A la caza del electrón

No, no, no... El tío de la foto no es Cary Grant... Se trata de Robert Andrews Millikan, uno de esos muchos científicos que han tenido una enorme importancia en el desarrollo de la ciencia, pero que tal vez no sean muy conocidos por el público en general. El 19 de diciembre se cumplen 65 años de su muerte y, además, en este año 2018 coinciden también el 150 aniversario de su nacimiento y el 95 de su premio Nobel. Y, vaya, pues que me pareció motivo suficiente para rendirle un pequeño homenaje en este humilde blog.

Millikan nació en en Morrison, Illinois, pero realizó sus estudios en el Oberlin College de Ohio. Y aquí viene una de las primeras curiosidades de su vida: apasionado del griego, nuestro amigo Robert se graduó en Ciencias Clásicas... Y ¿cómo es que luego le dio por la física? Él mismo lo explica en su autobiografía:

Al final de mi segundo año en Oberlin mi profesor de griego John F. Pick me pidió que impartiera el curso de física elemental en el departamento de preparatoria durante el próximo curso. A mi contestación diciendo que no sabía nada de física en absoluto, su respuesta fue: «cualquiera que sepa bien griego puede enseñar Físicas» [...]. Entonces me compré el texto Elementos de Física de Avery, y dediqué parte de las vacaciones de verano de 1889 en casa a intentar dominar la materia [...] Dudo si alguna vez enseñé mejor Físicas en mi vida que en mi primer curso en 1889. 

Así que ya sabes: si conoces el griego clásico, ¡anímate con la física!

Ese entusiasmo de Millikan por la ciencia recién descubierta, le llevó a incorporarse a la Universidad de Columbia, donde obtuvo el doctorado en 1895. Tras un breve paso por las universidades de Berlín y Gotinga, en Alemania, volvió a los Estados Unidos en 1896 por invitación del físico y también Premio Nobel Albert A. Michelson  –el que midió la velocidad de la luz– para convertirse en su asistente en el recién creado Ryerson Laboratory de la Universidad de Chicago. Fue ahí donde Millikan llevo a cabo uno de los experimentos más importantes de la historia de la física moderna: demostrar la existencia de los electrones. 

El electrón fue propuesto por Thomson en 1896, precisamente cuando Millikan empieza sus estudios, y por entonces no estaba del todo claro que existiera realmente. Desde luego, nadie lo había visto –es imposible de ver– y ningún experimento era lo suficientemente preciso como para dilucidar si existía de verdad. Millikan fue el primero en "cazar" al electrón con su experimento de la gota de aceite.

¿Cómo se las arregló? Dejando de lado especificaciones técnicas, digamos que Millikan y su equipo esparcían microscópicas gotas de aceite en una campana, de forma que, al caer, atravesaran una zona en la que se había creado un fuerte campo eléctrico, de varios cientos de voltios. Si algunas de esas gotas lanzadas tuviera carga eléctrica, por pequeña que fuese, sería frenada por el campo, y caería un poquito más despacio de lo normal. Y, si el campo eléctrico era el adecuado, de forma que la fuerza de la gravedad –hacia abajo– y la fuerza eléctrica –hacia arriba– se compensaran exactamente, la gota se detendría en el aire. La idea del experimento era ir variando poco a poco el campo eléctrico con la esperanza de encontrar un valor en el cual alguna gota se quedara suspendida, y pudiera ser observada a través del microscopio: en ese momento, sabiendo la intensidad del campo, podríamos conocer, con enorme precisión, el valor de la carga eléctrica de la gota de aceite. Ingenioso, ¿verdad?

Esquema del experimento de la gota de aceite.
De Theresa Knott - taken from English Wikipedia, CC BY-SA 3.0
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=685694

Pero lo más apasionante del caso es que Millikan comprobó que a determinadas intensidades del campo eléctrico, no una, si no varias gotas se quedaban en perfecta suspensión. Esto indicaba con enorme claridad que dentro de la nube de gotas había varias que tenían exactamente la misma carga eléctrica. Si aumentabas un poco el campo, volvían a moverse, hasta que, de nuevo, encontrabas otro valor en el cual, una vez más, veías varias gotas detenidas en el aire. Esto llevó a la conclusión de que la carga eléctrica estaba cuantizada. Es decir, que podía tener una serie de valores concretos, pero no otros. Vamos, que podía valer cinco o seis, pero nunca cinco y medio. Millikan descubrió que esos valores de carga eran siempre múltiplos de una determinada cantidad (1.592 x 10^-19 Culombios, en concreto) que llamaremos la unidad mínima de carga o umc. De esta forma, las gotas de aceite podían tener carga, por ejemplo 5 veces la umc, 6 veces la umc o 123 veces la umc... El valor que fuera, pero siempre múltiplos exactos de esa unidad.

