Robert Andrews Millikan

Vollständiges Wissen bedeutet immer ein gewisses Verständnis der Tiefe unserer Unwissenheit; und das führt immer zu Demut und Ehrfurcht.

Robert Andrews Millikan war ein amerikanischer Experimentalphysiker, der 1923 den Nobelpreis für Physik für die Messung der elementaren elektrischen Ladung und seine Arbeiten zum photoelektrischen Effekt erhielt.

Millikan schloss sein Studium am Oberlin College 1891 ab und erhielt seinen Doktortitel 1895 von der Columbia University. 1896 wurde er Assistent an der University of Chicago, wo er 1910 ordentlicher Professor wurde. 1909 begann Millikan eine Reihe von Experimenten, um die elektrische Ladung eines einzelnen Elektrons zu bestimmen. Er begann damit, die Bewegung geladener Wassertropfen in einem elektrischen Feld zu messen. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Ladung auf den Tropfen ein Vielfaches der elementaren elektrischen Ladung ist, aber das Experiment war nicht genau genug, um überzeugend zu sein. 1910 erhielt er präzisere Ergebnisse mit seinem berühmten Öltropfen-Experiment, bei dem er Wasser, das zu schnell verdunstete, durch Öl ersetzte.

1914 nahm sich Millikan mit ähnlicher Geschicklichkeit der experimentellen Überprüfung der Gleichung an, die Albert Einstein 1905 zur Beschreibung des photoelektrischen Effekts einführte. Mit dieser Forschung erhielt er auch einen genauen Wert der Planckschen Konstante. 1921 verließ Millikan die University of Chicago, um Direktor des Norman Bridge Laboratory of Physics am California Institute of Technology Caltech in Pasadena, Kalifornien zu werden. Dort unternahm er ein umfassendes Studium der Strahlung, die der Physiker Victor Hess aus dem Weltall kommend entdeckt hatte. Millikan bewies, dass diese Strahlung tatsächlich außerirdischen Ursprungs ist, und nannte sie „kosmische Strahlen". Als Vorsitzender des Executive Council von Caltech, dem Leitungsgremium der Schule zu dieser Zeit, von 1921 bis zu seiner Pensionierung 1945, half Millikan der Schule, sich zu einer der führenden Forschungsinstitutionen in den USA zu entwickeln. Er war auch von 1921 bis 1953 Mitglied des Kuratoriums der Science Service, die heute als Society for Science & the Public bekannt ist.

Biographie

Ausbildung

Robert Andrews Millikan wurde am 22. März 1868 in Morrison, Illinois geboren. Er besuchte das Gymnasium in Maquoketa, Iowa und erwarb 1891 einen Bachelor-Abschluss in Klassischer Philologie vom Oberlin College und seinen Doktortitel in Physik von der Columbia University 1895 – er war der erste, der einen Ph.D. aus dieser Abteilung erhielt.

Am Ende meines zweiten Jahres [...] bat mich mein Griechisch-Professor [...], den Kurs Elementarphysik in der Vorbereitungsabteilung im nächsten Jahr zu unterrichten. Auf meine Antwort, dass ich überhaupt nichts von Physik verstand, war seine Antwort: „Jeder, der in meinem Griechisch gut abschneidet, kann Physik unterrichten." „In Ordnung", sagte ich, „dann müssen Sie die Konsequenzen tragen, aber ich werde versuchen und sehen, was ich damit machen kann." Ich kaufte sofort ein Avery's Elements of Physics und verbrachte den größeren Teil meiner Sommerferien 1889 zu Hause damit, das Fach zu meistern. [...] Ich zweifle nicht daran, dass ich jemals besser unterrichtet habe als in meinem ersten Physik-Kurs 1889. Ich war so intensiv daran interessiert, mein Wissen über das der Klasse zu halten, dass sie vielleicht etwas von meinem eigenen Interesse und meiner Begeisterung aufgegriffen haben.

