油滴实验

油滴实验（Oil-drop experiment），是罗伯特·密立根与哈维·福莱柴尔（Harvey Fletcher）在1909年所进行的一项物理学实验，实验地点位于美国芝加哥大学的瑞尔森物理实验室（Ryerson Physical Laboratory）。罗伯特·密立根因而获得1923年的诺贝尔物理学奖。此实验的目的是要测量单一电子的电荷。方法主要是平衡重力与电力，使油滴悬浮于两片金属电极之间。并根据已知的电场强度，计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后，密立根发现所有油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数，因此认定此数值为单一电子的电荷e：到2006年为止，已知基本电荷值为1.60217653(14) x 10−19库仑。密立根在诺贝尔奖颁奖典礼上，表示他的计算值为4.774(5) x 10−10静库仑（等于1.5924(17) x 10−19库仑）。现在已知的数值与密立根的结果差异小于百分之一，但仍比密立根测量结果的标准误差（standard error）大了5倍，因此具有统计学上的显著差异。密立根设置了一个均匀电场，方法是将两块金属板以水平方式平行排列，作为两极，两极之间可产生相当大的电位差。金属板上有四个小洞，其中三个是用来将光线射入装置中，另外一个则设有一部显微镜，用以观测实验。喷入平板中的油滴可经由控制电场来改变位置。为了避免油滴因为光线照射蒸发而使误差增加，此实验使用蒸气压较低的油。其中少数的油滴在喷入平板之前，因为与喷嘴摩擦而获得电荷，成为实验对象。在此实验中，油滴的运动方向共受四个力量影响：首先喷入的油滴会因为电场尚未开启而下坠（以重力加速度），并很快的因为与空气的摩擦而到达终端速度（等速下墬）。接着开启电场，假如此电场强度够强（或称电场力，FE），那么将会使部分具有电荷的油滴开始上升。之后选出一个容易观察的油滴，利用电压的调整使油滴固定于电场中央，并使其他油滴坠落。接下来的实验将只针对此一油滴进行。然后关闭电场使油滴下降，并计算油滴在下墬时终端速度v1，再根据斯托克斯定律（Stokes' Law）算出油滴所受的空气阻力：重量W（重力）等于体积V乘上密度ρ，且由于使油滴下降的力量为重力，因此下墬加速度为g。假设油滴为完美球型，则重力W可写成不过若要获得较为精确的数值，则重量必须减去空气对油滴造成的浮力（等于和油滴相等体积的空气重量）。假设油滴为完美球型，则浮力B可写成上两式合并如下：到达终端速度时加速度为零（等速下降），此时作用于油滴的合力为零，使F与W-B互相抵销，也就是 F = W − B {displaystyle F=W-B} ，由此可得：一旦求得r（太小以致无法直接测量），则W也可算出。再来将电场重新开启，此时作用于油滴的电场力为平行板状电极产生的电场则可以下式求得：若以较为直截了当的方法，q可经由调整V使油滴固定，再由FE = W - B算出：不过这种方法实际上难以实行。因此也可使用较容易操作的方式：稍微再将电压V向上调升，让油滴上升并得到一个新的终端速度v2，再从下式中得到q：密立根当时的实验所算出的q与油滴大小有关，这是因为若是油滴太小，以致于和空气粒子的大小差距不大时，斯托克斯定律将不适用。因此此实验更精确的黏滞系数η' 应该修正为下式：理查·费曼曾经在1974年，于加州理工学院的一场毕业典礼演说中叙述“草包族科学”（Cargo cult science）时提到：从过往的经验，我们学到了如何应付一些自我欺骗的情况。举个例子，密立根做了个油滴实验，量出了电子的带电量，得到一个今天我们知道是不大对的答案。他的资料有点偏差，因为他用了个不准确的空气粘滞系数数值。于是，如果你把在密立根之后、进行测量电子带电量所得到的资料整理一下，就会发现一些很有趣的现象：把这些资料跟时间画成坐标图，你会发现这个人得到的数值比密立根的数值大一点点，下一个人得到的资料又再大一点点，下一个又再大上一点点，最后，到了一个更大的数值才稳定下来。为什么他们没有在一开始就发现新数值应该较高？——这件事令许多相关的科学家惭愧脸红——因为显然很多人的做事方式是：当他们获得一个比密立根数值更高的结果时，他们以为一定哪里出了错，他们会拼命寻找，并且找到了实验有错误的原因。另一方面，当他们获得的结果跟密立根的相仿时，便不会那么用心去检讨。因此，他们排除了所谓相差太大的资料，不予考虑。我们现在已经很清楚那些伎俩了，因此再也不会犯同样的毛病。密立根油滴实验60年后，史学家发现，密立根一共向外公布了58次观测数据，而他本人一共做过140次观测。他在实验中通过预先估测，去掉了那些他认为有偏差，误差大的数据。