Esto le llevó a la conclusión de que había una partícula cargada –el electrón– que era la unidad mínima de carga. Así, si unas cuantas gotas tenían carga 5 veces la umc, era porque contenían –todas ellas– cinco electrones libres... Y ninguna gota tenía cinco veces y media la umc porque no es posible que una gota tenga cinco electrones y medio.

De esta forma, Millikan demostró la existencia del electrón, a la vez que midió su carga eléctrica. Como ya habrás adivinado, la carga del electrón es precisamente 1.592 x 10^-19 C. Aunque hay que aclarar que, debido a un error en los datos de viscosidad del aire que utilizó en los cálculos, su medida tenía un cierto error. El valor auténtico de la carga del electrón es 1.602 x 10^-19 C.

Desde luego, con ese aporte a la ciencia, Millikan ya tenía fama suficiente para "echarse a dormir". Pero, al contrario: siguió investigando. Y, no contento con haber demostrado experimentalmente la existencia del electrón, llevó a cabo la demostración experimental de la existencia de los fotones en la luz. Pero lo curioso es que sus experimentos en este campo se dirigían precisamente a demostrar que esas partículas no existían...

En 1905, cuando  Einstein había propuesto que el efecto fotoeléctrico –la producción de electricidad en una placa metálica al ser iluminada– se debía a que la luz estaba compuesta por partículas, los fotones, que golpeaban los átomos de la placa produciendo electricidad. Para los físicos de esa época, que siempre habían entendido la luz como una onda electromagnética, aquello era poco menos que una herejía... Millikan, como casi todos sus colegas, estaba convencido de que Einstein se equivocaba e ideó un experimento para demostrar el error del genio alemán. ¿Resultado? Él mismo nos lo dice:

Pasé diez años de mi vida sometiendo a la ecuación de Einstein de 1905 a diferentes pruebas, y contrariamente a todas mis expectativas, me vi obligado, en 1915, a proclamar su indudable verificación experimental. A pesar de lo irrazonable que era, pues parecía violar todo lo que sabíamos acerca de la interferencia de la luz”.

Un fracaso rotundo... Pero podemos imaginar que se recuperó pronto del golpe, pues unos años después, en 1923, nuestro científico recibió el Premio Nobel de Física, “por su trabajo sobre la carga elemental de electricidad y sobre el efecto fotoeléctrico”. Su experimento sobre los fotones le sirvió también para establecer el valor de la constante de Planck, piedra fundamental para el desarrollo de la física cuántica, rama de la ciencia que estaba naciendo en esos días gracias en parte a estas dos enormes contribuciones de Millikan.

La historia de Millikan no acaba aquí. En efecto, en 1916, el gobierno de los Estados Unidos decidió que USA debía ponerse a la vanguardia mundial de la ciencia, y asignó una enorme –monstruosa– partida presupuestaria a ese fin. El gran prestigio –científico y ético– de Millikan, hizo que fuera puesto al frente de ese proyecto junto con Edwin G. Conklin, Simon Flexner, Arthur A. Noyes y George E. Hale. Uno de sus proyectos fundamentales fue dar vida, en 1921, al prestigioso  Instituto Tecnológico de California: el famoso Caltech, de Pasadena. (Si, si: donde trabajan los de The Big Bang Theory).

Convencido de que el objetivo principal de la Universidad fuese la educación de los jóvenes, fundó ese instituto sobre la base de que la enseñanza y la investigación debían caminar de la mano. De hecho, el programa que Millikan defendió con fuerza –y que, en solo veinte años, puso al Caltech en la vanguardia mundial de la ciencia–, estaba fundado en el diálogo entre los distintas ramas del conocimiento y, en concreto, en el diálogo entre estudios científicos y humanísticos. Porque, como ya vimos, todo el que sabe griego puede saber de física...

