La pienezza della conoscenza significa sempre una certa comprensione della profondità della nostra ignoranza; e questo è sempre conducente all'umiltà e al rispetto.
Robert Andrews Millikan era un fisico sperimentale americano onorato con il Premio Nobel per la Fisica nel 1923 per la misurazione della carica elettrica elementare e per il suo lavoro sull'effetto fotoelettrico.
Millikan si laureò al Oberlin College nel 1891 e ottenne il dottorato alla Columbia University nel 1895. Nel 1896 divenne assistente presso l'Università di Chicago, dove divenne professore ordinario nel 1910. Nel 1909 Millikan iniziò una serie di esperimenti per determinare la carica elettrica portata da un singolo elettrone. Iniziò misurando il percorso di goccioline d'acqua cariche in un campo elettrico. I risultati suggerivano che la carica sulle goccioline fosse un multiplo della carica elettrica elementare, ma l'esperimento non era abbastanza accurato per essere convincente. Ottenne risultati più precisi nel 1910 con il suo famoso esperimento della goccia d'olio in cui sostituì l'acqua, che tendeva a evaporare troppo rapidamente, con l'olio.
Nel 1914 Millikan affrontò con simile abilità la verifica sperimentale dell'equazione introdotta da Albert Einstein nel 1905 per descrivere l'effetto fotoelettrico. Utilizzò questa stessa ricerca per ottenere un valore accurato della costante di Planck. Nel 1921 Millikan lasciò l'Università di Chicago per diventare direttore del Norman Bridge Laboratory of Physics al California Institute of Technology Caltech a Pasadena, California. Lì intraprese uno studio importante della radiazione che il fisico Victor Hess aveva rilevato proveniente dallo spazio esterno. Millikan provò che questa radiazione è infatti di origine extraterrestre, e la chiamò "raggi cosmici." Come presidente dell'Executive Council del Caltech, l'organo di governo della scuola all'epoca, dal 1921 fino al suo pensionamento nel 1945, Millikan contribuì a trasformare la scuola in una delle principali istituzioni di ricerca negli Stati Uniti. Ha anche prestato servizio nel consiglio di amministrazione di Science Service, ora conosciuto come Society for Science & the Public, dal 1921 al 1953.
Biografia
Educazione
Robert Andrews Millikan nacque il 22 marzo 1868 a Morrison, Illinois. Frequentò la scuola superiore a Maquoketa, Iowa e ricevette una laurea in lettere classiche dal Oberlin College nel 1891 e il suo dottorato in fisica dalla Columbia University nel 1895 – fu il primo a conseguire un Ph.D. da quel dipartimento.
Alla fine del mio secondo anno [...] il mio professore di greco [...] mi chiese di insegnare il corso di fisica elementare nel dipartimento preparatorio durante l'anno successivo. Alla mia risposta che non conoscevo affatto la fisica, la sua risposta fu: "Chiunque possa fare bene nel mio greco può insegnare fisica." "Va bene," dissi io, "dovrai affrontarne le conseguenze, ma proverò a vedere cosa posso farne." Subito acquistai gli Elements of Physics di Avery, e passai la maggior parte della mia pausa estiva del 1889 a casa – cercando di padroneggiare l'argomento. [...] Dubito di aver mai insegnato meglio nella mia vita di quanto ho insegnato nel mio primo corso di fisica nel 1889. Ero così intensamente interessato a mantenere la mia conoscenza al di sopra di quella della classe che potrebbero aver colto un po' del mio stesso interesse e entusiasmo.
L'entusiasmo di Millikan per l'educazione continuò durante tutta la sua carriera, ed era coautore di una serie popolare e influente di libri di testo introduttivi, che erano avanti rispetto ai loro tempi in molti aspetti. Rispetto ad altri libri dell'epoca, affrontavano l'argomento più nel modo in cui era pensato dai fisici. Includevano anche molti problemi di compiti a casa che ponevano domande concettuali, piuttosto che semplicemente richiedere allo studente di inserire i numeri in una formula.
Carica dell'elettrone
A partire dal 1908, mentre era professore presso l'Università di Chicago, Millikan lavorò su un esperimento della goccia d'olio in cui misurava la carica su un singolo elettrone. J. J. Thomson aveva già scoperto il rapporto carica-massa dell'elettrone. Tuttavia, i valori effettivi della carica e della massa erano sconosciuti. Pertanto, se uno di questi due valori fosse stato scoperto, l'altro potrebbe essere facilmente calcolato. Millikan e il suo allora studente laureato Harvey Fletcher utilizzarono l'esperimento della goccia d'olio per misurare la carica dell'elettrone così come la massa dell'elettrone, e il numero di Avogadro, poiché la loro relazione con la carica dell'elettrone era nota.
