Κίνηση Μπράουν

Τόσο στη φυσική όσο και περισσότερο στη χημεία κίνηση Μπράουν καλείται η τυχαία κίνηση στερεών σωματιδίων μέσα σε ένα υγρό ή αέριο.Με τη βοήθεια του μικροσκοπίου διαπιστώνεται ότι τα μικροσκοπικά στερεά σωματίδια (π.χ. γύρης ή καπνού) που περιέχονται σε ένα υγρό ή αέριο εκτελούν τυχαίες κινήσεις. Οι απότομες αλλαγές διεύθυνσής των οφείλεται στις συγκρούσεις τους με τα μόρια του υγρού ή αερίου. Η τυχαία αυτή κίνηση είναι ευδιάκριτη όχι όμως και τα μόρια που την προκαλούν. Αυτό το φαινόμενο το αντελήφθηκε πρώτος ο Βρετανός βοτανολόγος Ρόμπερτ Μπράουν το 1827, του οποίου και έλαβε το όνομα, όταν μελετούσε κόκκους γύρης στο νερό. Το 1905 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ασχολήθηκε με την κίνηση Μπράουν, υποστηρίζοντας ότι η κίνηση αυτή οφείλεται σε συγκρούσεις των κόκκων με τα μόρια του νερού. Τη διατύπωση αυτή έκανε ερμηνεύοντας από στατιστικής πλευράς των πειραματικών δεδομένων.

 Το επιστημονικό ποίημα του Ρωμαίου φιλοσόφου-ποιητή Λουκρήτιου "Περί της φύσεως των πραγμάτων" (περ. 60 π.Χ.) περιέχει μια αξιοσημείωτη περιγραφή της κίνησης των σωματιδίων της σκόνης στους στίχους 113-140 από το Βιβλίο ΙΙ. Τη χρησιμοποιεί ως απόδειξη της ύπαρξης των ατόμων: Παρατηρήστε τι συμβαίνει όταν οι ακτίνες του ήλιου εισέρχονται σε ένα κτίριο και ρίχνουν φως στα σκιερά σημεία του. Θα δείτε ένα πλήθος μικροσκοπικών σωματιδίων να αναμειγνύονται με πολλούς τρόπους... ο χορός τους είναι μια πραγματική ένδειξη των υποκείμενων κινήσεων της ύλης που είναι κρυμμένες από την όρασή μας... Προέρχεται από τα άτομα που κινούνται από μόνα τους [δηλαδή, αυθόρμητα]. Στη συνέχεια, εκείνα τα μικρά σύνθετα σώματα που απομακρύνονται λιγότερο από την ώθηση των ατόμων τίθενται σε κίνηση από την πρόσκρουση των αόρατων χτυπημάτων τους και με τη σειρά τους κανονιοβολούν εναντίον ελαφρώς μεγαλύτερων σωμάτων. Έτσι η κίνηση ανεβαίνει από τα άτομα και σταδιακά αναδύεται στο επίπεδο των αισθήσεών μας, ώστε να βρίσκονται σε κίνηση εκείνα τα σώματα που βλέπουμε στις ηλιαχτίδες, που κινούνται από χτυπήματα που παραμένουν αόρατα. Αν και η ανακατωσούρα, η τρικυμισμένη κίνηση των σωματιδίων σκόνης προκαλείται σε μεγάλο βαθμό από τα ρεύματα του αέρα, η αστραφτερή, κουνιστή κίνηση των μικρών σωματιδίων σκόνης προκαλείται κυρίως από την αληθινή δυναμική του Μπράουν- ο Λουκρήτιος "περιγράφει και εξηγεί τέλεια την κίνηση του Μπράουν με ένα λανθασμένο παράδειγμα". Ενώ ο Γιαν Ινγκενχάους περιέγραψε την ακανόνιστη κίνηση των σωματιδίων της ανθρακόσκονης στην επιφάνεια του οινοπνεύματος το 1785, η ανακάλυψη του φαινομένου αυτού αποδίδεται συχνά στον βοτανολόγο Ρόμπερτ Μπράουν το 1827. Ο Μπράουν μελετούσε στο μικροσκόπιο γυρεόκοκκους του φυτού Clarkia pulchella που αιωρούνταν σε νερό, όταν παρατήρησε μικροσκοπικά σωματίδια, που εκτοξεύονταν από τους γυρεόκοκκους, να εκτελούν μια τρεμάμενη κίνηση. Επαναλαμβάνοντας το πείραμα με σωματίδια ανόργανης ύλης κατάφερε να αποκλείσει ότι η κίνηση σχετιζόταν με τη ζωή, αν και η προέλευσή της δεν είχε ακόμη εξηγηθεί. Ο πρώτος που περιέγραψε τα μαθηματικά πίσω από την κίνηση Μπράουν ήταν ο Θόρβαλντ Ν. Θίλε σε μια εργασία για τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων που δημοσιεύθηκε το 1880. Ακολούθησε ανεξάρτητα ο Λουί Μπατσελιέ το 1900 στη διδακτορική του διατριβή "Η θεωρία της κερδοσκοπίας", στην οποία παρουσίασε μια στοχαστική ανάλυση των αγορών μετοχών και δικαιωμάτων προαίρεσης. Συχνά αναφέρεται το μοντέλο της κίνησης Μπράουν για τη χρηματιστηριακή αγορά, αλλά ο Μπενουά Μάντελμπροτ απέρριψε την εφαρμογή του στις κινήσεις των τιμών των μετοχών εν μέρει επειδή αυτές είναι ασυνεχείς. