Robert Andrews Millikan

"Lidé, kteří se málo vyznají v přírodních vědách, a lidé, kteří se málo vyznají v náboženství, se mohou mezi sebou hádat, a jejich pozorovatelé si mohou myslet, že se to hádá věda s vírou. Ve skutečnosti však zde narazily na sebe jen dva druhy nevědomosti." Tento úžasný citát vyřkl R. A. Millikan, americký fyzik, od jehož narození letos uplyne 150 let.

Nejparadoxněji oceněný nositel Nobelovy ceny za fyziku

Pozoruhodný fyzik nejen zásadně nesouhlasil s Einsteinovou teorií fotoelektrického jevu, ale pokusil se experimentálně prokázat, že je zcela mylná. Místo toho však dosáhnul pravého opaku - s vysokou přesností totiž dokázal její platnost. To ovšem zdaleka není jediný důvod, byť je pro tuto osobnost charakteristický, proč si připomínáme 150. výročí narození experimentálního fyzika Roberta A. Millikana, nejslavnějšího amerického vědce dvacátých let minulého století, který sehrál důležitou roli při formování moderní fyziky. Na konci 19. století se jevilo, že fyzika je v podstatě uzavřenou vědou, která umožňuje vysvětlit všechny fyzikální přírodní jevy a vytvořit ucelený obraz světa. Stále častěji se však ukazovalo, že v mikrosvětě atomů a molekul bude nutné najít nové, obecnější fyzikální zákonitosti a používat jiné, náročnější matematické přístupy. Nikdo tehdy netušil, jak hluboký a zásadní převrat fyziku čeká - že se schyluje k další vědecké revoluci. Tento změněný pohled na svět exaktních věd a techniku vyžadoval od učenců mimořádnou fyzikální intuici a duševní odvahu, osobní sílu odpoutat se od zažitých představ tzv. "zdravého lidského rozumu" a schopnost pracovat s velmi abstraktním matematickým aparátem. Jen málo fyziků bylo schopno se v této nové situaci rychle orientovat. Vedle všeobecně známých koryfejů světové vědy (E. Mach, M. Planck, A. Einstein, E. Rutherford či N. Bohr) k nim patřil také Millikan, který dokázal překročit práh moderní fyziky, a dokonce se stát jejím spolutvůrcem.

Životopis

Robert Andrews Millikan se narodil 22. března 1868 v malém městě Morrisonu v severozápadním koutu státu Illinois (USA) jako druhé ze šesti dětí reverenda Silase Franklina Millikana a jeho ženy Mary Jane. Prarodiče patřili kolem roku 1750 mezi první obyvatele amerického středozápadu. Roky jeho mládí byly výjimečné tím, že finančně podporoval sourozence, takže musel být již od raného dětství výdělečně činný (například jako 14letý pracoval v místní továrně 10 hodin denně za jediný dolar, později po absolvování střední školy v Iowě pracoval jako soudní reportér). V roce 1886 vstoupil na Oberlin College v Ohiu, kde se věnoval studiu řečtiny a matematiky a poprvé se zde výrazně projevilo jeho nadání pro fyziku. Byl v této oblasti silně ovlivněn a podporován vynálezcem, elektrotechnikem a spoluzakladatelem Western Electric Manufacturing Company v New Yorku (1869), profesorem Elishou Grayem (1835-1901), který měl na svém kontě několik vynálezů z oblasti telegrafické a telefonické komunikace.

Ačkoliv sám ještě student, přijal nabídku vedení školy vyučovat fyziku, která se posléze stala jeho povoláním i životním posláním. Oberlin College dokončil v roce 1891 (BSc.) a poté zde absolvoval magisterské studium (Mgr). V roce 1893 byl vybrán ke speciálnímu studiu fyziky na Columbijské univerzitě v New Yorku, kde se jedním z jeho učitelů stal vynikající teoretický fyzik, elektrotechnik a vynálezce srbského původu (mezi jeho spolužáky na univerzitě v Berlíně patřili např. M. Planck, W. Wien či E. Goldstein), m. j. také čestný doktor české techniky v Praze, Mihajlo Idvorski Pupin (1858-1935).

