Bývá označován za jeden z nejkrásnějších pokusů v dějinách fyziky. Slavný experiment Roberta Millikana, jehož výsledky byly publikovány právě před 110 lety, v srpnu roku 1913, elegantně změřil elementární jednotku elektrického náboje – elektrický náboj jednoho elektronu. Oproti dřívějším pokusům se Millikanovi podařilo hodnotu elektrického náboje výrazně zpřesnit, za což mu byla v roce 1923 udělena Nobelova cena. Opěvovaný experiment však vyvolal také kontroverze, když byl jeho autor – již posmrtně – obviněn, že výsledky svých měření záměrně zkreslil.
Americký experimentální fyzik Robert Millikan se narodil 22. března 1868 ve státě Illinois jako druhorozený syn kazatele. Po většinu svého dětství ale vyrůstal na venkově v sousedním státě Iowa. Střední školu absolvoval ve státě Ohio a poté se za dalším studiem vydal do New Yorku. Doktorát z fyziky si odnesl ze slavné Columbia University. Po studiích strávil rok v Německu, ale pak se vrátil do rodných Spojených států, kde přijal pozici na University of Chicago. Co do počtu stěhování by se tedy Millikan dal připodobnit k dnešnímu typickému Američanovi, který se za svůj život stěhuje v průměru až 12krát.
V roce 1906 byl již profesorem na chicagské univerzitě, úspěšným pedagogem a autorem učebnic. Na svůj fyzikální moment však osmatřicetiletý Millikan teprve čekal. Stejně jako většina experimentálních fyziků, také on snil o tom, že se mu jednou podaří učinit významný objev. Inspiraci našel u britského experimentátora J. J. Thomsona, který v roce 1897 objevil elektron, a tím započal éru částicové fyziky. Thomson, který za svůj výzkum obdržel v roce 1906 Nobelovu cenu, změřil poměr náboje k hmotnosti elektronu. Jeho další pokusy o samostatné změření elektrického náboje této elementární částice však selhávaly a poskytovaly pouze hrubý odhad hodnoty.
Od kapek oleje k Nobelově ceně
Thomson a další jeho následovníci měřili elektrický náboj elektronu pomocí měření rychlosti pohybu oblaků nabitých vodních kapek v gravitačním a elektrickém poli. A právě tady spatřil Robert Millikan svou příležitost. Uvědomil si, že větší přesnosti v určení elektrického náboje by mohl dosáhnout při měření na jednotlivých kapkách, nikoliv mlžných oblacích jako jeho předchůdci. S experimenty započal v roce 1909 a brzy zjistil, že na to, aby mohl provést přesné měření, se kapky vody příliš rychle odpařují. Zaúkoloval tedy svého doktoranda Harveyho Fletchera, aby pro experiment nalezl vhodnější látku, která se odpařuje pomaleji.
Obrázek: Přístroj na měření náboje elektronu
(Public domain, via Wikimedia Commons)
Fletcher přišel velmi rychle s návrhem použít kapky oleje, které se daly vytvářet s pomocí parfémového rozprašovače. Jednalo se o jednoduché a levné řešení. V Millikanově novém experimentálním uspořádání jsou tedy kapky oleje vstřikovány do vzduchem naplněné komory a díky ionizovanému vzduchu se nabíjejí. Nabité kapky poté padají nebo stoupají pod vlivem kombinace gravitace, viskozity vzduchu a elektrického pole, které experimentátor může libovolně upravovat. Pro sledování kapek je součástí experimentu speciálně navržený dalekohled a nedílnou součástí jsou i stopky k měření času stoupání nebo pádu kapky. Z dat získaných opakovaným měřením tak mohl být následně snadno vypočítán elektrický náboj sledované kapky oleje.
Již v roce 1910 zveřejnil Millikan první výsledky svého experimentu. Ty jasně ukazovaly, že náboje pozorovaných kapek jsou celočíselné násobky základní jednotky elektrického náboje. Vídeňský fyzik Felix Ehrenhaft ale kontroval Millikanovi se svým experimentem, ve kterém změřil mnohem nižší hodnotu elementárního náboje a svými výsledky obhajoval teorii existence subelektronů, jejichž uskupení měly tvořit jeden elektron. Millikan ale teorii subelektronů nevěřil a na Ehrenhaftovy závěry reagoval vylepšením svého experimentu tak, aby dosahoval větší přesnosti naměřených dat, a provedením další sady měření. V srpnu 1913 publikoval Millikan v Physical Review nové výsledky, ve kterých uváděl změřenou hodnotu elementárního elektrického náboje jako 1.592·10-19 C s nejistotou pouhých 0.2 %. Millikanova hodnota elementárního náboje je jen mírně nižší, než je v současnosti uznávaná hodnota 1.602·10-19 C, a to pravděpodobně proto, že Millikan použil nesprávnou hodnotu viskozity vzduchu.
