Теория броуновского движения и экспериментальное доказательство реального существования атомов и молекул

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ОНТОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПОЗНАНИЯ

Теория броуновского движения и экспериментальное доказательство реального существования атомов и молекул

Выполнил: аспирант

Физического факультета

Крисилов А.В.

Воронеж 2010

Содержание

.Атомная структура материи

.Открытие Роберта Броуна

.Теория броуновского движения

.1Альберт Эйншнейн - первая теория броуновского движения

.2Марианн Смолуховский - происхождение законов вероятности в физике

.Доказательства реального существования атомов и молекул

.1Жан Батист Перрен - решающие эксперименты

.2Теодор Сведберг - определение размеров белковой молекулы

.Современная наука и броуновское движение

Литература

1.Атомная структура материи

материя броуновский молекула атом

Существенный признак того, что в обыденной жизни и в науке мы обозначаем как случайность, можно кратко определить следующимобразом: малые причины - большие следствия.

М. Смолуховский

Хорошо известно, что древние мыслители неоднократно высказывали предположение о дискретной природе материи. Они пришли к этому, исходя из философской идеи о том, что невозможно осознать бесконечную делимость материи и при рассмотрении все более мелких количеств необходимо где-то остановиться. Для них атом был последней неделимой частью материи, после которой уже нечего было искать. Современная физика также исходит из представления об атомной структуре материи, но с ее точки зрения атом представляет собой нечто совершенно отличное от того, что понимали под этим словом древние мыслители. По современным представлениям, атом, будучи составной частью вещества, имеет весьма сложную структуру. Действительными же атомами в смысле древних являются, с точки зрения новейшей физики, элементарные частицы, например электроны, которые рассматриваются сегодня (может быть, временно) как последние неделимые составляющие атомов и, следовательно, материи.

Понятие атома было введено в современную науку химиками. Изучение химических свойств различных тел привело ученых-химиков к мысли, что все вещества подразделяются на два класса: к одному из них относятся сложные или составные вещества, которые путем соответствующих операций могут быть разложены на более простые вещества, к другому - более простые вещества, которые уже невозможно разложить на составные части. Эти простые вещества часто называют также элементами. В соответствии с этой теорией разложение сложных веществ на составляющие их элементы состоит в разрушении связей, объединяющих различные атомы в молекулы, и разделении веществ на составные части.

Атомная гипотеза оказалась очень плодотворной не только для объяснения основных химических явлений, но и для построения новых физических теорий. В самом деле, если все вещества действительно состоят из атомов, то многие их физические свойства, можно предсказать, исходя из представления об их атомной структуре. Например, хорошо известные свойства газа следовало бы объяснять, представляя газ как совокупность чрезвычайно большого числа атомов или молекул, находящихся в состоянии быстрого непрерывного движения. Давление газа на стенки содержащего его сосуда должно быть вызвано ударами атомов или молекул о стенки, температура его должна быть связана со средней скоростью движения частиц, которая возрастает с увеличением температуры газа. Основанная на подобных представлениях теория, получившая название кинетической теории газов, позволила вывести теоретически основные законы, которым подчиняются газы и которые уже были получены ранее экспериментальным путем. Более того, если предположение об атомном строении веществ соответствует действительности, то из этого следует, что для объяснения свойств твердых тел и жидкостей необходимо допустить, что в этих физических состояниях атомы или молекулы, из которых состоит вещество, должны находиться на гораздо меньших расстояниях друг от друга и быть гораздо сильнее связанными между собой, чем в газообразном состоянии. Большая величина сил взаимодействия между чрезвычайно близко расположенными атомами или молекулами, которую необходимо допустить, должна объяснить упругость, не сжимаемость и некоторые другие свойства, характеризующие твердые и жидкие тела. Возникшие и разработанные на этой основе теории встретили на своем пути целый ряд трудностей (большая часть которых была устранена с возникновением квантовой теории). Однако полученные в этой теории результаты были достаточно удовлетворительными, чтобы считать, что она развивается по правильному пути.

