domingo, 30 de junio de 2013

Millikan, el cocinero de resultados experimentales

Es habitual que, cuando se estudia Ciencia, se navegue por la historia de sus resultados de forma aséptica. Así, sabemos que en 1900 Max Planck enunció la teoría cuántica de la luz o que Pasteur demostró la eficacia de las vacunas en 1881. Sin embargo, este tipo de datos no nos dicen nada sobre el proceso de construcción del conocimiento científico. Como en todo, en la Ciencia hay polémicas, rivalidades y suspicacias cuyo conocimiento permite una mejor comprensión de fenómenos y teorías.  Una de esas intrahistorias que merece la pena conocer es la del establecimiento de la carga del electrón, a cargo de Robert Andrews Millikan. 


Robert A. Millikan
En 1858, Julius Plücker sometió a descargas de alto potencial eléctrico un tubo de vacío y observó una radiación luminiscente como la de la figura.


Nadie sabía qué era aquello y Goldstein lo llamó "flujo de rayos catódicos" puesto que partían del cátodo (polo negativo) y llegaban hasta el ánodo (polo positivo). En 1897, el físico inglés J. J. Thomson decidió estudiar el asunto y llegó a las conclusiones que puedes ver en el siguiente vídeo.


A raíz del estudio de los rayos catódicos, Thomson infirió que éstos debían de estar constituidos por un chorro de partículas subatómicas (más pequeñas que un átomo) con carga negativa. A estas partículas se les dio el nombre de electrones y se pudo establecer una aproximación a los valores de su masa y de la carga eléctrica negativa que la acompañaba. 


Millikan, el hombre que quería ser un físico famoso

Casi tres décadas antes del descubrimiento del electrón, nace en Morrison (Illinois) Robert Andrews Millikan. Es el segundo de los seis hijos que el matrimonio entre el Reverendo Silas Franklin Millikan y Mary Jane Andrews arrojó a unos Estados Unidos en pleno proceso de reconstrucción después de una larga guerra civil. 

Robert creció en Maquoketa (Iowa), donde tuvo una infancia feliz y rural. En 1886 ingresó en el Oberlin College para iniciar estudios clásicos y de matemáticas que finalizó en 1891. Quizás debido a su dominio del griego clásico, al final del curso de 1889 se le ofreció un puesto para la enseñanza de Física elemental. Tuvo que estudiar mucho para dominar bien la materia y parece que fue un buen profesor de Física y que se esforzó en revolucionar las metodologías que entonces se aplicaban y que a Millikan le parecían "un anacronismo histórico, un vestigio de la época anterior a la imprenta". 

En 1891 partió hacia la Universidad de Columbia para doctorarse bajo la dirección de Michael Pupin. A sugerencia de su mentor, Millikan se trasladó en 1895, una vez ya doctorado, a Alemania para impregnarse de los nuevos descubrimientos que se estaban haciendo en Europa: rayos X, radiactividad, ... Allí pudo escuchar conferencias de grandes como Poincaré, recibir un curso impartido por Planck o trabajar junto a Nernst. Sin embargo, en 1896 A. A. Michelson le ofreció un puesto de ayudante en la Universidad de Chicago que Robert aceptó. 

Millikan (1891)
En la Universidad de Chicago Millikan realizó casi exclusivamente tareas de docencia. Era un profesor apasionado y se preocupó de escribir textos introductorios de Física para sus estudiantes y de estar al día en las últimas investigaciones que se iban realizando.

Los primeros años del siglo XX suponen un punto de inflexión en la historia personal de Millikan. Volvió a Europa para asistir a la Exposición Universal de París (1900) y en 1902 contrajo matrimonio con Greta Blanchard. Su viaje de luna de miel tuvo Europa como destino y Robert lo aprovechó para entrar en contacto con los físicos de la época que estaban realizando grandes investigaciones. 

Aquí conviene hacer un alto en la historia y pararse a pensar. Robert Millikan llevaba una década trabajando como profesor asistente en la Universidad de Chicago, lo que le proporcionaba un salario bastante modesto mientras sus colegas de profesión amasaban prestigio y premios por sus investigaciones científicas. Teniendo en cuenta esto, es fácil entender que Robert quisiese darle un giro a su carrera e involucrarse en "una investigación más seria" con la que ponerse a la altura de Röntgen o J. J. Thomson, quienes ya habían sido premiados con el Nobel.


El experimento de la gota de aceite

Charles Thomson Rees Wilson inventó un dispositivo en 1894 denominado cámara de niebla para estudiar la formación de las nubes y para experimentar los fenómenos ópticos en el aire. Entre 1897 y 1903, Thomson y sus colaboradores emplearon esta cámara para intentar determinar la carga del electrón y, aunque encontraron que rondaba los  10-19  culombios, sus medidas eran muy poco precisas. 