Ještě jako postgraduální student se Millikan stal členem katedry fyziky, kde získal v roce 1895 doktorát (PhD.) za obhájení práce o polarizaci světelných paprsků emitovaných rozžhaveným zlatem a stříbrem. Jak bylo tehdy zvykem mladých amerických vědců, ještě koncem téhož roku zamířil na roční studium do Evropy (1895-1896). V Paříži navštěvoval přednášky francouzského matematika, fyzika, astronoma a filozofa Henriho Poincaré, na německých univerzitách v Berlíně a Göttingenu studoval u spoluzakladatele kvantové teorie Maxe Plancka, fyzikálního chemika Waltera Nernsta a matematika Felixe Kleina. Ještě předtím se v roce 1894 na univerzitě v Chicagu setkal a navázal osudové přátelství s americkým fyzikem německo-polského původu Albertem Abrahamem Michelsonem (1852-1931), který celý svůj vědecký život věnoval práci v oblasti fyzikální optiky. Po návratu zpět do vlasti přijal Millikan jeho nabídku a začal pracovat na univerzitě v Chicagu jako jeho asistent. Od počátku byly role mezi nimi rozděleny tak, že Michelson se věnoval plně výzkumu a Millikan výuce. Byl vynikajícím pedagogem s vysokým respektem u studentů. V následující dekádě tedy Millikan především přednášel, zabýval se didaktikou fyziky, psal populárně-naučné články o fyzice, sám nebo jako spoluautor napsal několik učebnic pro vysoké a střední školy, zaměřené na oblast elektřiny, světla a zvuku (např. "The Electron", "A College Course in Physics" , "A Laboratory Course in Physics for Secondary Schools"). Některé jeho knihy byly přeloženy do jiných jazyků, učebnice vycházely v reedicích až do konce 30. let minulého století. Vlastní výzkumné práci se v tomto období věnoval jen okrajově.

V roce 1902 uzavřel manželství s Gretou Erwin Blanchardovou a v průběhu 51 let společného života vychovali tři syny (Clarka, Glenna a Maxe). Nejen za své pedagogické úspěchy byl v roce 1910 jmenován profesorem a na tomto postu působil až do roku 1921. Zhruba po deseti letech působení na chicagské univerzitě si Millikan zřejmě uvědomil, že chce-li ve fyzice něco dokázat, musí se mnohem intenzivněji věnovat vlastní vědecké práci, a začal přemýšlet o vhodném výzkumném projektu. Mezi jeho charakteristické osobní vlastnosti patřila záliba v experimentování, nadšení a vytrvalost při jakékoliv práci a důraz na získávání výsledků o vysoké přesnosti.

Konečně experimenty!

Když fyzikové poznali, že se látka skládá z elementárních částic, a když názor o přenosu energie v kvantech získal dost přívrženců, pokoušeli se někteří kvantovat i elektrický náboj. První pokusy tohoto druhu uskutečnil německý fyzik F. A. Ehrenhaft metodou padající kapky, která nese elektrický náboj a vznáší se v elektrickém poli. Millikan navázal na jeho práce a roku 1907 začal s měřením velikosti elementárního náboje. To se mu podařilo v roce 1909; dosažené výsledky však publikoval až o šest let později. V letech 1913-1917 se plně věnoval měření náboje elektronu a podařilo se mu dokázat předpoklad anglického experimentálního fyzika J. J. Thomsona (1856-1940), že hmotnost vodíkového iontu je asi dvěstěkrát větší než hmotnost elektronu. Slavný "Millikanův pokus" spočívá v porovnání sil, kterými působí elektrostatické a gravitační pole na malé nabité kapičky. Mezi dvě vodorovné desky, vytvářející homogenní elektrické pole (Millikanův kondenzátor), vstřikoval malé kapičky ricinového oleje a mikroskopem sledoval jejich vertikální pohyb v přítomnosti elektrického pole a bez něho. Zjistil, že náboj elektronu (přibližně 1,6 . 10^-19 C) je elementární kvantum jakéhokoliv elektrického náboje. Experimentálně stanovil i velikost kinetické energie elektronu, který je z povrchu kovu vybuzen světlem určité frekvence. Tím vlastně objasnil přeměnu světelné energie na elektrickou. Zabýval se i měřením Planckovy konstanty (roku 1912 si vzal půlroční pracovní volno a strávil je s rodinou v Berlíně, kde navázal na svoje předchozí studium u M. Plancka). Vycházeje z teorie fotoelektrického efektu, určil hodnotu Planckovy konstanty na základě měření kmitočtu a energie elektronů. Z Einsteinovy rovnice popisující fotoelektrický jev potom určil Planckovu konstantu h = 6,57 · 10^-34 J·s, a to s tehdy vynikající přesností 0,5 %. Planckova konstanta je klíčem do mikrosvěta a její nepatrná hodnota ukazuje, proč kvantování energie a dalších fyzikálních veličin v běžném životě nepozorujeme. Zároveň však nepřestával vyučovat, z řad nadaných studentů vybírat laboranty a spolupracovníky, a zajišťovat jejich další uplatnění.

Výzkum za první světové války

I do jeho života zasáhla Velká válka v Evropě (1914-1918). V roce 1916 byl jmenován ředitelem Národní rady pro výzkum (National Research Council), sdružující vědce ke spolupráci proti Německu a jeho spojencům. Musel se dočasně přestěhovat do Washingtonu, kde v hodnosti výkonného podplukovníka předsedal výboru této rady v oblasti vědy a výzkumu pro armádu. Zasloužil se tehdy zejména o vývoj meteorologických přístrojů a zvyšování úrovně protiponorkové obrany. Když se Millikan v roce 1919 vrátil na Chicagskou univerzitu, byl nejen dobře známý ve vědeckých kruzích, ale stal se i společensky respektovanou osobností. Byl zvolen do Americké filozofické společnosti a Národní akademie věd (NAS), stal se výzkumným konzultantem společnosti Western Electric, v roce 1915 byl zvolen prezidentem Americké fyzikální společnosti (APS). Věřil, že vědecký výzkum může vést zároveň k materiálnímu a morálnímu pokroku, a proto se velmi angažoval v získávání mecenášů pro nejrůznější stipendijní financování fyzikálních i chemických oborů na amerických vysokých školách. Ještě před koncem války se jej dva kolegové, astronom George E. Hale a chemik Arthur A. Noyes, snažili získat pro myšlenku zřídit v Pasadeně špičkové univerzitní výzkumné centrum.

