Robert Andrews Millikan (1868–1953): Pionero en la Determinación de la Carga del Electrón

Robert Andrews Millikan (1868–1953): Pionero en la Determinación de la Carga del Electrón

Infancia y formación académica

Robert Andrews Millikan nació en Morrison, Illinois, en 1868, en el seno de una familia de clase media. Su padre, un hombre con intereses diversos, le transmitió el valor del conocimiento y la educación. Durante su niñez, Millikan mostró un gran interés por las lenguas clásicas, especialmente el griego, lo que reflejaba su inclinación hacia las humanidades. Sin embargo, este enfoque cambió con el tiempo, ya que pronto descubrió su fascinación por las ciencias naturales.

A pesar de su temprano interés en las lenguas, Millikan se matriculó en la Escuela Superior de Maquoketa en el estado de Iowa, donde se destacó como un estudiante brillante. Fue allí donde comenzó a cambiar su rumbo hacia la física. Posteriormente, se inscribió en la Universidad de Oberlin en Ohio, una institución conocida por su énfasis en las ciencias y las artes liberales. Fue en Oberlin donde Millikan profundizó en sus estudios de física, alcanzando un notable desempeño académico.

En 1891, a los 23 años, Millikan completó su grado y fue nombrado profesor en Oberlin College, donde enseñó durante algunos años. No obstante, su ambición de avanzar en el campo de la física lo llevó a la Universidad de Columbia en 1893, donde inició sus estudios de posgrado. Este período de su vida fue crucial, pues en Columbia, Millikan se dedicó por completo a la física, trabajando con notables académicos y asimilando rápidamente los avances de la disciplina.

En 1895, Millikan dejó Nueva York para estudiar en Europa, un viaje que marcaría un antes y un después en su carrera. Se dirigió primero a París, donde estudió las teorías científicas más recientes. Después, se trasladó a Berlín y Göttingen, dos centros de vanguardia en el campo de la física teórica y experimental. Estas experiencias europeas ampliaron enormemente su horizonte académico y científico.

Primeros trabajos en la investigación científica

En 1896, Millikan regresó a los Estados Unidos y se estableció en Chicago, donde comenzó a enseñar física. Fue aquí donde inició una colaboración con el famoso físico Albert A. Michelson, pionero en la medición de la velocidad de la luz. Aunque Michelson fue un mentor influyente, Millikan pasó los primeros años de su carrera más enfocado en la enseñanza y la redacción de libros de texto que en la investigación experimental. Esta etapa, aunque fructífera como educador, no fue particularmente productiva en términos de descubrimientos científicos.

Sin embargo, en 1906, cuando Millikan tenía 38 años, su carrera dio un giro importante. Fue promovido a profesor agregado, un puesto que le permitió dedicar más tiempo a la investigación. Este cambio significó un punto de inflexión, ya que Millikan se comprometió seriamente con la idea de medir la carga del electrón, un objetivo científico que definiría su legado.

La llegada del experimento de la gota de aceite

El proyecto que le daría fama internacional fue su experimento de la gota de aceite, un experimento diseñado para medir con precisión la carga del electrón. La idea de Millikan era resolver uno de los problemas más persistentes de la física de la época: determinar el valor de la carga elemental, la unidad básica de electricidad que se encuentra en partículas subatómicas como los electrones.

El experimento original de H.A. Wilson, que utilizaba gotas de agua para medir la carga, fue el punto de partida. Millikan, sin embargo, introdujo una mejora significativa. En lugar de agua, utilizó aceite mineral, lo que permitió que las gotas se mantuvieran estables durante un periodo más largo debido a la menor evaporación del aceite. Además, este cambio hizo posible que se observara una sola gota a la vez, facilitando la medición precisa de su movimiento.

El dispositivo experimental de Millikan consistía en un pulverizador de aceite que generaba las pequeñas gotas que caían entre dos placas metálicas conectadas a una batería. Estas placas creaban un campo eléctrico que podía ser ajustado para contrarrestar la gravedad que actuaba sobre las gotas. De esta manera, Millikan podía observar si las gotas se mantenían suspendidas, ascendían o descendían según la fuerza eléctrica que se aplicaba.

