アインシュタインの理論が間違っていることを証明しようとしたが、その功績でノーベル賞を受賞した。

スウェーデン王立科学アカデミーのノーベル賞委員会は例外を設け、1922年11月末に2つの受賞ニュースを同時に発表したと言われています。1つは、光電効果の説明が認められ、物理学者アインシュタインに1921年のノーベル物理学賞が授与されるというものでした。

第二に、今年のノーベル物理学賞は、微視的世界の原子構造に関する研究と原子モデル理論の提唱が評価され、物理学者ボーアに授与されました。

ノーベル賞委員会は彼らに賞を授与した後、直ちに1923年の物理学賞の候補者リストを確定した。微視的世界における電子の研究と光電効果の解明に大きな進歩をもたらしたアメリカ人、ロバート・アンドリュー・ミリカンである。

ミリカンはノーベル賞を受賞した。画像出典: Physics Bimonthly Network

1つ

金持ちの子供は才能が豊富

ミリカン氏の先祖はニュージーランドに住んでおり、両親は米国イリノイ州に移住した。ミリカンは家族の次男として良い教育を受けた。彼は小学校の中国語と数学の成績が非常に優秀で、「他家の子」とみなされていた。これは、多くの面で彼の将来の発展のための良い基盤を築きました。

オハイオ州のオーバーソン大学に入学した後、彼は最初にギリシャ語と数学を学ぶことを選択し、後に物理学に変更しました。大学2年生の時に物理予備クラスの教師に任命され、独学しながら授業に取り組んでいた。 1980 年代から 1990 年代にかけての私の国の普通学校の生徒と同様に、中学生を教えるには中学校卒業生が最も優秀でなければなりませんでした。

オーバーソン大学には物理学の教科書がなかったため、ミリカンは基礎物理学の教科書一式を執筆することを志願した。この教科書は分かりやすく、よく書かれており、多くの学校で使用されました。ミリカンが現れ始めた。

大学卒業後、イリノイ州の新聞社が法律に詳しい記者を必要としており、ミリカン氏は協力を依頼された。彼は法律の知識を記事に取り入れており、彼のレポートはユーモアがあり、興味深く、要点を押さえています。

彼は記者として働く傍ら、陪審員や弁護士を務めるよう依頼され、法廷で非常に優秀な成績を収めました。それ以来、ミリカンは故郷で有名になった。

もし物事がこのように続いていたら、ミリカンは優れた教授、作家、または弁護士になっていただろうが、おそらくノーベル物理学賞を受賞することはなかっただろう。しかし、物理学を教え始めてから、彼は自分が何が好きで、どこに努力を集中すべきかがわかっていました。これが自己認識と呼ばれるものです。

二

電荷を測定する油滴実験

1895年、故郷に短期間滞在した後、27歳のミリカンは自費でヨーロッパに行き、物理学を学んだ。翌年アメリカに帰国後、彼はシカゴ大学で物理学を教え、その優れた指導力によりすぐに准教授に昇進した。 1921年にカリフォルニア工科大学に移り、物理学部長を務め、1946年に退職した。

ミリカンはシカゴ大学で教鞭をとっていたとき、物質の微視的世界に強い関心を抱き、電子の電荷を測定するというアイデアを思いつきました。

ミリカンは実験をしています。出典: Physics Bimonthly Network

人類による微視的世界の探究は、19 世紀末に大きな進歩を遂げました。イギリスの科学者 J.J.トムソンは最初に実験を用いて電子の存在を証明し、電子の電荷と質量の比率を測定しました。この動きは、何百年もの間主流だった「原子は分割できない」という結論を覆した。

それ以来、J.J.トムソンはタウンゼントやウィルソンなどの同僚と協力して電子の電荷を測定してきた。電子の電荷を測定することによってのみ、その質量や軌道などを計算できるからです。残念ながら、あまり進歩がありません。

1906 年、ミリカンはウィルソンの霧箱を正式に使用して水中の電子の電荷を測定しました。しかし、実験結果の劇的な変化が彼を悩ませた。

数年後、彼は測定結果に大きなばらつきが生じる原因が水滴の急速な蒸発にあることを発見し、平衡水滴法を発明しました。この方法は霧箱内の水滴を帯電させて逆電界力を発生させ、水滴を浮遊させて蒸発速度を遅くするものです。ミリカンは実験を繰り返した結果、実験データ間の差は縮まっただけで、実際の問題は解決されていないことを発見した。

