Броуновское движение

А если не устроят космические дали,
Под микроскопом посмотри.
Там все открыто без вуали,
Там клетки голые в любви! (Г.Ершов)

Введение

 

Robert_Brown

Знаменитое «Броуновское движение», а это движение присутствует во всех материальных телах, в какой бы среде они не находились. Явление широко известное, но, на мой взгляд, его происхождение истолковывается неверно.

Должен начать это серьезное исследование с цитаты из БСЭ: «Правильнее брауновское движение, беспорядочное движение малых (размерами в нескольких мкм и менее) частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием толчков со стороны молекул окружающей среды. Открыто Р. Броуном в 1827. Видимые только под микроскопом взвешенные частицы движутся независимо друг от друга и описывают сложные зигзагообразные траектории. Б. д. не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды. Интенсивность Б. д. увеличивается с ростом температуры среды и с уменьшением её вязкости и размеров частиц.

Последовательное объяснение Б. д. было дано А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905-06 на основе молекулярно-кинетической теории. Согласно этой теории, молекулы жидкости или газа находятся в постоянном тепловом движении, причём импульсы различных молекул неодинаковы по величине и направлению. Если поверхность частицы, помещенной в такую среду, мала, как это имеет место для броуновской частицы, то удары, испытываемые частицей со стороны окружающих её молекул, не будут точно компенсироваться. Поэтому в результате «бомбардировки» молекулами броуновская частица приходит в беспорядочное движение, меняя величину и направление своей скорости примерно 1014 раз в сек». [1] (Конец цитаты)

Для чего я привел такую длинную цитату из энциклопедии? На то имеются несколько причин: 1) чтобы показать, как трактуется броуновское движение, 2) на каком фундаменте базируется, 3) акцентировать внимание читателя на конце цитаты, где указана очень интересная и значимая цифра (1014 раз в сек). А собственно, откуда она взялась 1014 Гц? Очевидно из практических измерений. Тогда напрашивается очередной вопрос: почему именно с такой огромной частотой вибрируют частицы и вибрируют ли они вообще?

Сразу хочу сказать, что на частоте 100 триллионов Гц ни одна механическая частица не сможет поменять «величину и направление своей скорости», это смогут сделать только молекулы.

Необходимо отметить, что броуновское движение распространяется не на пыльцу растений, а на цитоплазматические зернышки, о чем зачастую ошибочно пишут. Частицы пыльцы слишком велики чтобы подчиниться броуновскому движению, например, пыльца луговых трав переносится ветром и имеет размеры от 20 до 50 мкм, а броуновскому движению подвержены частицы не более 3-х мкм.

В настоящее время физическое понятие «броуновское движение» стало прикладным в развитии математических, экономических, финансовых, статистических, научных методов моделирования для получения положительных результатов в одноименных областях. Фрактальные методы исследования в средах, связанные с шумом и хаосом, широко применяются в моделях подобных броуновскому движению. За исследование броуновских следов (самоподобий) взялись математики. В результате появились, так называемые фрактальные сети (решетки), этот процесс получил название фрактального броуновского движения [2].

Несмотря на широкую «эксплуатацию» броуновского движения, причина хаотического движения частиц остается не выявленной по сей день.

Начало

 

Начнем с беллетристики.

Впервые хаотическое движение мелкодисперсных частиц пыльцы растений наблюдал английский ботаник Р. Броун в 1827 году через микроскоп. Что это был за микроскоп – две двояко выпуклые линзы! Как всегда в таких ситуациях помог случай. Однажды, работая на открытой веранде, Броун рассматривал в микроскоп пыльцу нового растения, на сей раз это была пыльца плавуна. На какое-то время ботаник отлучился, а в это время пошел дождь с порывами ветра. Броун вернулся на веранду, чтобы забрать свой драгоценный инструмент и чисто машинально, очевидно, по причине своей профессиональной привычки, глянул через линзы.

Увиденное его поразило. В дождевой капле частицы плауна беспорядочно и хаотично двигались во всевозможных направлениях. Первое впечатление было похоже на то, что частицы живые, а чтобы не утонуть отчаянно барахтались и возможно даже кричали: «Спасите! Тонем!» Ботаник передвинул предметное стекло, посмотрел во вторую каплю, потом всмотрелся в третью и видел ту же повторяющуюся картину – беспрестанное, беспорядочное движение.

Броун открыл шкаф, достал старый гербарий с высушенными семенами, стряхнул пыльцу и продолжил наблюдение, картина не менялась – частицы по-прежнему пребывали в движении.

