Все, что ему было нужно, – хорошая проблема, над которой можно поработать. И чтобы ее найти, он принялся читать все последние исследовательские работы – что было полезно также и потому, что он отвечал за организацию еженедельных семинаров для своей кафедры. Чтобы оживить одну из дискуссий, однажды он принес и представил исследовательскую работу, которая произвела на него большое впечатление и с которой мы уже знакомы: статью Дж. Дж. Томсона 1897 года об открытии электрона. Милликен был настолько вдохновлен работой Томсона, что решил работать над этой темой. Он хотел изучить электрический разряд в высоком вакууме, но в его лаборатории не было вакуумных насосов, которые справились бы с этой задачей.
В те времена вакуумные насосы были в основном ртутными: сложные, но изящные конструкции из соединенных между собой стеклянных трубок и колб, изготовленных вручную стеклодувами. Жидкая ртуть должна была проталкиваться по трубкам и по мере прохождения удалять несколько молекул воздуха. Если повторить это действие достаточное количество раз, в конце концов можно удалить достаточно воздуха, чтобы получить хороший уровень вакуума. Но Милликену пришлось начинать с нуля, и в течение трех кропотливых лет он неоднократно пытался и терпел неудачу, пока в конце концов не изобрел более удобный аппарат. К стандартному ртутному насосу он добавил трубку, содержащую древесный уголь, погруженный в жидкий воздух. К 1903 году его аппарат мог откачать достаточно воздуха, чтобы в эксперименте использовалось в миллиард раз более низкое давление по сравнению с атмосферным[61] – это приличный уровень вакуума даже по сегодняшним меркам. Ученый был готов к измерениям.
Пока Милликен разбирался с вакуумными насосами, вышла новая книга Дж. Дж. Томсона[62], в которой излагалось предположение, что фотоэлектрическое излучение должно в значительной степени зависеть от температуры, как было не раз обнаружено экспериментаторами к тому времени[63]. Согласно классической точке зрения, при более высокой температуре электроны в металле должны обладать большей энергией, поэтому они должны высвобождаться из металла гораздо легче и с большей скоростью, чем из металла при более низкой температуре.
Вооружившись высоковакуумной установкой, Милликен посчитал хорошей отправной точкой воспроизведение этих результатов. Он направил свет на металлический электрод, температура которого регулировалась внутри стеклянного аппарата. Как и другие экспериментаторы до него, он измерял скорость электронов с помощью напряжения, воздействовавшего на освобожденные электроны: чем выше скорость электрона, тем выше нужно напряжение, чтобы его остановить. Но когда Милликен попробовал провести эксперимент со своей вакуумной системой, он обнаружил, что результаты совершенно не зависят от температуры. Что он сделал не так?
Милликен поручил решение этой проблемы нескольким своим аспирантам. Они работали вместе в маленькой комнате, где постоянно приходилось переступать через лотки с серной кислотой и хлоридом кальция, установленные для осушения воздуха, чтобы предотвратить скопление воды на электродах в своих экспериментах. Потребовалось три или четыре дня непрерывной продувки системы чистым воздухом, прежде чем ученые смогли провести надежные измерения, и неделями они сталкивались с проблемами проникания воздуха в вакуумную систему, из-за чего им приходилось начинать все сначала.
Несмотря на трудности, Милликену в конце концов удалось нагреть алюминиевый электрод до температуры от 15 до 300 градусов по Цельсию и измерить излучаемый электрический ток. Опять же, никакой температурной зависимости обнаружено не было. Их детальная работа продолжалась в течение многих лет, команда создала сложную вакуумную установку с подвижным колесом, к которому прикрепили 11 различных металлических дисков: медь, никель, железо, цинк, серебро, магний, свинец, сурьма, золото, алюминий и латунь. Колесо сидело на агатовых подшипниках внутри стеклянного цилиндра диаметром 8 см с узким источником света – меньше каждого диска, – который освещал трубку. Они поместили полоску железа на край колеса так, чтобы при осторожном движении большим магнитом рядом с трубкой каждый образец металла поворачивался к источнику света без необходимости открывать систему для воздуха[64]. Как оказалось, все результаты не зависят от температуры, по крайней мере, до 100 градусов по Цельсию, что было самым высоким показателем, на который они осмелились пойти с этой версией оборудования. Позже Милликен писал, что до сих пор он, «казалось, добился очень незначительных успехов как физик-экспериментатор!»[65]
61
Уровень вакуума, которого он достиг, составлял миллионную долю миллиметра ртутного столба, примерно 10–6 миллибар в современных единицах измерения, что вполне соответствует современному диапазону «высокого вакуума», – поразительное достижение для стеклянных трубок!
62
Дж. Дж. Томсон. Conduction of Electricity Through Gases. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1903.
63
Р. Э. Милликен и Дж. Винчестер. The influence of temperature upon photoelectric effects in a very high vacuum. Philosophical Magazine. V. 14, 1907, pp. 188–210. https://doi.org/10.1080/14786440709463670.
65
Р. Э. Милликен. Автобиография Р. Э. Милликена (The Autobiography of R. A. Millikan). Prentice-Hall, Inc., Энглвуд-Клиффс, 1950.