Несмотря на то, что гипотеза об атомном строении вещества для некоторых физических теорий оказалась весьма плодотворной, для окончательного ее подтверждения было необходимо произвести более или менее прямой эксперимент, подтверждающий атомную структуру материи [1].

Первым шагом к этому эксперименту стал опыт ботаника Роберта Брауна, который обнаружил беспорядочное движение взвешенных в жидкости частиц пыльцы. Но признание значения этого открытия для науки пришло более чем через полстолетия.

Для доказательства реальности молекул необходимо было определить их размер или массу. В 1865 году Лошмидт получил на газокинетической основе первую оценку размера молекул воздуха и числа молекул газа в 1 куб. см при нормальных условиях, и изложил полученные результаты в известной работе «Zur Grösse der Luftmoleküle» [2].

Семь лет спустя в 1872 г. Ван дер Ваальс вычислил постоянную Авогадро NA(количество молекул в образце, число граммов вещества в котором равно его молекулярному весу). Ван дер Ваальс нашел для числа N приблизительное значение 6,21023. Теория газа при высоких давлениях и вытекающие из нее

следствия вызвали всеобщее восхищение, но из-за большого числа предположений, лежавших в основе как теории, так и расчета числа NA, полученному значению числа Авогадро не особенно доверяли [3].

2.Открытие Роберта Броуна

Шотландский ботаник Роберт Броун еще при жизни как лучший знаток растений получил титул «князя ботаников». Он сделал много замечательных открытий. В 1805 после четырехлетней экспедиции в Австралию привез в Англию около 4000 видов не известных ученым австралийских растений и много лет потратил на их изучение. Описал растения, привезенные из Индонезии и Центральной Африки. Изучал физиологию растений, впервые подробно описал ядро растительной клетки. Но имя ученого сейчас широко известно вовсе не из-за этих работ.

В 1827 Броун проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой) взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам».

Наблюдение Броуна подтвердили другие ученые. Мельчайшие частички вели себя, как живые, причем «танец» частиц ускорялся с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедлялся при замене воды более вязкой средой. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколь угодно долго. Поначалу Броун подумал даже, что в поле микроскопа действительно попали живые существа, тем более что пыльца - это мужские половые клетки растений, однако так же вели частички из мертвых растений, даже из засушенных за сто лет до этого в гербариях. Тогда Броун подумал, не есть ли это «элементарные молекулы живых существ», о которых говорил знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707-1788), автор 36-томной Естественной истории. Это предположение отпало, когда Броун начал исследовать явно неживые объекты; сначала это были очень мелкие частички угля, а также сажи и пыли лондонского воздуха, затем тонко растертые неорганические вещества: стекло, множество различных минералов. «Активные молекулы» оказались повсюду: «В каждом минерале, - писал Броун, - который мне удавалось измельчить в пыль до такой степени, чтобы она могла в течение какого-то времени быть взвешенной в воде, я находил, в больших или меньших количествах, эти молекулы» [3].

Около 30 лет открытие Броуна не привлекало интереса физиков [4]. Новому явлению не придавали большого значения, считая, что оно объясняется дрожанием препарата или же аналогично движению пылинок, которое наблюдается в атмосфере, когда на них падает луч света, и которое, как было известно, вызывается движением воздуха. Но если бы движения броуновских частиц вызывались какими-либо потоками в жидкости, то такие соседние частицы двигались бы согласованно, что противоречит данным наблюдений.