Il Professor Millikan si prese il merito esclusivo, in cambio del fatto che Harvey Fletcher rivendicasse la piena paternità di un risultato correlato per la sua tesi. Millikan proseguì per vincere il Premio Nobel per la Fisica del 1923, in parte per questo lavoro, e Fletcher mantenne l'accordo segreto fino alla sua morte. Dopo una pubblicazione dei suoi primi risultati nel 1910, osservazioni contraddittorie di Felix Ehrenhaft iniziarono una controversia tra i due fisici. Dopo aver migliorato la sua configurazione, Millikan pubblicò il suo studio seminale nel 1913.
La carica elementare è una delle costanti fisiche fondamentali, e la conoscenza accurata del suo valore è di grande importanza. Il suo esperimento ha misurato la forza su minuscole goccioline cariche di olio sospese contro la gravità tra due elettrodi metallici. Conoscendo il campo elettrico, la carica sulla goccia potrebbe essere determinata. Ripetendo l'esperimento per molte goccioline, Millikan mostrò che i risultati potevano essere spiegati come multipli interi di un valore comune 1.592 × 10−19 coulomb, che è la carica di un singolo elettrone. Il fatto che sia leggermente inferiore al valore moderno di 1.602 176 5314 x 10−19 coulomb è probabilmente dovuto all'uso di Millikan di un valore inesatto per la viscosità dell'aria.
Sebbene al momento degli esperimenti con la goccia d'olio di Millikan stesse diventando chiaro che esistono cose come le particelle subatomiche, non tutti erano convinti. Sperimentando con i raggi catodici nel 1897, J. J. Thomson aveva scoperto "corpuscoli" negativamente caricati, come li chiamava, con un rapporto carica-massa 1840 volte quello di uno ione di idrogeno. Risultati simili erano stati trovati da George FitzGerald e Walter Kaufmann. La maggior parte di ciò che era allora noto sull'elettricità e il magnetismo, tuttavia, poteva essere spiegata sulla base che la carica è una variabile continua; nello stesso modo in cui molte delle proprietà della luce possono essere spiegate trattandola come un'onda continua piuttosto che come un flusso di fotoni.
La bellezza dell'esperimento della goccia d'olio è che oltre a consentire una determinazione abbastanza accurata dell'unità fondamentale di carica, l'apparato di Millikan ha anche fornito una dimostrazione "pratica" che la carica è effettivamente quantizzata. Charles Steinmetz della General Electric Company, che in precedenza aveva pensato che la carica fosse una variabile continua, divenne convinto altrimenti dopo aver lavorato con l'apparato di Millikan.
Controversia sulla selezione dei dati
C'è una certa controversia sulla selettività nell'uso dei risultati di Millikan dal suo secondo esperimento per misurare la carica dell'elettrone. Questo problema è stato discusso da Allan Franklin, un ex fisico sperimentale di alta energia e attuale filosofo della scienza presso l'Università del Colorado. Franklin sostiene che le esclusioni di dati di Millikan non influenzano il valore finale della carica ottenuta, ma che il notevole "intervento estetico" di Millikan ha ridotto l'errore statistico. Questo ha permesso a Millikan di dare la carica dell'elettrone a meglio di mezzo per cento; in realtà, se Millikan avesse incluso tutti i dati che ha scartato, l'errore sarebbe stato inferiore al 2%. Sebbene ciò avrebbe comunque comportato che Millikan avesse misurato la carica di e− meglio di chiunque altro all'epoca, l'incertezza leggermente più grande potrebbe aver consentito più disaccordo con i suoi risultati all'interno della comunità fisica, che Millikan probabilmente cercava di evitare. David Goodstein sostiene che l'affermazione di Millikan, secondo cui tutte le goccioline osservate in un periodo di sessanta giorni sono state utilizzate nel documento, è stata chiarita in una frase successiva che ha specificato tutte le "goccioline su cui erano state fatte serie complete di osservazioni". Goodstein attesta che questo è effettivamente il caso e nota che cinque pagine di tabelle separano le due frasi.
Effetto fotoelettrico
Quando Einstein pubblicò il suo seminale articolo del 1905 sulla teoria corpuscolare della luce, Millikan era convinto che dovesse essere sbagliato, a causa della vasta quantità di prove che avevano già mostrato che la luce era un'onda. Intraprese un programma sperimentale decennale per testare la teoria di Einstein, che richiedeva la costruzione di quello che descriveva come "una officina nel vuoto" per preparare la superficie molto pulita del fotoelettrodo. I suoi risultati pubblicati nel 1914 confermarono le previsioni di Einstein in ogni dettaglio, ma Millikan non era convinto dell'interpretazione di Einstein, e ancora nel 1916 scrisse: "L'equazione fotoelettrica di Einstein ... non può a mio giudizio essere considerata al momento come riposante su alcun tipo di fondamento teorico soddisfacente," anche se "rappresenta effettivamente molto accuratamente il comportamento" dell'effetto fotoelettrico. Nella sua autobiografia del 1950, tuttavia, dichiarò semplicemente che il suo lavoro "difficilmente consente alcun'altra interpretazione di quella che Einstein aveva originariamente suggerito, vale a dire quella della teoria semi-corpuscolare o fotonica della luce stessa".
