Чем вызвано хаотичное движение молекул и атомов любого вещества? Какая сила не даёт покоя микрочастицам и заставляет их бесконечно и беспорядочно перемещаться в пространстве своей среды? Послушаем, что говорит по этому поводу википедия:
Тепловое движение — процесс хаотичного (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.
Хаотичность — важнейшая черта теплового движения. Важнейшими доказательствами существования движения молекул является Броуновское движение и диффузия.
Бро́уновское движе́ние (бра́уновское движе́ние) — беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твёрдого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Было открыто в 1827 году Робертом Броуном. Броуновское движение никогда не прекращается. Оно связано с тепловым движением, но не следует смешивать эти понятия. Броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.
Броуновское движение является наглядным экспериментальным подтверждением хаотического теплового движения атомов и молекул, являющегося фундаментальным положением молекулярно-кинетической теории. Если время наблюдения гораздо больше, чем характерное время изменения силы, действующей на частицу со стороны молекул среды, и прочие внешние силы отсутствуют, то средний квадрат проекции смещения частицы на какую-либо ось пропорционален времени. Это положение иногда называют законом Эйнштейна.
Надо признать, что определения из википедии имеют довольно путанный и где-то даже хаотичный смыл. Ссылки из определений броуновского и теплового движения друг на друга порождают бесконечную логическую рекурсию, вырваться из которой у любознательного, но неподготовленного, читателя нет ни малейшего шанса. Однако, с моей точки зрения, приведённая цитата из википедии содержит куда более грубую ошибку, которая заключается в том, что Альберт Эйнштейн назван автором закона, описывающего случайные перемещения броуновских частиц с помощью некоего математического выражения. Так вот, это однозначное утверждение справедливо де-юре, да и то отчасти, а де-факто Эйнштейн не имеет к этому закону никакого отношения. Ниже я постараюсь это доказать.
Работа А. Эйнштейна «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты » формально опиралась на законы математической статистики и молекулярно-кинетической теории газов. Без глубокого знания этих законов вывести уравнение, описывающее зависимость среднеквадратичного смещения броуновской частицы от макроскопических характеристик среды невозможно. Ну так что тут такого, скажут нам фанаты Эйнштейна, на то он и гений, что бы легко и быстро вникать в любые проблемы современной науки и всегда быть на её переднем крае. Так то оно так, вот только сам гений опровергает свою гениальность самым непосредственным и можно даже сказать наивным образом. Вот прямая цитата из обсуждаемой статьи Эйнштейна: «В этой работе будет показано, что согласно молекулярно-кинетической теории теплоты взвешенные в жидкости тела микроскопических размеров вследствие молекулярного теплового движения должны совершать движения такой величины, что легко могут быть обнаружены под микроскопом. Возможно, что рассматриваемые движения тождественны с так называемым броуновским молекулярным движением, однако доступные мне данные относительно последнего столь неточны, что я не мог составить об этом определенного мнения». Из приведённой аннотации ясно следует, что Эйнштейн в своей статье планирует теоретически обосновать наличие видимого в микроскоп движения микрочастиц под действием теплового движения молекул. Да-да этот человек, кокетливо отрицающий своё знакомство с броуновским движением, собирается заново открыть это явление на кончике пера. Такова научная значимость этой работы ясно и недвусмысленно артикулированная самим автором. А что же на самом деле?
Его прямой конкурент по исследованиям в этом направлении, польский профессор Мариан Смолуховский, занимался практическим изучением данной проблемы с 1900 года, а первую статью по этой тематике опубликовал в 1904 г.
При этом, следует отметить, что в статье 1904 года “О нерегулярностях в распределении частиц газа и их влиянии на энтропию и уравнение состояния ”, Смолуховским было показано, что существуют возможности самопроизвольного формирования неоднородностей плотности (флуктуаций плотности) в газе. Т.е. он в этой статье впервые обозначил проблему, над которой работал уже 4 года. Главный смысл этой работы заключался в том, что Смолуховский обнаружил некую закономерность в формировании неоднородностей в газе, но описать эту закономерность строгим математическим выражением пока не мог. Так как у него не хватало экспериментальных данных. Статья была опубликована в немецком журнале «Анналы физики». Мало кому известно, что Эйнштейн рецензировал статьи для журнала “Анналы физики”, однако это абсолютно достоверный факт его биографии. И из этого факта следует, что Эйнштейн имел возможность познакомиться с помещённой там работой Смолуховского. Надо особо подчеркнуть вышеуказанный факт, потому что бытует мнение, что Эйнштейн в силу своей профессиональной деятельности с 1902 по 1909 годы не имел доступа к передовым научным работам того времени. Имел и ещё как имел. И вот здесь нас поджидает ещё одна любопытная неожиданность. Оказывается Эйнштейн, не только читал работы Смолуховского, но и общался с ним, скорее всего, по инициативе самого Эйнштейна. Более того, к Смолуховскому в Лемберг (Львов) специально приезжал П. Эренфест друг и сподвижник Эйнштейна. Тот самый, что в 1914 году возглавил экспедицию в Крым для подтверждения ОТО. Под благовидным предлогом обсудить актуальные научные проблемы Эренфест, на самом деле, как мы теперь прекрасно понимаем, получил от него необходимые материалы (ту самую формулу) для статьи Эйнштейна. Профессор Смолуховский до 1906 года не публиковал окончательные результаты своей работы по изучению броуновского движения, в том числе и из-за отсутствия абсолютно надёжных экспериментальных данных. В противовес ему, клерк патентного бюро, ознакомившись с предварительными результатами работ Смолуховского, смело опубликовал их в 1905-м году как свои. Благодаря такой научной смелости сегодня википедия имеет формальное право называть законом Эйнштейна, закон открытый совсем другим человеком. Хотя окончательное выражение для определения среднего значения квадрата смещения (s^2) броуновской частицы у Смолуховского ничем не отличается от формулы Эйнштейна. Правильнее конечно формула Эйнштейна ничем не отличается от формулы Смолуховского.