Объяснение броуновского движения (как назвали это явление) движением невидимых молекул было дано только в последней четверти 19 в., но далеко не сразу было принято всеми учеными. В 1863 преподаватель начертательной геометрии из Карлсруэ (Германия) Людвиг Кристиан Винер (1826-1896) предположил, что явление связано с колебательными движениями невидимых атомов. Важно, что Винер увидел возможность с помощью этого явления проникнуть в тайны строения материи. Он впервые попытался измерить скорость перемещения броуновских частиц и ее зависимость от их размера. Но заключения Винера были усложненными из-за введения понятия «атомов эфира» помимо атомов материи. В 1876 г. Уильям Рамзай, а в 1877 г. бельгийские священники-иезуиты Карбонель, Дельсо и Тирьон [3], и ,наконец, в 1888 г. Гюи, ясно показали тепловую природу броуновского движения[ 5].

«При большой площади, - писали Дельсо и Карбонель, - удары молекул, являющиеся причиной давления, не вызывают никакого сотрясения подвешенного тела, потому что они в совокупности создают равномерное давление на тело во всех направлениях. Но если площадь недостаточна, чтобы скомпенсировать неравномерность, нужно учесть неравенство давлений и их непрерывное изменение от точки к точке. Закон больших чисел не сводит теперь эффект соударений к среднему равномерному давлению, их равнодействующая уже не будет равна нулю, а будет непрерывно изменять свое направление и свою величину».

Если принять это объяснение, то явление теплового движения жидкостей, постулируемое кинетической теорией, можно сказать, представляется доказанным ad oculos (наглядно). Подобно тому как возможно, не различая волн в морской дали, тем объяснит качание лодки на горизонте волнами, точно так же, не видя движения молекул, можно судить о нем по движению взвешенных в жидкости частиц.

Это объяснение броуновского движения имеет значение не только как подтверждение кинетической теории, оно влечет за собой также важные теоретические последствия. По закону сохранения энергии изменение скорости взвешенной частицы должно сопровождаться изменением температуры в непосредственной окрестности этой частицы: эта температура возрастает, если скорость частицы уменьшается, и уменьшается, если скорость частицы увеличивается. Таким образом, термическое равновесие жидкости представляет собой статистическое равновесие.

Еще более существенное наблюдение сделал в 1888 г. Гюи: броуновское движение, строго говоря, не подчиняется второму началу термодинамики. В самом деле, когда взвешенная частица спонтанно поднимается в жидкости, то часть тепла окружающей ее среды спонтанно превращается в механическую работу, что запрещается вторым началом термодинамики. Наблюдения, однако, показали, что поднятие частицы происходит тем реже, чем тяжелее частица. Для частиц материи обычных размеров эта вероятность подобного поднятия практически равна нулю.

Таким образом, второй закон термодинамики становится законом вероятности, а не законом необходимости. Ранее никакой опыт не подтверждал этой статистической интерпретации. Достаточно было отрицать существование молекул, как это делала, например, школа энергетиков, процветавшая под руководством Маха и Оствальда, чтобы второе начало термодинамики стало законом необходимости. Но после открытия броуновского движения строгая интерпретация второго начала становилась уже невозможной: был реальный опыт, который показывал, что второй закон термодинамики постоянно нарушается в природе, что вечный двигатель второго рода не только не исключен, но постоянно осуществляется прямо на наших глазах.

Поэтому в конце прошлого века исследование броуновского движения приобрело огромное теоретическое значение и привлекло внимание многих физиков-теоретиков, и в частности Эйнштейна [3].

3.Теория броуновского движения

Начиная с самых первых физических исследований броуновского движения, делались попытки определить среднюю скорость взвешенных частиц. Однако полученные оценки содержали грубые ошибки, так как траектория частицы столь сложна, что ее невозможно проследить: средняя скорость сильно меняется по величине и направлению, не стремясь ни к какому определенному пределу с увеличением длительности времени наблюдения. Невозможно определить касательную к траектории в какой-либо точке, потому что траектория частицы напоминает не гладкую кривую, а график какой-то функции, не имеющей производной.

Горизонтальная проекция(в увеличенном виде) последовательных положений, занимаемых через каждые 30 сек тремя частицами камеди диаметром чуть больше 1 мк. (Les Atomes - Nature, Volume 91, Issue 2280, pp. 473 (1913)).

