如何證明愛因斯坦的理論（想證明愛因斯坦的理論是錯的）

2023-04-13 20:02:41

話說瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會在1922年11月底破例同時宣布兩個獲獎消息：一是把將1921年度諾貝爾物理獎授予物理學家愛因斯坦，表彰他解釋光電效應。二是把本年度諾貝爾物理獎授予物理學家玻爾，表彰他研究微觀世界的原子結構並提出原子模型理論。諾貝爾獎委員會給他們頒完獎後，立刻鎖定1923年度物理獎候選人名單：一位在微觀世界的電子和解釋光電效應方面取得重大突破的美國人羅伯特·安德魯·密立根。

獲諾貝爾獎的密立根圖源：物理雙月刊網

富家子弟多才藝

密立根的祖上住在紐西蘭，父母遷到美國伊利諾州。作為家中次子，密立根受到良好的教育，小學時語文、數學成績都特好，屬於「別人家的孩子」。這為他以後多方面發展打下良好的基礎。進入美國俄亥俄州奧柏森大學後，他先選學希臘語和數學專業，後改修物理。大二時，他被任命為物理預科班的老師，一邊自學一邊授課。類似我國上世紀八九十年代的中師生，初中畢業教初中學生，必須是優生中的優生才行。奧柏森大學沒有物理學教材，密立根自告奮勇編寫了一套基礎物理教材。此教材通俗易懂，文採斐然，被許多學校使用，密立根開始嶄露頭角。
大學畢業後，伊利諾州的報社需要一名熟悉法律的記者，密立根應邀去幫忙。他把法律知識融進文章裡，寫的報導幽默風趣且切中肯綮。當記者期間，他受人之託當陪審法官或辯護律師，在法庭上表現非常出色。自此，密立根在家鄉聲名鵲起。如果按這個事態發展下去，密立根將成為一名出色的教授、作家或律師，但多半難以獲得諾貝爾物理學獎。可是，從教物理那時起，他就知道自己喜歡什麼，應該往哪個方面發力。這就是所謂的自知之明。

油滴實驗測電荷

1895年，在家鄉短暫停留後，27歲的密立根自費到歐洲遊學，進修物理。次年回到美國後，他即到芝加哥大學報到，任教物理學，不久因教學出色升為副教授。1921年，他調到加州理工學院擔任物理系主任，直到1946年退休。
在芝加哥大學任教期間，密立根對物質微觀世界產生了濃厚的興趣，並冒出測定電子電荷的念頭。

密立根正在做實驗圖源：物理雙月刊網

人類對微觀世界的探索，在19世紀末取得重大突破：英國科學家J·J·湯姆遜首次用實驗證明電子存在，並測出了其電荷與質量間的比值。此舉打破了幾百年來「原子不可再分」的主流論斷。此後，J·J·湯姆遜與湯森德、威爾遜等同行共同致力於測量電子電荷。因為只有測出電子的電荷量，才能對它的質量、運動軌跡等進行推算。可惜進展都不大。1906年，密立根正式用威爾遜的雲霧室來測量水中電子的電荷量。然而，一次次變化極大的實驗結果讓他頭痛不已。幾年後，他發現測量結果變化大的原因是水滴蒸發快，並因此發明了平衡水滴法。此法就是給雲霧室的水滴通電，產生反向電場力，使水滴懸浮起來，減緩蒸發速度。經過反覆實驗，密立根發現實驗數據間的差異只是有所減少，並沒解決實際問題。怎麼辦？山窮水盡之際，和他一起做實驗的研究生哈維·弗雷徹提出可否用其它液體代替水滴。一語驚醒夢中人，經過仔細思考，密立根決定用油滴代替水滴，並重新設計實驗。他先用兩塊水平排列的金屬板（或電池組）做為正、負極，金屬板上設兩個小孔，其中一個連接噴霧器，負責把油滴噴入內部裝置，另一個是顯微鏡觀察孔。噴入平板的油滴因摩擦獲得電荷，在電場力作用下克服重力上升，懸浮在空中。助手調整電壓，讓油滴通過小孔順利下落到觀察區後保持電壓不變，密立根則通過顯微鏡進行觀測。

油滴實驗簡圖

經過上百次的觀測，密立根發現所有飄進觀察區的油滴的總電荷值都是同一個數字的整數倍。「這個最小電荷值就是電子電荷！」他感覺已找到突破的方向。為了把數據弄準確，他和弗雷徹輪流上陣，認真觀測並記錄單個帶電油滴的運動情況，常常幾個小時一直盯著油滴，很是辛苦。付出總有回報，1912年4月，密立根通過確鑿的實驗數據計算出基本電荷的電量e=(1.5924± 0.0017)×10-19庫侖，這個數據與今天的測量結果e=1.602176634×10-19庫侖只差1%。次年，密立根公開發表論文，正式提出「任何電量都是基本電荷的整數倍」這一觀點。

密立根油滴實驗詳圖圖源：物理雙月刊網

基本電荷是實驗測來的自然界存在的最小電量，它的出現，讓許多物理常數的計算達到更高的精度。密立根也因此名聲大噪。遺憾的是，密立根在論文中犯了兩個錯誤，導致他和他的油滴實驗受到後人詬病。一是論文沒有署弗雷徹的名字；二是文中只列舉了91組觀測結果，對相差較大的49組隻字未提，這與論文所說「代表了所有的油滴實驗」（見《密立根實驗記錄本》）所寫嚴重不符。

研究光電得驚喜

中年密立根的精力相當充沛。當弗雷徹一門心思做油滴實驗的時候，他又迸出一個想法：通過實驗來證明愛因斯坦的光量子理論和光電效應方程是錯的。

愛因斯坦於1905年提出光量子理論並建立光電效應方程後，按當時觀點，直接通過實驗精確測量光電流以驗證光電效應方程相當困難，但只有理論和實驗相結合，新的學說才會成立。只是由於愛因斯坦的光量子理論太慎密了，光電效應方程計算出來也沒錯誤，所以當時的科學家大都認可他的理論，只有包括密立根在內的小部分人持懷疑態度。證明光量子理論的實驗比油滴實驗更難，油滴畢竟有形有樣，光卻摸不住抓不著。密立根從1908年開始研究，知道1912年才設計出基本的實驗裝置。不過在實驗中他逐步認可了愛因斯坦的光量子理論，1915年，他終於設計出一套精巧的裝置，證實了光電效應方程，並推算出普朗克常量h的值。