"Загадка" броуновского движения

Вступление

В этой статье я хотел бы поделиться с читателями своими мыслями относительно старой и широко известной научной теории, сложившейся вокруг броуновского движения, в которой, казалось бы, нет ничего загадочного и непонятного. Все здесь, на первый взгляд, должно быть ясно даже школьнику. Согласно данной теории считается, что хаотичное движение броуновских частиц вызвано их столкновением с молекулами воды, что наглядно подтверждает материальное существование атомов и молекул.

У меня же, начиная со студенческой поры, были сомнения относительно правильности таких утверждений. Должен заметить, что здесь я подвергаю сомнению не молекулярно-кинетическую теорию, а идею о том, что молекулы воды могут, сталкиваясь с броуновской частицей, заставлять ее хаотично двигаться. Эта идея мне виделась ошибочной.

Долгое время мои сомнения носили чисто интуитивный характер, так как у меня не было никаких рациональных доказательств ошибочности данной теории. Относительно недавно я решил разобраться в этой проблеме. В итоге, на основании современных научных преставлений о молекулярном строении воды и, в том числе, слов самого А. Эйнштейна, я пришел к выводу о принципиальной невозможности того, что молекулы воды способны, соударяясь с броуновской частицей, придавать ей хаотичные движения, которые мы можем наблюдать под микроскопом.

***

Прежде чем привести свои аргументы, напомню кратко историю. Еще летом 1827 года ботаник Роберт Броун, занимаясь изучением поведения цветочной пыльцы под микроскопом, вдруг обнаружил, что отдельные споры совершают, по его мнению, абсолютно хаотичные импульсные движения. Он доподлинно определил, что эти движения никак не связаны ни с завихрениями и токами воды, ни с ее испарением, после чего, описав характер движения частиц, честно расписался в собственном бессилии объяснить происхождение этого хаотичного движения. Однако, будучи дотошным экспериментатором, Броун установил, что подобное хаотичное движение свойственно любым микроскопическим частицам, — будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельченная субстанция.

Броуновское движение частицы гуммигута в воде. Точками отмечены последовательные положения частицы через каждые 30 сек. Наблюдения велись (Ж. Перроном) под микроскопом при увеличении ок. 3000.

Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды. Интенсивность Броуновское движение увеличивается с ростом температуры среды и с уменьшением ее вязкости и размеров частиц.

Надо сказать, что у Броуна не было каких-то новейших микроскопов. В своей статье он специально подчеркивает, что у него были обычные двояковыпуклые линзы, которыми он пользовался в течение нескольких лет. И далее пишет: «В ходе всего исследования я продолжал использовать те же линзы, с которыми начал работу, чтобы придать больше убедительности моим утверждениям и чтобы сделать их как можно более доступными для обычных наблюдений».

Утверждается, что лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн, впервые высказал идею, что это явление может служить наилучшим экспериментальным подтверждением правоты атомной теории строения вещества. Впоследствии, Эйнштейн вывел уравнение, описывающее зависимость среднеквадратичного смещения броуновской частицы от макроскопических показателей.

Таким образом, научному сообществу стало окончательно ясно, что наблюдаемое «хаотичное» движение броуновских частиц — следствие межмолекулярных соударений. Поскольку «полезные математические условности» (по Маху) не могут привести к наблюдаемым и совершенно реальным перемещениям физических частиц, стало окончательно ясно, что спор о реальности атомов окончен, и они были признаны существующими в природе.

***

Первым своим аргументом я использую информацию, которую я нашел в книге Уолтера Айзексона под названием «Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная». В ней очень подробно рассказывается о жизни и деятельности великого ученого. В частности в ней утверждается следующее: « Он (А. Эйнштейн) продолжил, сказав на первый взгляд странную вещь: эта его работа написана не для того, чтобы объяснить броуновское движение. И действительно при построении своей теории он даже не был уверен, что законы движения, которые он получил с помощью своей теории, те же, что управляют движениями частиц, увиденных Броуном. «Возможно, что движения, которые обсуждаются в данной работе, идентичны так называемому броуновскому движению, но данные, которые оказались в моем распоряжении настолько неточны, что я не могу на их основании сделать какое-либо заключение». Позднее он ещё больше дистанцировался от намерения объяснить в своей работе броуновское движение: «Не зная, что наблюдения над броуновским движением уже давно велись, я открыл, что атомистическая теория приводит к существованию доступного для наблюдения движения взвешенных микроскопических частиц».

Такие, на первый взгляд, странные слова А. Эйнштейна объясняются в книге тем, что он хотел убедить читателей в том, что он не создал свою теорию на основе анализа экспериментальных данных, а вывел ее из основных принципов и постулатов. В этом случае, броуновское движение было удобным и наглядным подтверждением теории. Но относительно этого момента у Эйнштейна были определенные сомнения.

Таким образом, получается, что А. Эйнштейн не создавал свою теорию на основе наблюдения за броуновским движением. Он лишь предположил, что броуновское движение могло бы быть удобным и наглядным подтверждением его теории. Но при этом он сомневался в том, что его теория описывает и объясняет именно движение броуновских частиц.

