La plénitude des connaissances signifie toujours une certaine compréhension de la profondeur de notre ignorance ; et cela est toujours propice à l'humilité et à la révérence.
Robert Andrews Millikan était un physicien expérimental américain honoré du prix Nobel de physique en 1923 pour la mesure de la charge électrique élémentaire et pour ses travaux sur l'effet photoélectrique.
Millikan a obtenu son diplôme du Oberlin College en 1891 et son doctorat de l'université Columbia en 1895. En 1896, il est devenu assistant à l'université de Chicago, où il est devenu professeur titulaire en 1910. En 1909, Millikan a commencé une série d'expériences pour déterminer la charge électrique portée par un seul électron. Il a commencé par mesurer la trajectoire de gouttelettes d'eau chargées dans un champ électrique. Les résultats ont suggéré que la charge des gouttelettes est un multiple de la charge électrique élémentaire, mais l'expérience n'était pas assez précise pour être convaincante. Il a obtenu des résultats plus précis en 1910 avec sa célèbre expérience de la goutte d'huile, dans laquelle il a remplacé l'eau, qui s'évaporait trop rapidement, par de l'huile.
En 1914, Millikan a entrepris avec un savoir-faire similaire la vérification expérimentale de l'équation introduite par Albert Einstein en 1905 pour décrire l'effet photoélectrique. Il a utilisé cette même recherche pour obtenir une valeur précise de la constante de Planck. En 1921, Millikan a quitté l'université de Chicago pour devenir directeur du Norman Bridge Laboratory of Physics au California Institute of Technology Caltech à Pasadena, en Californie. Là, il a entrepris une étude majeure du rayonnement que le physicien Victor Hess avait détecté en provenance de l'espace. Millikan a prouvé que ce rayonnement est effectivement d'origine extraterrestre, et il l'a nommé « rayons cosmiques ». En tant que président du Conseil exécutif de Caltech, l'organe directeur de l'école à l'époque, de 1921 jusqu'à sa retraite en 1945, Millikan a aidé à transformer l'école en l'une des institutions de recherche les plus prestigieuses des États-Unis. Il a également siégé au conseil d'administration de Science Service, désormais connu sous le nom de Society for Science & the Public, de 1921 à 1953.
Biographie
Éducation
Robert Andrews Millikan est né le 22 mars 1868 à Morrison, dans l'Illinois. Il a fréquenté le lycée à Maquoketa, dans l'Iowa, et a obtenu une licence en lettres classiques du Oberlin College en 1891 et son doctorat en physique de l'université Columbia en 1895 – il a été le premier à obtenir un doctorat de ce département.
À la fin de ma deuxième année [...] mon professeur de grec [...] m'a demandé d'enseigner le cours de physique élémentaire dans le département préparatoire pendant l'année suivante. À ma réponse que je ne connaissais pas du tout la physique, sa réponse a été : « Quiconque peut bien réussir dans mon cours de grec peut enseigner la physique. » « D'accord », ai-je dit, « vous devrez en subir les conséquences, mais je vais essayer de voir ce que je peux en faire. » J'ai immédiatement acheté les Elements of Physics d'Avery, et j'ai passé la plus grande partie de mes vacances d'été 1889 à la maison – essayant de maîtriser le sujet. [...] Je doute d'avoir jamais mieux enseigné dans ma vie que dans mon premier cours de physique en 1889. J'étais tellement intéressé à garder mes connaissances en avance sur celles de la classe qu'ils ont peut-être attrapé une partie de mon propre intérêt et de mon enthousiasme.
L'enthousiasme de Millikan pour l'éducation a continué tout au long de sa carrière, et il a été coauteur d'une série populaire et influente de manuels d'introduction, qui étaient en avance sur leur époque à bien des égards. Comparés à d'autres livres de l'époque, ils traitaient le sujet davantage de la manière dont les physiciens y pensaient. Ils contenaient également de nombreux problèmes de devoirs qui posaient des questions conceptuelles, plutôt que de simplement demander à l'étudiant de substituer des nombres à une formule.
Charge de l'électron
À partir de 1908, alors qu'il était professeur à l'université de Chicago, Millikan a travaillé sur une expérience de goutte d'huile dans laquelle il a mesuré la charge d'un seul électron. J. J. Thomson avait déjà découvert le rapport charge-masse de l'électron. Cependant, les valeurs réelles de la charge et de la masse étaient inconnues. Par conséquent, si l'une de ces deux valeurs était découverte, l'autre pouvait être facilement calculée. Millikan et son alors doctorant Harvey Fletcher ont utilisé l'expérience de la goutte d'huile pour mesurer la charge de l'électron ainsi que la masse de l'électron et le nombre d'Avogadro, puisque leur relation avec la charge de l'électron était connue.