Millikans Begeisterung für Bildung hielt während seiner gesamten Karriere an, und er war Mitautor einer beliebten und einflussreichen Serie von einführenden Lehrbüchern, die in vielerlei Hinsicht ihrer Zeit voraus waren. Im Vergleich zu anderen Büchern der damaligen Zeit behandelten sie das Thema auf die Weise, wie es von Physikern gedacht wurde. Sie enthielten auch viele Hausaufgabenprobleme, die konzeptionelle Fragen stellten, anstatt den Schüler einfach aufzufordern, Zahlen in eine Formel einzusetzen.

Elektronenladung

Ab 1908, während er Professor an der University of Chicago war, arbeitete Millikan an einem Öltropfen-Experiment, bei dem er die Ladung eines einzelnen Elektrons maß. J. J. Thomson hatte bereits das Ladungs-Masse-Verhältnis des Elektrons entdeckt. Die tatsächlichen Werte für Ladung und Masse waren jedoch unbekannt. Wenn daher einer dieser beiden Werte entdeckt würde, konnte der andere leicht berechnet werden. Millikan und sein damaliger Doktorand Harvey Fletcher nutzten das Öltropfen-Experiment, um die Ladung des Elektrons sowie die Elektronenmasse und die Avogadro-Konstante zu messen, da ihre Beziehung zur Elektronenladung bekannt war.

Professor Millikan nahm sich die alleinige Anerkennung, im Gegenzug für Harvey Fletcher, der die vollständige Urheberschaft für ein verwandtes Ergebnis für seine Dissertation forderte. Millikan gewann später den Nobelpreis für Physik 1923, teilweise für diese Arbeit, und Fletcher behielt die Vereinbarung bis zu seinem Tod geheim. Nach einer Veröffentlichung seiner ersten Ergebnisse 1910 begannen widersprüchliche Beobachtungen von Felix Ehrenhaft eine Kontroverse zwischen den beiden Physikern. Nach Verbesserung seines Versuchsaufbaus veröffentlichte Millikan seine grundlegende Studie 1913.

Die Elementarladung ist eine der grundlegenden physikalischen Konstanten, und genaue Kenntnis ihres Wertes ist von großer Bedeutung. Sein Experiment maß die Kraft auf winzige geladene Öltropfen, die zwischen zwei Metallelektroden gegen die Schwerkraft schwebten. Mit Kenntnis des elektrischen Feldes konnte die Ladung auf dem Tropfen bestimmt werden. Durch Wiederholung des Experiments für viele Tropfen zeigte Millikan, dass die Ergebnisse als ganzzahlige Vielfache eines gemeinsamen Wertes von 1,592 × 10−19 Coulomb erklären ließen, was die Ladung eines einzelnen Elektrons ist. Dass dies etwas niedriger ist als der moderne Wert von 1.602 176 5314 x 10−19 Coulomb ist wahrscheinlich auf Millikans Verwendung eines ungenauen Wertes für die Viskosität von Luft zurückzuführen.

Obwohl zur Zeit von Millikans Öltropfen-Experimenten immer klarer wurde, dass es subatomare Teilchen gibt, war nicht jeder überzeugt. Durch Experimente mit Kathodenstrahlen 1897 hatte J. J. Thomson negativ geladene „Korpuskeln", wie er sie nannte, entdeckt, mit einem Ladungs-Masse-Verhältnis 1840 mal größer als das eines Wasserstoff-Ions. Ähnliche Ergebnisse waren von George FitzGerald und Walter Kaufmann gefunden worden. Die meisten der damaligen Erkenntnisse über Elektrizität und Magnetismus konnten jedoch erklärt werden auf der Grundlage, dass Ladung eine kontinuierliche Variable ist; auf ähnliche Weise wie viele Eigenschaften des Lichts erklärt werden können, wenn man es als kontinuierliche Welle behandelt, anstatt als Photonenstrom.

Die Eleganz des Öltropfen-Experiments liegt darin, dass Millikans Apparat nicht nur eine ziemlich genaue Bestimmung der grundlegenden Ladungseinheit ermöglichte, sondern auch eine praktische Demonstration lieferte, dass Ladung tatsächlich quantisiert ist. Charles Steinmetz von der General Electric Company, der zuvor dachte, dass Ladung eine kontinuierliche Variable ist, wurde nach der Arbeit mit Millikans Apparat eines Besseren belehrt.

