廓分明的上表面的霧滴下落的速率。比較了加上電場與關閉電場的結果，根據(jù)斯托克斯（SL0kc0）定律算出了霧漓的平均重量。斯托克斯定律描述小球在液體中的下落速度與小球的半徑、密度及液體的粘度的關系。①由于電場對霧滴的額外拉力與霧滴上電荷成正比，他推導出電荷c的一個關系式：g為已知常數(shù)，丑為巳知電場強度，和分別為有電場與無電場時測得的速度。用威爾遜的話來講，“測得0真和真＼，即可測定e值?！雹谂c湯姆遜方法相比，威爾遜方法的優(yōu)點很明顯：不必去估計云霧中的霧漓或離子的數(shù)量或者假定每一個霧滴上只有一個離子，因為他測量的霧滴其下落速度已表明它們帶有最小單位的電荷。③但這種方法仍有一些嚴重的缺點。最終速度真并不是在同一云霧中，而是在云霧室的不同部分測得的。計算過程中假定在所有膨脹過程中霧滴的體積都相同。換句話說，就是假定測量是在同一云霧中進行的。事實并非如此。正像密立根所指出的，在持續(xù)性的蒸發(fā)過程中很難保持云霧不變。④威爾遜自己還指出了其他難點：“由于云霧一形成就開始蒸發(fā)，盡可能快地測定下落速就顯得特別重要?！蓖瑫r，外加電場的強度也受到現(xiàn)有電池的限制，“如果觀測能在更大的電位差范圍內(nèi)進行，結果當然會更加令人滿意，但就目前的電池而言，達到這一點是不可能的。”①威爾遜測定了11組e值，變動范圍在20*10*-10到3.8*10*-10靜電單位之間，平均值為3.1*10*-10。對測量中的這種不一致性以及實驗的不確定性，威爾遜并沒有全部指出，但為密立根提供了一個明顯的機會?！?/div>