这是真的,而且在一百年以前就实现了。1897年,约瑟夫·约翰·汤姆森发现了电子,并测量了电子的荷质比,但当时谁也不知道电子的确切质量和电量,所以,如果能够测量电子携带的电量,我们就能算出它的质量。1910年,罗伯特·密立根成了芝加哥大学的教授,不过在此之前,他已经开始了自己的油滴实验。在研究生哈维·弗莱彻的帮助下,密立根设计制造了这套实验装置,它的原理其实非常简单。
利用香水喷雾器,科学家将细小的油滴喷入观察室上方的容器里,然后通过显微镜观察油滴在空气中坠落的速度。然后他们向容器内射入一束X射线,这种射线会电离容器内的部分空气,剥夺部分空气分子的电子,让它变成带正电的离子。如果离子化的分子与油滴发生碰撞,那么正电荷会被转移到油滴上。这不会影响油滴受到的地球引力,不过下一步,科学家会给容器施加一个电场。
观察室上下方各有一块金属板,最高可施加5300V的电压,下方的金属板是正电极,上方则是负电极。电场会对油滴施加一个与重力方向相反的力,推动它向上远离正电极板,靠近负电极板。研究者可以观察油滴是继续坠落、保持静止,还是向上运动,并测量它的运动速度。研究者并不知道每一滴油携带了多少电荷,但他们推测电荷应该存在一个基本单位,因此每一滴油携带的电量都应该是这个基本单位的倍数——可能是2倍、4倍或5倍。
他们知道空气的黏度、每次试验时的气温以及黏度对极小液滴的不同影响。因此,根据油滴下降的速率,可以算出每一滴油的有效重量。然后,研究者接通电路,小心地调整电压,使液滴悬浮在空中。这项工作进展缓慢,难度极大。实验中,他们一共研究了58滴油,有时候单单一个油滴就需要观察5个小时。油滴保持悬浮状态时,它受到的重力正好等于电场力,而电场力可以通过此时的电压计算得出。知道了油滴的重量,就能算出它携带的电量。
然后研究者升高电压,看着油滴“向上坠落”。根据油滴的运动速率,可以再次验算它的电量。综合多次实验的计算结果,他们最终得出结论:电荷的基本单位一定是1.592×10-19库伦——我们今天公认的数值是1.602×10^(-19)库仑,密立根和弗莱彻的结果与这个值的误差小于百分之一。之所以会出现这样的误差,很可能是因为他们采用的空气黏滞系数有所偏差。
这个结果非常重要,原因有几个:1.它确认了电荷由离散的基本单元组成,而不是托马斯·爱迪生等人猜测的连续变量。2.如果这个数值就是最小的电量基本单元,那么它一定就是单个电子携带的电量。3.它帮助我们测量了阿伏伽德罗常数,这个常数的名字来自意大利科学家阿梅代奥·阿伏伽德罗。1811年,阿伏伽德罗提出,在给定的温度和压力下,任何气体的体积都与它包含的粒子(原子或分子)数量成正比。
阿伏伽德罗常数的数值为6×1023,即0.035盎司(约1克)氢、0.42盎司(约12克)碳、0.52盎司(约15克)氧或1.98盎司(约56克)铁包含的原子或分子数量。密立根在计算最终结果时排除了大约一半的实验数据,这引发了一些争议。这样的数据篡改并不明智,它可能最终走向彻底的学术欺诈。事实上,这些数据不会改变密立根的计算结果,但会增大整个实验的统计误差。
不难想象,通过显微镜观察油滴这项枯燥冗长的工作主要由研究生哈维·弗莱彻承担,但在一份不同寻常的协议中,他与密立根达成了交换默契:密立根独享这篇论文的所有权益,而弗莱彻则是另一篇相关论文的唯一作者,那是他的博士论文。结果,弗莱彻得到了博士学位,而密立根获得了1923年的诺贝尔物理学奖。
密立根不相信爱因斯坦在1905年的论文中提出的光电效应,他做了很多高难度实验,试图证明爱因斯坦错了,但结果却适得其反。他说:“我花了十年时间试图推翻爱因斯坦在1905年提出的等式,结果却事与愿违。到了1915年,我不得不承认,爱因斯坦的理论是对的,尽管它看起来很不合理。”