La cámara de niebla utilizada por Thomson consistía en un contenedor cerrado lleno de un vapor sobresaturado, vapor de agua,  en aire. Cuando se pasaba una radiación ionizante a través de la cámara (rayos X) se generaban iones que servían de núcleos de condensación para el vapor de agua. Aplicando un campo eléctrico y midiendo la velocidad a la que se movían las gotas de agua condensadas sobre los iones se podía calcular la carga eléctrica que portaban. 

Millikan intuyó que el método experimental seguido por Thomson era fuente de numerosos errores y encargó a su doctorando Harvey Fletcher el trabajo de mejorarlo. Fletcher se puso a ello y construyó una cámara de niebla similar a la de la figura en la que se empleaban gotas de aceite, y no de agua, para minimizar los errores debidos a la evaporación.

Cámara de niebla utilizada por Millikan
El fundamento de la experiencia de Millikan era sencillo y elegante: midiendo la velocidad a la que pasaban gotas de aceite cargadas a través de un campo eléctrico podía calcular el valor de estas cargas.

Cámara utilizada en el experimento de la gota de aceite.

Para ello, Millikan primero midió la velocidad  v a la que caía una gota en ausencia de campo eléctrico, sometida entonces a la fuerza gravitatoria y a la fuerza de rozamiento con el aire. En molesybits ya estudiamos la solución a este problema y vimos como a medida que la gota cae, aumenta su velocidad hasta alcanzar una velocidad constante, fruto del compromiso entre ambas fuerzas.


Es decir:


En esta expresión r es el radio de la gota, m su masa y la letra griega eta, la viscosidad del aire. Despejando la velocidad se obtiene la velocidad con la que cae la gota sin carga alguna:

Ecuación (1): velocidad límite de caída de la gota sin cargas
La siguiente fase experimental consistió en generar iones con rayos X que se adherían a las gotas de aceite. Millikan activó un campo eléctrico E, con lo que consiguió que algunas gotas invirtiesen su marcha de caída y comenzasen a ascender con velocidad constante.

En esta situación, las fuerzas debían cumplir:


Si llamamos q a la carga que transporta la gota, la velocidad vE  con la que asciende, en valor absoluto, será:

Ecuación (2): velocidad de la gota en presencia del campo eléctrico E
Sumando las ecuaciones (1) y (2) y despejando, obtendremos la carga de la gota en función de los datos experimentales v y vE


Para conocer el radio de las gotas, Millikan empleó la ecuación (1), puesto que podía conocer la velocidad de caída de las gotas, e introdujo la corrección debida al empuje del aire. Así, la ecuación que utilizó Millikan para conocer la carga de cada una de las gotas fue:


en la que aparecen las densidades del aceite y del aire a la temperatura de trabajo.

Millikan realizó muchas mediciones de las velocidades de caída y ascenso, llegando a la conclusión de que para todas las gotas la carga era múltiplo de una cantidad mínima. Era bastante lógico deducir que esta cantidad mínima debía ser la carga del electrón y Millikan determinó con una precisión del 1%, en 1910, que el electrón tenía una carga de  1,6 . 10-19  culombios, muy próxima al valor aceptado hoy día.



La polémica con Erenhaft

En 1910, Felix Erenhaft (1879 - 1952) era un físico austriaco diez años más joven que Millikan pero con una importante colección de investigaciones científicas publicadas. Erenhaft también estaba interesado en el estudio de la carga eléctrica mínima que podía existir y realizó experimentos parecidos a los de Millikan. Erenhaft publicó sus resultados experimentales en julio de 1910 encontrando que la carga del electrón - si es que éste existía - debía ser una fracción de los 1,6 10-19 culombios.

Felix Erenhaft
En su artículo The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes’s Law, Millikan critica el trabajo de Erenhaft y lo tacha de irregular en el tratamiento de los datos experimentales. Erenhaft, por su parte, siguió contraatacando e insistió en que si el electrón existiese, su carga sería menor de los 1,6 10-19  culombiosLa polémica se enquistó bajo acusaciones mutuas y Millikan publicó en 1913 una nueva serie de medidas experimentales sobre 58 gotas de aceite para remarcar que el electrón tenía la carga eléctrica que él ya había encontrado en 1910 y para rebajar la incertidumbre de las medidas hasta el 0,2%. En esa nueva publicación, Robert Millikan aseguraba:

Hay que señalar que éste no es un grupo elegido de gotas, sino que representa todas las [58] gotas con las que he experimentado durante 60 días consecutivos [...]

El artículo de 1913 dejó bastante serena la tempestad y, aunque Erenhaft siguió insistiendo hasta 1941, ayudó mucho a que a Millikan se le concediera el premio Nobel de Física en 1923.


Millikan, el hombre que era un científico famoso

Durante los años siguientes, Millikan siguió con su actividad investigadora y llevando una vida académica intensa. Se encargó de medir la constante de Planck, de verificar la ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico y de estudiar el movimiento browniano y los rayos cósmicos.  Desde 1921 hasta su jubilación en 1945 trabajó en el Instituto de Tecnología de California. Bajo su dirección, esta institución se convirtió en uno de los centros de más prestigio internacional. 

