В конце весны 1889 года профессор Джон Ф. Пек, который преподавал греческий язык в небольшом колледже Оберлин (штат Огайо), обратился к одному из студентов, изучавших классические языки и литературу, с просьбой подучить физику, чтобы на будущий год преподавать элементарный курс этой науки. — Но я не знаю физики. — Каждый, кто хорошо усваивает греческий, может преподавать физику. — Хорошо, — сказал студент, — но за все последствия отвечаете вы.
Последствиями оказались два наиболее фундаментальных исследования в области физики XX века. Милликен ответил профессору согласием, так как нуждался в деньгах. К изучению классики он не вернулся.
Роберт Милликен родился в 1868 году в штате Иллинойс в семье священника. Его детство прошло в небольшом, стоявшем на берегу реки, городке Маквокета (штат Айова). "Мой отец и мать воспитали шестерых детей — трех девочек и трех мальчиков, живя на жалованье священника небольшого городка в тысячу триста долларов в год, — рассказывал он. — Мы носили костюмы и платья из синей бумажной ткани, и ходили босиком, начиная с окончания школы в мае и до начала занятий в сентябре. Зимой мы, мальчики, распиливали ежедневно десять четырехфутовых бревен. Так продолжалось до тех пор, пока мы не напиливали десять кордов (корд равен 3,63 кубометра) дров. Во время каникул по утрам мы должны были работать в саду, а после обеда у нас было свободное время для игр".
Дети плавали в реке, играли в бейсбол, два раза в день доили коров, вставали в три часа ночи, чтобы встретить бродячую цирковую труппу, выучились крутиться на самодельных параллельных брусьях и никогда не слыхали о том, что взрослый человек может заработать себе на жизнь, проводя время в лаборатории и работая над какой-то физикой. Для них слово "физика" связывалось с понятием о слабительном (в американской разговорной речи слово "physic", созвучное со словом "физика", означает "слабительное").
Курс физики в средней школе Макуокеты вел сам директор, который в летние месяцы занимался главным образом поисками подземных вод при помощи раздвоенного орехового прутика и уж во всяком случае, не очень-то верил во всю эту ерунду, напечатанную в учебнике: "Как это можно из волн сделать звук? Ерунда, мальчики, это все ерунда!" Но зато учителя алгебры Милликен с уважением вспоминал всю жизнь.
Когда ему исполнилось восемнадцать, он поступил в Оберлинский колледж — брат его бабушки был одним из основателей этого учебного заведения. На втором курсе колледжа он вновь прослушал курс лекций по физике, который был ничуть не веселее тех, что ему читали в средней школе. Навыки в спортивных играх и атлетике, приобретенные в детстве на задних дворах, помогли ему получить место преподавателя гимнастики, а доход от преподавания физики в средней школе еще более укрепил его финансовое положение.
Милликен, надо сказать, добросовестно относился к своим преподавательским обязанностям. Чтобы идти впереди своих учеников, он изучал все учебники, какие только мог достать. В то время в американских колледжах было всего две книги по физике — переведенные с французского языка работы Гано и Дешанеля. В таких обстоятельствах Милликен действительно хорошо изучил предмет.
По окончании колледжа в 1891 году Милликен продолжал преподавать физику в Оберлине, получая небольшое жалованье. Он был вынужден заниматься этим, ибо, как говорил он сам, "в тот год депрессии никакой вакансии не было". Однако преподаватели Оберлина значительно серьезнее относились к роли Милликена в науке, чем он сам, и без его ведома направили его документы в Колумбийский университет. Ему была предложена стипендия, и Милликен поступил в университет, ибо другой возможности получать регулярно 700 долларов у него не было. В Колумбийском университете он впервые встретился с людьми, глубоко интересовавшимися физикой. Милликен решил последовать их примеру и попытаться стать настоящим ученым, несмотря на то, что уже много лет терзался сомнениями относительно своих способностей.
