Albert Einstein och den brownska rörelsen

2005-10-04 23:00  
Einsteins artikel om den brownska rörelsen fyller 100 år.

Redan 1828 hade den brittiske naturalisten Robert Brown beskrivit ryckiga sicksackrörelser hos små pollenkorn uppslammade i vatten. 1905 använde Albert Einstein sedan den brownska rörelsen för att bevisa molekylernas existens och beräkna deras storlek. Nu har fenomenet fått förnyad aktualitet inom biofysiken. Det är den brownska rörelsen som får proteinerna i cellerna att vecka sig och gör livet möjligt.

Under 1800-talets senare del fanns två huvudteorier om världsalltets beskaffenhet. Den ena, med anor från antiken, antog att materien är uppbyggd av atomer, små odelbara elementarpartiklar, vilka sedan kan förena sig till molekyler. Molekylerna antogs uppträda som små biljardbollar som ideligen kolliderar med varandra med elastiska stötar.

Den andra teorin, företrädd bland andra den tyske fysikern Ernst Mach, hävdade att materien helt byggdes upp av elektromagnetiska krafter och fält.

Tidens riktning

I dag kanske det låter besynnerligt att det så sent som vid förra sekelskiftet fanns fysiker som fortfarande inte trodde på atomernas och molekylernas existens, men Mach och hans meningsfränder hämtade argument från termodynamiken.

Om materien bestod av atomer, hävdade de, skulle de röra sig och interagera enligt den newtonska mekaniken. Men enligt Newton kan rörelser och kollisioner lika gärna beräknas framåt i tiden som bakåt. Tiden har ingen riktning, vilket strider mot termodynamikens grundsatser.

Om man lägger en klick sylt i ett fat filmjölk och rör om blandas sylten och filen. Och var och en vet att det inte går att därefter röra baklänges och få tillbaka syltklicken.

Einstein använde den brownska rörelsen för att sy ihop termodynamiken med Newtons mekanik.
Här låg en hund begraven. Det skulle bli Albert Einstein som under sitt "annus mirabilis" redde ut problemet och sydde ihop Newtons mekanik med termodynamiken. Detta i sin artikel om den brownska rörelsen, den kanske minst kända av Einsteins tre epokgörande publikationer från 1905 (de andra två handlade om relativitetsteorin och om den fotoelektriska effekten).

Statistiska beräkningar
Termodynamikern Ludwig Bolzmann hade antagit att temperatur berodde på en i det närmaste kaotisk rörelse hos molekylerna. Ju högre temperatur desto snabbare rörelser. Energin hos enskilda molekyler kunde dock inte mätas, utan man fick använda statistiska metoder för beräkningarna.

Om man lägger en tennisboll i en hink med vatten rör den sig inte. Den är helt enkelt för stor och tung för att påverkas av de osynliga vattenmolekylernas rörelser. Ett pollenkorn är däremot tillräckligt litet för att knuffas iväg av de slumpmässiga stötarna, men ändå tillräckligt stort för att kunna observeras, vilket botanisten Robert Brown upptäckt.

En partikel knuffas hit och dit av osynliga vattenmolekyler i termisk rörelse. Den "brownska rörelsen" observerades första gången redan på 1700-talet, men beskrevs mer ingående av Robert Brown 1828.
Klicka på bilden för demonstration.


Einstein analyserade nu matematiskt hur pollenkornet påverkas av molekylerna, och visade hur man experimentellt skulle kunna göra mätningar av den brownska rörelsen för att bestämma molekylernas storlek.

Jean Perrin, 1870-1942.
Molekylernas storlek bestäms
Metoden användes sedan av den franske fysikern Jean Baptiste Perrin, som 1908 tog fram det slutgiltiga beviset för atomernas existens. Dessutom kunde han ge ett förbättrat värde på Avogadros tal, antalet molekyler per mol av ett ämne. (Avogadros tal beräknas i dag till 6,022 141 99·1023)

För sin bedrift belönades Perrin med nobelpriset i fysik år 1926.

Brownsk rörelse i cellernas inre
Men det visar sig nu att den brownska rörelsen även är av vital betydelse för livsprocesserna, skriver den engelske fysikern Mark Haw i tidskriften Nature. Livets byggstenar utsätts för ständiga knuffar. När Watson och Crick gav bilden av DNA-molekylen som en prydlig spiralvriden stege var det en stelfrusen molkyl de beskrev. I själva verket är DNA-molekylen ett ormande nystan som ständigt knuffas och knådas.

Hela cellens inre utgörs av ett ständigt buffande, där molekyler kolliderar och tumlar om varandra. Och tur är väl det. För utan denna ständiga rörelse skulle inte aminosyrorna knuffas i kontakt med RNA-molekylerna och proteinerna skulle inte kunna veckas till sina rätta former.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer