Brownův pohyb
Brownův pohyb je náhodný pohyb částic v kapalině nebo plynu. Tento pohyb je způsoben rychle se pohybujícími atomy nebo molekulami, které na částice narážejí. Brownův pohyb objevil v roce 1827 botanik Robert Brown. Když v roce 1827 pozoroval mikroskopem částice zachycené v dutinách uvnitř pylových zrn ve vodě, všiml si, že se částice ve vodě pohybují; nedokázal však zjistit, co tento pohyb způsobuje.
Atomy a molekuly byly dlouho považovány za hlavní části hmoty. Albert Einstein publikoval v roce 1905 článek, který přesně vysvětloval, jak Brownův pozorovaný pohyb vznikl v důsledku pohybu jednotlivých molekul vody v pylu. To byl jeden z jeho prvních velkých přínosů vědě a přesvědčil mnoho vědců, že atomy a molekuly existují, To bylo dále experimentálně ověřeno Jeanem Perrinem v roce 1908. Perrinovi byla v roce 1926 udělena Nobelova cena za fyziku "za jeho práci o nespojité struktuře hmoty". Směr síly atomového bombardování se neustále mění a v různých okamžicích je částice zasažena více na jedné straně než na druhé, což vede ke zdánlivě náhodnému charakteru pohybu.
Existuje příliš mnoho molekulárních vlivů, které vytvářejí Brownovu strukturu, takže žádný vědecký model je nemůže všechny zohlednit. Proto lze k jeho popisu použít pouze pravděpodobnostní modely molekulárních populací. Dva takové modely statistické mechaniky, které vytvořili Einstein a Smoluchowski, jsou uvedeny níže. Dalším, čistě pravděpodobnostním druhem modelů jsou modely stochastických procesů. Existují jak jednodušší, tak složitější stochastické procesy, které v extrémním případě ("dovedeném do limitu") mohou popisovat Brownův pohyb (viz náhodná procházka a Donskerova věta).
Albert Einstein a Norbert Wiener se Brownovým pohybem zabývali také, ale s větší matematickou přesností.
Historie
Vědecká báseň Římana Lucretia "O povaze věcí" (asi 60 př. n. l.) obsahuje ve verších 113-140 z druhé knihy popis Brownova pohybu prachových částic. Používá ho, aby lidem pomohl s jistotou poznat existenci atomů:
"Pozorujte, co se stane, když do budovy vpustíte sluneční světlo a na stinných místech rozsvítíte malou budovu. Uvidíte množství drobných částic, které se pohybují různými způsoby..."
Zatímco Jan Ingenhousz popsal zvláštní pohyb částic uhelného prachu na hladině alkoholu v roce 1785, objev je často připisován botanikovi Robertu Brownovi v roce 1827. Brown studoval pod mikroskopem pylová zrna rostliny Clarkia pulchella zavěšená ve vodě, když si všiml drobných částic, vyvržených pylovými zrny, které vykonávaly roztřesený pohyb. Zopakováním pokusu s částicemi anorganické hmoty mohl vyloučit, že pohyb souvisí s životem, ačkoli jeho původ ještě nebyl znám.
První, kdo popsal matematickou podstatu Brownova pohybu, byl Thorvald N. Thiele v článku o metodě nejmenších čtverců publikovaném v roce 1880. Následoval Louis Bachelier v roce 1900 ve své doktorské práci "Teorie spekulace", v níž předložil analýzu akciových a opčních trhů. Často se používá model Brownova pohybu na akciovém trhu, ale Benoit Mandelbrot popřel jeho použitelnost na pohyby cen akcií.
Albert Einstein (v jedné ze svých prací z roku 1905) a Marian Smoluchowski (1906) upozornili fyziky na řešení tohoto problému a představili jej jako způsob, jak nepřímo potvrdit existenci atomů a molekul. Jejich rovnice popisující Brownův pohyb byly ověřeny experimentální prací Jeana Baptisty Perrina v roce 1908.
Z knihy Jeana Baptista Perrina Les Atomes jsou zobrazeny tři stopy pohybu částic o velikosti 0,53 µm, jak je vidíme pod mikroskopem. Postupné polohy každých 30 sekund jsou spojeny přímkami (velikost oka je 3,2 µm).
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to Brownův pohyb?
Odpověď: Brownův pohyb je náhodný pohyb částic v kapalině nebo plynu způsobený rychle se pohybujícími atomy nebo molekulami, které na částice narážejí.
Otázka: Kdo objevil Brownův pohyb?
Odpověď: Brownův pohyb objevil v roce 1827 botanik Robert Brown.
Otázka: Jak přispěl Albert Einstein k pochopení Brownova pohybu?
Odpověď: V roce 1905 Albert Einstein publikoval článek, ve kterém vysvětlil, jak je pohyb pozorovaný Robertem Brownem způsoben tím, že jednotlivé molekuly vody narážejí do částic. To pomohlo přesvědčit mnoho vědců, že atomy a molekuly existují.
Otázka: Kdo experimentálně ověřil Einsteinovu teorii?
Odpověď: Jean Perrin ověřil Einsteinovu teorii experimentálně v roce 1908 a za svou práci o struktuře hmoty získal Nobelovu cenu za fyziku.
Otázka: Jak vzniká tento náhodný vzorec?
Odpověď: Směr síly působící při atomovém bombardování se neustále mění, což vede k tomu, že různé strany částice jsou zasaženy v různém čase a způsobují zdánlivě náhodný pohyb.
Otázka: Jaké modely se používají k popisu tohoto jevu? Odpověď: K popisu se používají pravděpodobnostní modely molekulárních populací, jako například modely Einsteina a Smoluchowského, a také modely stochastických procesů.
Otázka: Kdo další studoval Brownův pohyb s větší matematickou přesností? Odpověď: Norbert Wiener také studoval Brownův pohyb s větší matematickou přesností.
