энергии света (минус энергия, необходимая для того, чтобы электрон покинул металл). Исходя из этого, можно сделать три прогноза. Во-первых, более яркий свет должен привести к тому, что электроны будут двигаться быстрее. Ученые рассудили, что чем сильнее свет, падающий на металл, тем больше энергии будет у электрона и, следовательно, тем быстрее он покинет металл. Это казалось разумным. Во-вторых, если свет достаточно тусклый, потребуется больше времени на накопление энергии, необходимой для того, чтобы электрон покинул металл, после чего электрон будет двигаться с низкой скоростью. И в-третьих, поскольку электроны должны перемещаться и поглощать энергию, чтобы вырваться, температура металла должна влиять на результат.

В 1902 году Филипп Ленард, физик венгерского происхождения, работавший в Германии[59], обнаружил, что с самым первым предсказанием есть проблема: он не видел корреляции между скоростью выбрасываемых электронов и интенсивностью света. Ленард даже выдвинул гипотезу о том, что вся идея ошибочна: световая энергия не преобразуется в энергии электронов в фотоэлектрическом эффекте вообще, и вместо этого свет был просто триггером, инициирующим атомы высвобождать электроны[60]. Эта гипотеза с «триггером» казалась маловероятной, но другого убедительного объяснения не было.

На другом конце света другой физик-экспериментатор пытался поспевать за наукой. Роберт Милликен, ассистент профессора Чикагского университета, был полон решимости оставить свой след в физике, но испытывал трудности из-за нехватки оборудования и того факта, что никого в его лаборатории не интересовало то, что он делал.

Милликен впервые обнаружил свою любовь к физике после того, как его учитель греческого языка в Оберлинском колледже в Огайо попросил его прочесть курс по этому предмету. Несмотря на то что у него не было никаких предварительных знаний, он взялся летом за самостоятельное изучение физики, решая все задачи, которые только попадались ему в учебниках. Он получил докторскую степень в Колумбийском университете, а затем провел год в Германии, прежде чем занять должность в Чикагском университете. Милликен был хорошо известен своим невероятно строгим графиком: он работал по 12 часов в день: 6 часов преподавал и 6 часов занимался исследованиями.

По счастливой случайности, время, которое он провел в Германии, пришлось на 1895–1986 год, когда были открыты рентгеновские лучи и радиоактивность: это помогло Милликену сформировать новые идеи для своих исследований. Но в Чикаго, несмотря на напряженный график и неувядающий оптимизм, он остро ощущал отсутствие прогресса в исследованиях из-за своей изолированности. Милликен знал, что в Германии Ленард добьется результатов в окружении других экспертов, в то время как он работал почти полностью независимо.

Как и все лаборатории того времени, его лаборатория сильно отличалась от современных. В конце концов, это было начало 1900-х годов: электрическое освещение было новым и не очень эффективным, поэтому лаборатория больше походила на унылую фабрику, чем на яркие белые помещения сегодняшнего дня. Большинство домов в районе Чикаго все еще освещались газовыми лампами или свечами, так как электричество у них появится только через 20 лет. Компьютеров, конечно, не было. Все расчеты делались с использованием логарифмической линейки, карандаша и бумаги, а оборудование изготавливалось собственными силами, поскольку у Милликена не было коллег, к помощи которых он мог бы прибегнуть. Чтобы решиться на экспериментальное исследование, нужна большая самоотдача, и Милликен таковой обладал.

Все, что ему было нужно, – хорошая проблема, над которой можно поработать. И чтобы ее найти, он принялся читать все последние исследовательские работы – что было полезно также и потому, что он отвечал за организацию еженедельных семинаров для своей кафедры. Чтобы оживить одну из дискуссий, однажды он принес и представил исследовательскую работу, которая произвела на него большое впечатление и с которой мы уже знакомы: статью Дж. Дж. Томсона 1897 года об открытии электрона. Милликен был настолько вдохновлен работой Томсона, что решил работать над этой темой. Он хотел изучить электрический разряд в высоком вакууме, но в его лаборатории не было вакуумных насосов, которые справились бы с этой задачей.

В те времена вакуумные насосы были в основном ртутными: сложные, но изящные конструкции из соединенных между собой стеклянных трубок и колб, изготовленных вручную стеклодувами. Жидкая ртуть должна была проталкиваться по трубкам и по мере прохождения удалять несколько молекул воздуха. Если повторить это действие достаточное количество раз, в конце концов можно удалить достаточно воздуха, чтобы получить хороший уровень вакуума. Но Милликену пришлось начинать с нуля, и в течение трех кропотливых лет он неоднократно пытался и терпел неудачу, пока в конце концов не изобрел более удобный аппарат. К стандартному ртутному насосу он добавил трубку, содержащую древесный уголь, погруженный в жидкий воздух. К 1903 году его аппарат мог откачать достаточно воздуха, чтобы в эксперименте использовалось в миллиард раз более низкое давление по сравнению с атмосферным[61] – это приличный уровень вакуума даже по сегодняшним меркам. Ученый был готов к измерениям.

Пока Милликен разбирался с вакуумными насосами, вышла новая книга Дж. Дж. Томсона[62], в которой излагалось предположение, что фотоэлектрическое излучение должно в значительной степени зависеть от температуры, как было не раз обнаружено экспериментаторами к тому времени[63]. Согласно классической точке зрения, при более высокой температуре электроны в металле должны обладать большей энергией, поэтому они должны высвобождаться из металла гораздо легче и с большей скоростью, чем из металла при более низкой температуре.

Вооружившись высоковакуумной установкой, Милликен посчитал хорошей отправной точкой воспроизведение этих результатов. Он направил свет на металлический электрод, температура которого регулировалась внутри стеклянного аппарата. Как и другие экспериментаторы до него, он измерял скорость электронов с помощью напряжения, воздействовавшего на освобожденные электроны: чем выше скорость электрона, тем выше нужно напряжение, чтобы его остановить. Но когда Милликен попробовал провести эксперимент со своей вакуумной системой, он обнаружил, что результаты совершенно не зависят от температуры. Что он сделал не так?

Милликен поручил решение этой проблемы нескольким своим аспирантам. Они работали вместе в маленькой комнате, где постоянно приходилось переступать через лотки с серной кислотой и хлоридом кальция, установленные для осушения воздуха, чтобы предотвратить скопление воды на электродах в своих экспериментах. Потребовалось три или четыре дня непрерывной продувки системы чистым воздухом, прежде чем ученые смогли провести надежные измерения, и неделями они сталкивались с проблемами проникания воздуха в вакуумную систему, из-за чего им приходилось начинать все сначала.

Несмотря на трудности, Милликену в конце концов удалось нагреть алюминиевый электрод до температуры от 15 до 300 градусов по Цельсию и измерить излучаемый электрический ток. Опять же, никакой температурной зависимости обнаружено не было. Их детальная работа продолжалась в течение многих