La plenitud del conocimiento siempre significa alguna comprensión de las profundidades de nuestra ignorancia; y eso siempre conduce a la humildad y la reverencia.
Robert Andrews Millikan fue un físico experimental estadounidense honrado con el Premio Nobel de Física en 1923 por la medición de la carga eléctrica elemental y por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico.
Millikan se graduó del Oberlin College en 1891 y obtuvo su doctorado en la Universidad de Columbia en 1895. En 1896 se convirtió en asistente en la Universidad de Chicago, donde se convirtió en profesor titular en 1910. En 1909 Millikan comenzó una serie de experimentos para determinar la carga eléctrica transportada por un solo electrón. Comenzó midiendo el curso de gotitas de agua cargadas en un campo eléctrico. Los resultados sugirieron que la carga en las gotitas es un múltiplo de la carga eléctrica elemental, pero el experimento no fue lo suficientemente preciso para ser convincente. Obtuvo resultados más precisos en 1910 con su famoso experimento de la gota de aceite en el cual reemplazó el agua, que tendía a evaporarse demasiado rápido, con aceite.
En 1914 Millikan abordó con similar destreza la verificación experimental de la ecuación introducida por Albert Einstein en 1905 para describir el efecto fotoeléctrico. Utilizó esta misma investigación para obtener un valor preciso de la constante de Planck. En 1921 Millikan dejó la Universidad de Chicago para convertirse en director del Laboratorio Norman Bridge de Física en el Instituto de Tecnología de California Caltech en Pasadena, California. Allí realizó un estudio importante de la radiación que el físico Victor Hess había detectado proveniente del espacio exterior. Millikan demostró que esta radiación es efectivamente de origen extraterrestre, y la llamó "rayos cósmicos". Como presidente del Consejo Ejecutivo de Caltech, el cuerpo rector de la escuela en ese momento, de 1921 hasta su jubilación en 1945, Millikan ayudó a convertir la escuela en una de las instituciones de investigación líderes en los Estados Unidos. También sirvió en la junta directiva de Science Service, ahora conocida como Society for Science & the Public, de 1921 a 1953.
Biografía
Educación
Robert Andrews Millikan nació el 22 de marzo de 1868 en Morrison, Illinois. Fue a la escuela secundaria en Maquoketa, Iowa y recibió una licenciatura en clásicas del Oberlin College en 1891 y su doctorado en física de la Universidad de Columbia en 1895 – fue el primero en obtener un Ph.D. de ese departamento.
Al final de mi segundo año [...] mi profesor de griego [...] me pidió que enseñara el curso de física elemental en el departamento preparatorio durante el próximo año. Cuando respondí que no sabía nada de física, su respuesta fue: "Cualquiera que pueda desempeñarse bien en mi curso de griego puede enseñar física". "Está bien", dije, "tendrá que asumir las consecuencias, pero lo intentaré y veré qué puedo hacer". Inmediatamente compré un Elements of Physics de Avery, y pasé la mayor parte de mis vacaciones de verano de 1889 en casa – intentando dominar el tema. [...] Dudo que haya enseñado mejor en mi vida que en mi primer curso de física en 1889. Estuve tan intensamente interesado en mantener mi conocimiento por delante del de la clase que pueden haber captado algo de mi propio interés y entusiasmo.
El entusiasmo de Millikan por la educación continuó durante toda su carrera, y fue coautor de una serie popular e influyente de libros de texto introductorios, que fueron adelantados a su tiempo en muchos aspectos. En comparación con otros libros de la época, trataban el tema más en la forma en que lo pensaban los físicos. También incluyeron muchos problemas de tarea que hacían preguntas conceptuales, en lugar de simplemente requerir que el estudiante insertara números en una fórmula.
Carga del electrón
A partir de 1908, mientras era profesor en la Universidad de Chicago, Millikan trabajó en un experimento de gota de aceite en el cual midió la carga en un solo electrón. J. J. Thomson ya había descubierto la relación carga-masa del electrón. Sin embargo, los valores reales de carga y masa eran desconocidos. Por lo tanto, si uno de estos dos valores fuera a ser descubierto, el otro podría calcularse fácilmente. Millikan y su entonces estudiante de posgrado Harvey Fletcher utilizaron el experimento de la gota de aceite para medir la carga del electrón así como la masa del electrón y el número de Avogadro, ya que su relación con la carga del electrón era conocida.
