Какое выражение определяет броуновское движение

Обновлено: 04.11.2024

Здесь мы рассмотрим уникальное явление Природы, которое известно нам уже почти два века, но его причина до сих пор не имеет внятного объяснения.

Итак, в 1827 году шотландский ботаник (Почётный член Петербургской Академии наук) Роберт Броун, разглядывая под микроскопом взвешенные в воде мельчайшие частички цветочной пыльцы, неожиданно обнаружил, что эти частички непрерывно дрожат и передвигаются с места на место.

Причём, это явление можно наблюдать не только в воде. К примеру, с помощью микроскопа можно рассмотреть и дым, освещённый лучом света. В воздухе видны рассеивающие свет маленькие клочки пепла или сажи, которые непрерывно перемещаются в разные стороны с огромными ускорениями, но без наблюдаемых деформаций. Заметьте: без наблюдаемых деформаций . Это очень важно.

Это загадочное явление было названо « броуновским движением », но объяснить его не мог ни сам Броун, ни другие учёные в течение многих лет.

И только через 36 лет (в 1863 году) Людвиг Винер предпринял первую попытку объяснить Природу броуновского движения. Он предположил, что это явление связано с колебательными движениями неких атомов, которые невидимы даже в микроскоп – как не видны с берега волны, качающие далёкую лодку без вёсел, тогда как движения самой лодки видны вполне отчётливо.

Винер даже попытался измерить скорость перемещения броуновских частиц и зависимость этой скорости от их размера. Но самое главное в идее Винера было то, что броуновская частица у него (подобно лодке на воде) двигалась свободно вместе с окружающей её средой. Специально повторю: двигалась свободно вместе с окружающей эту частицу средой.

Относительно лодки это означает, что она движется вместе с водой и нам следует, прежде всего, выяснить причину движения воды, ибо эта же причина объяснит нам и движение лодки.

Повторяю. Надо искать не причину движения лодки, а причину движения окружающей лодку среды .

Однако в дальнейшем идеи Винера о «свободном» движении, как это часто бывает, были основательно «подправлены» рядом учёных, которые посчитали, что мельчайшие крупинки вещества испытывают удары молекул, то есть, движутся не свободно вместе с молекулами, а под воздействием их ударов.

Эти учёные исходили из молекулярно-кинетической теории, согласно которой броуновская частица приходит в беспорядочное движение под воздействием молекул, как это происходит при обычном ударе. И к великому сожалению, именно так этот процесс и описан в Физическом Энциклопедическом Словаре (1983 год, раздел «Броуновское движение»):
« Удары молекул среды приводят частицу в беспорядочное движение: скорость её быстро меняется по величине и направлению ».

Это, с точки зрения упомянутых учёных, означает, что броуновская частица меняет направление своего движения именно от ударов молекул среды, а не движется свободно вместе с молекулами в одном с ними направлении, как это следует из идей Винера. Эти «горе-учёные» даже не заморачивались «лежащим на поверхности» вопросом: почему большие группы молекул резко меняют направление своего движения?

Однако нам известно, что факт изменения величины или направления вектора скорости характеризует ускорение. А, вызванное ударами (воздействием поверхностных сил ) ускорение, обязательно должно деформировать броуновскую частицу, чего в действительности не происходит. Ведь мы не наблюдаем этих деформаций. И этот неопровержимый факт явно не желают замечать математики и многие физико-математики.

Но факт есть факт: деформаций мы не наблюдаем. Следовательно, здесь действуют вовсе не поверхностные силы удара, а именно объёмные силы , которые деформаций не вызывают, ибо воздействуют одновременно по всему объёму броуновской частицы. Эти же объёмные силы воздействуют и на молекулы. То есть, броуновская частица движется не в результате ударов молекул, а вместе с ними.

К объёмным силам в данном случае можно отнести только силы тяготения. Это значит, что вокруг броуновской частицы в результате флуктуаций энергии хаотически возникают и тут же исчезают потенциальные поля, которые во время своего существования и увлекают частицу к своему центру.

Справка : Флуктуация (в переводе с латинского означает – колебание), это случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений.

В данном случае мы наблюдаем случайные отклонения энергии в положительную (кинетическая энергия) и отрицательную (потенциальная энергия) сторону от среднего значения. Причём, потенциальная энергия поля, отнесённая к единице объёма является объёмной плотностью энергии (Дж/м^3) или просто давлением.

Мы уже знаем, что объёмная плотность потенциальной энергии поля уменьшается с приближением к его центру. Следовательно, давление в центре поля меньше, чем на периферии. Именно поэтому всё сущее и устремляется к центру потенциального поля. Не случайно в Физическом Энциклопедическом Словаре отмечено, что « Броуновское движение обусловлено флуктуациями давления ». Здесь ошибки уже нет.

