Chuyển động Brown: Tại sao chuyển động ngẫu nhiên được gọi là Chuyển động Brown, và nó có tác dụng gì?

Chuyển động Brown là chuyển động ngẫu nhiên của các hạt trong chất lỏng do va chạm của chúng với các nguyên tử hoặc phân tử khác. Chuyển động Brown còn được gọi là pedesis, xuất phát từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “nhảy vọt lên”. Mặc dù một hạt có thể lớn so với kích thước của nguyên tử và phân tử trong môi trường xung quanh, nó có thể chuyển động do va chạm với nhiều khối lượng nhỏ, chuyển động nhanh. Chuyển động Brown có thể được coi là hình ảnh vĩ mô (có thể nhìn thấy) của một hạt chịu ảnh hưởng của nhiều hiệu ứng ngẫu nhiên vi mô.

Chuyển động Brown lấy tên từ nhà thực vật học người Scotland Robert Brown, người đã quan sát thấy các hạt phấn hoa chuyển động ngẫu nhiên trong nước. Ông mô tả chuyển động vào năm 1827 nhưng không thể giải thích được. Trong khi pedesis lấy tên của nó từ Brown, ông ấy không phải là người đầu tiên mô tả nó. Nhà thơ La Mã Lucretius mô tả chuyển động của các hạt bụi vào khoảng năm 60 trước Công nguyên, được ông sử dụng làm bằng chứng về nguyên tử.

Hiện tượng vận chuyển vẫn chưa được giải thích cho đến năm 1905 khi Albert Einstein xuất bản một bài báo giải thích phấn hoa được chuyển động bởi các phân tử nước trong chất lỏng. Cũng như Lucretius, lời giải thích của Einstein là bằng chứng gián tiếp về sự tồn tại của các nguyên tử và phân tử. Vào đầu thế kỷ 20, sự tồn tại của những đơn vị vật chất nhỏ bé như vậy chỉ là lý thuyết. Năm 1908, Jean Perrin đã kiểm chứng bằng thực nghiệm giả thuyết của Einstein, giả thuyết này đã mang lại cho Perrin giải Nobel Vật lý năm 1926 “cho công trình nghiên cứu cấu trúc không liên tục của vật chất”.

Mô tả toán học của chuyển động Brown là một phép tính xác suất tương đối đơn giản, có tầm quan trọng không chỉ trong vật lý và hóa học mà còn để mô tả các hiện tượng thống kê khác. Người đầu tiên đề xuất mô hình toán học cho chuyển động Brown là Thorvald N. Thiele trong một bài báo về phương pháp bình phương nhỏ nhất được xuất bản năm 1880. Một mô hình hiện đại là quá trình Wiener, được đặt tên để vinh danh Norbert Wiener, người đã mô tả chức năng của một quá trình ngẫu nhiên thời gian liên tục. Chuyển động Brown được coi là quá trình Gaussian và quá trình Markov với đường đi liên tục xảy ra trong thời gian liên tục.

Bởi vì chuyển động của các nguyên tử và phân tử trong chất lỏng và chất khí là ngẫu nhiên, theo thời gian, các hạt lớn hơn sẽ phân tán đều trong môi trường. Nếu có hai vùng vật chất gần nhau và vùng A chứa số hạt nhiều gấp đôi vùng B thì xác suất một hạt rời vùng A để vào vùng B cao gấp đôi xác suất một hạt rời vùng B để vào vùng A. Sự khuếch tán, sự chuyển động của các hạt từ một vùng có nồng độ cao hơn đến thấp hơn, có thể được coi là một ví dụ vĩ mô của chuyển động Brown.

Bất kỳ yếu tố nào ảnh hưởng đến chuyển động của các hạt trong chất lỏng đều ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động Brown. Ví dụ, nhiệt độ tăng, số lượng hạt tăng, kích thước hạt nhỏ và độ nhớt thấp làm tăng tốc độ chuyển động.

Hầu hết các ví dụ về chuyển động Brown là các quá trình vận chuyển bị ảnh hưởng bởi các dòng lớn hơn, nhưng cũng thể hiện hiện tượng pedesis.

Tầm quan trọng ban đầu của việc xác định và mô tả chuyển động Brown là nó hỗ trợ lý thuyết nguyên tử hiện đại.

Ngày nay, các mô hình toán học mô tả chuyển động Brown được sử dụng trong toán học, kinh tế, kỹ thuật, vật lý, sinh học, hóa học và một loạt các ngành khác.

Có thể khó phân biệt giữa chuyển động do chuyển động Brown và chuyển động do các tác động khác. Ví dụ, trong sinh học, một người quan sát cần có khả năng biết một mẫu vật đang chuyển động vì nó có tính di động (có khả năng tự di chuyển, có thể do lông mao hoặc lông roi) hay vì nó chịu chuyển động Brown. Thông thường, có thể phân biệt giữa các quá trình bởi vì chuyển động Brown có vẻ giật, ngẫu nhiên hoặc giống như rung động. Tính di động thực sự thường xuất hiện dưới dạng một con đường, hoặc chuyển động khác là xoắn hoặc quay theo một hướng cụ thể. Trong vi sinh vật học, tính di động có thể được xác nhận nếu một mẫu được cấy trong môi trường bán rắn di chuyển ra khỏi đường đâm.

Nguồn: “Jean Baptiste Perrin — Facts.” NobelPrize.org, Nobel Media AB 2019, July 6, 2019.