Brownov pohyb

Brownov pohyb je náhodný pohyb častíc v kvapaline alebo plyne. Tento pohyb spôsobujú rýchlo sa pohybujúce atómy alebo molekuly, ktoré narážajú na častice. Brownov pohyb objavil v roku 1827 botanik Robert Brown. V roku 1827 si pri pozorovaní častíc zachytených v dutinách vo vnútri peľových zŕn vo vode cez mikroskop všimol, že častice sa vo vode pohybujú; nedokázal však zistiť, čo tento pohyb spôsobuje.

Dlho sa predpokladalo, že atómy a molekuly sú hlavnými časťami hmoty. Albert Einstein uverejnil v roku 1905 článok, v ktorom podrobne vysvetlil, že Brownov pozorovaný pohyb je výsledkom pohybu peľu jednotlivými molekulami vody. Bol to jeden z jeho prvých veľkých prínosov pre vedu a presvedčil mnohých vedcov, že atómy a molekuly existujú. V roku 1908 to experimentálne overil Jean Perrin. Perrinovi bola v roku 1926 udelená Nobelova cena za fyziku "za jeho prácu o diskontinuitnej štruktúre hmoty". Smer sily atómového bombardovania sa neustále mení a v rôznych časoch je častica zasiahnutá viac na jednej strane ako na druhej, čo vedie k zdanlivo náhodnému charakteru pohybu.

Existuje príliš veľa molekulárnych vplyvov, ktoré vytvárajú Brownov vzor, takže žiadny vedecký model ich nedokáže všetky zohľadniť. Preto sa na jeho opis dajú použiť len pravdepodobnostné modely molekulárnych populácií. Dva takéto modely štatistickej mechaniky, ktoré vytvorili Einstein a Smoluchowski, sú uvedené nižšie. Ďalším, čisto pravdepodobnostným druhom modelov sú modely stochastických procesov. Existujú jednoduchšie aj zložitejšie stochastické procesy, ktoré v extrémnych prípadoch ("vzaté do limitu") môžu opisovať Brownov pohyb (pozri náhodnú prechádzku a Donskerovu vetu).

Albert Einstein a Norbert Wiener tiež skúmali Brownov pohyb s väčšou matematickou presnosťou.

História

Vo vedeckej básni "O povahe vecí" (asi 60 pred n. l.) od Rimana Lucretia sa vo veršoch 113-140 z druhej knihy nachádza opis Brownovho pohybu prachových častíc. Používa ho na to, aby ľuďom pomohol s istotou zistiť existenciu atómov:

"Pozorujte, čo sa stane, keď sa do budovy vpustí slnečné svetlo a na jej tienistých miestach sa rozsvieti malá budova. Uvidíte množstvo drobných častíc, ktoré sa pohybujú rôznym spôsobom..."

Zatiaľ čo Jan Ingenhousz v roku 1785 opísal zvláštny pohyb častíc uhoľného prachu na hladine alkoholu, jeho objav sa často pripisuje botanikovi Robertovi Brownovi v roku 1827. Brown skúmal peľové zrná rastliny Clarkia pulchella zavesené vo vode pod mikroskopom, keď si všimol drobné čiastočky, ktoré peľové zrná vyvrhovali a vykonávali roztrasený pohyb. Zopakovaním experimentu s časticami anorganickej hmoty sa mu podarilo vylúčiť, že pohyb súvisí so životom, hoci jeho pôvod ešte nebol známy.

Prvý, kto opísal matematické princípy Brownovho pohybu, bol Thorvald N. Thiele v článku o metóde najmenších štvorcov uverejnenom v roku 1880. Po ňom nasledoval Louis Bachelier v roku 1900 vo svojej doktorandskej práci "Teória špekulácie", v ktorej predstavil analýzu akciových a opčných trhov. Často sa používa model Brownovho pohybu na akciovom trhu, ale Benoit Mandelbrot poprel jeho použiteľnosť na pohyb cien akcií.

Albert Einstein (v jednom zo svojich článkov z roku 1905) a Marian Smoluchowski (1906) upozornili fyzikov na riešenie tohto problému a prezentovali ho ako spôsob nepriameho potvrdenia existencie atómov a molekúl. Ich rovnice opisujúce Brownov pohyb boli overené experimentálnou prácou Jeana Baptista Perrina v roku 1908.

Z knihy Jeana Baptista Perrina Les Atomes sú zobrazené tri stopy pohybu častíc s veľkosťou 0,53 µm, ako ich vidíme pod mikroskopom. Postupné polohy každých 30 sekúnd sú spojené rovnými čiarami (veľkosť oka je 3,2 µm).

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to Brownov pohyb?

Otázka: Kto objavil Brownov pohyb?

Otázka: Ako Albert Einstein prispel k pochopeniu Brownovho pohybu?

Otázka: Kto experimentálne overil Einsteinovu teóriu?

Otázka: Ako vzniká tento náhodný vzor?

Hľadajte podľa písmena