羅伯特·密立根的足跡：一位杰出科學(xué)家的生活側(cè)影

　　在從事與溫度相關(guān)的研究工作時(shí)，密立根和沮徹斯特僅僅是這一領(lǐng)域內(nèi)眾多研究者中間的兩個(gè)。②而且，密立根在光電子方面的研究并沒有產(chǎn)生他預(yù)期的影響，他在后來被稱作“金屬的冷逸出’一一帶強(qiáng)負(fù)電的金屬表面放出電流的現(xiàn)象一一方面的工作在那時(shí)還毫無收獲。他自己認(rèn)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(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家?guī)缀跷慈〉檬裁闯晒??！雹墼谥ゼ痈绱髮W(xué)的第一個(gè)十年接近尾聲之際，密立根情緒很低落。確切地講，他是一個(gè)成功的教科書作家，在賴爾森實(shí)驗(yàn)室與芝大倍受尊敬，并且其他地方還有幾個(gè)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(shí)”都花在研究上，但沒有取得具有重要意義的成果，當(dāng)然也沒有能夠?yàn)樗A得“杰出的科研物理學(xué)家的聲望”。他仍然迫切希望“在研究領(lǐng)域內(nèi)有所作為’。④一個(gè)40歲的物理學(xué)家如何才能在現(xiàn)代物理領(lǐng)域內(nèi)有所作為呢？在1907年末以及1908年的大部分時(shí)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(jiǎng)。但力什么？為什么要進(jìn)人一個(gè)許多人都在研究的領(lǐng)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(xué)實(shí)驗(yàn)研究不甚滿意，他仍然堅(jiān)持研究對高等物理具有關(guān)鍵意義的問題，即他與同事們認(rèn)為的前沿性課題。他后來回憶道：“每個(gè)人都對電子的電荷值感興趣，因?yàn)檫@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(jìn)入100％。”①電子的電荷e，也是當(dāng)代物理理論的一個(gè)基本量；不精確地知道它，現(xiàn)代物理學(xué)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(xué)家的注意。這一點(diǎn)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(rèn)為物理學(xué)“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(yīng)用于一切物理現(xiàn)象，或著說，精確到小數(shù)點(diǎn)后第六位的物理學(xué)。②這個(gè)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(gè)物理學(xué)界決不能忽視的謹(jǐn)慎、敬業(yè)與優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)。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(xué)的根基正經(jīng)歷著深刻的變化，關(guān)于原子結(jié)構(gòu)與進(jìn)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(guān)于“好工作”的高標(biāo)準(zhǔn)。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(yán)格、謹(jǐn)慎及他為使快速變化的物理界平穩(wěn)發(fā)展進(jìn)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(yù)言的精確到小數(shù)點(diǎn)后第六位的科學(xué)家，同時(shí)又能服務(wù)于新物理學(xué)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(jìn)及基本電荷的最可能值》的論文中這樣解釋：人們一致認(rèn)為，在所有的物理常數(shù)中，有兩個(gè)尤為重要：一個(gè)是光速，它出現(xiàn)在理論物理學(xué)的許多基本方程中；另一個(gè)是最小的，或基本電荷，認(rèn)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(rèn)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(yuǎn)未確定。關(guān)于密立根之前在這個(gè)領(lǐng)域所作的實(shí)驗(yàn)以及密立根所作的更為精確的實(shí)驗(yàn)在其他地方另有記載。①但對此作簡單的回顧當(dāng)可有助于我們更清晰地理解他所作貢獻(xiàn)的性質(zhì)。密立根曾長時(shí)間仔細(xì)觀察了湯姆遜及其學(xué)生在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jié)核形成云霧。在1898和1899年，湯姆遜應(yīng)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(jìn)行測量。在利用靜電計(jì)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(xué)生H．A．威爾遜（wilson）改進(jìn)了云霧法。他在兩個(gè)金屬板間形成云霧，并加上一個(gè)強(qiáng)度已知、可隨時(shí)關(guān)閉的電場。利用已知理論，威爾遜可以推斷，關(guān)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(shí)，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(guān)閉電場的結(jié)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(guān)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(dǎo)出電荷c的一個(gè)關(guān)系式：g為已知常數(shù)，丑為巳知電場強(qiáng)度，和分別為有電場與無電場時(shí)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(diǎn)很明顯：不必去估計(jì)云霧中的霧漓或離子的數(shù)量或者假定每一個(gè)霧滴上只有一個(gè)離子，因?yàn)樗麥y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(yán)重的缺點(diǎn)。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(jì)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(jìn)行的。事實(shí)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(diǎn)：“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。”同時(shí)，外加電場的強(qiáng)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(jìn)行，結(jié)果當(dāng)然會更加令人滿意，但就目前的電池而言，達(dá)到這一點(diǎn)是不可能的?！雹偻栠d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(shí)驗(yàn)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(gè)明顯的機(jī)會?！?/div>