3.1Эйншнейн - первая теория броуновского движения

В 1902 г. после окончания Федерального института в Цюрихе Эйнштейн стал экспертом Швейцарского патентного бюро в Берне, в котором прослужил семь лет. Для него это были счастливые и продуктивные годы. Хотя жалованья едва хватало, работа в патентном бюро не была особенно обременительной и оставляла Эйнштейну достаточно сил и времени для теоретических исследований. Его первые работы были посвящены силам взаимодействия между молекулами и приложениям статистической термодинамики. Одна из них - «Новое определение размеров молекул»[6] была принята в качестве докторской диссертации Цюрихским университетом. В том же году Эйнштейн опубликовал небольшую серию работ, которые не только показали его силу как физика-теоретика, но и изменили лицо всей физики.

Одна из этих работ была посвящена объяснению броуновского движения частиц, взвешенных в жидкости[7]. Эйнштейн связал движение частиц, наблюдаемое в микроскоп, со столкновениями этих частиц с молекулами; кроме того, он предсказал, что наблюдение броуновского движения позволяет вычислить массу и число молекул, находящихся в данном объеме. Через несколько лет это было подтверждено Жаном Перреном. Эта работа Эйнштейна имела особое значение потому, что существование молекул, считавшихся не более чем удобной абстракцией, в то время еще ставилось под сомнение [8].

3.2Смолуховский- происхождение законов вероятности в физике

Эйнштейн, который примерно в те же годы и сам провел блестящие исследования броуновского движения, в некрологе памяти Смолуховского (1917) писал: Кинетической теории теплоты удалось добиться общего признания лишь в 1905-1906 гг., когда было доказано, что она может количественно объяснить давно открытое хаотическое движение взвешенных микроскопических частиц, т. е. броуновское движение. Смолуховский создал особенно изящную и наглядную теорию этого явления, исходя из кинетического закона равномерного распределения энергии... Познание сущности броуновского движения привело к внезапному исчезновению всяких сомнений в достоверности больцмановского понимания термодинамических законов [ 9].

Самое важное в работах Эйнштейна и Смолуховского по броуновскому движению состоит в установлении связи между законами движения видимых и доступных непосредственному измерению взвешенных в жидкости броуновских частиц и законами движения невидимых молекул. Оказалось, что к взвешенным броуновским частицам применимы газовые законы; их распределение в поле тяжести (барометрическая формула) такое же, как и распределение газов; их средняя кинетическая энергия равна средней кинетической энергии молекул жидкости, в которой они взвешены. Значит, в броуновском движении наблюдаемых частиц мы имеем наглядную и измеримую картину кинетического движения молекул. Все это раскрыло богатейшие возможности для разнообразных приемов экспериментальной проверки величин, характеризующих молекулярные системы, которые ранее выглядели лишь как гипотетические. Так результаты исследования броуновского движения дали множество способов измерений числа частиц в грамм-молекуле (число Авогадро) - через измерение вязкости газов, распределение частиц диффузии растворимых тел, явление oпалесценции, явление голубизны неба и т. д. Во всех случаях результаты оказались удивительно совпадающими, в пределах ошибок эксперимента. Жан Перрен в докладе Броуновское движение и молекулы, прочитанном во Французском физическом обществе 15 апреля 1909 г., говорил: Мне кажется невозможным, чтобы ум, свободный от предрассудков, не испытал сильнейшего впечатления при мысли о необычайном разнообразии явлений, которые с такой точностью стремятся дать одно и то же число, тогда как для каждого из этих явлений, не руководствуясь молекулярной теорией, можно было бы ожидать любой величины, заключенной между нулем и бесконечностью. Отныне уже будет трудно защищать разумными аргументами враждебное отношение молекулярным гипотезам. Значение исследований броуновского движения хорошо понимал и Смолуховский, который на съезде в Мюнстере в 1912 г. говорил: ...Здесь впервые серьезно принимается во внимание максвелловский закон распределения скоростей и вообще представление о теплоте как о процессе движения, в то время как раньше все это рассматривали обычно как своего рода поэтические сравнения [10].