何をするか？彼が途方に暮れていたとき、一緒に実験していた大学院生のハーヴェイ・フレッチャーが、水滴の代わりに他の液体が使えるのではないかと提案した。この発言にミリカンは目を覚まし、慎重に検討した結果、水滴を油滴に置き換えて実験を再設計することに決めました。

彼はまず、水平に配置された 2 つの金属板 (またはバッテリー パック) を正極と負極として使用しました。金属板に2つの小さな穴が開けられていました。 1つは内部の装置に油滴を噴霧する役割を持つ噴霧器に接続されており、もう1つは顕微鏡観察用の穴でした。平板に噴射された油滴は摩擦により電荷を帯び、電界力の作用により重力に打ち勝ち上昇し、空中に浮遊します。

助手は、油滴が小さな穴を通って観察領域にスムーズに落ちるように電圧を調整し、その後、ミリカンが顕微鏡で観察している間、電圧を変更せずに維持しました。

油滴実験図

何百回もの観察を経て、ミリカンは観察領域に浮かんだすべての油滴の合計電荷値が同じ数の整数倍であることを発見しました。 「この最小電荷値が電子の電荷です！」彼は突破口を見つける方向を見つけたと感じた。

正確なデータを得るために、彼とフレッチャーは交代で個々の帯電油滴の動きを注意深く観察し、記録しました。油滴を数時間見つめ続けることもあり、非常に大変な作業でした。

努力は必ず報われる。 1912年4月、ミリカンは決定的な実験データに基づいて基本電荷e=(1.5924±0.0017)×10-19クーロンを計算しました。このデータは、今日の測定結果 e=1.602176634×10-19 クーロンとわずか 1% 異なります。

翌年、ミリカンは「あらゆる電荷は基本電荷の整数倍である」という見解を正式に提唱した論文を発表した。

ミリカンの油滴実験の詳細図 出典: Physics Bimonthly Network

基本電荷は自然界に存在し、実験的に測定された最小の電荷です。その登場により、多くの物理定数を計算してより高い精度を実現できるようになりました。ミリカンもこれによって有名になった。

残念なことに、ミリカンは論文の中で2つの間違いを犯し、そのせいで彼と彼の油滴実験は後世の人々から批判されることになった。まず、その書類にはフレッチャーの署名がありませんでした。第二に、論文では観測結果が 91 セットしか記載されておらず、差異が大きい 49 セットについては触れられていない。これは、論文の「すべての油滴実験を代表する」という記述と大きく矛盾している (「ミリカン実験ノート」を参照)。

Ⅲ

光電研究にとっての驚き

ミリカンは中年になっても非常に精力的だった。フレッチャーが油滴実験に集中していたとき、彼は別のアイデアを思いつきました。それは、アインシュタインの光量子理論と光電効果の方程式が間違っていることを実験によって証明するというものでした。

1905年にアインシュタインが光量子論を提唱し光電効果方程式を確立した後、当時の見解によれば、光電効果方程式を検証するために実験を通じて光電流を直接正確に測定することは非常に困難でした。しかし、理論と実験を組み合わせることによってのみ、新しい理論を確立することができます。

それは、アインシュタインの光量子理論が非常に厳密であり、光電効果の方程式が誤差なく計算されたため、当時のほとんどの科学者が彼の理論を受け入れ、ミリカンを含む少数の人々だけが懐疑的だったからです。

光量子理論を証明する実験は油滴実験よりも難しい。結局、油滴には形があるが、光は触れることも掴むこともできない。ミリカンは 1908 年に研究を開始したが、基本的な実験装置を設計したのは 1912 年になってからだった。

しかし、実験を進めるうちに、彼は徐々にアインシュタインの光量子理論を受け入れるようになった。 1915 年、彼はついに洗練された装置を設計し、光電効果の方程式を確認し、プランク定数 h の値を計算しました。

ミリカンの光子実験。出典: Physics Bimonthly Network

1916年、ミリカンは自身の研究結果を公表した。それ以来、アインシュタインの光量子理論は検証され、ミリカンは優れた研究により1923年のノーベル物理学賞を受賞しました。

終わり

Tadpole Musical Notation オリジナル記事、転載の際は出典を明記してください

編集者/肖希土碩