Теперь давайте вспомним о том, что в прошлом веке человечество мечтало о полётах в Космос. Но человек в далёкий Космос так и не полетел. Как Вы думаете, почему?

А, ответ довольно прост: для полётов в далёком Космосе требуются очень большие скорости и, соответственно, огромные ускорения. Однако ускорение ракеты за счёт поверхностной силы влечёт деформацию самой ракеты и всего, что в ней находится.

Какое ускорение, при этом, может выдержать человек? Всего в десять (максимум, в двадцать) раз больше ускорения свободного падения у поверхности Земли, ибо во столько же раз увеличивается и обычный вес человека.

Далеко ли мы улетим с ускорением 200 м/с^2?

Будем летать только в пределах Солнечной системы, ибо разгон и торможение окажутся слишком продолжительны. И эта проблема для поверхностных сил неразрешима. Значит, освоение далёкого Космоса с реактивной тягой невозможно по определению.

Но выход есть и, как это ни странно, он был предложен нам более ста лет назад. Именно тогда Никола Тесла (1856-1943) предложил использовать в качестве тяги объёмные силы . Напомню, что такие силы приложены одновременно к каждой элементарной частице по всему объёму тела и деформаций в нём не вызывают.

Не трудно догадаться, что в этом случае мы можем использовать огромные ускорения и достигать маршевых скоростей за считанные секунды (или доли секунды).

Как видите, разница между поверхностными и объёмными силами огромна. Правильное понимание и использование этой разницы имеет большое практическое значение. Но мы будто не замечаем, что сама Природа использует объёмные силы в броуновском движении , которое основано, как мы уже говорили, на хаотически возникающих флуктуациях энергии.

Известны, к примеру, флуктуации электрические, связанные с хаотическими изменениями потенциалов, токов и зарядов в электрических цепях и линиях связи. Иногда их называют «тепловым шумом». Кроме этого, теория броуновского движения находит приложение в обосновании статистической механики, в теории равновесия дисперсных систем в поле тяготения и центробежной силы, объясняет диэлектрические потери в диэлектриках и электрическое сопротивление в проводниках и электролитах.

Известна так же и флуктуационная гипотеза Больцмана, согласно которой весь наблюдаемый звёздный мир, включая Солнечную систему, является одной из грандиозных флуктуаций во Вселенной, находящейся в целом в состоянии термодинамического равновесия. Причём, отношение радиуса потенциального поля (R) ко времени его жизни (T) имеет постоянное значение, которое мы называем скоростью света: R/T = c, м/с.

В результате флуктуаций энергии в капле воды образуются и тут же исчезают очень малые по размерам потенциальные поля, которые успевают «втянуть» броуновскую частицу в направлении своего центра.

Появление и исчезновение полей происходит с огромной частотой. Примерно с такой же частотой броуновская частица меняет направление своего движения, подвергаясь каждый раз значительному ускорению. Однако деформаций она не испытывает, ибо всё время находится в «свободном падении».

Если в качестве среды использовать не каплю воды, а открытый Космос и взамен броуновской частицы – космический аппарат (летающую тарелку), то нам останется лишь управлять процессом флуктуации энергии в данной среде с тем, чтобы хаотическое движение превратить в направленное. Для этого Тесла и предложил использовать внешнюю энергию в резонансе с собственными колебаниями данной среды. Известно, что для резонанса много энергии не требуется, а эффект поразительный (вспомните «плачевный» результат с мостом, когда по нему шагала «в ногу» рота солдат).

Справедливости ради необходимо сказать, что эта проблема нами уже частично решена в полупроводниках. Ещё немного (всего шажок) и мы бы не только летали на огромные расстояния за пределы Солнечной системы, но и легко перемещали бы любые грузы. Причём, «летательным аппаратом» в данном случае был бы сам перемещаемый груз.

Однако, как принято говорить, «вкралась досадная ошибка» и мы реальное природное явление объяснили не действием объёмных сил, а ударами по броуновской частице (удар – действие поверхностных сил). Допустили грубейшую ошибку и потеряли всякий интерес к данной проблеме.

Такое, к сожалению, с нами происходит довольно часто. Например, профессор математики и астрономии Тюбингенской академии Михаэль Мёстлин частным образом знакомил Кеплера с гелиоцентрической системой Коперника, хотя сам был вынужден преподавать астрономию в соответствии с геоцентрической системой Птолемея.

Читайте также: