罗伯特.密立根的足迹(一位杰出科学家的生活侧影) 目录

罗伯特.密立根的足迹(一位杰出科学家的生活侧影) 内容简介

在从事与温度相关的研究工作时，密立根和沮彻斯特仅仅是这一领域内众多研究者中间的两个。②而且，密立根在光电子方面的研究并没有产生他预期的影响，他在后来被称作“金属的冷逸出’一一带强负电的金属表面放出电流的现象一一方面的工作在那时还毫无收获。他自己认为，他在探索现代物理基本问题的*初努力是失败的。他在{自传}中回忆道：“到现在为止，我作为一个实验物理学家几乎未取得什么成功。”③
在芝加哥大学的**个十年接近尾声之际，密立根情绪很低落。确切地讲，他是一个成功的教科书作家，在赖尔森实验室与芝大倍受尊敬，并且其他地方还有几个诱人职位在等待着他。但他想成为研究者受重视的渴望并没有得到满足。尽管他把“从其他紧迫的工作中挤出的每一小时”都花在研究上，但没有取得具有重要意义的成果，当然也没有能够为他赢得“杰出的科研物理学家的声望”。他仍然迫切希望“在研究领域内有所作为’。④一个40岁的物理学家如何才能在现代物理领域内有所作为呢?
在1907年末以及1908年的大部分时间里，密立根开始了一系列的研究，这些研究*后测定了电子的电荷c，并使他赢得了诺贝尔奖。但力什么?为什么要进人一个许多人都在研究的领域面又偏偏选中了这一问题呢?就我们现有的材料不可能得出确切的答案。但我们不妨做一些有根据的推断。首先，尽管密立根对自己以前从事的现代物理学实验研究不甚满意，他仍然坚持研究对高等物理具有关键意义的问题，即他与同事们认为的前沿性课题。他后来回忆道：“每个人都对电子的电荷值感兴趣，因为这可能是宇宙中*基本、*恒定的量，但其测量的精确度甚至至今还未进入100%。”①电子的电荷e，也是当代物理理论的一个基本量；不精确地知道它，现代物理学就将像空中楼阁一样。其次，密立根想做些能够博得迈克尔逊和同事们尊敬的工作，并吸引世界上一流物理学家的注意。这一点对他作出上述决定可能起到了同等重要的作用。我们可以回忆一下，迈克尔逊早就认为物理学“重大的基本原理”已经“牢固地建立起来”，所需的只是精确度问题一一也即精确地将这些原则应用于一切物理现象，或着说，精确到小数点后第六位的物理学。②这个课题或许对青年革新家们没有吸引力，但仍然颇为宏大。它
提出了一个物理学界决不能忽视的谨慎、敬业与优秀的标准。密立根对研究方向的选择有些微妙。一方面，1895年以来发生的事件使他深信物理学的根基正经历着深刻的变化，关于原子结构与进化的问题激发了他的想象力；另一方面，他极为尊重迈克尔逊的研究方法以及他关于“好工作”的高标准。如果密立根想有所作为，他必须遵循迈克尔逊令他尊敬的东西：严格、谨慎及他为使快速变化的物理界平稳发展进行的努力。
从某种意义上来说，密立根选择测量电荷e反映了这两种目的。这样的测量是迈克尔逊精确测定光速的现代翻版。通过这种工作，密立根既可以成为迈克尔逊所预言的精确到小数点后第六位的科学家，同时又能服务于新物理学的基本需求。他在1910年题为《测定基本电荷妁云雾法的新改进及基本电荷的*可能值》的论文中这样解释：
人们一致认为，在所有的物理常数中，有两个尤为重要：一个是光速，它出现在理论物理学的许多基本方程中；另一个是*小的，或基本电荷，认识了它才有可能决定许多其他重要的量。尽管目前对光速的认识已精确到二万分之一（迈克尔逊的功劳），但基本电荷的值还远未确定。
关于密立根之前在这个领域所作的实验以及密立根所作的更为精确的实验在其他地方另有记载。①但对此作简单的回顾当可有助于我们更清晰地理解他所作贡献的性质。
密立根曾长时间仔细观察了汤姆逊及其学生在剑桥大学卡文迪许实验室的工作。汤姆逊与其他人发明了一种称作“云雾法”的测量电子电荷的方法。卡文迪许实验室的另一研究人员。C．T．R．威尔逊(Wilson)察到：在过饱和的水蒸汽中，带电的原子或离子可以作为凝结核形成云雾。在1898和1899年，汤姆逊应用威尔逊的方法用X射线将空气电离，然后对生成的云雾进行测量。在利用静电计测量了云雾中的总电荷后，汤姆逊间接地测量了“平均”雾滴上的电荷。②
汤姆森的另一学生H．A．威尔逊(wilson)改进了云雾法。他在两个金属板间形成云雾，并加上一个强度已知、可随时关闭的电场。
利用已知理论，威尔逊可以推断，关闭电场后，雾滴会在自身重力的作用下以与重量成比例的速度下落。加上电场时，外加电场的额外拉力会使速度增加。威尔逊测量了云雾轮廓分明的上表面的雾滴下落的速率。比较了加上电场与关闭电场的结果，根据斯托克斯(SL0kc0)定律算出了雾漓的平均重量。斯托克斯定律描述小球在液体中的下落速度与小球的半径、密度及液体的粘度的关系。①由于电场对雾滴的额外拉力与雾滴上电荷成正比，他推导出电荷c的一个关系式：
g为已知常数，丑为巳知电场强度，和分别为有电场与无电场时测得的速度。用威尔逊的话来讲，“测得0真和真＼，即可测定e值。”②与汤姆逊方法相比，威尔逊方法的优点很明显：不必去估计云雾中的雾漓或离子的数量或者假定每一个雾滴上只有一个离子，因为他测量的雾滴其下落速度已表明它们带有*小单位的电荷。③
但这种方法仍有一些严重的缺点。*终速度真并不是在同一云雾中，而是在云雾室的不同部分测得的。计算过程中假定在所有膨胀过程中雾滴的体积都相同。换句话说，就是假定测量是在同一云雾中进行的。事实并非如此。正像密立根所指出的，在持续性的蒸发过程中很难保持云雾不变。④威尔逊自己还指出了其他难点：“由于云雾一形成就开始蒸发，尽可能快地测定下落速就显得特别重要。”同时，外加电场的强度也受到现有电池的限制，“如果观测能在更大的电位差范围内进行，结果当然会更加令人满意，但就目前的电池而言，达到这一点是不可能的。”①
威尔逊测定了11组e值，变动范围在20*10*-10到3.8*10*-10静电单位之间，平均值为3.1*10*-10。对测量中的这种不一致性以及实验的不确定性，威尔逊并没有全部指出，但为密立根提供了一个明显的机会。
……