Невероятно! Вечное движение!

Впоследствии Броун вспоминал:

«Проверяя формы этих частиц, погруженных в воду, я наблюдал многие из них в явном движении... Эти движения были таковы, что после многих повторных наблюдений я убедился в том, что они возникают не от потоков в жидкости и не от ее постепенного испарения, а принадлежат самим частицам» [3].

После многодневных наблюдений, испробовав плавучесть пыльцы различных растений своего гербария, Броун видел одну и ту же картину – хаотичное и бесконечное движение. Помимо пыльцы он экспериментировал с частицами размолотых минералов и всякий раз наблюдал похожую картину.

Не найдя объяснения такому странному поведению частиц, он решил поделиться своим открытием с ученым миром, чем и отметился в истории. Теперь каждый школьник знает, что в природе существует «Броуновское движение».

Для проверки «вечного двигателя» требовался один инструмент – микроскоп. Во времена Броуна микроскопы были дорогие, но как говорят, истина дороже. У кого не было данного инструмента, спешили заказать и купить. В погоне за истиной ученые мужи устремили взоры в микроскопы и увеличительные стекла. Вдоволь насмотревшись на пляшущие в бесконечном танце пылинки, они, также как Броун, понять ничего не могли и, очевидно, долго после этого мучились в догадках.

Причина хаотичного движения частиц оставалась не выявленной.

Вот здесь я должен остановиться и констатировать тот факт, что «броуновское движение» частиц до сих пор не имеет должного и корректного объяснения. В то же время, во всех учебниках по физике это явление подробно описано и изучается в школьной программе с демонстрацией опыта. Базой для объяснения служит молекулярно-кинетическая теория (МКТ).

МКТ и броуновское движение

 

Броуновское движение

Рис. 1

Для начала наведем критику на МКТ и ее трактовку броуновского движения.

Молекулярно-кинетическая теория свела доказательство хаотичного движения частиц, к следующему объяснению: «Броуновское движение – это когда взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного, беспорядочного движения, не зависящего от внешних причин, и оказывается проявлением внутреннего движения, совершаемого под влиянием беспорядочных ударов молекул» [3].

Я поставил под сомнение подобного рода формулировки по нескольким причинам, которые будут показаны в дальнейшем.

В свое время Д. Максвелл теоретически нашел математическое выражение закона распределения молекул газа, находящегося в равновесном состоянии, по скоростям их хаотического движения.

Функция Максвелла только указывает, но не объясняет само явление незатухающего хаотического движения.

 максвелловское распределение

n – общее число молекул в некотором объеме;

? – скорость молекул;

?n – число молекул, находящихся в интервале скоростей ?1 и ?2.

??=?1–?2

Затем было еще много всевозможных гипотез и предположений о странной природе поведения частиц. Приложился к этой проблеме и А. Эйнштейн. В 1905 году он защищает докторскую диссертацию по теме: «Новое определение размеров молекул» («A new Determination of Molecular Dimensions») [3].

Броуновское движение в квадрате

 

Итак, к чему пришла наука сегодня: 1) упругое столкновение молекул создает ту картину, что увидел Броун; 2) частички плауна двигают молекулы воды – по теории Эйнштейна – Смолуховского[1]. Эта теория была создана на основе статей, написанных Эйнштейном и Смолуховским в 1905 году[2].

В основу данной теории положено то, что движение частиц, наблюдаемое под микроскопом, связано со столкновениями с невидимыми, еще более мелкими частицами – молекулами, которые и толкают частицы пыльцы во всевозможных направлениях.

«Броуновские частицы, видимые в микроскоп, бомбардируются меньшими частицами, составляющими воду. Если бомбардируемые частицы достаточно малы, то возникает броуновское движение. Оно возникает потому, что эта бомбардировка неодинакова со всех сторон и не может быть уравновешена в силу своего хаотического и случайного характера. Таким образом, наблюдаемое движение есть результат движения ненаблюдаемого» [3].

Получается некий молекулярный пушинг (приталкивание).

Ценность этих работ заключается в том, что нет сомнения в реальном существовании молекул и атомов. В начале 20-го столетия эти понятия существовали в абстрактном, гипотетическом предположении.

Спустя двадцать лет было экспериментально подтверждено существование молекул. Жан Перрен получил Нобелевскую премию по физике за тончайшие наблюдения над броуновским движением, которые подтвердили предсказание Эйнштейна о существовании молекул. Но Перрен, также как Броун, не внес ясности в понимание хаотического процесса.

