Милликен (Milliken), Роберт Эндрюс

Американский физик Роберт Эндрюс Милликен родился в Моррисоне (штат Иллинойс). Милликен был вторым сыном священника конгрегационалистской церкви Сайласа Франклина Милликена и Мэри Джейн (Эндрюс) Милликен, бывшего декана женского отделения колледжа Оливе в Мичигане. В 1875 г. семья Милликен переехала в Макуокета (штат Айова), небольшой городок неподалеку от реки Миссисипи, где Роберт рос вместе с двумя братьями и тремя младшими сестрами.

По окончании средней школы в Макуокета Милликен поступил в колледж, где училась его мать, – Оберлин в Огайо. Там его интересы были сосредоточены на математике и древнегреческом языке. Хотя он прослушал всего лишь двенадцатинедельный курс физики, о котором впоследствии отзывался как о напрасной потере времени, к Милликену обратились с просьбой взять на себя чтение курса физики в подготовительной школе при колледже. Ради заработка он принял предложение и преподавал физику в течение двух лет после того, как в 1891 г. получил степень бакалавра. Готовился он к занятиям по учебникам, которые сумел раздобыть. В награду факультет Оберлин-колледжа присудил ему в 1893 г. магистерскую степень по физике и направил конспекты его занятий в Колумбийский университет, который назначил Милликену аспирантскую стипендию.

В Колумбийском университете Милликен занимался под руководством известного физика и изобретателя Майкла И. Пьюпина. Одно лето он провел в Чикагском университете, где работал под руководством знаменитого физика-экспериментатора Альберта А. Майкельсона. Именно тогда он окончательно убедился в том, что физика – его истинное призвание. В 1895 г. он защитил в Колумбийском университете диссертацию на соискание докторской степени, посвятив ее исследованию поляризации света. Следующий год Милликен провел в Европе, побывав в Иене, Берлине, Геттингене и Париже, где встречался с Анри Беккерелем, Максом Планком, Вальтером Нернстом и Анри Пуанкаре.

По возвращении на родину в 1896 г. он стал ассистентом Майкельсона в Чикагском университете. За следующие двенадцать лет Милликен написал несколько учебников по физике. Это были первые книги, написанные для американских студентов, а не переводы французских или немецких учебников. Книги Милликена были приняты в качестве стандартных учебников в колледжах и средних школах и с дополнениями оставались ими более полувека. В 1907 г. Милликен был назначен ассистент-профессором физики, а в 1910 г. – полным профессором.

В 1908 г. Милликен прекратил работу над учебниками, чтобы уделять больше времени оригинальным исследованиям. Как и многих физиков того времени, его интересовал недавно открытый электрон, в особенности величина его электрического заряда, которая не была еще измерена. Английский физик Г.А. Уилсон попытался это сделать, исследуя влияние электрического поля на заряженное облако паров эфира. Но его вычисления были основаны на усредненном поведении микроскопических капелек эфира, поскольку Уилсону не удалось придумать метод, который позволил бы провести все измерения на отдельной капельке. Результаты Уилсона варьировались в широких пределах, и некоторые ученые стали подозревать, что различные электроны имеют и различные заряды. А это означало бы, что электрон не является неделимой заряженной частицей. Милликен решил выяснить, все ли электроны имеют одинаковый заряд, и точно его измерить. Ему удалось разработать метод заряженной капельки, ставший классическим примером изящного физического эксперимента и одним из достижений Милликена, за которые он был удостоен Нобелевского премии.

Прежде всего Милликен усовершенствовал экспериментальную установку Уилсона, построив мощную батарею, создававшую гораздо более сильное электрическое поле. Кроме того, ему удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между металлическими пластинами. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, Милликен мог изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись.

К 1909 г. Милликену удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине e (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой фундаментальные частицы с одинаковыми зарядом и массой. На пути к измерению точного значения заряда электрона перед Милликеном встали экспериментальные проблемы, которые он терпеливо решал. Заменив капельки воды капельками практически нелетучего масла, он получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа. В 1913 г., исключив один за другим возможные источники погрешностей, Милликен опубликовал свое первое окончательное значение заряда электрона: e = (4,774 ± 0,009)·10–10 электростатических единиц. Полученное значение продержалось более 70 лет. Лишь недавно с помощью новейшей высокочувствительной аппаратуры в него была внесена поправка. Новое значение заряда электрона составляет e = 4,80298·10–10 электростатических единиц.

Еще в период работы над учебниками Милликен проводил исследования фотоэлектрического эффекта – выбивания электронов из поверхности металла падающим на поверхность светом. В 1905 г. Альберт Эйнштейн попытался объяснить некоторые особенности фотоэлектрического эффекта с помощью гипотезы о том, что свет состоит из частиц, которые он назвал фотонами. Гипотеза Эйнштейна была обобщением более ранней, выдвинутой Максом Планком гипотезы о том, что энергия колеблющегося атома излучается порциями, или квантами. Поскольку идея Эйнштейна противоречила общепринятому представлению о свете как о волне (волновая природа света была подтверждена убедительными экспериментальными данными), большинство физиков не поверили в нее.

