Robert Millikan to coś więcej niż tylko podręcznikowe nazwisko. Był to ten sam człowiek, który dokładnie określił ładunek elektronu. Urodzony w Morrison w stanie Illinois w 1868 roku, dorastał na Środkowym Zachodzie Ameryki, zanim przeniósł się do ośrodków akademickich na wschodnim wybrzeżu. Jego podróż rozpoczęła się w Oberlin College, gdzie ukończył studia w 1891 r. Następnie studiował na Uniwersytecie Columbia, gdzie w 1895 r., cztery lata później, uzyskał stopień doktora.
Nagroda Nobla z fizyki za rok 1923 nie została przyznana w wyniku spekulacji. Została nagrodzona za dowody.
W 1896 roku przyjął stanowisko asystenta na Uniwersytecie w Chicago. Niedługo później piął się po szczeblach kariery, uzyskując w 1910 roku tytuł profesora zwyczajnego. W czasie nauczania pisał podręczniki do fizyki. Nie były to suche i zakurzone tomy. Powszechnie korzystali z nich uczniowie szkół średnich i studenci. Ukształtowali sposób, w jaki całe pokolenie zdobywało wiedzę o świecie fizycznym.
Ale jego prawdziwe dziedzictwo nie znajdowało się w klasie. To było w laboratorium. Millikan jest znany z dwóch głównych osiągnięć: badania elementarnego ładunku elektronicznego i badania efektu fotoelektrycznego. Efekt fotowoltaiczny pozostaje tajemnicą od dziesięcioleci. Światło padające na metal może wybić elektrony. Ale ile energii to wymagało? I z jaką prędkością poruszały się elektrony? Einstein zaproponował wyjaśnienie, ale potrzebował dowodu.
Milliken przedstawił ten dowód. I poszedł dalej. Chciał poznać dokładną wartość ładunku elektronu. To była niewielka liczba. Niemożliwie mały jak na ówczesne instrumenty. Znalazł jednak sposób, aby to zmierzyć.
Eksperymentuj z kroplami oleju
Jak on to zrobił? Używał kropli oleju.
Millikan zaprojektował eksperyment, który wyglądał na prosty, ale wymagał dużej precyzji. Rozpylił do komory maleńkie kropelki oleju. Krople te nabrały ładunku w wyniku tarcia. Następnie przyłożył pole elektryczne. Pole przeciwstawiło się grawitacji. Patrzył, jak krople unoszą się w powietrzu.
Równoważąc siły, mógł obliczyć ładunek. Powtarzał to tysiące razy. Wyniki były spójne. Opłata była zawsze całkowitą wielokrotnością wartości bazowej. Tą bazową wartością był ładunek jednego elektronu.
To był punkt zwrotny. To udowodniło, że ładunek jest skwantowany. To nie było ciągłe. Nie można mieć ładunku o połowę mniejszego niż elektron. To było wszystko albo nic. Potwierdziło to atomową teorię materii w sposób, jakiego nigdy wcześniej nie osiągnięto.
Dlaczego jest to dziś ważne?
Dlaczego więc powinno Cię obchodzić, kim jest Robert Millikan?
Jego praca nie tylko przyniosła mu Nagrodę Nobla w 1923 r., ale położyła podwaliny pod nowoczesną elektronikę. Za każdym razem, gdy ładujesz telefon, za każdym razem, gdy panel słoneczny przekształca światło w energię elektryczną, masz do czynienia z zasadami, które Millikan pomógł zdefiniować. Efekt fotowoltaiczny leży u podstaw działania ogniw słonecznych. Dokładne pomiary Millikana ujawniły, ile energii niesie każdy elektron.
Bez jego dokładnych danych rewolucja kwantowa mogłaby nabrać rozpędu znacznie dłużej. Zamienił teoretyczną koncepcję w mierzalny fakt.
Milliken zmarł w 1953 roku w San Marino w Kalifornii. Pozostawił po sobie ogromne dziedzictwo, które zmieniło sposób, w jaki postrzegamy elementy składowe wszechświata. Do dziś używamy jego numerów. Nadal polegamy na pewności, jaką wniósł w obszar pełen niepewności.