Об упругости молекул и их упругом столкновении поговорим в следующей статье, а сейчас проверим МКТ на основе сравнительного анализа размеров молекул воды и частиц, которые они приводят в движение.

Молекула воды по своим размерам равна 0,97-3 нм (~3 ?). Размеры частиц, которые подчиняются эффекту Броуна не более 3 мкм. Найдем отношение частицы к молекуле воды. Оно будет равно

3·10-6/3·10-10=1·104 раз.

Разница в размерах равна четырем порядкам.

Во всех учебниках и не учебниках говорится о нескомпенсированном давлении (импульсе). Именно благодаря этому одна или несколько молекул могут столкнуть частицу с места.

Принимая во внимание, что линейные размеры частицы превышают размеры молекулы воды в 10000 раз, можно сообразить, что столкнуть частицу с места не сможет ни одна сверхсильная молекула. Для нормального импульса потребуется не менее 10 тысяч молекул воды. А если перевести в массу, то это соотношение будет еще более критичным. Притом, данные молекулы должны действовать синхронно, дружно и в одном направлении, чтобы создать ту самую нескомпенсированность. В этом случае они должны обладать разумом и подчиняться команде: «Эй, ухнем!» и даже в этом случае колонии молекул требуется определенная оперативность и слаженность, т.к. после удавшегося первого толчка требовалось бы подключить другую колонию ратных молекул и остановить данную частицу, а затем по новой команде включить в работу третью команду молекул, находящихся сбоку и снова толкнуть данную частицу. И так бесконечно, чтобы придать данной частице «вечное движение». Если будем дальше продолжать в указанном русле, то потребуется дойти до университетов молекулярного обучения и столовых для пополнения им энергии.

Должен заметить, что сама частица имеет инертную массу, поэтому чтобы преодолеть эту инертность требуется дополнительные силы, т.к. в действительности частица меняет свое направление практически мгновенно под разными углами, (рис. 1). Я не упоминаю в рассуждениях деятельность «командира», подающего сигналы, он должен обладать еще большим разумом. В его функции входит не только подавать команды, но и мониторить окружающее пространство, т.к. частицу необходимо отправлять по градиентному вектору наименьшего давления (сопротивления) и температуры. Почему именно туда, об этом разговор впереди.

Самое интересное в данной ситуации является то, что молекулы воды сами, прежде всего, подвержены броуновскому движению, что и подтверждает диффузия. Броуновское движение в квадрате! Для хаотического движения молекул воды требуется также некоторая сила и энергия. Об этом в рассказах про броуновское движение просто умалчивается. Видимо полагая, что не следует путать броуновское движение и тепловое движение молекул. Я осмелюсь утверждать, что движение молекул подчиняются тем же законам, что и движение броуновских частиц. Об этом будет поведано в следующих публикациях.

Молекулы воды движутся хаотически, а значит «бомбардировка» частицы будет спонтанна со всех сторон и статистически уравновешена. Уповать, что на то, что удары по той или иной части частицы будут сдвинуты по времени (нескомпенсированные удары), не может соответствовать действительности. Почему? Из-за огромного количества молекул эти удары будут приходиться с разных сторон с одинаковой силой. В результате частица не будет даже дрожать, не говоря о том, что сдвинется с места. О силе удара одной молекулы уже упоминалось выше.

Для наглядности действия броуновского движения школьникам и студентам демонстрируют его на макетах с магнитными и немагнитными частицами. В интернете есть несколько видео, где показаны модели, имитирующие броуновское движение (одно из них я поместил ниже). За счет действия переменного магнитного поля, намагниченные частички беспорядочно движутся в определенном объеме и ударяют по более крупным нейтральным частицам, тем самым создают видимость модели броуновского движения. Должен сказать, что эти модели абсолютно не корректны по трем причинам: 1) малое количество магнитных частиц, 2) сила удара масштабно не выдержана, 3) не выдержан масштаб частиц (об этом уже частично упомянул выше).

Если привести картину в соответствие по всем пунктам, то мы никакого движения частиц не увидим. Для наглядности приведем в соответствие масштаб, элементарно сравним удары молекул воды с каплями дождя, бьющими по камню. Возьмем размер капли – 5 мм (5·10-3 м). Соотношение между каплей и молекулой составляет:

5·10-3 м/3·10-10 м=1,6·107 раз.