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν (σε μία από τις εργασίες του το 1905) και ο Μάριαν Σμολουτσόφσκι (1906) έφεραν τη λύση του προβλήματος στην προσοχή των φυσικών και την παρουσίασαν ως έναν τρόπο έμμεσης επιβεβαίωσης της ύπαρξης των ατόμων και των μορίων. Οι εξισώσεις τους που περιγράφουν την κίνηση Μπράουν επαληθεύτηκαν στη συνέχεια από την πειραματική εργασία του Ζαν Μπατίστ Περρέν το 1908. Brown, Robert (1828). «A brief account of microscopical observations made in the months of June, July and August, 1827, on the particles contained in the pollen of plants; and on the general existence of active molecules in organic and inorganic bodies». en:Philosophical Magazine 4 (21): 161–173. doi:10.1080/14786442808674769. http://sciweb.nybg.org/science2/pdfs/dws/Brownian.pdf. Also includes a subsequent defense by Brown of his original observations, Additional remarks on active molecules. Chaudesaigues, M. (1908). «Le mouvement brownien et la formule d'Einstein» (στα γαλλικά). Comptes Rendus 147: 1044–6. Clark, P. (1976). «Atomism versus thermodynamics». Στο: Howson, Colin. Method and appraisal in the physical sciences. Cambridge University Press. ISBN 978-0521211109. Cohen, Ruben D. (1986). «Self Similarity in Brownian Motion and Other Ergodic Phenomena». en:Journal of Chemical Education 63 (11): 933–934. doi:10.1021/ed063p933. Bibcode: 1986JChEd..63..933C. http://rdcohen.50megs.com/BrownianMotion.pdf. Dubins, Lester E.; Schwarz, Gideon (15 May 1965). «On Continuous Martingales». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 53 (3): 913–916. doi:10.1073/pnas.53.5.913. PMID 16591279. Bibcode: 1965PNAS...53..913D. Einstein, A. (1956). Investigations on the Theory of Brownian Movement. New York: Dover. ISBN 978-0-486-60304-9. Ανακτήθηκε στις 6 Ιανουαρίου 2014. Henri, V. (1908). «Études cinématographique du mouvement brownien» (στα γαλλικά). Comptes Rendus (146): 1024–6. en:Lucretius, On The Nature of Things, translated by en:William Ellery Leonard. (on-line version, from Project Gutenberg. See the heading 'Atomic Motions'; this translation differs slightly from the one quoted). Nelson, Edward, (1967). Dynamical Theories of Brownian Motion. (PDF version of this out-of-print book, from the author's webpage.) This is primarily a mathematical work, but the first four chapters discuss the history of the topic, in the era from Brown to Einstein. Pearle, P.; Collett, B.; Bart, K.; Bilderback, D.; Newman, D.; Samuels, S. (2010). «What Brown saw and you can too». American Journal of Physics 78 (12): 1278–1289. doi:10.1119/1.3475685. Bibcode: 2010AmJPh..78.1278P. Perrin, J. (1909). «Mouvement brownien et réalité moléculaire». Annales de chimie et de physique. 8th series 18: 5–114. See also Perrin's book "Les Atomes" (1914). von Smoluchowski, M. (1906). «Zur kinetischen Theorie der Brownschen Molekularbewegung und der Suspensionen». en:Annalen der Physik 21 (14): 756–780. doi:10.1002/andp.19063261405. Bibcode: 1906AnP...326..756V. http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k15328k/f770.chemindefer. Svedberg, T. (1907). Studien zur Lehre von den kolloiden Losungen. Theile, T. N. Danish version: "Om Anvendelse af mindste Kvadraters Methode i nogle Tilfælde, hvor en Komplikation af visse Slags uensartede tilfældige Fejlkilder giver Fejlene en 'systematisk' Karakter". French version: "Sur la compensation de quelques erreurs quasi-systématiques par la méthodes de moindre carrés" published simultaneously in Vidensk. Selsk. Skr. 5. Rk., naturvid. og mat. Afd., 12:381–408, 1880. Χημική ένωση