Исследования броуновского движения и флуктуаций неизбежно выдвигают перед ученым методологические проблемы о роли случайности в физике, o чем писал Смолуховский в опубликованной уже после его смерти статье О понятии случайности и о происхождении законов вероятности в физике[11].

4.Доказательства реального существования атомов и молекул

.1Жан Батист Перрен - решающие эксперименты.

В ходе исследований катодных лучей, испускаемых отрицательным электродом (катодом) в вакуумной трубке при электрическом разряде, Жан Батист Перрен в 1895 г. показал, что они являются потоком отрицательно заряженных частиц. Вскоре стало распространяться мнение, что эти отрицательные частицы, названные электронами, представляют собой составную часть атомов.

Атомная теория утверждала, что элементы составлены из дискретных частиц, называемых атомами, и что химические соединения состоят из молекул, частиц большего размера, содержащих два или более атомов. К концу XIX в. атомная теория получила широкое признание среди ученых, особенно среди химиков. Однако некоторые физики полагали, что атомы и молекулы - это не более чем фиктивные объекты, которые введены из соображения удобства и полезны при численной обработке результатов химических реакций. Австрийский физик и философ Эрнст Мах считал, что вопрос о первичном строении материи принципиально неразрешим и не должен быть предметом исследования ученых. Для сторонников атомизма подтверждение дискретности материи было одним из принципиальных вопросов, остававшихся нерешенными в физике.

Продолжая разрабатывать атомную теорию, Перрен выдвинул в 1901 г. гипотезу, что атом представляет собой миниатюрную Солнечную систему, но не смог это доказать.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн опубликовал работу о броуновском движении, в которой были даны теоретические обоснования молекулярной гипотезы. Он дал определенные количественные предсказания, однако необходимые для их проверки эксперименты требовали настолько большой точности, что Эйнштейн сомневался в их осуществимости. С 1908 по 1913 г. Перрен (вначале не зная о работе Эйнштейна) выполнил тончайшие наблюдения над броуновским движением, которые подтвердили предсказания Эйнштейна.

Перрен понял, что если движение взвешенных частиц вызывается столкновениями с молекулами, то, основываясь на хорошо известных газовых законах, можно предсказать их средние смещения за определенный промежуток времени, если знать их размер, плотность и некоторые характеристики жидкости (например, температуру и плотность). Требовалось только правильно согласовать эти предсказания с измерениями, и тогда появилось бы веское подтверждение существования молекул. Однако получить частицы нужных размеров и однородности было не так просто. После многих месяцев кропотливого центрифугирования Перрену удалось выделить несколько десятых грамма однородных частиц гуммигута (желтоватого вещества, получаемого из млечного сока растений). После измерения характеристик броуновского движения этих частиц результаты оказались вполне соответствующими молекулярной теории.

Распределение конечных точек горизонтальных смещений частицы камеди, перенесенных параллельно самим себе так, чтобы начала всех смещений находились в центре окружности, опубликованное в работе Перрена Броуновское движение и реальность молекул[12].

Перрен также изучал седиментацию, или оседание, мельчайших взвешенных частиц. Если молекулярная теория верна, рассуждал он, частицы, размеры которых меньше определенного, вовсе не будут опускаться на дно сосуда: направленная вверх компонента импульса, полученного в результате соударений с молекулами, будет постоянно противодействовать направленной вниз силе тяжести. Если суспензия не подвергается возмущениям, то в конце концов установится седиментационное равновесие, после чего концентрация частиц на различной глубине не будет изменяться. Если свойства суспензии известны, то можно предсказать равновесное распределение по вертикали.