Datenselektion-Kontroverse

Es gibt einige Kontroversen über die Selektivität bei Millikans Verwendung von Ergebnissen aus seinem zweiten Experiment zur Messung der Elektronenladung. Dieses Problem wurde von Allan Franklin diskutiert, einem ehemaligen Hochenergie-Experimentalisten und jetzigen Philosophen der Naturwissenschaften an der University of Colorado. Franklin argumentiert, dass Millikans Ausschlüsse von Daten den endgültigen Wert der ermittelten Ladung nicht beeinflussen, aber dass Millikans beträchtliche „kosmetische Chirurgie" den statistischen Fehler reduzierte. Dies ermöglichte es Millikan, die Ladung des Elektrons mit besser als ein halbes Prozent anzugeben; tatsächlich hätte der Fehler weniger als 2% betragen, wenn Millikan alle verworfenen Daten einbezogen hätte. Obwohl dies immer noch dazu geführt hätte, dass Millikan die Ladung von e− besser als jeder andere zu dieser Zeit gemessen hätte, könnte die etwas größere Unsicherheit mehr Meinungsverschiedenheiten mit seinen Ergebnissen in der Physik-Gemeinschaft ermöglicht haben, was Millikan wahrscheinlich vermeiden wollte. David Goodstein argumentiert, dass Millikans Aussage, dass alle über einen Zeitraum von 60 Tagen beobachteten Tropfen in dem Papier verwendet wurden, in einem nachfolgenden Satz geklärt wurde, der alle „Tropfen, bei denen eine vollständige Reihe von Beobachtungen durchgeführt wurde" spezifizierte. Goodstein bestätigt, dass dies tatsächlich der Fall ist, und merkt an, dass fünf Seiten Tabellen die beiden Sätze trennen.

Photoelektrischer Effekt

Als Einstein seine grundlegende Arbeit von 1905 zur Teilchentheorie des Lichts veröffentlichte, war Millikan überzeugt, dass sie falsch sein musste, da große Evidenzmengen bereits gezeigt hatten, dass Licht eine Welle ist. Er unternahm ein Jahrzehnt langes experimentelles Programm, um Einsteins Theorie zu testen, was den Bau dessen erforderte, das er als „eine Werkstätte im Vakuum" beschrieb, um die sehr saubere Metalloberfläche der Photokathode vorzubereiten. Seine 1914 veröffentlichten Ergebnisse bestätigten Einsteins Vorhersagen in jedem Detail, aber Millikan war nicht von Einsteins Interpretation überzeugt, und noch 1916 schrieb er: „Einsteins photoelektrische Gleichung... kann meines Erachtens nicht als auf irgendeiner Art befriedigender theoretischer Grundlage beruhend angesehen werden", obwohl „sie tatsächlich das Verhalten des photoelektrischen Effekts sehr genau darstellt". In seiner Autobiografie von 1950 erklärte er jedoch einfach, dass seine Arbeit „kaum eine andere Interpretation zulässt als die, die Einstein ursprünglich vorgeschlagen hatte, nämlich die Semi-Korpuskular- oder Photonentheorie des Lichts selbst".

Da Millikans Arbeit einige Grundlagen der modernen Teilchenphysik bildete, ist es ironisch, dass er in seinen Ansichten zu den Entwicklungen der Physik des 20. Jahrhunderts eher konservativ war, wie im Fall der Photonentheorie. Ein anderes Beispiel ist, dass sein Lehrbuch noch in der Version von 1927 eindeutig die Existenz des Äthers behauptet und Einsteins Relativitätstheorie nur in einer unverbindlichen Anmerkung am Ende der Beschriftung unter Einsteins Porträt erwähnt, was als letztes in einer Liste von Leistungen angibt, dass er „Autor der speziellen Relativitätstheorie 1905 und der allgemeinen Relativitätstheorie 1914 war, von denen beide großen Erfolg bei der Erklärung ansonsten unerklärter Phänomene und bei der Vorhersage neuer hatte".