Le professeur Millikan a pris tout le crédit, en échange de Harvey Fletcher revendiquant la pleine paternité sur un résultat connexe pour sa thèse. Millikan a continué à remporter le prix Nobel de physique de 1923, en partie pour ce travail, et Fletcher a gardé l'accord secret jusqu'à sa mort. Après une publication sur ses premiers résultats en 1910, des observations contradictoires de Felix Ehrenhaft ont déclenché une controverse entre les deux physiciens. Après avoir amélioré son dispositif, Millikan a publié son étude séminale en 1913.
La charge élémentaire est l'une des constantes physiques fondamentales, et la connaissance précise de sa valeur est d'une grande importance. Son expérience a mesuré la force sur de minuscules gouttelettes d'huile chargées suspendues contre la gravité entre deux électrodes métalliques. En connaissant le champ électrique, la charge sur la gouttelette pouvait être déterminée. En répétant l'expérience pour de nombreuses gouttelettes, Millikan a montré que les résultats pouvaient s'expliquer comme des multiples entiers d'une valeur commune de 1,592 × 10−19 coulomb, qui est la charge d'un seul électron. Le fait que ce soit quelque peu inférieur à la valeur moderne de 1,602 176 5314 x 10−19 coulomb est probablement dû à l'utilisation par Millikan d'une valeur inexacte pour la viscosité de l'air.
Bien qu'au moment des expériences de goutte d'huile de Millikan, il devenait clair qu'il existe des choses comme des particules subatomiques, tout le monde n'était pas convaincu. En expérimentant avec les rayons cathodiques en 1897, J. J. Thomson avait découvert des « corpuscules » chargés négativement, comme il les appelait, avec un rapport charge-masse 1840 fois celui d'un ion hydrogène. Des résultats similaires avaient été trouvés par George FitzGerald et Walter Kaufmann. La plupart de ce qui était alors connu sur l'électricité et le magnétisme, cependant, pouvait s'expliquer sur la base que la charge est une variable continue ; de la même manière que de nombreuses propriétés de la lumière peuvent s'expliquer en la traitant comme une onde continue plutôt que comme un flux de photons.
La beauté de l'expérience de la goutte d'huile est que, en plus de permettre une détermination assez précise de l'unité fondamentale de charge, l'appareil de Millikan a également fourni une démonstration « pratique » que la charge est effectivement quantifiée. Charles Steinmetz de la General Electric Company, qui avait auparavant pensé que la charge est une variable continue, a été convaincu du contraire après avoir travaillé avec l'appareil de Millikan.
Controverse sur la sélection des données
Il y a une certaine controverse sur la sélectivité dans l'utilisation par Millikan des résultats de sa deuxième expérience mesurant la charge de l'électron. Cette question a été discutée par Allan Franklin, ancien expérimentaliste des hautes énergies et actuel philosophe des sciences à l'université du Colorado. Franklin soutient que les exclusions de données de Millikan n'affectent pas la valeur finale de la charge obtenue, mais que la substantial « chirurgie cosmétique » de Millikan a réduit l'erreur statistique. Cela a permis à Millikan de donner la charge de l'électron à mieux qu'une moitié d'un pour cent ; en fait, si Millikan avait inclus toutes les données qu'il a écartées, l'erreur aurait été inférieure à 2 %. Bien que cela aurait toujours résulté en Millikan mesurant la charge de e− mieux que quiconque à l'époque, l'incertitude légèrement plus grande aurait peut-être permis plus de désaccord avec ses résultats au sein de la communauté physique, ce que Millikan a probablement cherché à éviter. David Goodstein soutient que la déclaration de Millikan, selon laquelle toutes les gouttes observées sur une période de soixante jours ont été utilisées dans l'article, a été clarifiée dans une phrase suivante qui spécifiait toutes les « gouttes sur lesquelles des séries complètes d'observations ont été effectuées ». Goodstein atteste que c'est effectivement le cas et note que cinq pages de tableaux séparent les deux phrases.
Effet photoélectrique
Quand Einstein a publié son article séminale de 1905 sur la théorie corpusculaire de la lumière, Millikan était convaincu que ce devait être mal, en raison du vaste corpus de preuves qui avait déjà montré que la lumière était une onde. Il a entrepris un programme expérimental d'une décennie pour tester la théorie d'Einstein, ce qui nécessitait de construire ce qu'il décrivait comme « un atelier d'usinage sous vide » afin de préparer la surface très propre de la photoélectrode. Ses résultats publiés en 1914 ont confirmé les prédictions d'Einstein dans les moindres détails, mais Millikan n'était pas convaincu de l'interprétation d'Einstein, et aussi tard qu'en 1916, il a écrit, « L'équation photoélectrique d'Einstein... ne peut à mon avis être considérée à l'heure actuelle comme reposant sur un fondement théorique satisfaisant », même si « elle représente très exactement le comportement » de l'effet photoélectrique. Dans son autobiographie de 1950, cependant, il a simplement déclaré que son travail « permet à peine une autre interprétation que celle qu'Einstein avait initialement suggérée, à savoir celle de la théorie semi-corpusculaire ou des photons de la lumière elle-même ».