Перрен провел несколько тысяч наблюдений, весьма изощренно и остроумно пользуясь микроскопической техникой и подсчитывая число частиц на разной глубине в одной капле жидкости с шагом по глубине всего в двенадцать сотых миллиметра. Он обнаружил, что концентрация частиц в жидкости экспоненциально убывает с уменьшением глубины, причем числовые характеристики столь хорошо согласовались с предсказаниями молекулярной теории, что результаты его опытов были широко признаны как решающее подтверждение существования молекул. Позже он придумал способы измерения не только линейных смещений частиц в броуновском движении, но и их вращения. Исследования Перрена позволили ему вычислить размеры молекул и число Авогадро, т.е. число молекул в одном моле (количестве вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна молекулярному весу этого вещества). Он проверил полученное им значение числа Авогадро с помощью пяти различных типов наблюдений и нашел, что она удовлетворяет им всем с учетом минимальной экспериментальной ошибки. (Принятое ныне значение этого числа составляет примерно 6,02·1023; Перрен получил величину на 6% более высокую.) К 1913 г., когда он суммировал уже многочисленные к тому времени свидетельства дискретной природы материи в своей книге Les Atomes - «Атомы» [13] реальность существования как атомов, так и молекул была признана почти повсеместно.

В 1926 г. Перрен получил Нобелевскую премию по физике «за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия»[8].

4.2Теодор Сведберг - определение размеров белковой молекулы

Шведский химик Теодор Сведберг всего через 3 года после поступления в Упсальский университет получает докторскую степень за диссертацию о коллоидных системах.

Коллоидные системы представляют собой смесь, в которой мельчайшие частицы одного вещества рассеяны в другом веществе. Коллоидные частицы крупнее, чем частицы истинных растворов, но не настолько, чтобы их можно было рассматривать под микроскопом или чтобы они выпадали в осадок под действием силы тяжести. Их размеры варьируются от 5 нанометров до 200 нанометров. Примерами коллоидных систем являются «индийские чернила» (частицы угля в воде), дым (твердые частицы в воздухе) и молочный жир (крошечные шарики жира в водяном растворе). В докторской диссертации Сведберг описал новый способ применения колебательных электрических разрядов между металлическими электродами, расположенными в жидкости, с целью получения относительно чистых коллоидных растворов металлов. Для ранее принятого способа с применением постоянного тока была характерна высокая степень загрязненности.

В 1912 г. Сведберг стал первым в Упсальском университете преподавателем физической химии и оставался на этой работе в течение 36 лет. Проведенное им тщательное изучение диффузии и броуновского движения коллоидных частиц (беспорядочного движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости) стало еще одним свидетельством в пользу осуществленного в 1908 г. Жаном Перреном экспериментального подтверждения теоретической работы Альберта Эйнштейна и Мариана Смолуховского, установивших наличие молекул в растворе. Перрен доказал, что размеры крупных коллоидных частиц могут устанавливаться путем измерения скорости их выпадения в осадок. Большинство коллоидных частиц, однако, осаждается в своей среде так медленно, что этот способ представлялся непрактичным.

Для определения размеров частиц в коллоидных растворах Сведберг применил сконструированный Рихардом Зигмонди ультрамикроскоп. Он полагал, что осаждение коллоидных частиц ускорилось бы в условиях более сильного гравитационного поля, создаваемого скоростной центрифугой. Во время своего пребывания в Висконсинском университете в 1923 г., где он был в течение 8 месяцев приглашенным профессором, Сведберг приступил к созданию оптической центрифуги, в которой осаждение частиц фиксировалось бы посредством фотографирования. Поскольку частицы двигались, не только осаждаясь, но и под действием конвенционных токов, Сведберг с помощью этого метода не мог установить размеры частиц. Он знал, что высокая удельная теплопроводность водорода могла бы помочь устранить температурные различия, а следовательно, и конвекционные токи. Сконструировав клинообразную кювету и поместив вращающуюся кювету в атмосферу водорода, Сведберг в 1924 г., уже вернувшись в Швецию, вместе со своим коллегой Германом Ринде добился осаждения без конвекции. В январе 1926 г. ученый испытал новую модель ультрацентрифуги с масляными роторами, в которой добился 40 100 оборотов в минуту. При такой скорости на осаждающуюся систему действовала сила в 50 000 раз превосходящяя силу тяжести.