Una foto interesante: tres premios Nobel, Michelson, Einstein y Millikan, en el Caltech, en 1931: los dos americanos demostraron experimentalmente las teorías del alemán sobre la luz. Millikan, como vimos, demostró que estaba compuesta de fotones y Michelson, por su parte, demostró que su velocidad era una constante universal.
Smithsonian Institution Archives, Accession 90-105, Science Service Records, Image #SIA2008-6085

Durante los diez años que pasó “luchando” contra los fotones, Millikan padeció en sus propias carnes los problemas que causan las ideas preconcebidas. Tal vez por eso se empeñó en insistir en lo importante que es para un científico –para cualquier persona, en realidad– ser alguien de mente abierta. En su autobiografía, de la que ya hemos hablado, explica que durante toda su vida científica se enfrentó a lo que él llamaba el dogmatismo de la ciencia. Uno de los errores más grandes que puede cometer el científico es precisamente caer en la tentación de formular hipótesis demasiado generales, entrando en ámbitos donde la ciencia no puede entrar: pretender que la ciencia experimental lo explique todo es algo simplemente absurdo. Así dice en su biografía:

[Las ideas de la ciencia son a veces consideradas] como principios fijos, universalmente aplicables, en lugar de como simples hipótesis de trabajo. En el pasado esto ha dado lugar a un cierto dogmatismo de la ciencia […]. Pero los físicos, a través de sus errores y de los nuevos descubrimientos experimentales, ha aprendido una lección de apertura mental.

Una de las constantes en las conferencias y lecciones magistrales de Millikan es precisamente esta idea de que es imprescindible, por parte de todo hombre de ciencia, una cierta humildad frente a la verdad:

[Es necesaria] una disposición de humildad y de reverencia hacia la naturaleza para poder así continuar a ser receptivos frente a la verdad, y tener consciencia de las fronteras debidas a nuestro limitado conocimiento de la naturaleza.

Millikan es sin duda alguien que estuvo a la vanguardia de la ciencia, y era por eso muy consciente de los límites del conocimiento científico. Católico y profundamente creyente, consideraba el saber científico desde un punto de vista radicalmente humanista: la ciencia debe buscar el bien del ser humano o no sirve para nada. Te copio un texto suyo, que tiene el especial interés de estar escrito a mediados del siglo XX, una época en la que los enormes avances de la física nuclear se estaban utilizando para la fabricación de armas...

¿Cómo crear un mundo mejor? […] La llave para responder a esta pregunta se puede encontrar en la siguiente afirmación: el bienestar y el progreso humanos se encuentran sostenidos por dos pilares, y la ruptura de uno cualquiera de ellos llevará indudablemente a la caída de todo el sistema. Estos pilares son representados por el cultivo y la difusión en toda la humanidad del espíritu de la religión y de la ciencia. 

Millikan pensaba que la actitud de muchos de sus colegas de ciencia de creer solo aquello que podía ser experimentado –tener fe solo en el dato científico– era un error desde muchos puntos de vista. Y, de igual manera, pensaba que muchos hombres de fe se olvidaran del cultivo de la ciencia y de los distintos saberes, como si tuvieran algún tipo de miedo a la verdad. Ambas actitudes pueden llevar –han llevado, de hecho– a la confusión y a una especie de conflicto absurdo entre ciencia y fe, que no tiene ningún sentido:

En efecto, según lo veo yo, religión y ciencia son las dos grandes fuerzas hermanas que han llevado, y siguen llevando, hacia adelante a la humanidad, y que la están elevando del estado de su naturaleza. Ambas están necesaria e íntimamente correlacionadas.

Casi podemos escuchar en Millikan, con décadas de adelanto, el estupendo comienzo de la encíclica Fides et Ratio, de San Juan Pablo II: “La fe y la razón son como las dos alas con las cuales el espíritu humano se eleva hacia la contemplación de la verdad”. Algo más adelante, Millikan subraya de nuevo esta idea, donde muestra como la ciencia puede llevar a Dios:

[La ciencia nos permite] conocer no a un dios caprichoso, como eran los dioses del mundo antiguo, sino un Dios que actúa a través de leyes. [Nos muestra] una naturaleza ordenada y que puede ser conocida; una naturaleza cuyo comportamiento es predecible, una naturaleza de la que nos podemos fiar.


Mientras estuvo al frente del Caltech, hasta su jubilación en el 1945, Millikan dedicó su esfuerzo científico al estudio del los rayos cósmicos. Fue nombrado Doctor Honoris Causa por veinticinco universidades de todo el mundo y, además del Premio Nobel de Física, recibió el Premio Comstock de la Academia Nacional de Ciencias, la Medalla Edison y la Medalla Hughes de la Royal Society. Murió en Pasadena, en 1953.