PIENTEN HIUKKASTEN BROWNILAINEN LIIKE 11.5.1905

Bernin ihme selitti Brownin liikkeet

 Elokuvateattereissa on meneillään filmi Bernin ihme. Se ei kerro Albert Einsteinista. Silti elokuvan otsake sopii mainiosti Einsteinin vuoteen Bernissä Sveitsissä 1905.

Nuoren Einsteinin vauhti kiihtyi toukokuussa. Hän sai valmiiksi vuoden kolmannen ihmetyönsä, jo kymmenen päivää väitöksensä jälkeen.

Einsteinin selvitys hiukkasten brownilaisesta liikkeestä saapui Berliiniin Annalen der Physik -lehden toimitukseen 11. toukokuuta 1905.

Brownilainen liike tarkoittaa hiukkasten aavemaista poukkoilua liuoksissa. Ne liikkuvat täysin satunnaisesti siksakkia vedessä tai muussa nesteessä.

Pölyhiukkasten läpimitta on noin millimetrin tuhannesosa, ja ne liikkuvat ehkä millimetrin kymmenesosan sekunnissa.

Ne kulkevat hetkessä matkan, joka on niiden halkaisijaan verrattuna satakertainen. Miksi? Ilmiötä oli mahdotonta mitata kunnolla 1800-luvun välineillä.

Helpoin selitys oli väittää pieniä hiukkasia eläviksi. Ehkä sähköiset voimat uittivat niitä? Vaihtoehdoiksi tarjottiin myös valon vaikutusta, kapillaariilmiötä ja eri virtausvoimia.

Kasvitutkija Robert Brown osoitti 1827 ensimmäisenä, että myös jauhettu lasi, noki, ja kivipöly poukkoilivat nesteessä. Ne eivät varmasti ole eläviä. Selityksen piti siis liittyä fysiikkaan, ei eloperäiseen kemiaan tai biologiaan.

Einstein lähestyi ongelmaa taas kerran omapäisesti. Hän ei edes halunnut selittää brownilaista liikettä vaan puhui yleensä molekyylien liikkeestä.

Einstein mainitsee Brownin vain sivulauseessa. Työn nimi oli harvinaisen mutkikas, elämäkerturi Albrecht Fölsingin mukaan barokkisen koreileva: Lämpöä koskevan molekyyliteorian edellyttämästä liikkeestä koskien lepotilassa olevia nesteisiin liuenneita hiukkasia. Parempi ja lyhyempi nimi olisi voinut kuulua: Brownin liikkeestä.

Einstein teki ajatusleikin. Hän ajatteli, että koolla ei olisi väliä. Hän laski ilmiötä siten, että molekyylit olisivat suurempia. Taustana oli juuri tehty oma väitöstyö sokerimolekyylien koosta.

Einstein tajusi, että vielä pienemmät vesimolekyylit väijyivät mikroskoopin ulottumattomissa. Ne törmäilivät siitepölyyn, joka poukkoili kuin vesimolekyylien paukuttamassa flipperissä.

Vesimolekyylin koko lasketaan vain millimetrin miljoonasosissa. Kokoero siitepöly- hiukkaseen on valtava.

Vesimolekyyli on kuin pieni pesäpallo, joka tömähtää halkaisijaltaan lähes kilometriseen hiukkaseen. Mutta pesäpalloja on äärettömän paljon, miljoonia ja miljoonia. Ne hakkaavat siitepölyhiukkasta koko ajan, biljoonia kertoja sekunnissa.

Hiukkanen saa potkuja oikealta ja vasemmalta. Voisi siis olettaa, että molekyyli ei liikkuisi lainkaan. Mutta iskut eivät osu siitepölyyn tasaisesti, ja iskujen välillä molekyyli ehtii liikahtaa täysin satunnaisesti suuntaan jos toiseen.

Lopputulos on täysin kaoottinen liike. Fyysikot sanovat ilmiötä satunnaiskävelyksi.

Einstein antoi taas kerran täysin selvän ja testattavan ennusteen. Hän laski, että 0,001 millimetrin kokoinen hiukkanen liikkuu 17-asteisessa vedessä minuutissa kuusi miljoonasosametriä.

Einstein pystyi laskemaan myös hiukkasten kävelyn keskipoikkeaman reiteiltään. Mistä tahansa hiukkanen lähteekään, sen matka on ajankulun neliöjuuri.

Hiukkanen kulkee kaksinkertaisen matkan neljässä sekunnissa ja nelinkertaisen matkan 16 sekunnissa, mutta matkan suuntaa ei voi ennustaa.

Näin tarkka väite yllätti kokeellisesti suuntautuneet fyysikot. Nyt tarvittaisiin vain joku testaamaan väite. Fyysikko Henry Siedentopf Jenan kaupungista vahvisti Einsteinin ennustukset heinäkuussa 1905. Hän käytti aivan uutta laitetta, ultramikroskooppia.

Ilmiön varmisti täydellisesti fyysikko Jean Baptiste Perrin Sorbonnen yliopistossa 1908.

Einsteinin työ saavutti laajaa huomiota. Einstein oli 1905 hyvin kiinnostunut atomien todellisuudesta. Brownin liikkeen selitys käännytti viimeiset atomien epäilijät.

Vuonna 1908 Henri Poincaré sanoi, että olettamus atomeista sai niin paljon tukea, ettei se ole enää olettamus.

Jopa ensimmäinen fysiikan nobelisti, William Röntgen, lähetti asiasta kyselyn nuorelle Einsteinille 1906.

Einstein palasi Brownin liikkeeseen vielä neljään otteeseen 1906–1908. Hän täydensi laskuja ja mittasi, kuinka hiukkaset kiertyvät poukkoillessaan. Patenttivirkailija kirjoitti aiheesta pienen yleistajuisen vihkosenkin.

"En uskonut että brownilaista liikettä voi kuvata näinkin tarkasti", hän kirjoitti 1909 kiitollisena Perrinille: "Päätöksenne tutkia aihetta oli onnenpotku." Perrin itse sai vuonna 1926 parempaa kiitosta, fysiikan Nobelin palkinnon.

Einsteinin piti brownilaisen liikkeen selityksen jälkeen näennäistä kesätaukoa.

Ajatuksissa varmaan myllersi. Yksi aihe oli näet työllistänyt Albertia jo murrosiästä. Hän oli pohtinut aikaa ja valon olemusta. "Näkisinkö kuvani, jos lentäisin valon nopeudella peili kädessä?", hän ehkä taas pähkäili Bernin-kotinsa työhuoneessa.

Aivan kodin lähellä aikaa mittasi Bernin kellotorni, kaupungin kuuluisa maamerkki.

Kesäkuun lopussa ja syyskuussa Einstein lähetti Bernistä maailmalle mullistavia vastauksia. Maailman kuuluisin kaava E = mc ² oli huipentava Eisnteinin ihmevuoden 1905.

John Ridgen: 1905. Einstein's miraculous year.

Scientific American: Beyond Einstein, September 2004.

Lisää aiheesta:

Muualla HS.fi:ssä:

Helsingin Sanomat | hs.online@hs.fi