Brownin liike

Brownin liike on nesteessä tai kaasussa olevia hyvin pieniä hiukkasia mikroskoopilla tarkasteltaessa havaittava satunnainen ja itsenäinen siksak-liike. Ilmiön havaitsi kasvitieteilijä Robert Brown vuonna 1827 tutkiessaan mikroskoopin avulla vedessä kelluvaa kasvien siitepölyä.

Esimerkki Brownin liikkeen simuloinnista kahdessa ulottuvuudessa.

Aluksi Brown piti havaitsemaansa liikettä vain elolliselle luonnolle ominaisena ilmiönä, mutta havaitsi pian, että samanlainen liike ilmeni silloinkin, kun nesteessä leijui hienojakoista epäorgaanista jauhetta. Liikkeen syy oli kuitenkin hämärän peitossa vuoteen 1905 saakka, jolloin Albert Einstein selitti hiukkasten liikeratojen johtuvan siitä, että niitä pommittaa jatkuvasti molekyylien lämpöliike.

Hiukkasia pommittaa joka puolelta atomien ja molekyylien lämpöliike. Suurilla hiukkasilla on joka puolella keskimäärin saman verran törmäyksiä joka hetki. Koska ne kumoavat toisensa, iso hiukkanen pysyy käytännössä paikallaan. Mutta pienellä hiukkasella saattaa tietyllä hetkellä yhdelle sivulle törmätä 100 000 molekyyliä ja toiselle 100 002 molekyyliä, jotka eivät kumoakaan toisiaan, ja näin parin molekyylin ylijäämäimpulssi riittää potkaisemaan pienen hiukkasen liikkeeseen vastakkaiseen suuntaan. Jonkin ajan kuluttua tilanne toistuu, mutta toiseen satunnaiseen suuntaan. Lopputuloksena syntyy satunnainen siksak-liikerata.

Vastaava ilmiö havaitaan kaasussa, esimerkiksi hyvin ohuessa kvartsilangassa roikkuvalla hyvin pienellä peilillä. Kun valonsäde heijastetaan peilin kautta valkokankaalle, havaitaan peiliin kohdistuva kaasumolekyylien pommitus pienenä valonsäteen värinänä valkokankaalla.

Einstein osoitti, että ajassa t, a-säteinen pallo diffundoituu keskimäärin mihin tahansa suuntaan sellaisen matkan x, että matkan neliön odotusarvo on: $\left\langle x^{2}\right\rangle ={\frac {kTt}{3\pi \eta a}}$
jossa $\eta$ on fluidin viskositeetti, k Boltzmannin vakio ja T (absoluuttinen) lämpötila.

Koska keskimääräinen siirtymä oli mikroskoopin avulla mitattavissa, tätä kaavaa voitiin kääntäen käyttää Boltzmannin vakion suuruuden määrittämiseen, minkä Jean Perrin tekikin muutamaa vuotta myöhemmin. Kun Boltzmannin vakiolle k oli saatu likiarvo, Avogadron vakio N_A pystyttiin määrittämään relaatiosta $k=R/N_{A}$, jossa R on kaasuvakio. Tämä oli yksi ensimmäisistä Avogadron vakion määrityksistä, ja se kumosi osaltaan atomin olemassaolosta vielä tuohon aikaan esiintyneet epäilykset.

Matemaattinen Brownin liike

Brownin liikkeen matemaattinen malli, jota myös nimitetään Brownin liikkeeksi tai joskus kehittäjänsä mukaan Wienerin prosessiksi, on idealisoitu malli luonnossa esiintyvästä vastineestaan. Se saadaan muun muassa rajaprosessina satunnaiskulku-nimisestä yksinkertaisemmasta prosessista. Brownin liikkeellä on joitakin mielenkiintoisia ominaisuuksia: esimerkiksi polku kahden pisteen välillä on aina äärettömän mittainen. Tällainen fraktaalinen ominaisuus johtuu polkujen mutkikkuudesta.

Ominaisuuksia

Brownin liike $B_{t}(\omega )$ on ajassa $t$ kulkeva stokastinen prosessi, jolla on muun muassa seuraavat ominaisuudet:

1. $B_{t}$ noudattaa normaalijakaumaa tai multinormaalijakaumaa, ja erityisesti yksiulotteiselle Brownin liikkeelle pätee $B_{t}-B_{s}\sim {\mathcal {N}}(0,t-s)$, kun $0\leq s\leq t$,
2. $B_{0}=0$ melkein varmasti,
3. stokastisen prosessin $B_{t}$ siirtymät ovat toisistaan riippumattomia, eli satunnaismuuttujat $B_{t_{1}},B_{t_{2}}-B_{t_{1}},\dots ,B_{t_{k}}-B_{t{k-1}}$ ovat riippumattomia jokaiselle $0\leq t_{1}<t_{2}\dots <t_{k}$, ja
4. polku $t\rightarrow B_{t}(\omega )$ on jatkuva melkein kaikille $\omega$.

Lisäksi $B_{t}$ on ${\mathcal {F}}_{t}$-mitallinen suhteessa filtraatioon ${\mathcal {F}}_{t}$, kun $t\geq 0$. Yllä merkintä ${\mathcal {N}}(\mu ,\sigma ^{2})$ viittaa normaalijakaumaan odotusarvolla $\mu$ ja varianssilla $\sigma ^{2}.$

Katso myös

• Satunnaiskulku
• Diffuusio

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Brownin liike Wikimedia Commonsissa