Puisque le travail de Millikan a formé une partie de la base de la physique des particules moderne, il est ironique qu'il soit plutôt conservateur dans ses opinions sur les développements de la physique du XXe siècle, comme dans le cas de la théorie des photons. Un autre exemple est que son manuel, aussi tard que la version de 1927, énonce sans ambiguïté l'existence de l'éther, et mentionne la théorie de la relativité d'Einstein seulement dans une note non engageante à la fin de la légende sous le portrait d'Einstein, énumérant en dernier dans une liste de réalisations qu'il était « auteur de la théorie spéciale de la relativité en 1905 et de la théorie générale de la relativité en 1914, dont tous deux ont eu un grand succès dans l'explication de phénomènes autrement inexpliqués et dans la prédiction de nouveaux. »
Millikan est également crédité d'avoir mesuré la valeur de la constante de Planck en utilisant des graphiques d'émission photoélectrique de divers métaux.
Dernières années
En 1917, l'astronome solaire George Ellery Hale a convaincu Millikan de commencer à passer plusieurs mois chaque année au Throop College of Technology, une petite institution académique à Pasadena, en Californie, que Hale souhaitait transformer en un grand centre de recherche et d'éducation scientifiques. Quelques années plus tard, Throop College est devenu le California Institute of Technology Caltech, et Millikan a quitté l'université de Chicago pour devenir le « président du conseil exécutif » de Caltech, effectivement son président. Millikan a occupé ce poste de 1921 à 1945. À Caltech, la plupart de ses recherches scientifiques se sont concentrées sur l'étude des « rayons cosmiques », terme qu'il a inventé. Dans les années 1930, il s'est engagé dans un débat avec Arthur Compton sur la question de savoir si les rayons cosmiques étaient composés de photons de haute énergie – la position de Millikan – ou de particules chargées – la position de Compton. Millikan pensait que ses photons de rayons cosmiques étaient les « cris de naissance » de nouveaux atomes continuellement créés pour contrer l'entropie et prévenir la mort thermique de l'univers. Compton s'avérerait finalement avoir raison par l'observation que les rayons cosmiques sont déviés par le champ magnétique terrestre et doivent donc être des particules chargées.
Robert Millikan était vice-président du National Research Council pendant la Première Guerre mondiale. Pendant cette période, il a contribué à développer des appareils anti-sous-marins et météorologiques. Il a reçu l'Ordre chinois de Jade. Après la guerre, Millikan a contribué aux travaux de la Commission de la Société des Nations pour la coopération intellectuelle de 1922, en remplacement de George E. Hale, jusqu'à 1931, avec d'autres chercheurs éminents Marie Curie, Albert Einstein, Hendrik Lorentz, etc. Dans sa vie privée, Millikan était un joueur de tennis enthousiaste. Il était marié et avait trois fils, le plus âgé desquels, Clark B. Millikan, est devenu un éminent ingénieur aérodynamicien. Un autre fils, Glenn, également physicien, a épousé la fille Clare de George Leigh Mallory de « Parce que c'est là » la célébrité du Mont Everest. Glenn a été tué dans un accident d'escalade dans les Cumberland Mountains en 1947.
Homme religieux et fils d'un ministre, plus tard dans sa vie, Millikan a fortement plaidé en faveur d'une relation complémentaire entre la foi chrétienne et la science. Il a traité cette question dans ses Terry Lectures à Yale en 1926–27, publiées sous le titre Evolution in Science and Religion. Il était un théiste chrétien et partisan de l'évolution théiste. Une croyance plus controversée de sa part était l'eugénisme. Il était l'un des fiduciaires initiaux de la Human Betterment Foundation et a félicité San Marino, en Californie, d'être « le poste avancé occidental de la civilisation nordique... une population qui est deux fois plus anglo-saxonne que celle existant à New York, Chicago ou l'une des grandes villes de ce pays. »
Capsule temporelle Westinghouse
En 1938, il a écrit un court passage à placer dans les Capsules temporelles Westinghouse.
À ce moment, 22 août 1938, les principes du gouvernement par scrutin représentatif, tels que représentés par les gouvernements des pays anglo-saxons, français et scandinaves, sont en
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