Browni liikumine
Browni liikumine on osakeste juhuslik liikumine vedelikus või gaasis. Liikumine on põhjustatud kiiresti liikuvatest aatomitest või molekulidest, mis tabavad osakesi. Browni liikumise avastas 1827. aastal botaanik Robert Brown. Kui ta 1827. aastal vaatas läbi mikroskoobi õietolmuterade sees olevasse õõnsusse jäänud osakesi, märkas ta, et osakesed liiguvad läbi vee; kuid ta ei suutnud välja selgitada, mis seda liikumist põhjustab.
Aatomeid ja molekule on juba ammu käsitletud aine peamiste osadena. Albert Einstein avaldas 1905. aastal artikli, milles selgitas täpselt ja üksikasjalikult, kuidas Browni poolt täheldatud liikumine tulenes sellest, et õietolmu liigutasid üksikud veemolekulid. See oli üks tema esimesi suuri panuseid teadusele ja veenis paljusid teadlasi, et aatomid ja molekulid on olemas. 1908. aastal kinnitas seda eksperimentaalselt Jean Perrin. Perrin sai 1926. aastal Nobeli füüsikapreemia "oma töö eest aine katkendliku struktuuri kohta". Aatomi pommitamise jõu suund muutub pidevalt ja eri aegadel tabab osakest rohkem ühel pool kui teisel, mis viib liikumise näiliselt juhusliku iseloomuni.
Molekulaarseid mõjusid on liiga palju ja ükski teaduslik mudel ei suuda neid kõiki arvesse võtta. Seetõttu saab selle kirjeldamiseks kasutada ainult molekulaarseid populatsioonide tõenäosuslikke mudeleid. Allpool on esitatud kaks sellist statistilise mehaanika mudelit, mille on koostanud Einstein ja Smoluchowski. Teine, puhtalt tõenäosusliku iseloomuga mudelite liik on stohhastiliste protsesside mudelid. On olemas nii lihtsamaid kui ka keerulisemaid stohhastilisi protsesse, mis äärmuslikult ("äärmuseni viidud") võivad kirjeldada Browni liikumist (vt. juhuslik jalutuskäik ja Donskeri teoreem).
Albert Einstein ja Norbert Wiener uurisid ka Browni liikumist, kuid suurema matemaatilise täpsusega.
Ajalugu
Rooma Lucretiuse teaduslikus luuletuses "Asjade olemusest" (umbes 60 eKr) on II raamatu salmides 113-140 kirjeldatud tolmuosakeste Browni liikumist. Ta kasutab seda selleks, et aidata inimestel kindlalt teada aatomite olemasolu:
"Jälgige, mis juhtub, kui päikesevalgus lastakse hoonesse ja väike ehitusvalgus selle varjatud kohtadesse. Te näete hulga pisikesi osakesi, mis liiguvad hulgaliselt..."
Kuigi Jan Ingenhousz kirjeldas 1785. aastal söetolmu osakeste kummalist liikumist alkoholi peal, omistatakse selle avastamine sageli botaanik Robert Brownile 1827. aastal. Brown uuris mikroskoobi all vees rippuvaid Clarkia pulchella taime õietolmuterasid, kui ta täheldas, et õietolmuteradest väljapaiskuvad pisikesed osakesed sooritavad värisevat liikumist. Kordades katset anorgaanilise aine osakestega, suutis ta välistada, et see liikumine on seotud eluga, kuigi selle päritolu ei olnud veel teada.
Esimene inimene, kes kirjeldas Browni liikumise aluseks olevat matemaatikat, oli Thorvald N. Thiele 1880. aastal avaldatud artiklis vähimate ruutude meetodi kohta. Sellele järgnes Louis Bachelier 1900. aastal oma doktoritöös "The Theory of Speculation", milles ta esitas aktsia- ja optsiooniturgude analüüsi. Aktsiaturu Browni liikumise mudelit kasutatakse sageli, kuid Benoit Mandelbrot eitas selle kohaldatavust aktsiahindade liikumisele.
Albert Einstein (ühes oma 1905. aasta kirjutises) ja Marian Smoluchowski (1906) tõid probleemi lahenduse füüsikute tähelepanu alla ja esitasid selle kui võimaluse, kuidas kaudselt kinnitada aatomite ja molekulide olemasolu. Nende Browni liikumist kirjeldavaid võrrandeid kontrollis 1908. aastal Jean Baptiste Perrin eksperimentaalselt.
Jean Baptiste Perrin'i raamatust "Les Atomes" on esitatud kolm joonega 0,53 µm osakeste liikumise jälgimist mikroskoobi all vaadatuna. Iga 30 sekundi tagant järjestikused positsioonid on ühendatud sirgetega (võrgusilma suurus on 3,2 µm).
Küsimused ja vastused
K: Mis on pruunikaru liikumine?
V: Browni liikumine on osakeste juhuslik liikumine vedelikus või gaasis, mida põhjustavad kiiresti liikuvad aatomid või molekulid, mis tabavad osakesi.
K: Kes avastas Browni liikumise?
V: Browni liikumise avastas 1827. aastal botaanik Robert Brown.
K: Kuidas aitas Albert Einstein kaasa Browni liikumise mõistmisele?
V: 1905. aastal avaldas Albert Einstein artikli, milles selgitas, kuidas Robert Browni poolt täheldatud liikumist põhjustasid üksikute veemolekulide kokkupõrked osakeste vastu. See aitas veenda paljusid teadlasi, et aatomid ja molekulid on olemas.
K: Kes kontrollis Einsteini teooriat eksperimentaalselt?
V: Jean Perrin kontrollis Einsteini teooriat eksperimentaalselt 1908. aastal ja sai oma töö eest aine struktuuri kohta Nobeli füüsikapreemia.
K: Kuidas tekib see juhuslik muster?
V: Aatomipommitamisest tuleneva jõu suund muutub pidevalt, mistõttu osakese eri küljed tabatakse eri aegadel ja tekivad näiliselt juhuslikud liikumismustrid.
K: Milliseid mudeleid kasutatakse selle kirjeldamiseks? V: Selle kirjeldamiseks kasutatakse molekulaarsete populatsioonide tõenäosuslikke mudeleid, nagu Einsteini ja Smoluchowski koostatud mudelid, samuti stohhastiliste protsesside mudeleid.
K: Kes veel uuris Browni liikumist suurema matemaatilise täpsusega? V: Norbert Wiener uuris samuti suurema matemaatilise täpsusega Browni liikumist.