El experimento de la gota de aceite

El método consistía en observar cómo las gotas de aceite respondían al campo eléctrico. El dispositivo estaba diseñado para iluminar las gotas a través de las paredes laterales del aparato, lo que permitía a Millikan ver con claridad el movimiento de las gotas. Durante el experimento, se ajustaba el campo eléctrico para que algunas gotas quedaran suspendidas en equilibrio, es decir, sin moverse. Esto ocurría cuando la fuerza eléctrica hacia arriba contrarrestaba exactamente el peso de la gota.

El siguiente paso era someter las gotas a radiación ionizante (por ejemplo, rayos X) para cargar las gotas con electrones adicionales. Al hacer esto, Millikan observaba cómo las gotas se movían hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la carga adquirida. Mediante el análisis del movimiento de las gotas y utilizando la ley de Stokes para calcular la resistencia por viscosidad, Millikan fue capaz de deducir la carga de un electrón.

Resultados del experimento y la determinación de la carga del electrón

Los resultados del experimento fueron revolucionarios. En 1917, Millikan confirmó que la carga medida era siempre un múltiplo de un valor constante, 1,59 × 10^-19 coulombs. Este hallazgo demostró que la carga del electrón era una constante fundamental en la naturaleza, y el valor fue aceptado como la unidad natural de carga. Este experimento se convirtió en uno de los pilares de la física moderna y proporcionó una base sólida para el estudio de la electricidad y la teoría cuántica.

El trabajo de Millikan no solo tuvo una gran importancia científica, sino que también sentó las bases para futuras investigaciones sobre la estructura de la materia a nivel subatómico. En 1941, el valor de la carga del electrón medido por Hooper y Laby utilizando el método de Millikan fue confirmado como 1,602 × 10^-19 C, un valor que se sigue considerando exacto hoy en día.

Reconocimiento y premios

La investigación de Robert Millikan no pasó desapercibida en la comunidad científica. Su trabajo pionero sobre la carga del electrón, junto con su habilidad para enseñar y su profundo conocimiento de la física, lo catapultaron al reconocimiento internacional. En 1916, su contribución al avance de la ciencia le permitió acceder a una de las posiciones más prestigiosas en el mundo académico. Millikan fue nombrado presidente de la American Physical Society, una de las instituciones científicas más influyentes de Estados Unidos. Este nombramiento reflejaba el respeto que se le tenía dentro de la comunidad científica, pero también su capacidad para liderar y dirigir investigaciones de gran envergadura.

En 1923, Millikan recibió el Premio Nobel de Física por su investigación sobre la carga del electrón y su confirmación de la constante de Planck. Este galardón consolidó su estatus como uno de los científicos más importantes de su tiempo. En su discurso de aceptación, Millikan destacó la importancia de la precisión experimental y la colaboración entre la teoría y la práctica en la ciencia. A pesar de la controversia que surgiría más tarde sobre algunos aspectos de su investigación, este premio subrayó el impacto duradero de su trabajo en el desarrollo de la física moderna.

Aportes al estudio de la luz y los fotones

Otro de los aspectos fundamentales de la carrera de Millikan fue su estudio del efecto fotoeléctrico, un fenómeno crucial para el desarrollo de la teoría cuántica. El efecto fotoeléctrico, descubierto por Heinrich Hertz en 1887, fue interpretado por Albert Einstein en 1905 como una manifestación de la naturaleza cuántica de la luz, en la que los fotones (partículas de luz) transfieren energía a los electrones, liberándolos de los átomos.

En 1916, Millikan realizó experimentos que confirmaron las predicciones de Einstein sobre este fenómeno. Su investigación permitió medir la constante de Planck con alta precisión, corroborando así la existencia de los fotones y proporcionando una base sólida para la teoría cuántica de la luz. Esta investigación sobre el efecto fotoeléctrico se convirtió en un componente clave de la física cuántica, consolidando aún más la reputación de Millikan como uno de los líderes en el campo de la física experimental.

