Robert Millikan bylo víc než jen učebnicové jméno. Byl to stejný člověk, který přesně určil náboj elektronu. Narodil se v Morrisonu, Illinois, v roce 1868, vyrostl uprostřed amerického Středozápadu, než se přestěhoval do akademických center východního pobřeží. Jeho cesta začala na Oberlin College, kde promoval v roce 1891. Následovala Kolumbijská univerzita, kde v roce 1895, o čtyři roky později, získal titul Ph.D.
Nobelova cena za fyziku z roku 1923 nebyla udělena za spekulace. Byla oceněna za důkaz.
V roce 1896 přijal místo asistenta na University of Chicago. Nedlouho poté se prosadil a v roce 1910 se stal řádným profesorem. Při vyučování psal učebnice fyziky. Nebyly to suché, zaprášené svazky. Hojně je využívali studenti středních a vysokých škol. Formovaly způsob, jakým se celá generace učila o fyzickém světě.
Ale jeho skutečný odkaz nebyl ve třídě. Bylo to v laboratoři. Millikan je známý dvěma hlavními úspěchy: studiem elementárního elektronického náboje a studiem fotoelektrického jevu. Fotovoltaický efekt zůstával po desetiletí záhadou. Světlo dopadající na kov by mohlo vyřadit elektrony. Ale kolik energie to vyžadovalo? A jak rychle se pohybovaly elektrony? Einstein nabídl vysvětlení, ale potřeboval důkaz.
Milliken poskytl tento důkaz. A šel dál. Chtěl znát přesnou hodnotu náboje elektronu. Bylo to nepatrné číslo. Na tehdejší nástroje nemožně malý. Našel však způsob, jak to změřit.
Experimentujte s kapkami oleje
jak to udělal? Používal olejové kapky.
Millikan navrhl experiment, který vypadal jednoduše, ale vyžadoval velkou přesnost. Stříkal do komory drobné kapky oleje. Tyto kapky získaly náboj v důsledku tření. Poté aplikoval elektrické pole. Pole vzdorovalo gravitaci. Sledoval, jak se kapky vznášejí ve vzduchu.
Vyrovnáním sil mohl vypočítat náboj. Toto opakoval tisíckrát. Výsledky byly konzistentní. Poplatek byl vždy celočíselný násobek základní hodnoty. Tato základní hodnota byla nábojem jednoho elektronu.
Tohle byl zlom. To prokázalo, že náboj je kvantovaný. Nebylo to nepřetržité. Nemůžeš mít poloviční náboj než elektron. Bylo to všechno nebo nic. To potvrdilo atomovou teorii hmoty způsobem, který nikdy předtím nebyl dosažen.
Proč je to dnes důležité?
Tak proč by vás mělo zajímat, kdo je Robert Millikan?
Jeho práce mu v roce 1923 nevynesla jen Nobelovu cenu. Položila základ moderní elektroniky. Pokaždé, když nabijete telefon, pokaždé, když solární panel přemění světlo na elektřinu, máte co do činění s principy, které pomohl definovat Millikan. Fotovoltaický efekt je základem provozu solárních článků. Millikanova pečlivá měření odhalila, kolik energie každý elektron nese.
Bez jeho přesných dat by kvantové revoluci mohlo trvat mnohem déle, než nabrala na síle. Teoretický koncept proměnil v měřitelný fakt.
Milliken zemřel v roce 1953 v San Marinu v Kalifornii. Zanechal po sobě obrovské dědictví, které změnilo způsob, jakým vidíme stavební kameny vesmíru. Jeho čísla používáme dodnes. Stále spoléháme na důvěru, kterou přinesl do oblasti plné nejistoty.
Příště ty
Přesné určení základního náboje
Millicanovo pátrání po náboji jednotlivého elektronu začalo v roce 1909. Nejprve sledoval pohyb nabitých kapiček vody v elektrickém poli. Data ukazovala na vzorec: náboj na těchto kapičkách se zdál být násobkem nějaké základní jednotky. Výsledná čísla však byla nepřesná. Experiment neměl potřebnou přesnost, aby přesvědčil fyzikální komunitu.
Problémem byla voda. Vypařoval se příliš rychle. Příliš rychlé pro přesná měření.
Proto v roce 1910 změnil taktiku. Vodu nahradil olejem. Experiment s olejovými kapkami se stal legendárním. Mezi dvě kovové desky zavěsil kapky oleje. Upravoval napětí, až kapka visela absolutně nehybně. Gravitace stažena, elektřina vytažena. Síly se navzájem vyrovnaly. V tom přesném okamžiku zavěšení mohl vypočítat náboj. Výsledky byly jasné. Přesvědčivý.
Potvrzení Einsteinovy radikální teorie
V roce 1916 Millican obrátil svou pozornost ke světlu. Totiž fotoelektrický jev. Tento jev zmátl fyziky. Když světlo dopadlo na kovovou desku, vyrazilo elektrony. Ale proč? jak to fungovalo?
Einstein navrhl řešení v roce 1905. Světlo považoval za kvantový jev. Jeho rovnice byla jednoduchá, ale revoluční: E = hf – φ. Energie vyvrženého elektronu byla rovna Planckově konstantě krát frekvence světla mínus pracovní funkce kovu.
Mnoho fyziků to odmítlo. To bylo v rozporu se zavedenou vlnovou teorií. Millican si dal za cíl to vyvrátit. Použil stejnou přísnou experimentální techniku, jakou použil pro kapky oleje. Měřil fotoelektrický jev s extrémní přesností.
“Millikanova měření potvrdila Einsteinovu teorii a umožnila nám získat přesnou hodnotu Planckovy konstanty.”
Ironickým způsobem dokázal, že Einstein měl pravdu. Také přesně určil Planckovu konstantu. Jeho data potvrdila teorii, která se dříve zdála kacířská.
Účast na válečném úsilí a kosmickém záření
Situace se změnila v roce 1917. Spojené státy vstoupily do první světové války. Millican se vzdálil čisté fyzice. Stal se místopředsedou Národní rady pro výzkum ve Washingtonu, DC. Jeho role byla praktická. Pomohl vědcům aplikovat jejich výzkum na válečné úsilí.
Vrátil se na akademickou půdu v roce 1919 se sídlem v Chicagu. Ale tah na Západ byl silný. V roce 1921 opustil University of Chicago. Přijal novou pozici ředitele Norman Bridge Physics Laboratory na California Institute of Technology (Caltech) v Pasadeně.
Tam zkoumal podivný signál. Fyzik Victor Hess objevil záření přicházející z vesmíru. Bylo pozemského původu? Nebo mimozemské?
Millican dokázal, že je mimozemský. Identifikoval jeho původ. Dal tomu i jméno. Nazval to kosmické paprsky. Termín se zasekl.
Budování výzkumného impéria
Millicanův vliv se rozšířil mimo laboratoř. Působil jako předseda výkonné rady Caltechu. Tuto pozici zastával od roku 1921 až do svého odchodu do důchodu v roce 1945.
Během těchto dvaceti čtyř let ústav proměnil. Caltech se rozrostl v jedno z předních výzkumných center ve Spojených státech. Základ, který položil, zůstává pevný. Práce pokračovaly. Otázky stále zůstaly nezodpovězeny.