Самое удивительное заключается в том, что Эйнштейн, украв у Смолуховского его открытие, так до конца своей жизни и не понял что же он украл. О чём прямо свидетельствует одно из более поздних высказываний Эйнштейна: «Не зная, что наблюдения над “броуновским движением” давно известны, я открыл, что атомистическая теория приводит к существованию доступного наблюдению движения микроскопических взвешенных частиц ». Такое безграмотное заявление простительно студенту двоечнику, но когда подобные ляпы делает автор закона своего имени, невольно напрашивается мысль – а король то голый! Подлинный научный смысл и ценность теории Смолуховского не в доказательстве существования движения микроскопических взвешенных частиц (такое движение было обнаружено в 1827-м году английским ботаником Робертом Броуном), а в том, что среднее смещение броуновских частиц прямо пропорционально температуре среды и обратно пропорционально их размеру и плотности этой среды. Формула Смолуховского, полученная по результатам обработки большого массива экспериментальных данных, позволила оформить эту зависимость в виде строгого математического выражения, надёжно предсказывающего среднее отклонение частицы от своего первоначального положения за конкретный промежуток времени в конкретной физической среде.
Французский физик Жан Батист Перрен, проведя в 1908 г. серию очень тщательных экспериментов, сумел подтвердить достоверность формулы Смолуховского.
Вот такое длинное и эмоциональное получилось у меня вступление.
Хотя, приступая к написанию этой статьи, я всего лишь планировал познакомить вас, уважаемые читатели, с собственной гипотезой о природе броуновского движения. Так как ни Броун, ни Смолуховский, ни Перрен, ни современная физика в целом не смогли найти причины, приводящие атомы и молекулы в хаотическое движение. На сегодняшний день доподлинно установлено, что это функция температуры. Общепризнанная молекулярно-кинетическая теория утверждает, что под действием температуры атомы и молекулы газовой или жидкой среды совершают беспорядочное движение. Чем выше температура, тем интенсивнее хаотичное движение молекул и атомов. Современная физика вслед за Эйнштейном, считает беспорядочное движение атомов их врождённой способностью. Мол, такими их создал господь бог и молекулярно-кинетическая теория. Так вот, краткая суть моей идеи заключается в том, что в организации броуновского движения микрочастиц виноват третий закон Ньютона, который гласит - действие равно противодействию. Ядра атомов любых веществ излучают фотоны, это достоверно установленный факт. Излучаемые атомными ядрами фотоны, придают им (ядрам) импульс. Такая своеобразная отдача при стрельбе фотонами. Косвенно кинетическая отдача фотонов подтверждается эффектом Мёссбауэра, за открытие которого он получил нобелевскую премию по физике в 1961 г. Так как стрельба фотонами носит абсолютно неприцельный характер, то реактивные импульсы направлены куда попало. Такова, по моему мнению, природа броуновского (хаотичного) движения атомов. Длина пробега атомов зависит от массы ядра, плотности вещества и энергии излучаемых фотонов. Чем ниже плотность и выше энергия, тем длиннее кинетические треки атомов. Собравшись в случайную компанию, несколько атомов могут столкнуть с места одну молекулу. Та в свою очередь толкнёт другую молекулу и т.д. Сумма импульсов движения всех участников такого коллективного действия всегда величина случайная и представляет собой истинный хаос в его рафинированном виде, без каких-либо примесей порядка. Примерно так, как показано на картинке ниже.
Испускаемые ядрами фотоны представляют собой ни что иное, как тепловое излучение, то самое электромагнитное излучение со сплошным спектром, присущее любым телам с температурой больше нуля градусов Кельвина. При этом, я предполагаю, что фотоны могут многократно поглощаться и переизлучаться атомными ядрами вещества, приводя тем самым их в беспорядочное движение, в полном соответствии с третьим законом Ньютона. Температура любого вещества, в таком случае, является функцией количества свободных (излучённых) фотонов в составе этого вещества. Чем больше свободных фотонов, тем выше температура. И самое главное, согласно предложенной гипотезе, броуновское движение должно наблюдаться не только в жидкостях и газах, но и в твёрдых веществах. Правда, длина треков ядер твёрдых веществ должна быть существенно меньше. Меньше во столько раз, во сколько раз плотность твёрдого вещества больше плотности газа. Т.е. ядра твёрдых веществ, скорее всего не перемещаются, а дрожат вокруг некоего первоначального положения.
Есть один маленький нюанс, без которого предложенная гипотеза работать не будет. Фотоны в такой модели обязательно должны иметь массу покоя. Потому что виртуальные частицы не подчиняются третьему закону Ньютона.
На сегодня всё! Я познакомил вас, уважаемые читатели, со своей гипотезой о природе броуновского движения, предварив её своими сомнениями в подлинности авторства А.Эйнштейна в законе, носящем его имя. Надеюсь, вам было интересно.
В статье использовались материалы из публикации «Мариан Смолуховский – всесторонняя личность» (М.Немец, «Квант» №3, 2012 г.)
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431741/Marian_Smolukhovskiy_vsestoronnyaya_lichnost
Большинство биографических подробностей из жизни Эйнштейна почерпнуты из статьи В.Я. Френькеля и Б.Е. Явелова «Эйнштейн: Изобретения и эксперимент»
http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/BIO/EINSTEIN.001/CHAPTER_1.HTM
http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/BIO/EINSTEIN.001/CHAPTER_2.HTM
http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/BIO/EINSTEIN.001/CHAPTER_3.HTM