Los rayos cósmicos y sus investigaciones

En la década de 1920, Millikan comenzó a explorar un fenómeno fascinante: los rayos cósmicos, una fuente de partículas de alta energía provenientes del espacio exterior. Los rayos cósmicos habían sido descubiertos en 1912 por el físico Victor Hess, pero su origen y naturaleza seguían siendo un misterio. Millikan se embarcó en una serie de expediciones a lugares remotos como Australia y la India, donde realizó experimentos a gran altitud para estudiar cómo estos rayos se comportaban a diferentes niveles en la atmósfera.

A través de sus investigaciones, Millikan demostró que los rayos cósmicos provenían del espacio exterior y no de la atmósfera terrestre, como algunos habían sugerido. Además, observó que la intensidad de estos rayos aumentaba conforme ascendía la altitud, lo que proporcionaba más evidencia de su origen extraterrestre. Estos hallazgos ayudaron a sentar las bases para la comprensión moderna de los rayos cósmicos y abrieron nuevas áreas de investigación sobre el espacio exterior y las partículas subatómicas.

Su último trabajo y la relación ciencia-religión

En los últimos años de su carrera, Millikan comenzó a interesarse por la reconciliación entre la ciencia y la religión, un tema que lo llevó a explorar nuevas fronteras del conocimiento, pero también a enfrentarse a desafíos intelectuales. Su último trabajo, relacionado con los rayos cósmicos, no tuvo el éxito esperado. Millikan intentó probar la idea errónea de que los rayos cósmicos eran radiaciones electromagnéticas residuales del origen de la materia. Esta teoría, que no se ajustaba a los descubrimientos previos sobre los rayos cósmicos, fue finalmente descartada por otros investigadores.

Además, Millikan llegó a ser conocido por su postura conservadora en cuanto a la ciencia y la religión. En sus últimos años, expresó su creencia de que la ciencia y la religión no solo podían coexistir, sino que se complementaban mutuamente. Esta visión, aunque controvertida en algunos círculos científicos, reflejaba su convicción personal de que el estudio de la naturaleza no debía excluir la búsqueda de un significado más profundo en el universo.

Legado y controversias sobre su trabajo

El legado de Millikan es vasto y sigue presente en muchas áreas de la ciencia. Como educador y director del Instituto Tecnológico de California (Caltech), Millikan ayudó a transformar la institución en uno de los centros más importantes de investigación científica del mundo. Bajo su liderazgo, Caltech se consolidó como un referente en la investigación científica, y su capacidad para recaudar fondos y atraer talento contribuyó al crecimiento de la institución.

Sin embargo, el legado de Millikan también está marcado por una controversia que surgió tras su muerte. En 1982, Harvey Fletcher, uno de los colaboradores más cercanos de Millikan, publicó un manuscrito póstumo en el que afirmaba que él fue el primero en medir cargas sobre gotas de aceite y que, en realidad, había sido quien sugirió el uso del aceite en el experimento. Fletcher también indicó que esperaba ser coautor del artículo original sobre la medición de la carga del electrón, pero que Millikan lo había disuadido de hacerlo. Esta revelación ha generado debates sobre la autoría del experimento de la gota de aceite y el papel de Millikan en el desarrollo de este hito científico. Sin embargo, a pesar de estas controversias, el impacto de Millikan en la física experimental y su contribución a la comprensión de los fundamentos de la materia siguen siendo indiscutibles.

Obras y contribuciones didácticas

Además de sus investigaciones experimentales, Millikan también dejó una vasta producción de obras didácticas que han influido en generaciones de estudiantes de física. Entre sus principales publicaciones destacan «A Course of College Experiments in Physics» (1898), «Mechanics, Molecular Physics and Heat» (1901), «A First Course in Physics» (1906), y «The Rotation and Measurement of the Electron» (1916). Estas obras, que combinaban la teoría con la práctica experimental, fueron fundamentales para la enseñanza de la física en Estados Unidos y en el resto del mundo.

Millikan falleció en 1953, dejando atrás una carrera científica y educativa que influyó profundamente en la física del siglo XX. Su legado no solo perdura en sus descubrimientos sobre el electrón y los rayos cósmicos, sino también en su capacidad para inspirar a futuras generaciones de científicos y en la forma en que contribuyó al avance de la física experimental.