愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦和布朗運動(Brownian Motion)

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦和布朗運動(Brownian Motion)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1905 年 3 月，在瑞士專利局一位叫做愛因斯坦的年輕職員提出了一篇震撼性的論文，將蒲朗克 1900 年的量子概念延伸到有著波與粒子雙重性質的光上面。論文刊登於 Annalen der Physik。5 月時，此期刊又收到愛因斯坦的另一篇論文，這是一篇有關氣體運動學的研究，它的結論和前一篇一樣令人震撼。

19 世紀時，物理學家修正了氣體運動學，說明熱是原子不停運動所產生的效應。Ludwig Boltzmann 和美國的物理學家 J. Willard Gibbs 利用運動論來解釋物理學上所謂的「可逆性的矛盾」，因為熱力學第二定律說明大部分的自然過程都不能逆轉，這和牛頓的質點力學似乎相互抵觸。

愛因斯坦、他的前妻和大兒子。 Photo Credit: The American Institute of Physics

波茲曼重新詮釋第二定律只是就統計上來說的，而非絕對的。他說，例如在小至如小冰塊都是由無數的原子與分子所組成的，因此，雖非完全不可能，但卻極不容易讓已溶化小冰塊中的分子從液態中不規則的狀態，恢復到原來很規則的排列。

然而，那些在統計上不可能出現的分子集體行為，就是大自然所觀察到看起來不可逆轉的原因。當愛因斯坦仍是蘇黎世理工學院的學生時，他在物理課上遇到了班上唯一的女生，來自塞爾維亞的 Mileva Maric。愛因斯坦的父母在 Mileva 生了一個女兒後仍反對他們結婚〈他們顯然將女兒送人領養〉。不過，在愛因斯坦進入專利局工作後，他們終於在 1903 年結婚。1904 年第一個兒子誕生，1910 年又生了第二個兒子。

1902-1904 年，當愛因斯坦開始獨自研究熱力學第二定律，及至後來他得到自己的統計力學形式時，他應該並不知道波茲曼的研究工作。他應用力學、原子和統計的論述形成了「熱量的廣義分子理論」。

愛因斯坦在蘇黎世大學的博士論文是專門研究液體的分子統計理論，之後，他將熱的分子理論應用到液體上，來解釋所謂「布朗運動」的難題，將之寫成另一篇論文。

1827 年，英國的植物學家 Robert Brown 觀察到，懸浮於水中的花粉粒會做不規則的「群體」運動，愛因斯坦因此認為，若看的見的微小粒子懸浮於液體中時，在液體中那些看不見的原子會撞擊懸浮的粒子，使得粒子微微地搖動。愛因斯坦詳細地解釋這些運動，並很精確地預測這些在顯微鏡下可以直接觀察到的粒子不規則的隨機運動。

當愛因斯坦的論文首度在 1905 年發表時，原子和分子的概念仍是當時科學界激烈爭論的焦點，許多的科學家，如 Ernst Mach 和物理化學家 Wilhelm Ostwald 都否認它們的存在。他們辯稱，熱力學法則不必以力學為基礎來論述看不見的原子運動。Ostwald  尤其鼓吹他自己的看法，認為熱力學只在討論能量與它在生活中如何改變的問題。〔因此，他與他的信徒被稱之為「能量力學家」。〕

1908 年 5 月，愛因斯坦已經發表了他對布朗運動研究的第二篇論文，比 1905 年所發表的論文更為詳細，也提出了驗證他的理論之實驗方法。就在同一年，一個法國的物理學家 Jean Baptiste Perrin 做了一系列的實驗，證實了愛因斯坦的預測。Perrin 在他的實驗結果這樣寫著：「對於愛因斯坦所提出的公式之正確性無庸置疑」，他也因此實驗於 1926 年獲得諾貝爾物理獎。

實驗的證明終於完全證實了愛因斯坦布朗運動理論的正確性，因此反對者也不得不接受物質原子的存在。愛因斯坦應用統計的方法於牛頓的原子隨機運動之基本研究，加上他發現熱量統計理論與電磁輻射之間的重要關係，更使得他進一步洞察到光電效應，這是他統合兩個領域的第一步。直到那時為止，馬克斯威爾於 19 世紀末所提出的電磁原理已成功地阻止了來自各方企圖要將其視為力學過程的努力，但惟有愛因斯坦得以突破達成。