愛因斯坦41布朗運動 　　愛因斯坦成功解釋布朗運動的論文《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》主要涉及了布朗運動這一課題領域，在此對布朗運動做一下簡單的介紹，以便大家對愛因斯坦的此篇論文有更清晰的理解。 　　布朗運動是指懸浮在液體或氣體中的微粒所做的永不停息的無規則運動。因由英國植物學家羅伯特·布朗（1773年12月21日－1858年6月10日）於1827年所發現而得名，當時布朗在研究花粉和孢子在水中懸浮狀態的微觀行為時，發現花粉有不規則的運動，後來證實其他微細顆粒如灰塵也有同樣的現象，雖然他並沒有能從理論上解釋這種現象，但後來的科學家還是用他的名字將其命名為布朗運動。 　　布朗運動的發現是一個新奇的現象，它的原因是什麼？人們是迷惑不解的。在羅伯特·布朗之後，這一問題一再被提出，為此有許多學者進行過長期的研究。一些早期的研究者簡單地把它歸結為熱或電等外界因素引起的。最早隱約指向合理解釋的是維納（1826年-1896年），1863年他提出布朗運動起源於分子的振動，他還公布了首次對微粒速度與粒度關係的觀察結果，不過他的分子模型還不是現代的模型，他看到的實際上是微粒的位移，並不是振動。在維納之後，S·埃克斯納也測定了微粒的移動速度，他提出布朗運動是由於微觀範圍的流動造成的，不過他並沒有說明這種流動的根源。 　　到了19世紀七八十年代，一些學者開始明確地把布朗運動歸結為液體分子撞擊微粒的結果。1879年，植物學家耐格裡從真菌、細菌等通過空氣傳播的現象，認為這些微粒即使在靜止的空氣中也可以不沉。聯係到物理學中氣體分子以很高速度向各方向運動的結論，他推測看到的飛舞的塵埃是氣體分子從各方向撞擊的結果：“這些微小塵埃就象彈性球一樣被擲來擲去，結果如同分子本身一樣能保持長久的懸浮。” 　　不過耐格裡又放棄了這一可能達到正確解釋的途徑，他計算了單個氣體分子和塵埃微粒發生彈性碰撞時微粒的速度，結果要比實際觀察到的小許多數量級，於是他認為由於氣體分子運動的無規則性，它們共同作用的結果不能使微粒達到觀察速度值，而在液體中則由於介質和微粒的摩擦阻力和分子間的粘附力，分子運動的設想則不能成為合適的解釋。 　　卡蓬內爾、德爾索和梯瑞昂等人認為由於分子運動的無規則性和分子速度有一分布，在液體或氣體中的微觀尺度上存在密度和壓力的漲落。這種漲落在宏觀尺度上抵消掉了，但是如果微粒尺寸足夠微小，這種不均勻性就不能抵消，液體中相應的擾動就能表現出來，因此懸浮在液體中的微粒隻要足夠小，就會不停地振蕩下去。卡蓬內爾明確地指出唯一影響此效應的因素是微粒的大小，不過他把這種運動主要看成振蕩，而德耳索根據克勞修斯把分子運動歸結為平動和轉動的觀點，認為微粒的運動是無規則位移。 　　古伊在1888年-1895年期間對布朗運動進行過大量的實驗觀察，他對分子行為的描述並不比卡蓬內爾等人高明，他也沒有弄清漲落的原因。不過古伊的特別之處是他強調的不是對布朗運動的物理解釋，而是把布朗運動作為探究分子運動性質的一個工具：“布朗運動表明，並不是分子的運動，而是從分子運動導出的一些結果能向我們提供直接的和可見的證據，說明對熱本質假設的正確性。按照這樣的觀點，這一現象的研究承擔了對分子物理學的重要作用。” 　　到了1900年，F·埃克斯納完成了布朗運動前期研究的最後工作，他用了許多懸濁液進行了和他的父親S·埃克斯納30年前作過的同類研究，他測定了微粒在1min內的位移，與前人一樣，證實了微粒的速度隨粒度增大而降低，隨溫度升高而增加，他清楚地認識到微粒作為巨大分子加入了液體分子的熱運動：“這種可見的運動及其測定值對我們清楚了解液體內部的運動會有進一步的價值。” 　　對於布朗運動的研究，1900年是個重要的分界線，至此，布朗運動的適當的物理模型已經顯明，剩下的問題是需要作出定量的理論描述了。