Millikan wird auch zugeschrieben, den Wert der Planckschen Konstante durch die Verwendung von photoelektrischen Emissionsgraphen verschiedener Metalle gemessen zu haben.

Späteres Leben

1917 überredete Solarastronom George Ellery Hale Millikan, mehrere Monate pro Jahr am Throop College of Technology zu verbringen, einer kleinen akademischen Einrichtung in Pasadena, Kalifornien, die Hale in ein großes Zentrum für Forschung und Bildung umwandeln wollte. Einige Jahre später wurde Throop College zum California Institute of Technology Caltech, und Millikan verließ die University of Chicago, um Caltech's „Vorsitzender des Executive Council" zu werden, praktisch sein Präsident. Millikan würde diese Position von 1921 bis 1945 innehaben. Am Caltech konzentrierte sich seine wissenschaftliche Forschung hauptsächlich auf das Studium der „kosmischen Strahlen", ein Begriff, den er prägte. In den 1930er Jahren verwickelte er sich in eine Debatte mit Arthur Compton darüber, ob kosmische Strahlen aus hochenergetischen Photonen (Millikans Ansicht) oder geladenen Partikeln (Comptons Ansicht) zusammengesetzt sind. Millikan dachte, dass seine kosmischen Strahlenphotonen die „Geburtsschreie" neu geschaffener Atome waren, die kontinuierlich erschaffen wurden, um Entropie entgegenzuwirken und den Wärmetod des Universums zu verhindern. Compton würde sich schließlich als recht erweisen durch die Beobachtung, dass kosmische Strahlen vom Magnetfeld der Erde abgelenkt werden und daher geladene Teilchen sein müssen.

Robert Millikan war während des Ersten Weltkriegs Vizevorsitzender des National Research Council. In dieser Zeit half er bei der Entwicklung von U-Boot-Abwehr- und meteorologischen Geräten. Er erhielt den Chinesischen Orden der Jade. Nach dem Krieg trug Millikan von 1922 bis 1931 als Nachfolger von George E. Hale zu den Arbeiten des Komitees für intellektuelle Zusammenarbeit des Völkerbundes bei, zusammen mit anderen prominenten Forschern wie Marie Curie, Albert Einstein, Hendrik Lorentz usw. In seinem Privatleben war Millikan ein begeisterter Tennisspieler. Er war verheiratet und hatte drei Söhne, der älteste davon, Clark B. Millikan, wurde ein prominenter Aerodynamik-Ingenieur. Ein anderer Sohn, Glenn, auch ein Physiker, heiratete die Tochter Clare von George Leigh Mallory von „Because it's there" Mount Everest Ruhm. Glenn wurde 1947 bei einem Kletterunfall in den Cumberland Mountains getötet.

Ein religiöser Mann und Sohn eines Geistlichen argumentierte Millikan in seinem späteren Leben stark für eine komplementäre Beziehung zwischen christlichem Glauben und Wissenschaft. Er behandelte dies in seinen Terry Lectures an der Yale 1926–27, veröffentlicht als Evolution in Science and Religion. Er war ein christlicher Theist und Befürworter der theistischen Evolution. Ein kontroverserer Glaube von ihm war Eugenik. Er war einer der ursprünglichen Verwalter der Human Betterment Foundation und lobte San Marino, Kalifornien dafür, das „westlichste Außenposten der nordischen Zivilisation ... eine Bevölkerung, die zweimal so angelsächsisch ist wie die in New York, Chicago oder einer der großen Städte dieses Landes vorhanden ist."

Westinghouse-Zeitkapsel

1938 schrieb er einen kurzen Text, der in die Westinghouse Time Capsules platziert werden sollte.

In diesem Moment, 22. August 1938, befinden sich die Prinzipien der repräsentativen Abstimmungsregierung, wie sie von den Regierungen der angelsächsischen, französischen und skandinavischen Länder vertreten werden, in