El Profesor Millikan asumió el crédito único, a cambio de que Harvey Fletcher reclamara la autoría completa en un resultado relacionado para su disertación. Millikan continuó ganando el Premio Nobel de Física de 1923, en parte por este trabajo, y Fletcher mantuvo el acuerdo en secreto hasta su muerte. Después de una publicación sobre sus primeros resultados en 1910, observaciones contradictorias de Felix Ehrenhaft iniciaron una controversia entre los dos físicos. Después de mejorar su configuración, Millikan publicó su estudio seminal en 1913.
La carga elemental es una de las constantes físicas fundamentales, y el conocimiento preciso de su valor es de gran importancia. Su experimento midió la fuerza en pequeñas gotitas cargadas de aceite suspendidas contra la gravedad entre dos electrodos de metal. Conociendo el campo eléctrico, la carga en la gotita podría determinarse. Repitiendo el experimento para muchas gotitas, Millikan demostró que los resultados podían explicarse como múltiplos enteros de un valor común 1.592 × 10−19 culombio, que es la carga de un solo electrón. Que esto sea algo más bajo que el valor moderno de 1.602 176 5314 x 10−19 culombio es probablemente debido al uso de Millikan de un valor inexacto para la viscosidad del aire.
Aunque en el momento de los experimentos de gota de aceite de Millikan estaba quedando claro que existen tales cosas como partículas subatómicas, no todos estaban convencidos. Experimentando con rayos catódicos en 1897, J. J. Thomson había descubierto "corpúsculos" cargados negativamente, como los llamaba, con una relación carga-masa 1840 veces mayor que la de un ión de hidrógeno. Resultados similares habían sido encontrados por George FitzGerald y Walter Kaufmann. Sin embargo, la mayoría de lo que entonces se sabía sobre electricidad y magnetismo podría explicarse sobre la base de que la carga es una variable continua; de la misma manera que muchas de las propiedades de la luz pueden explicarse tratándola como una onda continua en lugar de como un flujo de fotones.
La belleza del experimento de la gota de aceite es que además de permitir una determinación bastante precisa de la unidad fundamental de carga, el aparato de Millikan también proporcionó una demostración "práctica" de que la carga es efectivamente cuantizada. Charles Steinmetz de la General Electric Company, quien previamente había pensado que la carga es una variable continua, se convenció de lo contrario después de trabajar con el aparato de Millikan.
Controversia sobre la selección de datos
Existe cierta controversia sobre la selectividad en el uso de Millikan de los resultados de su segundo experimento midiendo la carga del electrón. Este problema ha sido discutido por Allan Franklin, un antiguo experimentalista de alta energía y actual filósofo de la ciencia en la Universidad de Colorado. Franklin sostiene que las exclusiones de datos de Millikan no afectan el valor final de la carga obtenida, pero que la "cirugía cosmética" sustancial de Millikan redujo el error estadístico. Esto permitió que Millikan diera la carga del electrón con mejor que medio por ciento; de hecho, si Millikan hubiera incluido todos los datos que descartó, el error habría sido menor del 2%. Aunque esto aún habría resultado en que Millikan hubiera medido la carga de e− mejor que nadie más en ese momento, la incertidumbre ligeramente mayor podría haber permitido más desacuerdo con sus resultados dentro de la comunidad de físicos, lo cual Millikan probablemente intentó evitar. David Goodstein argumenta que la afirmación de Millikan, que todas las gotitas observadas durante un período de sesenta días fueron utilizadas en el artículo, fue aclarada en una oración posterior que especificó todas las "gotitas sobre las cuales se realizaron series completas de observaciones". Goodstein atestigua que este es efectivamente el caso y señala que cinco páginas de tablas separan las dos oraciones.
Efecto fotoeléctrico
Cuando Einstein publicó su seminal artículo de 1905 sobre la teoría corpuscular de la luz, Millikan estaba convencido de que tenía que estar equivocado, debido a la gran cantidad de evidencia que ya había mostrado que la luz era una onda. Realizó un programa experimental de una década para probar la teoría de Einstein, que requería construir lo que describía como "un taller de máquinas en vacío" para preparar la superficie muy limpia del fotoelectrodo. Sus resultados publicados en 1914 confirmaron las predicciones de Einstein en cada detalle, pero Millikan no estaba convencido de la interpretación de Einstein, y tan recientemente como en 1916 escribió, "La ecuación fotoeléctrica de Einstein... no puede en mi opinión considerarse actualmente como descansando sobre algún tipo de fundamento teórico satisfactorio", aunque "representa de hecho muy precisamente el comportamiento" del efecto fotoeléctrico. En su autobiografía de 1950, sin embargo, simplemente declaró que su trabajo "apenas permite alguna otra interpretación que la que Einstein había sugerido originalmente, a saber la de la teoría semicorpuscular o de fotones de la luz misma".
