理论教育 爱因斯坦的布朗运动理论:理解微观世界的动态特性

爱因斯坦的布朗运动理论:理解微观世界的动态特性

时间:2023-07-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:然而,根据爱因斯坦的布朗运动理论,布朗所发现的古怪的微粒舞蹈符合以假设气体和液体由运动的原子构成为前提预测到的结果。参考阅读//No. 69 道尔顿原子论,第142页爱因斯坦的布朗运动理论不但解开了一个存在了80年的谜题,而且带来了更加深远的影响。

爱因斯坦的布朗运动理论:理解微观世界的动态特性

揭示了原子的存在

1827年,罗伯特·布朗着手研究花粉在受精过程中所扮演的角色。他将花粉放进水中,然后在显微镜下进行仔细观察,由此发现了一个奇怪的现象:花粉释放出细小的微粒,这些微粒竟在水中“舞动”了起来。大约80年后,这种起舞现象——布朗运动——使许多科学家确信原子是存在的。

布朗没能解释这些细小微粒运动的原因,但到了20世纪初,爱因斯坦给出了答案。那个时候,爱因斯坦正在尝试计算出糖分子的理论大小,而其中一种方法是研究糖分子怎样在水中扩散而形成甜味溶液。随后,他列出了一些方程式,准确地解释了糖分子将会以怎样的方式移动,以及怎样与水分子相互作用。

到了1905年,爱因斯坦意识到,他的方程式还可以解释其他分子或者微粒怎样和水分子相互作用——甚至是体积大到可以在显微镜下直接观察到的微粒也不例外。而布朗运动中那奇特的舞蹈,就是爱因斯坦的方程式预测的花粉分解出的微粒遭受到水分子持续撞击时所产生的运动现象。这个用爱因斯坦的方程式解释这种奇妙舞蹈的理论后来被称为爱因斯坦的布朗运动理论。

已有其他科学家提出过,可以通过将气体或液体想象为由不断移动的极小微粒构成来解释其表现形式(参考阅读:气体动理论,第144页),但也有许多科学家认为这些微粒纯属理论虚构而已。然而,根据爱因斯坦的布朗运动理论,布朗所发现的古怪的微粒舞蹈符合以假设气体和液体由运动的原子构成为前提预测到的结果。关键的一点是,反对观点并没有预测到布朗运动中的复杂舞蹈。趋势有所转向,大多数科学家也做好了接受原子真实存在的准备。

作为布朗运动的一个案例,液体中的染料运动已经被数学运算所解释。(www.daowen.com)

布朗并非第一个观察到布朗运动的科学家,但或许是因为他对此现象的观察非常详尽,所以这个理论被冠上了他的名字。起初,他觉得这个古怪的舞蹈一定和有生命物质的活力有关系。随后,他又逐步以从近期死亡的植物上获取的花粉、从两亿年前的化石植物上获取的微粒和从完全无机的来源中获取的微粒这些离“有生命”的领域越来越远的微粒物质为试验对象来验证观点。结果,这些微粒,无论是来源于哪里,总是以完全相同的方式在水中来回跳跃。可见,布朗运动并不是有生命物质的专属特性,发生这种现象肯定还有更深层次的原因。

参考阅读//

No. 69 道尔顿原子论,第142页

爱因斯坦的布朗运动理论不但解开了一个存在了80年的谜题,而且带来了更加深远的影响。

它打消了反对者关于原子是否存在的疑虑。

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