В 1893 году американская наука отставала от европейской. Только люди, получившие образование в Европе, хорошо представляли себе, как именно следует вести научно-исследовательскую работу. На физическом факультете Колумбийского университета был только один такой человек — профессор Майкл Пьюпин, получивший образование в Кембридже. Милликен говорил: "Слушая курс оптики, который читал доктор Пьюпин, я все больше удивлялся. Впервые в жизни я встретил человека, который настолько хорошо знал физические процессы, что, не готовясь к занятиям, приходил ежедневно в аудиторию и излагал свои мысли в виде уравнений. Я решил попытаться научиться делать то же самое". Когда срок стипендии, назначенный Милликену для изучения физики, истек, она не была возобновлена, Пьюпин понял, что Милликен остался без средств, и он, занялся им всерьез. На следующий год по настоянию Пьюпина Милликен поехал учиться в Германию. Милликену пришлось признаться, что у него нет средств, и Пьюпин дал ему взаймы необходимую сумму.
Перед отъездом Милликен встретился еще с одним человеком, сыгравшим значительную роль в его жизни. Во время летней сессии Милликен побывал в недавно открытом Чикагском университете, где познакомился с А. А. Майкельсоном. Ни один человек никогда не производил на молодого ученого столь сильного впечатления.
Милликен находился в Европе, когда за серией экспериментальных работ последовал грандиозный взрыв классических теорий. В 1895 и 1896 годах прозвучали в науке имена Беккереля, Рентгена, Кюри и Томсона.
Брожение еще продолжалось, когда летом 1896 года Милликен получил от Майкельсона телеграмму с предложением занять место ассистента в Чикагском университете. Милликену было тогда 28 лет. "Я отдал мою одежду вместе с чемоданом в заклад капитану одного из судов Американской транспортной линии, заверив компанию, что я выплачу капитану стоимость проезда в Нью-Йорке и только после этого приду за вещами".
Следующие двенадцать лет Милликен провел в обстановке неутомимой научной активности, характерной для Чикаго в начале века. Чикагский университет собрал в своих стенах молодых людей, которых в скором времени ожидала широкая известность:
и многих, многих других. В одном пансионе с Милликеном проживали Торстейн Веблен и Гарольд Икс.
Первые годы, проведенные в Чикаго, Милликен посвятил написанию удобоваримых американских учебников по физике и заботам о своей молодой семье. Майкельсон взвалил на него всю преподавательскую работу, которая не соответствовала нраву старика.
Милликен начал серьезно заниматься научно-исследовательской работой, когда ему было почти сорок лет. Проблемы для исследования обычно выбирались им из числа тех, которые так потрясли ученый мир, когда он еще был в Европе. Милликен, поневоле ставший физиком, поставил два эксперимента, которые и поныне являются классическим образцом изящества замысла и выполнения.
Вспоминая свою жизнь, Милликен говорил, что больше всего ему повезло, когда Пьюпин не взял его своим ассистентом. Если бы это произошло, Милликен никогда не попал бы за границу и не оказался бы в Европе, когда современная физика только начиналась по-настоящему.
4 января 1896 года Вильгельм Конрад фон Рентген выступил с докладом в Вюрцбурге на заседании Вюрцбургского физико-математического общества, а затем повторил доклад в Берлине на ежегодной конференции Германского физического общества. Его сообщение явилось сенсацией для двух наук: Рентген рассказал об открытии совершенно новой формы радиации, позволившей ему фотографировать предметы сквозь непрозрачные твердые экраны. Он продемонстрировал фотографию частей своего собственного живого скелета — костей руки.
Для медицинского мира лучи Рентгена были чудом, которое следовало немедленно поставить на службу диагностике. Для мира физики в тот момент гораздо важнее было объяснение явления, нежели его применение. Поиски этого объяснения и явились впоследствии первым прыжком в атомный и субатомный мир.