Następnym razem ty
Dokładne określenie ładunku podstawowego
Poszukiwania Millicana dotyczące ładunku pojedynczego elektronu rozpoczęły się w 1909 roku. Najpierw prześledził ruch naładowanych kropelek wody w polu elektrycznym. Dane wskazywały na pewien wzór: ładunek tych kropelek wydawał się być wielokrotnością jakiejś podstawowej jednostki. Otrzymane liczby były jednak niedokładne. Eksperyment nie charakteryzował się wystarczającą precyzją, aby przekonać społeczność fizyków.
Problemem była woda. Wyparowało zbyt szybko. Zbyt szybko, aby można było dokonać dokładnych pomiarów.
Dlatego w 1910 roku zmienił taktykę. Wodę zastąpił olejem. Eksperyment z kroplami oleju stał się legendą. Zawiesił krople oleju pomiędzy dwiema metalowymi płytkami. Regulował napięcie, aż kropla wisiała w całkowitym bezruchu. Grawitacja spadła, elektryczność wzrosła. Siły się równoważyły. W tym właśnie momencie zawieszenia mógł obliczyć ładunek. Wyniki były jasne. Przekonywający.
Potwierdzenie radykalnej teorii Einsteina
W 1916 roku Millican skupił się na świetle. Mianowicie efekt fotoelektryczny. Zjawisko to wprawiło fizyków w zakłopotanie. Kiedy światło uderzyło w metalową płytkę, wybiło elektrony. Ale dlaczego? Jak to działało?
Einstein zaproponował rozwiązanie w 1905 roku. Postrzegał światło jako zjawisko kwantowe. Jego równanie było proste, ale rewolucyjne: E = hf – φ. Energia wyrzuconego elektronu była równa stałej Plancka pomnożonej przez częstotliwość światła, minus funkcja pracy metalu.
Wielu fizyków odrzuciło tę teorię. Było to sprzeczne z ustaloną teorią fal. Millican postawił sobie za cel obalenie tej tezy. Zastosował tę samą rygorystyczną technikę eksperymentalną, której użył w przypadku kropli oleju. Zmierzył efekt fotoelektryczny z niezwykłą precyzją.
„Pomiary Millikana potwierdziły teorię Einsteina i pozwoliły nam uzyskać dokładną wartość stałej Plancka.”
W ironiczny sposób udowodnił, że Einstein miał rację. Dokładnie wyznaczył także stałą Plancka. Jego dane potwierdziły teorię, która wcześniej wydawała się heretycka.
Udział w wysiłku wojennym i promieniowaniu kosmicznym
Sytuacja uległa zmianie w roku 1917. Stany Zjednoczone przystąpiły do I wojny światowej. Millican odszedł od czystej fizyki. Został wiceprzewodniczącym Krajowej Rady ds. Badań Naukowych w Waszyngtonie. Jego rola była praktyczna. Pomógł naukowcom zastosować ich badania do wysiłku wojennego.
Wrócił do środowiska akademickiego w 1919 roku z siedzibą w Chicago. Jednak pociąg ku Zachodowi był silny. W 1921 opuścił Uniwersytet w Chicago. Przyjął nowe stanowisko dyrektora Norman Bridge Physics Laboratory w California Institute of Technology (Caltech) w Pasadenie.
Tam zbadał dziwny sygnał. Fizyk Victor Hess odkrył promieniowanie pochodzące z kosmosu. Czy miało ono ziemskie pochodzenie? Albo pozaziemskie?
Millican udowodnił, że jest to obiekt pozaziemski. Ustalił jego pochodzenie. Nadał mu także nazwę. Nazwał to promieniami kosmicznymi. Termin utknął.
Budowanie imperium badawczego
Wpływ Millicana wykraczał poza laboratorium. Pełnił funkcję prezesa zarządu Caltech. Funkcję tę pełnił od 1921 r. do przejścia na emeryturę w 1945 r.
W ciągu tych dwudziestu czterech lat przekształcił instytut. Caltech wyrósł na jeden z wiodących ośrodków badawczych w Stanach Zjednoczonych. Fundament, który położył, pozostaje mocny. Praca była kontynuowana. Pytania nadal pozostały bez odpowiedzi.
