Немного удачи и прорыв

Милликен нисколько не сомневался в правоте корпускулярной теории, а потому особое внимание он обратил на слова Резерфорда, утверждавшего, что главным недостатком эксперимента Вильсона было то, что в конденсационных камерах происходило испарение воды. Предотвратить испарение исключительно трудно, поэтому Милликен вместо этого решил измерить его скорость, для чего пришлось воспроизвести все прежние эксперименты. Поначалу Милликен попытался использовать электрическое поле, чтобы стабилизировать состояние верхнего слоя конденсата, противодействуя его падению. Это было необходимо для того, чтобы ничто не мешало ему измерить скорость испарения. В результате эксперимент дал неожиданные, но полезные результаты. Даже подавая 10 000 вольт в верхнюю часть конденсата, Милликену не удалось его удержать. Вместо этого он наблюдал, как большая часть конденсата почти полностью исчезла, поскольку возмущенные полем капли стали энергично отталкиваться друг от друга.

Милликен был действительно великим ученым: он сразу оценил значимость этого наблюдения. Прежние эксперименты Резерфорда, Бегемана и Вильсона строились непосредственно вокруг конденсата, их не интересовали отдельные капли. Они заранее принимали, что каждая капля имеет один и тот же заряд. Но то, что увидел Милликен, напоминало последствия землетрясения в районах массовой застройки: хотя большинство зданий, как правило, тут же разрушается, некоторым, обладающим достаточной сейсмостойкостью, удается устоять. Аналогичным образом в конденсационной камере Милликена почти все капли исчезли, но несколько капель все же осталось.

Эти несколько зависших капель, размышлял Милликен, имеют как раз те массу и заряд, которые необходимы для того, чтобы электрическое поле скомпенсировало эффект гравитации. Тогда получалось, что изначальный конденсат состоял из капель, с разными зарядами. Остатки конденсата натолкнули его еще на одну мысль. Как он впоследствии писал в своей статье, датированной 1910 годом, эти замершие на одном месте отдельные капли «стали первым убедительным и неопровержимым доказательством в пользу единичности структуры электричества». Размышлял он довольно просто. Совпадение зарядов отдельных капель и противодействующих им сил было настолько точным, что их нахождение на одном месте красноречиво говорило в пользу наличия стандартной шкалы измерения электрических зарядов. Бесконечно меняющиеся возмущения в эфире никогда бы не смогли дать такого совпадения.

Результаты, полученные Милликеном, не ограничивались только этим наблюдением. Меняя электрическое поле, он получил возможность выбирать нужные ему капли и удерживать их неподвижно, подавая соответствующее напряжение. Снятие напряжения приводило к тому, что капли беспрепятственно падали и можно было определить их массу, пользуясь дифференциальными уравнениями сопротивления воздуха для сфер различного размера. Эти формулы и две полученные им величины позволяли рассчитать электрический заряд каждой капли. Многократно проделав этот эксперимент, Милликен получил огромное удовлетворение оттого, что отношение между зарядами было именно таким, как предсказывала атомная теория. «Величины зарядов всегда находились в пределах погрешности измерений моего секундомера, — писал он впоследствии, — т. е. 1, 2, 3, 4 или какое-то иное число, кратное минимальному заряду капли, который мне удавалось измерить». Это наименьшее число оказалось зарядом одного электрона. Что еще более примечательно, во время этих экспериментов, когда капля удерживалась в камере, часто было видно, как она дрейфует в электрическом поле. Милликен быстро понял, что здесь он наблюдает атмосферные ионы, которые «садились» на каплю, меняя ее электрический заряд. «Мы могли наблюдать тот самый момент, когда ион впрыгивал в каплю или выпрыгивал из нее!» Его восхищению не было предела.