Brownsk rörelse
Brownsk rörelse är den slumpmässiga rörelsen av partiklar i en vätska eller gas. Rörelsen orsakas av snabbt rörliga atomer eller molekyler som träffar partiklarna. Den browniska rörelsen upptäcktes 1827 av botanisten Robert Brown. När han 1827 genom ett mikroskop tittade på partiklar som var fångade i håligheter inuti pollenkorn i vatten, noterade han att partiklarna rörde sig genom vattnet; men han kunde inte ta reda på vad som orsakade denna rörelse.
Atomer och molekyler hade länge varit teorier om att de var materiens huvuddelar. Albert Einstein publicerade 1905 en artikel som i detalj förklarade hur den rörelse som Brown hade observerat var ett resultat av att pollenet rördes av enskilda vattenmolekyler. Detta var ett av hans första stora bidrag till vetenskapen och övertygade många forskare om att atomer och molekyler existerar. Det verifierades ytterligare experimentellt av Jean Perrin 1908. Perrin tilldelades Nobelpriset i fysik 1926 "för sitt arbete om materiens diskontinuerliga struktur". Kraftens riktning vid atombombning ändras ständigt, och vid olika tillfällen träffas partikeln mer på ena sidan än på den andra, vilket leder till rörelsens till synes slumpmässiga karaktär.
Det finns för många molekylära effekter som skapar det browniska mönstret, så ingen vetenskaplig modell kan ta hänsyn till alla dessa. Därför kan endast probabilistiska modeller av molekylära populationer användas för att beskriva det. Två sådana modeller av statistisk mekanik som utarbetats av Einstein och Smoluchowski presenteras nedan. En annan, rent probabilistisk typ av modeller är modeller för stokastiska processer. Det finns både enklare och mer komplicerade stokastiska processer som i extrema fall ("till ytterlighet") kan beskriva Brownska rörelsen (se slumpmässig vandring och Donskers sats).
Albert Einstein och Norbert Wiener studerade också Brownska rörelser, men med större matematisk precision.
Historia
Romaren Lucretius vetenskapliga dikt "Om tingens natur" (ca 60 f.Kr.) innehåller en beskrivning av dammpartiklars Brownska rörelse i verserna 113-140 i bok II. Han använder detta för att hjälpa människor att veta säkert att atomer existerar:
"Observera vad som händer när solljus släpps in i en byggnad och små byggnadsljus lyser på dess skuggiga ställen. Du kommer att se en mängd små partiklar som rör sig på en mängd olika sätt..."
Jan Ingenhousz beskrev 1785 den märkliga rörelsen hos partiklar av kolstoft på toppen av alkohol, men upptäckten av detta anses ofta vara botanisten Robert Browns förtjänst från 1827. Brown studerade pollenkorn från växten Clarkia pulchella suspenderade i vatten i ett mikroskop när han observerade att små partiklar, som kastades ut av pollenkornen, utförde en ryckig rörelse. Genom att upprepa experimentet med partiklar av oorganisk materia kunde han utesluta att rörelsen var livsrelaterad, även om dess ursprung ännu inte var känt.
Den första personen som beskrev matematiken bakom Brownska rörelsen var Thorvald N. Thiele i en artikel om minsta kvadratmetoden som publicerades 1880. Detta följdes av Louis Bachelier år 1900 i hans doktorsavhandling "The Theory of Speculation", där han presenterade en analys av aktie- och optionsmarknaderna. Modellen med Brownska rörelsen på aktiemarknaden används ofta, men Benoit Mandelbrot förnekade dess tillämplighet på aktiekursrörelser.
Albert Einstein (i en av sina artiklar från 1905) och Marian Smoluchowski (1906) uppmärksammade fysikerna på lösningen på problemet och presenterade den som ett sätt att indirekt bekräfta atomer och molekyler. Deras ekvationer som beskriver Brownsk rörelse kontrollerades genom Jean Baptiste Perrins experimentella arbete 1908.
I Jean Baptiste Perrins bok Les Atomes visas tre spårningar av rörelsen hos partiklar med linjen 0,53 µm, som ses i mikroskopet. De på varandra följande positionerna var 30:e sekund är sammanfogade med raka linjer (maskstorleken är 3,2 µm).
Frågor och svar
F: Vad är Brownsk rörelse?
S: Brownsk rörelse är den slumpmässiga rörelsen av partiklar i en vätska eller gas som orsakas av snabbt rörliga atomer eller molekyler som träffar partiklarna.
F: Vem upptäckte den browniska rörelsen?
Svar: Brownian Motion upptäcktes 1827 av botanisten Robert Brown.
F: Hur bidrog Albert Einstein till att förstå den browniska rörelsen?
S: 1905 publicerade Albert Einstein en artikel som förklarade hur den rörelse som Robert Brown observerade orsakades av enskilda vattenmolekyler som träffade partiklarna. Detta bidrog till att övertyga många forskare om att atomer och molekyler existerar.
F: Vem verifierade Einsteins teori experimentellt?
Svar: Jean Perrin verifierade Einsteins teori experimentellt 1908 och tilldelades Nobelpriset i fysik för sitt arbete om materiens struktur.
F: Hur uppstår detta slumpmässiga mönster?
S: Kraftriktningen från atombombardemanget ändras ständigt, vilket leder till att olika sidor av partikeln träffas vid olika tidpunkter och orsakar till synes slumpmässiga rörelsemönster.
F: Vilken typ av modeller används för att beskriva detta? S: Sannolikhetsmodeller av molekylära populationer, t.ex. de modeller som Einstein och Smoluchowski har gjort, samt modeller för stokastiska processer används för att beskriva det.
Fråga: Vem mer har studerat Brownska rörelser med större matematisk precision? Svar: Norbert Wiener har också studerat browniska rörelser med större matematisk precision.
