一、水舞之謎 |
| 1827年夏季，蘇格蘭植物學家布朗（Robert Brown）正以顯微鏡研究植物的花粉，他驚訝地觀察到懸浮在水面上的花粉竟然會移動，花粉移動的軌跡有如在跳曲折舞蹈一般的不規則，就如圖一所繪。布朗當時寫著「花粉微粒或其他微粒的最大尺寸，長度從一千六百分之一釐米至兩千分之一釐米。當我觀察這些在水中的微粒時，我發現很多都在不停地運動著⋯⋯在經過多次重複的觀察以後，我確信這些運動既不是由於液體的流動也不是由於液體的逐漸蒸發所引起的，而是屬於微粒本身的運動」。這個在當時令人萬分驚訝的發現，起初還被解釋為花粉是活的生物體在運動，但後來卻發現微小的灰塵也會跳同樣的水舞，但灰塵不可能是活的生物體，而成為懸案。布朗所觀測到的這類不規則運動，現在稱為布朗運動。; |
二、觀察水舞 |
| 布朗所觀察到的是懸浮在水面上的微粒不停地被擾動的結果。要如何才能觀察到布朗運動呢? 其實很容易，只要將微粒懸浮在液體表面上，透過一台普通顯微鏡如圖二所示，就可觀看到一幅很動人的水舞圖像！提高溫度，它還會跳的更快！它之所以會發生，是由於懸浮微粒被水分子碰撞，而且來自於各方向的撞擊並不相等，所呈現出來的撞擊平均結果。這些懸浮微粒的行為正反映出小分子的運動行為，可以說，它是把小分子的運動透過懸浮微粒放大到能 夠在顯微鏡下看得見的程度。布朗運動 的路徑呈現不規則性，正反映出液體表 面分子移動路徑的不規則性。如果那撞 擊分子沒有足夠的能量來推動懸浮微 粒，就看不到布朗運動了。對布朗運動 作定量的研究，就可以對液體裡分子的 運動方式多一層瞭解。 |
|
|
三、愛因斯坦破解水舞之謎 |
| 愛因斯坦在1905年發表三篇影響二十世紀物理學發展至為重要的論文，其中一篇(見圖三)就是對布朗運動的討 論。在當時物質由原子所組成的想法尚未被廣泛接受，愛因斯坦則從相信原子與分子是真正存在的方向來思考布朗運動的問題，進而計算懸浮在液體表面上 的微粒受到液體表面分子的衝擊所應表現出的運動方式。愛因斯坦在論文裡謹慎地說：「此處所討論的運動可能與所 謂的布朗運動完全一樣」，讀到這篇論文的研究人員很快的向愛因斯坦確認，他以數學方式描述的正合於布朗運動所 觀測到的。在某種程度上，愛因斯坦預測了布朗運動，而實驗也證實了他的預測。愛因斯坦的計算是基於假設布朗運動即是分子熱運動的表現，最主要的物 理現象來自於溫度的效應，分子運動的 平均動能與採用絕對溫標的溫度成正比 關係。愛因斯坦進一步利用自然分佈機率論與分子動力論的概念，計算球形微粒的布朗位移，發現布朗位移會與液體 溫度的開根號成正比的關係，而與懸浮 微粒的半徑、液體粘度、及亞佛加厥常數值的開根號成反比的關係。1908年，法國物理學家佩蘭(Jean-Baptiste Perrin)更用實驗支持愛因斯坦對布朗運 動的理論解釋，並且由此求得亞佛加厥 常數值應介於6.5×1023與7.2×1023之 間。愛因斯坦說明了布朗運動的本質就是分子的熱運動，而布朗運動的發生也成為分子會有熱運動的實驗明證。重要的是，對布朗運動的了解協助啟動了「物理現象終究都要歸結於分子之間的交互作用」的觀念。 |
宇宙學家都認為行星的形成是由恆星周圍的塵埃微粒相互碰撞而黏合成團塊，團塊再繼續黏合成更大的團塊，逐漸形成球狀行星。這一個塵埃微粒相 互碰撞會形成團塊的概念最近受到質疑。先前對行星成長過程的研究，認為 懸浮在氣體塵埃盤中的粒子會經由布朗運動的熱擾動而發生碰撞，微小塵埃顆 粒之間會因重力而相互吸引，再由凡德 瓦爾（van der Waals）靜電力而沾黏在一起。依照這些假設條件，理論模擬結 果卻預測會形成一個鬆散但有很多分支 的複雜網狀結構，像是蜘蛛網的一部份 一樣。相關實驗需要在低重力狀態下才能進行驗證，而缺乏直接的實驗數據。直到1998年，德國Braunschweig 科技 大學的Jurgen Blum等人，利用太空梭 飛行進行一項不受重力干擾的實驗，檢測微粒碰撞後究竟是會形成緊密的團塊 狀形體，還是沿特定方向伸展的長鏈狀 形體呢？他們在太空釋放出由二氧化矽 塵粒所形成的雲霧，利用高速顯微相機 掃瞄這些矽質晶球間的接合情形。1999 年，又在一架從瑞典北部發射的 無人火箭上進行相同的實驗。實驗結果顯示，晶球組合成只有少數幾個分支的長鏈，完全沒有出現團塊狀結構，而居 然是「開放」式的鏈狀結構，如圖四所示！。
研究人員推測，可能是因為晶球的布朗運動使得塵埃長鏈每幾微秒就自轉一周，像是直昇機的螺旋葉片一樣， 大部分新加入的塵埃粒子在有機會黏到 長鏈中間之前，就被掃到長鏈的尾端，所以長鏈就愈來愈長。此外，這些長鏈 結構成長速度非常快，一顆新恆星周圍 的塵埃盤中，每年就會有約100顆以上的塵埃微粒聚集在一起形成行星。這個新的實驗研究成果，有助於天文學家詮釋美國航太總署（NASA）史匹哲太空 望遠鏡（Spitzer Space Telescope）拍攝到的行星形成影像中，對大顆塵埃粒子有何影響。天文學家還是期待Blum等人繼續相關實驗，研究這樣的長鏈機制，可不可以形成一公尺以上的微行星，而這些微行星才是真正建造行星的基石，這樣才能釐清究竟行星的形成過程為何。 |
|
|
| 更進一步閱讀可參考，愛因斯坦 資料庫http://www.albert-einstein.org 網站或至美國物理協會http://www.aip. org/history/einstein/ 網站搜尋。 |