Millikan (1923)
Su trabajo experimental le habían dado la fama y el reconocimiento que buscaba, pudiendo codearse con otros científicos y, dado su carácter cálido y agradable, mantener una profunda amistad con algunos de ellos. 

Millikan y Einstein en 1931

En 1923 recibió el Premio Nobel de Física "por su trabajo sobre la carga elemental de la electricidad y sobre el efecto fotoeléctrico". Robert Andrews Millikan murió el 19 de diciembre de 1953 en San Marino, California.

¿Fraude científico?

La polémica de la que hemos hablado unas líneas más arriba se fue disolviendo con el tiempo, lo que le otorgó a Millkan premios y credibilidad científica. Además, a Erenhaft se le fue un poco la pinza y acabó siendo un científico estridente al que nadie le hacía caso.

Pero en 1978, Gerald Holton abrió de nuevo la caja de los truenos al llegar a sus manos dos cuadernos de laboratorio del mismísimo Millikan. En ellos aparecían anotaciones que Millikan había ido realizando mientras experimentaba con las gotas de aceite.

Una hoja del cuaderno de Robert Millikan
Lo primero que saltaba a la vista al hojear las notas de Millikan durante la realización de la segunda tanda de medidas de la carga del electrón era que el físico estadounidense no había utilizado 58 gotas, sino alrededor de 175. En los márgenes de las hojas que contenían algunas de las medidas podían leerse notas como las siguientes:

Error alto no usar
Muy bajo, algo está mal
Belleza Publicar

¡Millikan había seleccionado las gotas que mejores resultados sobre la carga del electrón arrojaban! Y lo peor de todo es que había mentido al asegurar en su artículo de 1913 que "[...]Hay que señalar que éste no es un grupo elegido de gotas, sino que representa todas las gotas con las que he experimentado durante 60 días consecutivos [...]". Esto supuso un verdadero escándalo, dado que el establecimiento de la carga del electrón es uno de los experimentos fundamentales de la física moderna.

No quiero finalizar este post sin dejar a Millikan el margen de la duda, que la merece. Para David Goodstein - sí, sí, el de El Universo Mecánico - la experiencia de Millikan no supone un fraude. Aunque Goodstein admite la mentira de Millikan al escribir que los resultados obtenidos correspondían a todas las gotas con las que había trabajado, piensa que Millikan gozó de una cualidad muy deseable en todo científico: la intuición. Esa intuición le permitió deducir que algunas de las esferas estaban demasiado afectadas por el movimiento browniano y que debían introducirse correcciones en la ley de Stokes para poder realizar correctamente el cálculo de la carga q. 



Pero mintió ...

Fuentes:
http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Robert_A._Millikan
http://en.wikipedia.org
L.A. Du Bridge, P.A. Epstein: Robert Andrews Millikan
R. A. Millikan: The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes’s Law. Phys. Rev. 1911.
R. A. Millikan: On the elementary charge and the Avogadro constant. Phys. Rev. 1913.
David Goodstein: In the defense of Robert Millikan. Engineering & Science No. 4 (2000)


Esta entrada participa en el Z=26 Carnaval de la Química que organiza Luis Moreno Martínez (@luisccqq) en su blog El cuaderno de Calpurnia Tate

¡Pasión por la Química!



Esta entrada participa en la edición XLIII del Carnaval de la Física cuyo blog anfitrión es El Mundo de las Ideas

Esta entrada participa en la  VI edición del Carnaval de  Humanidades cuyo blog anfitrión es Cajón Desastre.


8 comentarios:

John Doe dijo...

Interesantísimo. No conocía esta historia, gracias!.

Luis Reig dijo...

Sí, es muy interesante. Lo que no entiendo es porque esta historia no aparece en los libros de texto.

Muchas gracias por comentar.

Ununcuadio Uuq dijo...

Es muy buena historia..., pero me queda una duda: ¿por qué no está en el Carnaval de Química, de Física y de Humanidades? :O

Luis Reig dijo...

Jajaja, pues tienes toda la razón, amiga. Voy a comunicarlo a ver si lo aceptan.

Un mol de gracias por la sugerencia. :D

David Bañón dijo...

Solo quería comentar que me parece buenísima la entrada, muy interesante, me has aclarado muchas dudas.

Luis Reig dijo...

Muchas gracias, David.

José Luis Moreno dijo...

Coincido con los comentarios anteriores. No conocía los detalles de los trabajos de Millikan y he aprendido mucho con tus explicaciones. Un saludo

PS. Mi voto para tí en el Carnaval de Humanidades

Luis Reig dijo...

Si te ha sido útil, me contento. Muchas gracias, José Luis. :D

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