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物理学最美实验:密立根油滴实验!

发布人:管理员

密立根油滴实验是密立根在1909年进行的实验。那时候,电子已被发现,但带电量是多少还不知道。密立根的油滴实验不仅测出了电子的带电量,也发现了油滴的带电量是某一个值的整数倍,这个最小值被称为元电荷。这就是带电量的不连续性,也可以叫做电荷的量子化。

物理学最美实验:密立根油滴实验!

元电荷以及电荷量子化的发现都是物理学发展史上的大事,密立根也是凭此实验获得了1923年的诺贝尔物理学奖。而密立根的实验却只是用到了很简单的实验装置,目前很多学校的大学物理实验中就有用油滴实验测元电荷的实验。用很简单的装置做出如此重大的发现,绝对非常帅!非常美!

密立根在电场中用一些带电的油滴进行了实验,之所以选择油滴是为了减少蒸发。这些带电的油滴受到重力、电场力和空气阻力的作用,通过简单的换算,可以得到油滴所带的电荷数,到这里为止,新的物理学也还没有诞生。幸运的是,密立根是一个很善于思考的物理学家,在许多不同的油滴进行相应的测量后,也提出了他的「洞见」,他发现油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数。

物理学最美实验:密立根油滴实验!

今天我们知道,这一数字即为元电荷(电子的电荷量 e),密立根的实验证明了电荷量子化的特征,他因此获得了 1923 年的诺贝尔物理学奖。这个实验的「美」体现在它用一些宏观物质(油滴)测量了微观的(量子化的)电荷,而且实验的手段也相对简单,但这个实验也有很多问题。

密立根实验有两个重要的争议,一方面,密立根没有让他的研究生(Harvey Feltcher)在这篇重要的论文上署名,从而导致其学生不能分享诺贝尔奖;另一方面,同时代的其他研究者很多都无法重复密立根的研究结果,密立根在 1953 年去世,在他去世之后,研究者「解密」了密立根的实验记录本,发现了密立根似乎存在「学术不端」的嫌疑。

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在他的实验原始记录中,对他的测量结果进行了筛选,丢弃了大约一半的数据,而数据被剔除的理由也很多包括:仪器工作不正常、似乎要对空气阻力项作高阶修正、不符合预期的期望、反常的结果等等。其中部分理由似乎仍然比较合理,但「不符合预期的期望」这样的理由实在会让人觉得有点难以接受,这也的确违背了我们今天的学术规范,需要小心这种「洞见」也可能是某种先入为主的「偏见」。