Теперь рассмотрим более весомые аргументы, которые строятся уже на основании современных знаний о броуновском движении и молекулярном строении воды.

Сейчас уже сами физики признают, что хорошо разработанная за последнее столетие теория броуновского движения является приближенной. Со временем стало известно, что экспериментальные данные более или менее согласуются только в относительно узком диапазоне размеров частиц - от 0,212 мкм до 5,5 мкм, для различных растворов (раствор сахара, глицерина), в которых двигались частицы.

Далее, экспериментальные работы, проведнные в начале XXI века в Политехническом университете Лозанны, Университете Техаса и Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге (под руководством С. Дженей) показали отличие поведения броуновской частицы от теоретически предсказываемого теорией Эйнштейна — Смолуховского, что было особенно заметным при увеличении размеров частиц.

Исследования затрагивали также анализ движения окружающих частиц среды и показали существенное взаимное влияние движения броуновской частицы и вызываемое ею движение частиц среды друг на друга, то есть наличие «памяти» у броуновской частицы, или, другими словами, зависимость её статистических характеристик в будущем от всей предыстории её поведения в прошлом. Данный факт не учитывался в теории Эйнштейна — Смолуховского.

Теперь перейдем к основному аргументу - анализу броуновского движения на основе современных знаний о молекулярном строении воды.

Так как мы не можем воочию увидеть столкновение молекул и частицы, то мы можем, используя воображение, создавать мысленное представление, где множество молекул сталкиваются с броуновской частицей. При этом мы должны, согласно современным представлениям о молекулярном строении воды, учитывать то, что броуновские частицы в 10 тысяч раз крупнее молекул воды. Это примерно как, если сравнивать бейсбольный мяч с предметом диаметром 800 метров.

Далее, мы должны учитывать то, что молекулы воды очень тесно связаны между собой водородными связями. Считается, что каждая молекула воды с помощью водородных связей стремится связаться с четырьмя соседними молекулами.

Следовательно, молекулам воды недоступна большая свобода перемещения, так как между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Известно, что комбинация связей между молекулами воды — полярной и водородной определяет очень высокую температуру ее кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды.

Отсюда следует, что колебание самих молекул воды столь небольшое, что, по сути, оно меньшее, чем размер самой молекулы. Эту научную идею постоянно игнорируют те, кто визуально описывает столкновение молекул воды с броуновской частицей. Как правило, на рисунках и фильмах молекулы воды или жидкости изображены, свободно двигающимися на большие расстояния. Как будто это газ, а не жидкость.

Обычно это выглядит так, как на данном рисунке.

Со всей очевидностью видно, что соотношение размеров молекул воды и броуновской частицы значительно отличаются от того, как они определены в теории. Такое несоответствие между современным научным знанием о молекулярном строении воды и визуальным изображением столкновения молекул с частицей, невозможно объяснить упрощением, так как упрощение не должно приводить к явному логическому противоречию.

Более правильно было бы изобразить так, как показано на рисунке внизу, при этом, соотношение размеров здесь, также, далеко не соответствует полностью реальности. Ко всему прочему, здесь, необходимо учитывать, что молекулы воды занимают все пространство, практически, не оставляя пустоты.

На основании такой относительно реальной картины, можно, на мой взгляд, однозначно утверждать, что в таком случае, молекулы воды, принципиально не могут создавать хаотичные движения броуновской частицы. Ведь молекулы воды, которые в 10000 раз меньше самой пыльцы, при плотном взаимном расположении и крайне незначительном собственном колебании, хаотично соударяясь с ней, в течение определенного времени, не могут двигать (перемещать) частицу на столь огромные, относительно самих молекул воды, расстояния.

В противном случае, мы должны будем признать, что сами молекулы воды должны обладать соответствующим размахом движений, чтобы передать достаточный импульс броуновской частицы. Но такая идея явно противоречит современным знаниям о молекулярном строении воды.

Конечно, здесь возникает вопрос о математической стороне дела. Но может ли математическое уравнение, которое вывел А. Эйнштейн доказывать реальность существования молекул воды, сталкивающихся с броуновской частицей? На мой взгляд - нет, так как математика дает лишь внешнее математическое описание процесса, а не объясняет его глубинную причину. При этом, если учитывать, что математическая модель Эйнштейна не работает для частиц, выходящих за определенный узкий диапазон размеров частиц, то считать ее правильной теорией, объясняющей причину движения броуновских частиц, на мой взгляд, не представляется правомерным.

Из всего вышесказанного, конечно, не следует вывод о ложности молекулярно-кинетической теории. Отсюда лишь следует идея о ложности научной теории, которая сформировалась вокруг броуновского движения, согласно которой броуновское движение является наглядным подтверждением материального существования молекул воды.

Если вышеизложенные выводы являются логически правильными, то нам приходится признать, что причина броуновского движения, пока что, для нас остается невыясненной.