Robert Andrews Millikan

Em 1909, Millikan trabalhou em um experimento no qual mediu a carga de um único elétron. J. J. Thomson já havia descoberto a relação carga-massa do elétron. No entanto, os valores reais de carga e massa eram desconhecidos. Portanto, se um desses dois valores fosse descoberto, o outro poderia ser facilmente calculado. Millikan e seu então aluno de pós-graduação, Harvey Fletcher, usaram o experimento da gota de óleo para medir a carga do elétron (assim como a massa do elétron e a constante de Avogadro, já que sua relação com a carga do elétron era conhecida).^[5]

Millikan assumiu o crédito total em troca de Fletcher reivindicar a autoria total em um resultado relacionado para sua dissertação.^[6] Millikan viria a ganhar o Prêmio Nobel de Física em 1923, em parte por esse trabalho, e Fletcher manteve o acordo em segredo até sua morte.^[7] Após uma publicação sobre seus primeiros resultados em 1910,^[8] observações contraditórias de Felix Ehrenhaft iniciaram uma controvérsia entre os dois físicos.^[9] Após aprimorar seu sistema, Millikan publicou seu estudo seminal em 1913.^[10]

A carga elementar é uma das constantes físicas fundamentais, e o conhecimento preciso de seu valor é de grande importância. Seu experimento mediu a força sobre pequenas gotas carregadas de óleo suspensas contra a gravidade entre dois eletrodos metálicos. Conhecendo o campo elétrico, a carga da gota poderia ser determinada. Repetindo o experimento para muitas gotas, Millikan mostrou que os resultados podiam ser explicados como múltiplos inteiros de um valor comum (1,592 × 10⁻¹⁹ coulomb), que é a carga de um único elétron. O fato de isso ser um pouco menor que o valor moderno de 1,602 176 53(14) x 10⁻¹⁹ coulomb provavelmente se deve ao uso impreciso de Millikan de um valor impreciso para a viscosidade do ar.^[11][12]

Embora, na época do experimento da gota de óleo de Millikan, estivesse ficando claro que existem coisas como partículas subatômicas, nem todos estavam convencidos. Experimentando com raios catódicos em 1897, J. J. Thomson descobriu "corpúsculos" carregados negativamente, como ele os chamava, com uma relação carga-massa 1840 vezes maior que a de um íon de hidrogênio. Resultados semelhantes foram encontrados por George FitzGerald e Walter Kaufmann. A maior parte do que se sabia então sobre eletricidade e magnetismo podia ser explicada com base no fato de que a carga é uma variável contínua. Isso é muito semelhante a como muitas das propriedades da luz podem ser explicadas tratando-a como uma onda contínua, e não como um fluxo de fótons.^[13]

A beleza do experimento da gota de óleo é que, além de permitir uma determinação bastante precisa da unidade fundamental de carga, o aparelho de Millikan também forneceu uma demonstração 'prática' de que a carga é, na verdade, quantizada. Charles Steinmetz, da General Electric Company, que anteriormente acreditava que a carga era uma variável contínua, ficou convencido do contrário após trabalhar com o aparelho de Millikan.^[13]

Quando Albert Einstein publicou seu artigo de 1905 sobre a teoria das partículas da luz, Millikan ficou convencido de que ela tinha que estar errada, por causa do vasto corpo de evidências que já havia mostrado que a luz era uma onda. Ele realizou um programa experimental de uma década para testar a teoria de Einstein, que exigiu construir o que ele descreveu como "uma oficina mecânica no vácuo" para preparar a superfície metálica muito limpa do fotoeletrodo. Seus resultados, publicados em 1914, confirmaram as previsões de Einstein em todos os detalhes,^[16] mas Millikan não estava convencido da interpretação de Einstein e, ainda em 1916, escreveu: "A equação fotoelétrica de Einstein... não pode, em meu julgamento, ser visto atualmente como assentando em qualquer tipo de fundamento teórico satisfatório", embora "na verdade represente com muita precisão o comportamento" do efeito fotoelétrico. Em sua autobiografia de 1950, porém, declarou que seu trabalho "dificilmente permite qualquer outra interpretação além da que Einstein originalmente sugeriu, ou seja, a teoria semi-corpuscular ou dos fótons da própria luz.^[17]

Embora o trabalho de Millikan tenha formado parte da base para a física de partículas moderna, ele foi conservador em suas opiniões sobre os desenvolvimentos da física no século XX, como no caso da teoria dos fótons. Outro exemplo é que seu livro-didático, ainda na versão de 1927, afirma de forma inequívoca a existência do éter, e menciona a teoria da relatividade de Einstein apenas em uma nota evasiva no final da legenda sob o retrato de Einstein, afirmando como o último em uma lista de realizações que ele foi "autor da teoria especial da relatividade em 1905 e da teoria geral da relatividade em 1914, ambos tiveram grande sucesso em explicar fenômenos que, de outra forma, seriam inexplicáveis e em prever novos fenômenos."

Millikan também é creditado por medir o valor da constante de Planck usando gráficos de emissão fotoelétrica de vários metais.^[18]

No Caltech, a maior parte da pesquisa científica de Millikan focava no estudo dos raios cósmicos (um termo que ele cunhou). Na década de 1930, ele entrou em um debate com Arthur Compton sobre se os raios cósmicos eram compostos por fótons de alta energia (visão de Millikan) ou partículas carregadas (visão de Compton). Millikan acreditava que seus fótons de raios cósmicos eram os "gritos de nascimento" de novos átomos sendo continuamente criados para combater a entropia e prevenir a morte térmica do universo. Compton acabou sendo provado certo pela observação de que os raios cósmicos são desviados pelo campo magnético da Terra (portanto, devem ser partículas carregadas).^[13]