Спустя год Сведберг обнаружил, что биологические макромолекулы можно также заставить выпадать в осадок из раствора. Он доказал, что все молекулы данного белка монодисперсны (т.е. имеют одинаковый размер) в отличие от частиц металлических коллоидных систем. Более того, по скорости осаждения белка можно также сделать вывод о размере молекулы. Это заключение стало первым указанием на то, что молекулы белков имеют четко выраженную массу и форму. В результате сделанных Сведберг открытий центрифуга стала главным инструментом биохимических исследований. Теперь скорость выпадения в осадок измеряется в единицах, названных именем Сведберга.

В 1926 г. Сведбергу была присуждена Нобелевская премия по химии «за работы в области дисперсных систем». В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук X. Г. Седербаум сказал: «Движение частиц, взвешенных в жидкости... наглядно свидетельствует о реальном существовании молекул, а следовательно, и атомов - факт тем более знаменательный, что еще совсем недавно влиятельная школа ученых объявила эти материальные частицы плодом воображения»[8].

5.Современная наука о броуновском движении

Фундаментальная проблема соотношения обратимости уравнений классической и квантовой механики с необратимостью процессов термодинамики тесно связана с понятием хаоса и применимостью вероятностного описания [14,15]. Из множества решений уравнений динамики реализуются только устойчивые к взаимодействию с окружением физической системы, таким образом необратимость является свойством открытых систем. Любая система может считаться замкнутой лишь приближенно(т.к. всегда существуют внешние шумы), поэтому необратимость обладает универсальным характером [16].

В настоящее время термин броуновское движение имеет очень широкий смысл и теория броуновского движения является разделом физики открытых систем связанным со стохастическими процессами, процессами самоорганизации и динамическим хаосом [17].

В статистической теории неравновесных процессов атомы, как микроскопические структурные единицы, используются лишь на стадии построения модели рассматриваемой макроскопической системы. Далее применяются диссипативные нелинейные уравнения механики сплошных сред для детерминированных функций. Различают три уровня описания - кинетический, гидродинамический и химической кинетики. Отдельно можно выделить стохастические уравнения (например, уравнения теории турбулентности) для случайных функций [18]. Уточнение теории возможно за счет учета флуктуаций, что впервые сделал еще Ланжевен при рассмотрении линейного диссипативного динамического уравнения движения броуновской частицы. В различных системах роль броуновских частиц могут играть функции распределения, гидродинамические функции и концентрации[19].

Учет флуктуаций необходим при исследовании молекулярного рассеяния света, неравновесных фазовых переходов, последовательности которых формируют процессы самоорганизации[20-23]. Применения нелинейной теории броуновского движения чрезвычайно обширны: от экологии [24] и финансов [25] до методов контролируемого перемещения наночастиц - броуновские моторы [26]. Броуновские моторы связаны с диссипативной динамикой в неравновесных квантовых системах [27].

Развитие математического описания стохастических процессов стимулировало прогресс в различных областях, привело к появлению современной формулировки квантовой механики на основе интегралов по траекториям[25] и новых направлений исследований, таких, как квантовый хаос и квантовый броуновский шум [28]. Экспериментальный прогресс в области физики высоких энергий и астрофизики стимулировал интерес к процессам релятивистской диффузии и построению релятивистской статистической механики, в настоящее время многие вопросы еще остаются открытыми [25].