В 1912 г. Милликен решил проверить соотношение, которое Эйнштейн вывел для фотоэлектрического эффекта. Это соотношение устанавливало связь между энергией выбитых из поверхности электронов и частотой квантов падающего света. Собрав сложную экспериментальную установку, позволявшую исключить многие источники погрешностей, Милликен доказал, к своему собственному удивлению, что соотношение Эйнштейна правильно. Более того, в результате своего эксперимента он сумел определить намного точнее, чем его предшественники, значение постоянной Планка (фундаментальной константы квантовой теории). Полученные Милликеном данные, опубликованные в 1914 г., помогли убедить ученых в справедливости квантовой теории.

Милликен был удостоен Нобелевской премии по физике 1923 г. «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрическому эффекту». В своей Нобелевской лекции Милликен, ссылаясь на опыт работы в обеих областях, высказал убеждение, что «наука шагает вперед на двух ногах – на теории и эксперименте... Иногда вперед выдвигается одна нога, иногда другая, но неуклонный прогресс достигается лишь тогда, когда шагают обе». К числу других важных работ, выполненных Милликеном в Чикаго, относятся его исследования различных частей электромагнитного спектра с помощью искровой спектрографии и работы по броуновскому движению в газах, которые помогли подтвердить положения молекулярной теории. Труды Милликена снискали ему международное признание, а результаты его исследований стали внедряться в промышленность. В 1913 г. он стал консультантом компании «Вестерн электрик» по вакуумным приборам, с 1916 по 1926 г. работал экспертом в патентном бюро. В 1917 г. по приглашению астронома Джорджа Эллери Хейла Милликен отправился и Вашингтон, где занял посты вице-председателя и главы научных исследований Национального совета по исследованиям – специальной организации при Национальной академии наук, созданной американским правительством во время первой мировой войны. Служил Милликен и в войсках связи, где координировал деятельность ученых и инженеров, в особенности в такой жизненно важной области, как связь с подводными лодками.

После войны Милликен вернулся в Чикагский университет, но лишь на короткое время. Хейл, член попечительского совета Калифорнийского технологического института (Калтеха) в Пасадене, пригласил Милликена в 1921 г. в Калифорнию, предложив ему возглавить новую лабораторию с годовым фондом в 90000 долларов. Милликен. был назначен директором новой Бриджесской физической лаборатории и председателем исполнительного комитета Калтеха, т.е., по существу, президентом института. Всю свою деятельность в последующие годы Милликен посвятил тому, чтобы превратить Калтех в один из лучших научно-исследовательских и инженерных институтов мира. Но его величайшей заслугой стало привлечение в Калтех лучшей профессуры и способных студентов. Даже после ухода в отставку с поста главы исполнительного комитета в 1946 г. Милликен до самой смерти продолжал свою деятельность выдающегося администратора.

Первым проектом Милликен в Калтехе было исследование излучения, падающего на Землю из космического пространства (оно было впервые обнаружено австрийским физиком Виктором Ф. Гессом). Милликен назвал такое излучение космическими лучами. Этот термин быстро привился и в среде ученых, и среди широкой публики. Стремясь разгадать природу таинственных лучей, Милликен вместе со своими ассистентами поднимал приборы на вершины гор, запускал их на воздушных шарах и опускал на дно глубоких озер. В ходе этих исследований один из учеников Милликена, Карл Д. Андерсон, открыл позитрон и мюон.

В 1902 г. Милликен женился на Грете Ирвин Бланшар, выпускнице отделения классической филологии Чикагского университета. Ее специальностью был древнегреческий язык. У них родились трое сыновей. Все они стали известными учеными. Милликен скончался 19 декабря 1953 г. в Сан-Марино (штат Калифорния).

Придерживаясь в политике консервативных взглядов, Милликен был противником Нового курса президента Франклина Д. Рузвельта. Он считал, что вернейшим средством, которое может помочь Соединенным Штатам оправиться от депрессии, является сотрудничество науки и промышленности. Но, как и многие консерваторы того времени, Милликен был противником изоляционизма и весьма деятельно способствовал повороту исследовательских программ Калтеха к военным нуждам во время второй мировой войны. Милликен был религиозным модернистом и написал несколько книг о взаимоотношении науки и религии. На досуге он любил играть в теннис и гольф.

Милликен был удостоен многих наград, в том числе медали Хьюза Лондонского королевского общества (1923) и медали Фарадея Британского химического общества (1924). Он был командором ордена Почетного легиона и кавалером ордена Янтаря, которым его наградило китайское правительство. Двадцать пять университетов избрали его своим почетным доктором. В различные периоды он был президентом Американской ассоциации содействия развитию науки и Американского физического общества, состоял членом Американского философского общества. С 1903 по 1916 г. он был заместителем главного редактора журнала «Американское физическое обозрение». К концу жизни Милликен был членом двадцати одной иностранных научных академий.