Размер броуновской частицы 3 мкм (3·10-6 м), увеличим ее в 1,6·107 раз и получим размер камня 3·10-6·1,6·107=48 м.

Косой дождь бьет по камню, равным в поперечнике 48 м. Тысяча, миллион капель воды, ударившихся с одной стороны, что они смогут сделать с огромной каменной глыбой? Только помыть! Можно уменьшить плотность до пенопласта, поместить его в маленькое озеро и все равно любой косой дождь не сдвинет с места пенопластовую глыбу такого размера. И что это за удары молекул в действительности? Это совсем не удары и тем более не «бомбардировка», а некая флуктуация, т.к. длина свободного пробега молекул в жидкости мала – меньше диаметра самих молекул, около 10-10 м [4].

Исходя из изложенного, можно сделать предварительный вывод: молекулярно-кинетическая теория никак не объясняет броуновское движение.

Не верите?

Добьем эту теорию другим инструментальным опытом. Этот опыт ставят не только ученые, но его ставят регулярно домохозяйки на своей кухне. Речь пойдет о пленке масла, которое тончайшим слоем расплывается на водной поверхности.

Вначале 20-го столетия такой опыт поставил Рэлей (Джон Вильям Стратт, 1842–1919), который использовал оливковое масло, растекавшееся на поверхности воды [5]. Благодаря этой пленке ученым удалось узнать величину самих молекул.

Сразу вопрос: почему молекулы воды толкая, ударяя, «бомбардируя» себе подобные молекулы масла не могут сделать разрыв в масляной пленке? Следуя логике объяснения МКТ, масляная пленка из-за ударов молекул воды по масляным мишеням молекул должна постоянно разрываться, но такого не происходит. Почему нефтяное пятно равномерно расплывается на обширной территории и не разрывается?

Слой масла толщиной в одну молекулу, а броуновская энергия молекул воды не может их сдвинуть и перемешать, и где тут бомбометание?

По существу молекулы в жидкости, будь то вода, масло или другие вещества, не движутся – они вибрируют на довольно высокой частоте. А уже за счет этой вибрации проникают в межмолекулярные промежутки (диффузия). Поэтому говорить о каких толчках совершенно не корректно.

Тогда, за счет какой энергии перемещаются частицы в броуновском движении? Вот и я об этом же. Собственно, вопрос упирается в источник (источники) энергии. Где он таковой находится коли наука на протяжении 187 лет, со дня открытия броуновского движения, не может его обнаружить.

На некоторое время оставим этот вопрос и попробуем обратиться к атмосфере Земли, возможно, там на него будет легче ответить.

 

Назад  Главная  Вперед

[1] Есть мнение, что теория броуновского движения была создана Николаем Николаевичем Пироговым (1843-1891). К сожалению, этот факт почти неизвестен широкой общественности в силу того, что труды Пирогова были подвергнуты плагиату со стороны Смолуховского, который для утверждения своего псевдоавторства подключил А. Эйнштейна (http://bourabai.ru/physics/principe.html).

 

[2] Анализом максвелл-больцмановского распределения и флюктуации занимался русский физик, сын известного хирурга и педагога Н. И. Пирогова, Николай Николаевич Пирогов (1843-1891). Им, в частности, была получена формула для оценки колебаний числа молекул в заданном объеме газа, позже найденная польским физиком Марианом Смолуховским (1872-1917). Смолуховскому и Альберту Эйнштейну принадлежит анализ такого классического флюктуационного явления, как броуновское движение (http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000052/st078.shtml).

8 комментариев

  1. Владислав:

    Броуновский вечный двигатель-движитель, нет проблем: htpp://uploads.ru/T9XSd.png

  2. Gennady Ershov:

    «Броуновский вечный двигатель-движитель, нет проблем: htpp://uploads.ru/T9XSd.png»
    ———————
    Ваш вечный двигатель по указанному адресу не работает!