Zdálo se, že tento krásný a jednoduchý experiment přesně určil základní jednotku elektrického náboje a přesvědčivě prokázal, že subelektrony neexistují. Stejného přesvědčení nabyla i nobelovská komise, která Millikanovi v roce 1923 udělila Nobelovu cenu za fyziku za výzkum elementárního elektrického náboje a fotoelektrického jevu. Komise tak Millikana ocenila nejen za změření elementárního elektrického náboje, ale i za přesné určení hodnoty Planckovy konstanty, kterou změřil v roce 1916.
Na začátku dvacátých let se Robert Millikan stal předsedou výkonné rady Kalifornského technologického institutu (Caltech) a ředitelem Norman Bridge Laboratory, která byla součástí institutu. Zbytek jeho kariéry se tedy nesl hlavně ve znamení podpory vědeckého vzdělávání, získávání finanční prostředků a vykonávání nejrůznějších administrativních činností. Nutno podotknout, že Millikanovy dovednosti v těchto oblastech byly stejně silné jako v oboru experimentální fyziky. Během čtvrt století jeho působení ve vedení se z Caltechu stalo místo vysoké koncetrace špičkových vědeckých mozků z celého světa. Do penze oficiálně odešel v roce 1946, ale i poté se nadále podílel na vědeckém výzkumu. Zemřel na infarkt 19. prosince 1953 v kalifornské Pasadeně.
Něco je špatně
Pochybnosti o slavném Millikanově pokusu vzbudila až pozdější prohlídka jeho laboratorních zápisníků. Ty se dostaly do rukou nejprve historikům a později i fyzikům. Ukázalo se, že Millikan mezi únorem a dubnem 1912 změřil mnohem více kapek oleje, než o kterých referoval ve svém článku. Zjištění je znepokojující, protože v samotné publikaci uvedl: „Je třeba poznamenat, že se nejedná o vybranou skupinu kapek, ale soubor dat obsahuje všechny kapky, které byly změřeny během 60 po sobě jdoucích dní.“ Avšak jeho zápisník odhalil poznámky jako „krása k publikování“ či „něco je špatně“ u měření, která Millikan do svého článku nezahrnul.
Bylo tomu opravdu tak, že Millikan záměrně opomíjel data, která nekorespondovala s jeho zamýšleným výsledkem? Je možné, že podlehl tlaku svého konkurenta Felixe Ehrenhafta a ve snaze vyvrátit jeho teorii subelektronů a prosadit se na poli fyziky část ze změřených kapek ze svého datasetu vyřadil. Někteří vědci a historikové tvrdí, že se Millikan pouze snažil dosáhnout větší přesnosti měření tím, že v článku uvedl pouze svá nejspolehlivější data, aniž by se záměrně snažil výsledek měření ovlivnit ve svůj prospěch. Z jeho zápisků můžeme usuzovat, že odmítl kapky, které byly příliš velké a rychle spadly, takže nebylo možné je přesně změřit, nebo naopak ty, které byly příliš malé, a tedy byly ovlivněny Brownovým pohybem.
Jaká byla Millikanova motivace k proklamaci, že publikuje kompletní soubor dat, a ne výběr z měření, se dnes již nedozvíme. Na obhajobu výsledků jeho pokusu je však nutné uvést, že vypočítaná hodnota elementárního elektrického náboje za použití všech dat zaznamenaných v jeho zápisníku se jen málo liší od Millikanem publikované hodnoty, kterou vypočítal ze svých vybraných měření. I když by tedy Millikan použil všechna měření, dosáhl by podobného výsledku. Je ale možné, že měření vykazující větší chybu by v jeho vědeckých souputnících vzbudila větší pochybnosti vůči úplnému zavržení teorie subelektronů.
Mohlo by vás také zajímat:
Důkaz
pro velký třesk. Před 60 lety bylo objeveno reliktní záření
Šedesát
let prvního československého laseru
Niels
Bohr: Fyzik, který „zvěčnil“ atom