【物理史中的八月】1827年8月:布朗(Robert Brown)與花粉水池中的分子運動

1827 年 8 月:布朗(Robert Brown)與花粉水池中的分子運動

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2016 年 8/9 月)

布朗(Robert Brown)Wikimedia commons

愛因斯坦於 1905 年,他的「奇蹟年度」所發表的四篇開創性論文中,有一篇探討微小粒子懸浮於靜態液體中的運動。那篇論文根源自一位 19 世紀的蘇格蘭植物學家布朗(Robert Brown)的觀察。

1773 年,布朗出生在蘇格蘭丹地(Dundee, Scotland)北方的濱海城鎮蒙錯斯(Montrose),1790 年,舉家遷居愛丁堡。布朗起初想在愛丁堡大學研讀醫學,但很快地愛上了植物學。他冒險前往蘇格蘭高地,採集植物,鉅細靡遺地記錄植物的種類,發現了一種草的新品種高山看麥娘(Alopecurus alpinus)。

布朗的研究因兵役而中斷,他駐軍於愛爾蘭,任外科醫生的助理,此職位讓他有許多時間追求他在植物方面的興趣。

18 世紀末時,布朗已是愛爾蘭植物學家社群中知名的業餘愛好者,雖然他從未取得正式的學位。他從沒寄望能以植物學家為生,直到他被一科學探險隊選拔為博物學家去探索「新荷蘭」,即我們現在所知的澳洲大陸。他得到的指示是儘可能去收集植物、昆蟲和鳥類的標本。

1801 年 7 月,布朗從倫敦出發,登上「調查者號」,幾個月後停靠在好望角。他後來回想停留在好望角的 2 個星期是他經歷過「最愉快的採集植物」時光。12 月時,他抵達澳洲西部,花了 3 年半收集 3,400 種標本,其中有 2,000 種是以前所不知道的。那次的收集有很多在返航英國的途中遺失了,但仍有足夠的標本可供他於1805年回國後歸類編目錄。

這實際上開啟了他在植物學上的輝煌事業,雖然他只是對收集植物,將之分類,並研究它們的生理機能感興趣。那使他著迷於在當時仍是科學新奇儀器的顯微鏡底下懸浮於水中的植物種類克拉花(Clarkia pulchella)花粉粒子。在那些花粉細粒內,他注意到甚至有更小的粒子似乎隨機抖動,好像花粉粒是活的。布朗絕不是最先記述這種細小粒子運動的人,西元前 60 年左右,羅馬詩人盧克萊修(Lucretius)即注意到懸浮於空氣中灰塵粒子的抖動,(他宣稱那是極微小空氣粒子存在的證明),但他看到的比較可能是源自於對流和亂流。一直到 1785 年,英恩浩斯(Jan Ingenhousz)討論煤灰粒子在酒精表面的怪異運動時,才對此現象做出有意義的評論。

布朗決定使用許多其他的植物以及礦坑煤礦、玻璃、金屬和灰塵的粉末來重複此實驗。他看到相同的抖動行為,便下了結論說,此運動並不是因為花粉粒子是活的而出現,因為它也出現在灰塵樣品上。正如他當時所寫的:「這些運動都是那樣,符合我的想法…它們既非液體的流動所產生,亦非慢慢蒸發而形成,而是屬於粒子本身。」1

現在,科學家了解布朗運動的基本機制,也體會到它是間接證實原子和分子存在的方法,和顯示它們如何運動的重要性。然而,布朗於 1858 年逝世,並沒有提出任何理論來解釋他所觀察到的現象。大約 50 年後,愛因斯坦才接下此重任。

愛因斯坦推論說,假如微小但看得見的粒子懸浮於液體中,液體中的原子和分子會不斷衝擊這些懸浮的粒子,導致它們隨機運動。愛因斯坦在他 1908 年的一篇論文中詳盡解釋此運動,他證明粒子移動的均方距離是時間的線性函數,速率則視溫度、阻力係數、以及波茲曼常數而定。

有了懸浮微粒接續位移對應時間的精確圖表,此預測即可用實驗來檢驗。一位法國物理學家佩蘭(Jean Baptiste Perrin)做了實驗,結論說,他的實驗結果「對於愛因斯坦所提出的公式之正確性無庸置疑。」(註:佩蘭因此獲 1926 年諾貝爾物理獎。)

1991 年,德意志(D.H. Deutsch.)在《美國物理學會會報》發表的一篇短評,質疑布朗時代的顯微鏡是否有足夠倍率可以讓布朗觀察到他所聲稱的現象2。一位英國的顯微鏡學家福特(Brian J. Ford)跳出來為布朗辯護,說明從布朗的寫作中,這位植物學家是在封閉的環境中研究粒子,顯然他知道亂流和對流可能影響他的觀察3。福特還明確地重複布朗原始的操作,並加以錄影。大多數的科學家現在都接受布朗原始的花粉粒觀察確實是布朗運動的結果。

 

Further Reading:

  1. Brown, Robert. “A brief account of microscopical observations on the particles contained in the pollen of plants and the general existence of active molecules in organic and inorganic bodies.”Edinburgh New Philosophical Journal(1828): 358–371.
  2. Deutsch, D.H. “Did Robert Brown Observe Brownian Motion: Probably Not.”Bulletin of the American Physical Society36 (1991): 1374.
  3. Ford, Brian J. “Confirming Robert Brown’s Observations of Brownian Movement,”Proceedings of the Royal Microscopical Society31 (1996): 316–321.

 

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