Со времени своего открытия броуновское движение превратилось из объекта частного научного любопытства в ключевое понятие современной науки.[29].

Литература

1.Луи де Бройль. Революция в физике (Новая физика и кванты). М: Атомиздат, 1965.

2.J. J. Loschmidt. Zur Grösse der Luftmoleküle. Sitzungsberichte der

kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien, B. 52, Abt. II, S. 395-413 (1866).

3.М. Льоцци. История физики - М: Мир, 1970.

4.Peter W. van der Pas. Discovery of the Brownian motion. Scientiarum Historia. V. 13, P. 27-35 (1971)

5.Дж. Кларк. Иллюстрированная хроника открытий и изобретений с древнейших времен до наших дней: Наука и технология: Люди, даты, события (пер. с англ.) М: Астрель, 2002 .

6.A. Einstein. Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen. Annalen der Physik (ser. 4), V. 19, P. 289-306 (1906)

.A. Einstein. Zur Theorie der Brownschen Bewegung. Annalen der Physik (ser. 4), V. 19, P. 371-381 (1906)

8.Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

9.А. Эйнштейн. Собрание научных трудов, т. IV, Мариан Смолуховский. М: Наука, 1937.

10.С. Г. Суворов. К 50-летию со дня смерти Марианна Смолуховского. УФН Т. 93, С. 719-723 (1976)

11.М. Смолуховский. О понятии случайности и происхождении законов вероятностей в физике. УФН Вып. 5 , С. 329-349 (1927)

.J. Perrin. Brownian Movement and Molecular Reality.Taylor & Francis, London, 1910.

.J. Perrin. Les Atomes. Nature, V. 91, Is. 2280, P. 473 (1913)

14.А. Б. Кадомцев. Динамика и информация. М: Редакция журнала УФН, 1997.

15.А. Ю. Лоскутов. Динамический хаос. Системы классической механики. УФН т. 172, с. 989-1115 (2007)

.С. Н. Гордиенко. Необратимость и вероятностное описание динамики классических частиц. УФН т. 169, с. 653-672 (1999)

17.M. M. Robert. Brownian Motion: Flucuations, Dynamics, and Applications. International Series of Monographs on Physics, vol. 112 (Oxford University Press, 2002)

18.Ю. Л. Климонтович. Турбулентное движение и структура хаоса. М: Наука, 1990.

19.Ю. Л. Климонтович. Нелинейное броуновское движение. УФН Т. 164, вып. 8. с. 812-845.(1994)

20.J. A. Freund, Th. Pöschel. Stochastic Processes in Physics, Chemistry, and Biology. Lecture Notes in Physics, V. 557 (2000)

21.C. Godrèche1, S. N. Majumdar, G. Schehr. Longest Excursion of Stochastic Processes in Nonequilibrium Systems. Phys. Rev. Lett. v.102, p.240602 (2009)

.M. Lax. Fluctuations and Coherence Phenomena in Classical and Quantum Optics. New York: Gordon, 1968.

.H. Haken. Advanced Synergetics. Heidelberg: Springer-Verlag, 1983.

.J. Dunkel, P. Hänggi. Relativistic Brownian motion. Physics Reports, V. 471, Is. 1, P. 1-73.(2009)

25.P.Hänggi, F. Marchesoni. Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale. Reviews of Modern Physics, V. 81, Is. 1, P. 387-442 (2009)

.P. Reimann. Brownian motors: noisy transport far from equilibrium. Physics Reports, V. 361, Is. 2-4, P. 57-265 (2002)

27.P. Hänggi, G.-L. Ingold. Fundamental aspects of quantum Brownian motion. Chaos, V. 15, Is. 2, P. 026105-026105 (2005)

.E. Frey , K. Kroy. Brownian motion: a paradigm of soft matter and biological physics. Annalen der Physik. V. 14, P. 20 - 50 (2005)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ОНТОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПОЗНАНИЯ

Больше работ по теме: