ブラウン運動って聞いたことありますか？
多分中学、高校の理科とかで言葉ぐらい聞いたことがある人は多いんじゃないかなと。
これですね。
微粒子が水中で動き回るやつです。
ブラウン運動の発見
植物学者ブラウンが花粉中の粒子が水中で動き回ることを発見したことからブラウン運動と呼ばれてます。
これって今でこそ熱運動をする水分子が衝突することが原因だと分かっているわけですが、発見当時（1827年）はさっぱりだったわけです。
そもそも原子の存在も仮説レベルでしか語られていなかった時代です。
ブラウンは当初生き物だと思ったそうです。
まあ最初はそう思いますよね。その後彼は様々な物質で実験し、この運動が生命に起因するものではないことまでは突き止めています。
アインシュタインの功績
その後結果的にブラウン運動の仕組みを解明したのはアインシュタイン（1905年）なんですが、面白いのがブラウン運動自体が原子の存在証明になったということですね。この当時はまだ原子/分子の存在は仮説でしかなく、原子反対派が根強くいたそうです。そこで、アインシュタインが原子の存在を証明すべく、思いついた仮説が下記でした。
もし仮に熱運動する分子が存在するなら、液体中の微粒子は分子の影響を受けて何かしらの運動をするであろうということです。つまり、大きすぎる粒子は分子が衝突しても加わる力が平衡となり動きませんが、粒子のサイズを小さくしていけばどこかで分子の衝突の影響を受けて何かしらの運動をすることになるだろうと。
分子そのものは見えないけど、微粒子の運動を通じて間接的に分子の動きを捉えられるんじゃないかということですね。そしてアインシュタインはその微粒子がどんな運動をするかについて理論を打ち立てました。その理論によると、微粒子の運動のx方向の平均二乗変位\( \langle x^2\rangle \)が以下の式になると。
$$\langle x^2\rangle = 2Dt = \frac{RT}{3\pi\eta aN_{A}}t$$
原子の存在を証明するためにこのような仮説を立てたわけですが、実際この微粒子の運動は現実世界では既に観察されていたんです。
それがブラウン運動ですね。すごい！
ということで3年後にぺランがブラウン運動の精密な実験を行い、上式が正しいことを実証し、アインシュタインの理論が正しいことを証明したわけです。
これによって原子の存在が確実なものになったんですね。
それと同時にブラウン運動の原理も解明されたと。
アインシュタインすごいですね。。
もちろんぺランも。
彼もこの功績でノーベル物理学賞を受賞してます。
やっぱり科学は理論と実験で成り立っている、そんなことを改めて実感しましたね。
また、その後ブラウン運動は数学的に確率過程として定式化され、今は株価変動のモデルなんかにも使われてますね。
いやーブラウン運動奥が深い。
今日もよく眠れそうです。
では。