Brownin liike
Brownin liike on hiukkasten satunnaista liikettä nesteessä tai kaasussa. Liikkeen aiheuttavat hiukkasiin osuvat nopeasti liikkuvat atomit tai molekyylit. Brownin liikkeen löysi vuonna 1827 kasvitieteilijä Robert Brown. Kun hän vuonna 1827 tarkasteli mikroskoopin läpi vedessä olevien siitepölynjyvien sisällä oleviin onkaloihin juuttuneita hiukkasia, hän huomasi, että hiukkaset liikkuivat veden läpi; mutta hän ei kyennyt selvittämään, mikä tämän liikkeen aiheutti.
Atomeja ja molekyylejä oli jo pitkään pidetty teorian mukaan materian tärkeimpinä osina. Albert Einstein julkaisi vuonna 1905 artikkelin, jossa selitettiin yksityiskohtaisesti, miten Brownin havaitsema liike johtui siitepölyn liikkeestä, jota yksittäiset vesimolekyylit liikuttivat. Tämä oli yksi hänen ensimmäisistä suurista panoksistaan tieteelle, ja se vakuutti monet tiedemiehet siitä, että atomeja ja molekyylejä on olemassa, ja Jean Perrin vahvisti sen kokeellisesti vuonna 1908. Perrinille myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1926 "aineen epäjatkuvaa rakennetta koskevasta työstään". Atomipommituksen voiman suunta muuttuu jatkuvasti, ja eri aikoina hiukkasiin osuu enemmän toiselta puolelta kuin toiselta, mikä johtaa liikkeen näennäisesti satunnaiseen luonteeseen.
Brownin kuvion muodostavat liian monet molekyylien vaikutukset, joten mikään tieteellinen malli ei pysty ottamaan huomioon kaikkia niitä. Siksi sen kuvaamiseen voidaan käyttää vain molekyylipopulaatioiden todennäköisyysmalleja. Seuraavassa esitellään kaksi tällaista Einsteinin ja Smoluchowskin tekemää tilastollisen mekaniikan mallia. Toinen, puhtaasti probabilistinen mallityyppi ovat stokastiset prosessimallit. On olemassa sekä yksinkertaisempia että monimutkaisempia stokastisia prosesseja, jotka äärimmillään ("äärimmilleen vietynä") voivat kuvata Brownin liikettä (ks. satunnaiskävely ja Donskerin lause).
Myös Albert Einstein ja Norbert Wiener tutkivat Brownin liikettä suuremmalla matemaattisella tarkkuudella.
Historia
Roomalaisen Lucretiuksen tieteellisessä runossa "Asioiden luonnosta" (noin 60 eaa.) on kuvaus pölyhiukkasten Brownin liikkeestä kirjan II säkeissä 113-140. Hän käyttää tätä, jotta ihmiset tietäisivät varmasti atomien olemassaolosta:
"Tarkkaile, mitä tapahtuu, kun auringonvalo päästetään rakennukseen ja pieni rakennusvalo sen varjoisiin paikkoihin. Näette määrän pieniä hiukkasia, jotka liikkuvat määrän eri tavoin...".
Jan Ingenhousz kuvaili vuonna 1785 hiilipölyhiukkasten outoa liikettä alkoholin pinnalla, mutta usein tämän löytäminen annetaan kasvitieteilijä Robert Brownin ansioksi vuonna 1827. Brown tutki mikroskoopilla veteen suspendoituneita Clarkia pulchella -kasvin siitepölyhiukkasia, kun hän havaitsi siitepölyhiukkasten heittämien pienien hiukkasten suorittavan tärisevää liikettä. Toistamalla kokeen epäorgaanisen aineen hiukkasilla hän pystyi sulkemaan pois sen, että liike liittyi elämään, vaikka sen alkuperää ei vielä tunnettu.
Thorvald N. Thiele kuvasi ensimmäisenä Brownin liikkeen taustalla olevan matematiikan vuonna 1880 julkaistussa pienimmän neliösumman menetelmää käsittelevässä artikkelissaan. Tätä seurasi Louis Bachelier vuonna 1900 väitöskirjassaan "The Theory of Speculation", jossa hän esitti osake- ja optiomarkkinoiden analyysin. Osakemarkkinoiden Brownin liikemallia käytetään usein, mutta Benoit Mandelbrot kiisti sen soveltuvuuden osakekurssien liikkeisiin.
Albert Einstein (eräässä vuoden 1905 artikkelissaan) ja Marian Smoluchowski (1906) toivat ongelman ratkaisun fyysikoiden tietoisuuteen ja esittivät sen keinona vahvistaa epäsuorasti atomien ja molekyylien olemassaolo. Heidän Brownin liikettä kuvaavat yhtälönsä tarkistettiin Jean Baptiste Perrinin kokeellisella työllä vuonna 1908.
Jean Baptiste Perrinin kirjasta Les Atomes esitetään kolme jälkeä 0,53 µm:n kokoisten hiukkasten liikkeestä mikroskoopin alla. Peräkkäiset 30 sekunnin välein tapahtuvat sijainnit on yhdistetty suorilla viivoilla (silmäkoko on 3,2 µm).
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mikä on Brownin liike?
V: Brownin liike on nesteessä tai kaasussa olevien hiukkasten satunnaisliikettä, jonka aiheuttavat hiukkasiin osuvat nopeasti liikkuvat atomit tai molekyylit.
K: Kuka löysi Brownin liikkeen?
V: Brownin liikkeen löysi vuonna 1827 kasvitieteilijä Robert Brown.
K: Miten Albert Einstein edisti Brownin liikkeen ymmärtämistä?
V: Albert Einstein julkaisi vuonna 1905 artikkelin, jossa hän selitti, miten Robert Brownin havaitsema liike johtui yksittäisten vesimolekyylien osumisesta hiukkasiin. Tämä auttoi vakuuttamaan monet tiedemiehet siitä, että atomit ja molekyylit ovat olemassa.
K: Kuka vahvisti Einsteinin teorian kokeellisesti?
V: Jean Perrin todisti Einsteinin teorian kokeellisesti vuonna 1908, ja hänelle myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto aineen rakennetta koskevasta työstään.
K: Miten tämä satunnainen kuvio syntyy?
V: Atomipommituksesta aiheutuvan voiman suunta muuttuu jatkuvasti, jolloin hiukkasen eri puolet osuvat eri aikaan ja aiheuttavat näennäisen satunnaisia liikekuvioita.
K: Millaisia malleja käytetään kuvaamaan sitä? V: Sen kuvaamiseen käytetään molekyylipopulaatioiden todennäköisyysmalleja, kuten Einsteinin ja Smoluchowskin tekemiä malleja, sekä stokastisia prosessimalleja.
K: Kuka muu tutki Brownin liikettä suuremmalla matemaattisella tarkkuudella? V: Myös Norbert Wiener tutki Brownin liikettä suuremmalla matemaattisella tarkkuudella.