  3. Владислав:

    А почему вы считаете то, что Броуновский двигатель указанный в той мной показанной ссылке на его изображение, не работает?! Ведь само то Броуновское движение (то которое не упорядоченное в одном его каком-либо направлении) работает!!! А то есть , традиционное Броуновское движение, хоть оно и не упорядоченно в одном и том же его направлении, оно работает, и делает это тоже инвариантно, как и этот Броуновский двигатель из ссылки, но делает это инвариантно исходя из временного фактора (вы когда нибудь играли в настольные игры, где каждый из двух играющих в неё игроков, игрок — соперник, может сделать одинаковое количество его ходов в игре, но кто-то из них, начинает это делать первый, а кто-то вторым, и тогда у этого второго, когда первый исчерпал свои уже все ходы, есть возможность сделать ещё его один последний завершающий ход в игре, так вот, при Броуновском движении, микрочастицы материи от удара в них молекул или атомов диффузируемого вещества, поступают в точности похожим их образом, на это поведение игроков в этой игре, а то есть, по причине того, что каждая из них, ударяет в Броуновские частицы не в одно и тоже её время, и происходит данная инвариантность, декомпенсация, неравнозначность воздействия их сил в каждый из каких-либо отдельных отрезков времени, которая и заставляет данные Броуновские частицы постоянно «вечно» двигаться!!! — Разве сие мною описанное, не нарушает сегодняшние научные постулаты?!! Но даже если оно их и не нарушает, то тогда их не должно нарушать, и присутствие в реальности несколько другой разновидности данной инвариантности в силах воздействия диффузирующих молекул или атомов не твёрдого вещества, на Броуновские частицы — изготовленные для этого, их определённым образом в их форме и расположении относительно друг друга!!!)

  4. Владислав:

    Кстати, вечный двигатель существует, но понять это, и дать им его открыть, святой Господь Бог наш Иисус Христос, позволит, даст, только лишь достойным людям, а не безобразным злым лицемерам!!!

  5. Владислав:

    А где мои ещё здесь опубликованные комментарии?! Я не боюсь того, что какую-либо из мной рассказанных инновационных мыслей похитят, захотев их присвоить себе, лицемерные обманщики! Потому что в будущем времени, на Земле имеют граждане портативные устройства: идеальные детерминаторы событий произошедшего прошлого времени, устроенные на нано-кибернетике, и нано-синергетике!!! Всё просто: нано-сигернетикой — производят сопоставление относительно друг друга, и законов науки, погрешностей в значениях трёх измерительных показаниях: нано-время, нано-место, нано-действие произошедшее в этом нано-времени, и нано-месте, и тем самым и находят этим при помощи высокоточных нано-вычислений, абсолютно точные, без погрешностях в них, все эти три значения измерительных показаний, нано-времени, нано-месте, и нано-действии!!! А после этого, не составляет никаких проблем, используя эти измерительные показания, при помощи них, и кибернетической нано-дедукции и детерминации событий с её помощью производимых, найти как близ расположенные относительно этого измерительного показания нано-места, места, так и от них производя же подобное, найти так же и в более далеко от них расположенных местах, последовательно те все действия, которые производились на Земле и в космосе, в прошлом времени, как бы формируя прогрессивно-ускоренно, шарообразный островок, проникающий в прошлое время, и расширяющийся при этом симметрично в пространстве как более близкого прошлого, так и более далёкого прошлого времени!!! Обо всём сием, не раз я уже рассказывал в интернете!!! Желаю вам счастья!!!

  6. Gennady Ershov:

    «А почему вы считаете то, что Броуновский двигатель указанный в той мной показанной ссылке на его изображение, не работает?!»
    ———————
    Я ответил: Ваш вечный двигатель по указанному адресу не работает! Данный ответ означает, что ссылка битая!

  7. Gennady Ershov:

    «Кстати, вечный двигатель существует, но понять это, и дать им его открыть, святой Господь Бог наш Иисус Христос, позволит, даст, только лишь достойным людям, а не безобразным злым лицемерам!!!»
    —————————-
    Причем здесь «святой Господь Бог наш Иисус Христос»? Он же не Бог, он же посредник между людьми и самим Богом!

  8. Gennady Ershov:

    «А после этого, не составляет никаких проблем, используя эти измерительные показания, при помощи них, и кибернетической нано-дедукции и детерминации событий с её помощью производимых, найти как близ расположенные относительно этого измерительного показания нано-места, места, так и от них производя же подобное, найти так же и в более далеко от них расположенных местах, последовательно те все действия, которые производились на Земле и в космосе, в прошлом времени, как бы формируя прогрессивно-ускоренно, шарообразный островок, проникающий в прошлое время, и расширяющийся при этом симметрично в пространстве как более близкого прошлого, так и более далёкого прошлого времени!!! Обо всём сием, не раз я уже рассказывал в интернете!!! Желаю вам счастья!!!»
    _____________________________
    Отвечу одним словом Эллочки Щукиной (людоедки): «ЖУТЬ!»

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Ваш комментарий на модерации.