到了1905年，阿爾伯特·愛因斯坦就發表了上述論文《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》，成功的為布朗運動做出了定量的理論描述。就在差不多同時，波蘭先驅統計物理學家斯莫魯霍夫斯基也作出了同樣的成果，他們的理論圓滿地回答了布朗運動的本質問題 　　應該指出，愛因斯坦從事這一工作的歷史背景是那時科學界關於分子真實性的爭論。這種爭論由來已久，從原子分子理論產生以來就一直存在。20世紀初，以奧地利-捷克物理學家和哲學家恩斯特·馬赫（1838年2月18日-1916年2月19日）和出生於拉脫維亞的德國籍物理化學家威廉·奧斯特瓦爾德（1853年9月2日－1932年4月4日）為代表的一些人再次提出對原子分子理論的非難，他們從實證論或唯能論的觀點出發，懷疑原子和分子的真實性，使得這一爭論成為科學前沿中的一個中心問題。要回答這一問題，除開哲學上的分歧之外，就科學本身來說，就需要提出更有力的證據，以證明原子、分子的真實存在。愛因斯坦的理論成果為證實分子的真實性找到了一種方法，同時也圓滿地闡明了布朗運動的根源及其規律性，下麵的工作就是要用充足的實驗來檢驗這一理論的可靠性。 　　1907年斯維德伯格用超顯微鏡觀測金溶膠的布朗運動，在測定阿伏加德羅常數和驗證愛因斯坦理論上作出了出色的工作。1908到1913年期間，貝蘭進行了驗證愛因斯坦布朗運動理論和測定阿伏加德羅常數的實驗研究。 　　根據愛因斯坦論文導出的公式，貝蘭在選定的一段時間內用顯微鏡觀察粒子的水平投影，測得許多位移數值，再進行統計平均。通過改變各種實驗條件，貝蘭得到的阿伏伽德羅常數N值是(5.5-7.2)×1023。貝蘭還用過一些其它方法，用各種方法得到的阿伏伽德羅常數N值是： 　　6.5×1023—用類似氣體懸浮液分布法； 　　6.2×1023—用類似液體懸浮液分布法； 　　6.0×1023—測定濃懸浮液中的騷動； 　　6.5×1023—測定平動布朗運動； 　　6.5×1023—測定轉動布朗運動。 　　這些結果相當一致，都接近現代公認的數值6.022×1023。考慮到方法涉及許多物理假設和實驗技術上的困難，可以說這是相當了不起的。 　　就這樣，布朗運動自發現之後，經過近八十年的研究，人們逐漸接近對它的正確認識。到20世紀初，先是愛因斯坦和斯莫魯霍夫斯基的理論，找書苑 ｗww.ｚhaoｓhuyｕan．com 然後是貝蘭和斯維德伯格的實驗使這一重大的科學問題得到圓滿地解決，並首次測定了阿伏伽德羅常數，這也就是為分子的真實存在提供了一個直觀的、令人信服的證據，這對基礎科學和哲學有著巨大的意義。從這以後，科學上關於原子和分子真實性的爭論即告終結。正如原先原子論的主要反對者奧斯特瓦爾德所說：“布朗運動和動力學假說的一致，已經被貝蘭十分圓滿地證實了，這就使哪怕最挑剔的科學家也得承認這是充滿空間的物質的原子構成的一個實驗證據。” 　　按經典熱力學的觀點，布朗運動嚴格來說屬於機械運動，因此它表現出的是一種機械能。這種機械能是自發由內能轉化而來，而與此同時，它又在向內能轉化而去，當這兩種轉化的速率相同時，客觀上就達到了一種動態平衡，表現為顆粒做布朗運動。此時兩種能量自發地不停地相互轉化，而不引起其它變化。 　　有人據此對熱力學第二定律提出質疑。實際上，布朗運動是一種特殊的機械運動，做布朗運動的顆粒正好處於宏觀與微觀的分界點上，所以布朗運動中機械能同時具有一般意義上的宏觀機械能與微觀分子動能的雙重特性，它的能量集中程度介於兩者之間，無序性也介於兩者之間。 　　熱力學第二定律本身隻適用於宏觀物體，而布朗運動的問題，實際上反映了經典物理學“宏觀”與“微觀”概念的模糊性，也反映了經典物理學的局限。而這種特殊的運動能否像人們希望的那樣把人類從滅頂於熵的悲劇中拯救出來，隻能從量子物理學中尋求答案。