Brownovo gibanje

Brownovo gibanje je naključno gibanje delcev v tekočini ali plinu. Gibanje povzročajo hitro gibajoči se atomi ali molekule, ki zadenejo delce. Brownovo gibanje je leta 1827 odkril botanik Robert Brown. Ko je leta 1827 skozi mikroskop opazoval delce, ujete v votlinicah znotraj pelodnih zrn v vodi, je opazil, da se delci premikajo po vodi, vendar ni mogel ugotoviti, kaj povzroča to gibanje.

Atomi in molekule so že dolgo veljali za glavne dele snovi. Albert Einstein je leta 1905 objavil članek, v katerem je natančno razložil, kako je bilo gibanje, ki ga je opazil Brown, posledica premikanja cvetnega prahu s posameznimi molekulami vode. To je bil eden od njegovih prvih velikih prispevkov k znanosti, ki je številne znanstvenike prepričal, da atomi in molekule obstajajo, kar je leta 1908 eksperimentalno potrdil Jean Perrin. Perrin je leta 1926 prejel Nobelovo nagrado za fiziko "za svoje delo o diskontinuitetni strukturi snovi". Smer sile atomskega bombardiranja se nenehno spreminja in v različnih obdobjih je delec na eni strani bolj prizadet kot na drugi, zaradi česar je gibanje na videz naključno.

Na Brownov vzorec vpliva preveč molekul, zato noben znanstveni model ne more upoštevati vseh vplivov. Zato ga je mogoče opisati le z verjetnostnimi modeli molekularnih populacij. V nadaljevanju sta predstavljena dva takšna modela statistične mehanike, ki sta ju izdelala Einstein in Smoluchowski. Druga, povsem verjetnostna vrsta modelov so modeli stohastičnih procesov. Obstajajo enostavnejši in zapletenejši stohastični procesi, ki lahko v skrajnem primeru ("pripeljani do meje") opisujejo Brownovo gibanje (glejte naključno hojo in Donskerjev teorem).

Albert Einstein in Norbert Wiener sta prav tako preučevala Brownovo gibanje, vendar z večjo matematično natančnostjo.

Zgodovina

Rimljan Lukrecij je v svoji znanstveni pesnitvi "O naravi stvari" (ok. 60 pr. n. št.) opisal Brownovo gibanje prašnih delcev v verzih 113-140 iz druge knjige. S tem želi ljudem pomagati, da bi se prepričali o obstoju atomov:

"Opazujte, kaj se zgodi, ko v stavbo spustimo sončno svetlobo in majhno svetlobo na senčnih mestih. Videli boste, da se množica drobnih delcev premika na različne načine..."

Čeprav je Jan Ingenhousz leta 1785 opisal nenavadno gibanje delcev premogovega prahu na vrhu alkohola, se to odkritje pogosto pripisuje botaniku Robertu Brownu leta 1827. Brown je pod mikroskopom preučeval pelodna zrna rastline Clarkia pulchella, suspendirana v vodi, ko je opazil drobne delce, ki so jih pelodna zrna izmetavala in so izvajali tresoče gibanje. S ponovitvijo poskusa z delci anorganske snovi je lahko izključil, da je gibanje povezano z življenjem, čeprav njegov izvor še ni bil znan.

Prvi, ki je opisal matematiko Brownovega gibanja, je bil Thorvald N. Thiele v članku o metodi najmanjših kvadratov, objavljenem leta 1880. Temu je leta 1900 sledil Louis Bachelier v svoji doktorski disertaciji "Teorija špekulacij", v kateri je predstavil analizo delniških in opcijskih trgov. Pogosto se uporablja model Brownovega gibanja borznega trga, vendar je Benoit Mandelbrot zanikal njegovo uporabnost za gibanje cen delnic.

Albert Einstein (v enem od svojih člankov leta 1905) in Marian Smoluchowski (1906) sta opozorila fizike na rešitev tega problema in jo predstavila kot način za posredno potrditev obstoja atomov in molekul. Njune enačbe, ki opisujejo Brownovo gibanje, je leta 1908 s svojim eksperimentalnim delom preveril Jean Baptiste Perrin.

V knjigi Jeana Baptista Perrina Les Atomes so prikazani trije sledovi gibanja delcev velikosti 0,53 µm, kot jih vidimo pod mikroskopom. Zaporedni položaji vsakih 30 sekund so povezani z ravnimi črtami (velikost očesa je 3,2 µm).

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Brownovo gibanje?

V: Kdo je odkril Brownovo gibanje?

V: Kako je Albert Einstein prispeval k razumevanju Brownovega gibanja?

V: Kdo je Einsteinovo teorijo eksperimentalno preveril?

V: Kako nastane ta naključni vzorec?

Išči po črki