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本书是关于美国科学家罗伯特·密立根生活的传记作品，系我社出版的《科学大师传记丛书之一》。罗伯特·密立根是*著名的美国科学家之一，也是**位在美国本土出生的诺贝尔物理学奖得主，在科学的诸多领域中都有着突出的贡献。本书用真实、详细的文字，记述了他作为教师、研究人员、管理者、企业家及学界泰斗等众多生活角色把留下的痕迹；并把密立根的成长历程同现代美国社会的巨大变迁紧紧联系在一起， 为我们勾勒出了科学给现代社会生活带来影响的生动图景；塑造了一位性格刚毅、自信而又才华横溢的科学大师形象。全书文笔流畅，清晰地展示了这位科学家的生活经历，在科学史和文化史上都具有较高的学术价值。

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书摘在从事与温度相关的研究工作时，密立根和沮彻斯特仅仅是这一领域内众多研究者中间的两个。②而且，密立根在光电子方面的研究并没有产生他预期的影响，他在后来被称作“金属的冷逸出’一一带强负电的金属表面放出电流的现象一一方面的工作在那时还毫无收获。他自己认为，他在探索现代物理基本问题的最初努力是失败的。他在{自传}中回忆道：“到现在为止，我作为一个实验物理学家几乎未取得什么成功。”③在芝加哥大学的第一个十年接近尾声之际，密立根情绪很低落。确切地讲，他是一个成功的教科书作家，在赖尔森实验室与芝大倍受尊敬，并且其他地方还有几个诱人职位在等待着他。但他想成为研究者受重视的渴望并没有得到满足。尽管他把“从其他紧迫的工作中挤出的每一小时”都花在研究上，但没有取得具有重要意义的成果，当然也没有能够为他赢得“杰出的科研物理学家的声望”。他仍然迫切希望“在研究领域内有所作为’。④一个40岁的物理学家如何才能在现代物理领域内有所作为呢?在1907年末以及1908年的大部分时间里，密立根开始了一系列的研究，这些研究最后测定了电子的电荷c，并使他赢得了诺贝尔奖。但力什么?为什么要进人一个许多人都在研究的领域面又偏偏选中了这一问题呢?就我们现有的材料不可能得出确切的答案。但我们不妨做一些有根据的推断。首先，尽管密立根对自己以前从事的现代物理学实验研究不甚满意，他仍然坚持研究对高等物理具有关键意义的问题，即他与同事们认为的前沿性课题。他后来回忆道：“每个人都对电子的电荷值感兴趣，因为这可能是宇宙中最基本、最恒定的量，但其测量的精确度甚至至今还未进入100%。”①电子的电荷e，也是当代物理理论的一个基本量；不精确地知道它，现代物理学就将像空中楼阁一样。其次，密立根想做些能够博得迈克尔逊和同事们尊敬的工作，并吸引世界上一流物理学家的注意。这一点对他作出上述决定可能起到了同等重要的作用。我们可以回忆一下，迈克尔逊早就认为物理学“重大的基本原理”已经“牢固地建立起来”，所需的只是精确度问题一一也即精确地将这些原则应用于一切物理现象，或着说，精确到小数点后第六位的物理学。②这个课题或许对青年革新家们没有吸引力，但仍然颇为宏大。它提出了一个物理学界决不能忽视的谨慎、敬业与优秀的标准。密立根对研究方向的选择有些微妙。一方面，1895年以来发生的事件使他深信物理学的根基正经历着深刻的变化，关于原子结构与进