Чудесные лучи, открытые Рентгеном, имели уже, по крайней мере, сорокалетнюю историю в европейской науке. В 1863 году французский физик Массон направил электрическую искру высокого напряжения на стеклянный сосуд, из которого был выкачан почти весь воздух. Сосуд внезапно наполнился ярким "неземным" пурпурным свечением.
В 60-е и 70-е годы прошлого века Гитторф и Крукс продолжили изучение этого необычного явления. Изобретение совершенного вакуумного насоса, помогшего Эдисону создать лампочку накаливания, дало возможность Круксу наблюдать таинственное зарево в вакууме при уменьшении давления. Характер свечения менялся при уменьшении давления в сосуде сначала до одной сотой, а потом и до одной тысячной атмосферы. Свечение сначала становилось ярче, затем рассыпалось на отдельные сгустки света и, наконец, тускнело и совсем исчезало. Когда в сосуде создавался достаточно высокий вакуум, свечение пропадало, но зато стенки сосуда начинали излучать призрачный зеленоватый свет.
Трубка Крукса по форме напоминала большую грушу, на обоих концах которой он впаял металлические пластинки. Крукс установил, что свечение в трубке объясняется прохождением лучей через вакуум между двумя металлическими дисками — электродами, когда металлические пластинки соединяли с источником высокого напряжения. Лучи назвали катодными лучами, а сосуд — катодно-лучевой трубкой.
Крукс также заметил, что таинственные лучи, казалось, имеют массу и скорость. Однако природы этих лучей он не понимал и считал их "четвертым состоянием материи", в отличие от жидкого, газообразного и твердого.
В дальнейшем установили, что катодные лучи имеют электрическую природу, так как магнит, поднесенный к трубке, отклонял поток лучей. Так же действовал на них и электрический ток. Другие исследователи доказали, что катодные лучи можно направить за пределы трубки, если поставить на их пути тонкую пластинку из алюминиевой фольги. Однако в воздухе катодные лучи распространялись на незначительное расстояние.
Некоторые физики полагали, что "четвертое состояние материи" было не чем иным, как таинственной эктоплазмой, описанной спиритами. На время резко возрос спрос на духов.
Осенью 1895 года Конрад фон Рентген проводил опыты с трубкой Крукса, плотно завернутой в черную бумагу, чтобы излучение не вырвалось наружу. Совершенно случайно он заметил, что в темной комнате "бумажный экран, промытый цианидом платины и бария, ярко загорается и флуоресцирует, независимо от того, обработанная или же обратная сторона экрана обращена к разрядной трубке".
Бумажный экран помещался на расстоянии почти в шесть футов от аппарата. Рентген знал, что катодные лучи заставляют флуоресцировать обработанный этим раствором экран, но на такое расстояние катодные лучи никогда не проникали! Он обнаружил вскоре, что все вещества в той или иной степени проницаемы для этих таинственных новых лучей. Только свинец оказался непрозрачным для них.
Рентген также заметил, что эти лучи засвечивали сухие фотопластинки и пленку, и это позволяло применять лучи для фотосъемки. Он добрался и до источника лучей. Они возникали в том месте на поверхности стекла, на которое падали катодные лучи при высоком напряжении. Рентген тогда заявил, что новые лучи можно получить, направив катодные лучи на твердое тело. Чтобы подтвердить это, он сконструировал трубку, излучавшую более интенсивный поток новых лучей, которым за неимением лучшего он дал название "икс-лучи" (X — неизвестное). Через несколько месяцев после сообщения Рентгена его трубка нашла разнообразное применение в медицине для обследования переломов, глубоких ранений и внутреннего строения человеческого тела.
Научные журналы ведущих стран были заполнены статьями физиков, повторявших опыты Рентгена и каждый раз по-новому объяснявших это явление. Сам Рентген все еще не понимал сущности своего открытия и говорил, что это "продольные вибрации в эфире".
Открытие Рентгена заставило многих физиков более тщательно исследовать явление флуоресценции.