Poiché il lavoro di Millikan ha formato una parte della base della fisica delle particelle moderna, è ironico che fosse piuttosto conservatore nelle sue opinioni sugli sviluppi della fisica del XX secolo, come nel caso della teoria dei fotoni. Un altro esempio è che il suo libro di testo, ancora nella versione del 1927, afferma inequivocabilmente l'esistenza dell'etere, e menziona la teoria della relatività di Einstein solo in una nota non impegnativa alla fine della didascalia sotto il ritratto di Einstein, affermando come ultimo in un elenco di risultati che era "autore della teoria speciale della relatività nel 1905 e della teoria generale della relatività nel 1914, entrambe le quali hanno avuto grande successo nel spiegare fenomeni altrimenti inspiegabili e nel predirne di nuovi."
Millikan è anche accreditato di aver misurato il valore della costante di Planck utilizzando grafici di emissione fotoelettrica di vari metalli.
Vita successiva
Nel 1917, l'astronomo solare George Ellery Hale convinse Millikan a iniziare a trascorrere diversi mesi all'anno presso il Throop College of Technology, una piccola istituzione accademica a Pasadena, California, che Hale desiderava trasformare in un importante centro per la ricerca scientifica e l'educazione. Pochi anni dopo Throop College divenne il California Institute of Technology Caltech, e Millikan lasciò l'Università di Chicago per diventare il "presidente dell'executive council" del Caltech, di fatto il suo presidente. Millikan servirebbe in quella posizione dal 1921 al 1945. Al Caltech la maggior parte della sua ricerca scientifica si è concentrata sullo studio dei "raggi cosmici", un termine che aveva coniato. Negli anni '30 entrò in un dibattito con Arthur Compton su se i raggi cosmici fossero composti da fotoni ad alta energia – la visione di Millikan – o particelle cariche – la visione di Compton. Millikan pensava che i suoi fotoni di raggi cosmici fossero i "gridi di nascita" di nuovi atomi continuamente creati per contrastare l'entropia e prevenire la morte termica dell'universo. Compton alla fine avrebbe provato ad avere ragione con l'osservazione che i raggi cosmici sono deflessi dal campo magnetico terrestre e quindi devono essere particelle cariche.
Robert Millikan era Vice Presidente del National Research Council durante la Prima Guerra Mondiale. Durante quel periodo, aiutò a sviluppare dispositivi anti-sottomarini e meteorologici. Ricevette l'Ordine della Giada cinese. Dopo la guerra, Millikan ha contribuito ai lavori del Comitato per la Cooperazione Intellettuale della Società delle Nazioni dal 1922, in sostituzione di George E. Hale, al 1931, con altri ricercatori prominenti Marie Curie, Albert Einstein, Hendrik Lorentz, ecc. Nella sua vita privata, Millikan era un giocatore di tennis entusiasta. Era sposato e aveva tre figli, il maggiore dei quali, Clark B. Millikan, divenne un noto ingegnere aerodinamico. Un altro figlio, Glenn, anche lui fisico, sposò la figlia Clare di George Leigh Mallory di "Perché è lì" la fama dell'Everest. Glenn fu ucciso in un incidente d'arrampicata nelle Cumberland Mountains nel 1947.
Un uomo religioso e figlio di un ministro, nella sua vita successiva Millikan ha argomentato fortemente a favore di una relazione complementare tra la fede cristiana e la scienza. Affrontò questo argomento nelle sue Terry Lectures a Yale nel 1926–27, pubblicate come Evolution in Science and Religion. Era un teista cristiano e sostenitore dell'evoluzione teistica. Una credenza più controversa della sua era l'eugenetica. Era uno dei primi amministratori della Human Betterment Foundation e lodava San Marino, California per essere "l'avamposto più occidentale della civiltà nordica ... una popolazione che è il doppio più anglo-sassone di quella esistente a New York, Chicago, o in una qualsiasi delle grandi città di questo paese."
Capsula del tempo Westinghouse
Nel 1938, ha scritto un breve passaggio da inserire nelle Capsule del Tempo Westinghouse.
In questo momento, 22 agosto 1938, i principi del governo rappresentativo di ballottaggio, come sono rappresentati dai governi dei paesi anglo-sassoni, francesi e scandinavi, sono in
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