Про суть броуновского движения

Разрешите мне начать беседу о броуновском движении с цитаты из одной любимой моей книги – книги Дика Френсиса «Торговец забвением» (DickFrancis«Proof», весьма посредственный перевод с английского Н.Рейн. Из-за невысокого качества перевода я сперва дам цитаты на языке оригинала).

…

“And that’s from one,” I said, “who drinks wine with baked beans… who practically scrubs his teeth in it.”

“You really love it?”

I nodded. “Nature’s magical accident.”

“What?”

“That the fungus on grapes turns the sugar in grape juice to alcohol. That the result is delicious.”

“For heaven’s sake…”

“No one could have invented it,” I said. “It’s just there. A gift to the planet. Elegant.”

Перевод:

— А вообще я из разряда тех, — добавил я, — кто запивает вином даже тушеные бобы… Вы не поверите, такая вкуснятина!

— Вам что, действительно нравится?

Я кивнул.

— Волшебное явление природы.

— Не понял?

— Грибок, живущий на виноградинах, превращает виноградный сок в спирт. Результат восхитительный.

— Ради Бога…

— Причем, заметьте, никто этого не изобретал, — сказал я. — Просто существует такое явление. Дар природы. Волшебный, замечательный дар.

 

Смысл, зачем я привёл этот отрывок, откроется чуть позже.


 

Итак, известно, что в 1827 году английский естествоиспытатель Роберт Броун (Robert Brown), разглядывал под микроскопом взвешенные в воде цитоплазматические зерна, выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой). Он обнаружил, что эти мельчайшие зёрна, едва видимые в микроскоп, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. И это движение, по мнению Броуна, «не связано ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присуще самим частичкам».

Это хаотическое движение частичек, которое со временем стали называть броуновским движением тоже, заметьте, никто не изобретал. Это тоже волшебный, замечательный дар природы. Этоявлениепростосуществует. (No one could have invented it. It’s just there. A gift to the planet. Elegant.)

В учёном мире принято считать, что полное «научное» объяснение этому явлению дал в мае 1905 года Альберт Эйнштейн в своей статье «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» (Einstein, Albert «ÜberdievondermolekularkinetischenTheoriederWärmegeforderteBewegungvoninruhendenFlüssigkeitensuspendiertenTeilchen»). В этой статье он, используя уравнение Менделеева-Клапейрона, вывел формулу для коэффициента диффузии сферических броуновских частиц, патетически воскликнув в заключение: «если бы какому-либо исследователю удалось вскоре ответить на поднятые здесь важные для теории теплоты вопросы».

И вот пару лет спустя профессор университета в Сорбонне Жан Батист Перрен вместе со своими студентами занялся исследованием броуновского движения и вроде как полностью подтвердил выводы Эйнштейна. Кроме того, практически в это же время вышли в свет и теоретические работы Мариана Смолуховского.

И обрадованный учёный мир провозгласил, что броуновское движение есть результат хаотического теплового движения мельчайших «неделимых» частичек (элементов, атомов, корпускул, молекул). При этом, как обычно бывает, впопыхах, от радости нового открытия, учёный мир упустил из виду одну маленькую, но очень важную деталь. Учёные совсем забыли, что мир, мир материальных тел, в котором мы все живём – это мир звуков, а также инфразвуковых и ультразвуковых колебаний. Эти колебания (и звук в частности) распространяются везде – в твёрдых телах, в жидкостях и в атмосфере. Для звуков не существует никаких преград – кроме, разумеется, физического вакуума. И, как ни удивительно это осознавать, именно прохождение звуковых, инфразвуковых и ультразвуковых волн через капельки жидкости со взвешенными в них частицами и являются причиной броуновского движения.

О распространении звуков обычные люди, не учёные, если это касалось их труда, были осведомлены прекрасно задолго до Эйнштейна, Смолуховского и Перрена. Чтобы убедиться в этом, давайте вновь откроем книгу Дика Фрэнсиса «Торговец забвением» («Proof» DickFrancis):

I grew to feel at home in the Quai des Chatrons, where many doors into the warehouses were too narrow for modern lorries as a legacy from an ancient tax and where no wine could still be stored within a hundred yards of the street because it had been thought the vibration from horses’ hooves on the quayside would upset it. In the de Luze warehouse, stretching nearly half a mile back, the staff went from end to end by bicycle.

Перевод:

И вот постепенно я начал чувствовать себя как дома в Ке де Шатрон, … где в радиусе ста ярдов от любой улицы никогда не хранили вина, потому что от вибрации, производимой при ударах лошадиных копыт о булыжную мостовую, оно могло испортиться, и где до склада де Луза, расположенного в полумиле, рабочие добирались на велосипедах.

То есть виноделы знали, что грибок, живущий на виноградинах, не может качественно выполнять свою работу по изготовлению вина, если в радиусе 100 метров лошади цокали копытами по булыжной мостовой, так как вовлекали грибок в это самое хаотичное броуновское движение.

Нельзя сказать, что все учёные в начале XXвека были столь наивны, как Альберт Эйнштейн и Жан Батист Перрен. Откроем, к примеру, Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона (том с этой статьёй вышел до публикации Эйнштейна):

«Броуновское движение – Знаменитый ботаник Роберт Броун (Robert Brown) заметил в 1827 г. и описал в 1828 г. ("Poggendorff's Annalen der Physik und Chemie", XIV) своеобразные неправильные колебательные движения пылинок в воде. Явление это, открытое при посредстве микроскопа с сильным увеличением, наблюдавшееся затем многими и другими учеными, получило название броунова молекулярного движения. Долгое время многие думали, что явление обуславливается действительным молекулярным движением внутри жидкости. Такое мнение поддерживалось еще в 1863 г. Винером (L. С. Wiener). Но тотчас же после открытия явления высказывались и другие взгляды на причину его. Так, Мунке в 1829 г. (Muncke) считал, что броуново движение вызывается проходящими через жидкость световыми и тепловыми лучами. Позднейшими наблюдателями (Ехnеr, van der Mensbrugghe и др.) причина явления сводилась к простым потокам внутри жидкости, не имеющим ничего общего с движениями молекул. Потоки в жидкостях могут вызываться испарением, диффузией и другими причинами.»

Чтобы наглядно продемонстрировать сказанное мной, предлагаю посмотреть видеоролик. В съёмках участвуют:

- динамик 1ГД-8,

- зелёная крышка об обычного пищевого пластикового контейнера, в которую налит тоненький слой воды,

- квадратик бумаги размером 2х2 мм, изображающий броуновскую частицу.

Ну, и в качестве имитатора ультразвуковых, звуковых и инфразвуковых колебаний – одна из самых прекрасных музыкальных композиций, послушать которую само по себе приятно.

 

 "Броуновские блуждания"

А как «поэтично» расписывали броуновское движение физико-теоретики, в частности, Фейнман, Лейтон и Сендз: «Это напоминает знаменитую задачу о пьяном моряке, который выходит из бара и делает несколько шагов, но плохо держится на ногах, и каждый шаг делает куда-то в сторону, случайно… Матрос, несомненно, идет вперед, но движение его таково, что квадрат среднего расстояния пропорционален времени. Это и есть характерная особенность случайных блужданий.»

 

По мне, так это больше напоминает блуждания физиков-теоретиков, в поисках истины, забывающих в пылу этих воодушевлённых поисков самые очевидные вещи.

Кстати, так и не довелось мне найти отчёт Перрена о проведенных им опытах – что и как он делал и как фиксировал результаты. Если у кого есть такая информация – поделитесь.

Надеюсь, я прояснил ситуацию вокруг броуновского движения?