A felfedezés
Robert Brown skót botanikus 1827-ben publikálta megfigyeléseit: az esővizes hordó vízét mikroszkóp alatt tanulmányoztam, és abban szüntelenül mozgó valamiket látott, amiket eleinte apró élőlényeknek tartott. De bárhogy is próbálta azokat megölni (például forralással), hogy abbahagyják a mozgást, azok továbbra is szüntelenül "ficánkoltak". Amikor eső idején egy tiszta pohárral a kezében kiment a szabadba, a frissen gyűjtött esővízben nem látott ilyen mozgó dolgokat, de az ereszből vett vízmintában igen. Végül rájött, hogy az "elpusztíthatatlanul" izgő-mozgó apróságok pollenek, azaz apró virágpor szemcsék.
A Brown-mozgás magyarázata
A jelenség magyarázata az, hogy egy pollenszemcse a jelenség számára pont optimális méretű, azaz:
- már van olyan nagy, hogy a mikroszkópban látható legyen (ellentétben a vízmlekulákkal, melyek a mikroszkópban mláthatósághoz túl kicsik)
- de nem túl nagy ahhoz, hogy a szüntelenül neki lökdősődő vízmolekuklák időnként egy kicsit arrébb lökjék (a pollennel szemben egy homokszem már túl nagy tömegű ehhez)
A pollenszemcsét tehát nem egyetlen vízmolekula löki meg valamelyik irányba, hanem amikor (a véletlenek játéka miatt) egyik irányból épp több vízmolekula ütközik neki (vagy azok nagyobb átlagos sebességgel csapódnak neki), mint az ellentétes irányból, akkor a pollenszemcse megindul a nagyobb eredő erő irányába. Vagyis a Brown-mozgás egy "statisztikai" következménye az igen apró atomok, molekulák véletlenszerű mozgásának, melyeket a jelenség során nem is látunk a mikroszkópban. Vagyis egy közvetett bizonyítéka annak, hogy a folyadék igen apró molekulákból áll, melyek szüntelenül mozognak (hőmozgást végeznek).
Időnként szokták Brown-mozgásnak nevezni a levegőben lebegő apró porszemek véletlenszerű mozgását is, melyet erős fénysugár útjában, sütét háttér esetén figyelhető meg (például projektor fénycsóvájában, sötét szobában).
Brown-mozgás videók
Az alábbi két videón különféle lebegő részecskék Brown-mozgása látható fénymikroszkópban (zsírcseppek tejben, festékpigmentek vízben).
A következő videó egy szimuláció, melyen a Brown-mozgást végző (kék színű) nagyobb részecske a nála jóval kisebb (piros) folyadékrészecskék apró pofonjainak egyenetlenségei (fluktuációi) hatására meg-meglökődik valamilyen irányba:
Tudománytörténeti érdekességek
- Jan Ingenhousz holland biológus már Brown előtt évtizedekkel, 1785-ben leírta, hogy az alkoholban úszó szénpor szemcsék szüntelen, véletlenszerű mozgást végeznek.
- Louis Bachelier fiatal francia matematikus A spekuláció elmélet című 1900-ban született PhD dolgozata, mely a véletlenszerű "lökéseket" a tőzsdei árfolyamok mozgásának leírására használta, ahogy az egyes piaci szereplők véletlenszerűen érkező vételi és eladási megbízásai "rángatják" az árgfolyamot. (Bachelier dolgozatát az 1960-as években fedezték fel újra, amikor is elkezdték a tőzsdei árfolyammozgások véletlen ingadozásait statisztikai módszerekkel leírni.)
- Einstein 1905-ös dolgozatában elemezte a Brown.mozgást, és levezette, hogy az eltelt idő négyzetgyökével arányosan növekszik a lökdösött részecske kezdeti helytől való átlagos távolsága. Emiatt van, hogy amikor valaki egy ismeretlen helyen "elveszik", akkor nem érdemes elindulnia, bolyongania, mert a véletlenszerű irányokban történő haladásaival csak egyre inkább eltávolodik attól az "elveszési" helytől, ahol a legnagyobb eséllyel keresni fogják. Ugyanakkor a mászkálással növeli annak esélyét, hogy "összefusson" az őt keresőkkel.
- Perrin francia fizikus elvégezte az Einstein-féle Brown-mozgás formula kísérleti igazolását, amivel az atomelmélet "véglegesen győzedelmeskedett", és amiért 1926-ban fizikai Nobel-díjat is kapott.