Vznik Caltechu

Millikan váhal, protože nechtěl opustit Chicagskou univerzitu. Nicméně poté, co se roku 1921 stalo toto centrum Kalifornským technologickým institutem (California Institute od Technology, zkráceně Caltech), který je dodnes institucí se světovým renomé, disponujícím mnohamilionovými finančními prostředky pro výuku a výzkum, nabídku přijal a stal se ředitelem proslulých fyzikálních laboratoří. Přestěhoval se s rodinou do Pasadeny a začal ihned pracovat (1921). Oslovoval nadějné doktorandy, angažoval přední vědce a zejména zaváděl nový systém vzdělávání, který byl záhy široce kopírován. Studijní programy rozšířil o povinné vzdělávání v oblasti filozofie, etiky, dějin a umění, aby se znalosti budoucích vědců komplexně propojovaly. Již za několik let byl Caltech uznávaným střediskem ve výzkumu fyziky, navíc rozšířeným o obory technologie pro letectví a biologii.

Nobelova cena a další objevy

V roce 1923 mu byla udělena Nobelova cena za fyziku - za práce o elementárním elektrickém náboji a fotoelektrickém efektu. Ve svých dalších rozsáhlých vědeckých pracích se zabýval velmi různorodými problémy ze široké škály fyzikálních oborů - z mechaniky, molekulární fyziky, termoelektřiny, akustiky a optiky, studiem Brownova pohybu v plynech (došel až k atomické a kinetické teorii hmoty), přímým stanovením kvanta záření, expanzí ultrafialového záření do zatím neprobádané oblasti a pohybovými zákony částic, které dopadají z atmosféry na povrch Země. Zkoumal i jakýsi druh "tajuplných" paprsků přicházejících z vesmíru a nazval je místo "ultrazáření" (objevené a pojmenované v roce 1912 rakouským fyzikem V. F. Hessem) "zářením kosmickým", o kterém shromáždil značné množství poznatků do té doby neznámých.

Poradcem prezidenta

Ve třicátých letech minulého století, kdy vypukla celosvětová hospodářská krize, přijal nabídku prezidenta Roosevelta, aby se stal členem týmu jeho poradců pro vědu, a to i přes jeho neslavný výrok z roku 1928: "Není vůbec pravděpodobné, že člověk někdy dokáže vykřesat z atomu nějakou energii. Zbrklá představa využití atomové energie jako náhrady za vyčerpané zásoby uhlí je zcela nevědeckou utopií, dětinskou představou." Díky svému vlivnému postavení zajistil Caltechu dostatek federálních finančních prostředků na výzkum chemických i fyzikálních technologií pro vojenství, což pokračovalo až do ukončení druhé světové války (1939-1945). V roce 1946 ve věku 78 let oznámil Millikan svůj odchod na odpočinek, ale i nadále měl v areálu Caltechu svou pracovnu. Pokračoval ještě ve vedení mnoha dalších vědeckých institucí, zastupoval Spojené státy na fyzikálních kongresech. Vedle již zmíněné Nobelovy ceny byl nositelem Edisonovy medaile Amerického institutu elektroinženýrů, řádu Čestné legie, Hughesovy, Oerstedovy, Matteucciho a Franklinovy medaile a čestným doktorem několika desítek domácích a zahraničních univerzit.

Věda, sport a náboženství

Po celý život byl výborným tenistou a hráčem golfu. Robert Millikan je typickým příkladem toho, že věda a náboženská víra se nevylučují; naopak, lze být věhlasným vědcem a zároveň přesvědčeným členem unitářů, podporujícím usmíření vědy s náboženstvím. Tato jeho myšlenka se dnes stává velmi aktuální. (Připomeňme pouze jednu skutečnost: Více než miliardový muslimský svět se může pochlubit pouze jediným nositelem Nobelovy ceny za fyziku - Abdusem Salamem.) Zbytek života trávili Millikanovi v kalifornském San Marino. Greta zesnula v roce 1953, Robert jí přežil jen o několik měsíců. Zemřel ve věku 85 let v důsledku srdeční příhody před vánocemi (19. prosince) téhož roku. Jako jeden z mála fyziků je zobrazen na americké poštovní známce o hodnotě 37 centů, vydané v roce 1982.

(Pro případné zájemce je obsáhlý seznam použité a další doporučené literatury a internetových zdrojů informací k dispozici prostřednictvím redakce u autora.)