Como el trabajo de Millikan formó parte de la base de la física de partículas moderna, es irónico que fuera bastante conservador en sus opiniones sobre los desarrollos de física del siglo XX, como en el caso de la teoría del fotón. Otro ejemplo es que su libro de texto, tan tarde como la versión de 1927, establece sin ambigüedad la existencia del éter, y menciona la teoría de la relatividad de Einstein solo en una nota no comprometedora al final del epígrafe bajo el retrato de Einstein, declarando como el último en una lista de logros que fue "autor de la teoría especial de la relatividad en 1905 y de la teoría general de la relatividad en 1914, ambas han tenido gran éxito en explicar fenómenos de otra manera inexplicables y en predecir nuevos".
Millikan también es acreditado por medir el valor de la constante de Planck utilizando gráficos de emisión fotoeléctrica de varios metales.
Vida posterior
En 1917, el astrónomo solar George Ellery Hale convenció a Millikan de comenzar a pasar varios meses cada año en el Throop College of Technology, una pequeña institución académica en Pasadena, California, que Hale deseaba transformar en un importante centro de investigación científica y educación. Unos años después, Throop College se convirtió en el Instituto de Tecnología de California Caltech, y Millikan dejó la Universidad de Chicago para convertirse en el "presidente del consejo ejecutivo" de Caltech, efectivamente su presidente. Millikan serviría en esa posición de 1921 a 1945. En Caltech la mayor parte de su investigación científica se enfocó en el estudio de "rayos cósmicos", término que él acuñó. En los años treinta entró en un debate con Arthur Compton sobre si los rayos cósmicos estaban compuestos de fotones de alta energía (la opinión de Millikan) o partículas cargadas (la opinión de Compton). Millikan pensaba que sus fotones de rayos cósmicos eran los "gritos de nacimiento" de nuevos átomos continuamente creados para contrarrestar la entropía y prevenir la muerte térmica del universo. Compton eventualmente sería probado correcto por la observación de que los rayos cósmicos son desviados por el campo magnético terrestre y por lo tanto deben ser partículas cargadas.
Robert Millikan fue Vicepresidente del Consejo Nacional de Investigación durante la Primera Guerra Mundial. Durante ese tiempo, ayudó a desarrollar dispositivos anti-submarinos y meteorológicos. Recibió la Orden China de Jade. Después de la Guerra, Millikan contribuyó a los trabajos del Comité de Cooperación Intelectual de la Liga de Naciones desde 1922, en sustitución de George E. Hale, hasta 1931, con otros investigadores prominentes como Marie Curie, Albert Einstein, Hendrik Lorentz, etc. En su vida privada, Millikan era un jugador de tenis entusiasta. Estaba casado y tenía tres hijos, el mayor de los cuales, Clark B. Millikan, se convirtió en un prominente ingeniero aerodinámico. Otro hijo, Glenn, también físico, se casó con la hija Clare de George Leigh Mallory de "Porque está ahí" la fama del Monte Everest. Glenn fue asesinado en un accidente de escalada en las Montañas Cumberland en 1947.
Un hombre religioso e hijo de un ministro, en su vida posterior Millikan argumentó fuertemente a favor de una relación complementaria entre la fe cristiana y la ciencia. Abordó esto en sus Terry Lectures en Yale en 1926–27, publicadas como Evolution in Science and Religion. Era un teísta cristiano y proponente de la evolución teísta. Una creencia más controvertida suya fue la eugenesia. Fue uno de los fideicomisarios iniciales de la Human Betterment Foundation y elogió a San Marino, California por ser "el puesto más occidental de la civilización nórdica... una población que es dos veces más anglosajona que la que existe en Nueva York, Chicago, o cualquiera de las grandes ciudades de este país".
Cápsula de tiempo Westinghouse
En 1938, escribió un breve pasaje para ser colocado en las Cápsulas de Tiempo Westinghouse.
En este momento, 22 de agosto de 1938, los principios del gobierno de votación representativa, tal como están representados por los gobiernos de los países anglosajones, franceses y escandinavos, están en
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