броуновское движение
Броуновское движение - это случайное движение частиц в жидкости или газе. Движение вызвано быстро движущимися атомами или молекулами, которые попадают в частицы. Броуновское движение было открыто в 1827 году ботаником Робертом Брауном. В 1827 г., глядя через микроскоп на частицы, запертые в полостях внутри зерен пыльцы в воде, он отметил, что частицы движутся сквозь воду, но не смог выяснить, что является причиной этого движения.
Атомы и молекулы долгое время были теоретизированы как основные части материи. Альберт Эйнштейн опубликовал в 1905 году статью, в которой подробно объяснялось, как движение, которое наблюдал Браун, было результатом перемещения пыльцы отдельными молекулами воды. Это был один из его первых больших вкладов в науку, и он убедил многих ученых в существовании атомов и молекул. В 1908 году Жан Перрен провел дополнительную экспериментальную проверку. Перрен был удостоен Нобелевской премии по физике в 1926 году "за работу над прерывистой структурой материи". Направление силы атомной бомбардировки постоянно меняется, и в разное время частица ударяется больше с одной стороны, чем с другой, что приводит к, казалось бы, случайному характеру движения.
Слишком много молекулярных воздействий создают броуновскую картину, поэтому никакая научная модель не может учесть их все. Поэтому для его описания можно использовать только вероятностные модели молекулярных популяций. Ниже представлены две такие модели статистической механики, сделанные Эйнштейном и Смолуховским. Другая, чисто вероятностная разновидность моделей - это модели стохастических процессов. Существуют как более простые, так и более сложные стохастические процессы, которые в крайнем случае ("доведенные до предела") могут описывать броуновское движение (см. случайный ход и теорему Донскера).
Альберт Эйнштейн и Норберт Винер также изучали броуновское движение с большей математической точностью.
История
В научной поэме Романа Лукреция "О природе вещей" (ок. 60 г. до н.э.) содержится описание броуновского движения частиц пыли в стихах 113-140 из II книги. Он использует это для того, чтобы помочь людям узнать наверняка о существовании атомов:
"Наблюдайте, что происходит, когда солнечный свет проникает в здание, а на его тенистых местах - маленькое здание. Вы увидите количество мельчайших частиц, движущихся различными способами..."
В то время как Ян Ингенхоус описал странное движение частиц угольной пыли на вершине спирта в 1785 году, открытие этого часто дается ботанику Роберту Брауну в 1827 году. Браун изучал пыльцевые зерна растения Clarkia pulchella, взвешенные в воде под микроскопом, когда он наблюдал мельчайшие частицы, выбрасываемые пыльцевыми зернами, совершая пульсирующее движение. Повторяя эксперимент с частицами неорганической материи, он смог исключить, что это движение связано с жизнью, хотя его происхождение пока неизвестно.
Первым человеком, который описал математику, стоящую за броуновским движением, был Торвальд Н. Тиле в статье о методе наименьших квадратов, опубликованной в 1880 году. За этим последовал Луи Бачелье в 1900 году в своей докторской диссертации "Теория спекуляции", в которой он представил анализ фондового и опционного рынков. Часто используется броуновская модель движения фондового рынка, но Бенуа Мандельброт отрицал ее применимость к движению цен на акции.
Альберт Эйнштейн (в одной из своих работ 1905 г.) и Мариан Смолуховский (1906 г.) довели решение проблемы до сведения физиков и представили его как способ косвенного подтверждения существования атомов и молекул. Их уравнения, описывающие броуновское движение, были проверены экспериментальной работой Жана Батиста Перрина в 1908 году.
Из книги Жана Батиста Перрина "Les Atomes" показаны три трассировки движения частиц линии 0,53 мкм, как видно под микроскопом. Последовательные позиции через каждые 30 секунд соединяются прямыми линиями (размер ячейки 3,2 мкм).
Вопросы и ответы
В: Что такое броуновское движение?
О: Броуновское движение - это случайное движение частиц в жидкости или газе, вызванное быстро движущимися атомами или молекулами, которые ударяются о частицы.
В: Кто открыл броуновское движение?
О: Броуновское движение было открыто в 1827 году ботаником Робертом Брауном.
В: Какой вклад внес Альберт Эйнштейн в понимание броуновского движения?
О: В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой объяснил, что движение, наблюдаемое Робертом Брауном, было вызвано ударами отдельных молекул воды о частицы. Это помогло убедить многих ученых в существовании атомов и молекул.
В: Кто подтвердил теорию Эйнштейна экспериментально?
О: Жан Перрен подтвердил теорию Эйнштейна экспериментально в 1908 году и был удостоен Нобелевской премии по физике за свою работу о структуре материи.
В: Как возникает эта случайная картина?
О: Направление силы при атомной бомбардировке постоянно меняется, что приводит к тому, что разные стороны частицы попадают в разное время и вызывают кажущиеся случайными картины движения.
В: Какие модели используются для ее описания? О: Для его описания используются вероятностные модели молекулярных популяций, такие как модели Эйнштейна и Смолуховского, а также модели стохастических процессов.
В: Кто еще изучал броуновское движение с большей математической точностью? О: Норберт Винер также изучал броуновское движение с большей математической точностью.
