В 1827 г. английский ботаник Броун (правильнее Браун)
, наблюдая с помощью микроскопа взвешенную в воде пыльцу растений, обнаружил, что эти очень мелкие частицы находятся в непрерывном хаотическом движении. После Броуна движение взвешенных в жидкости мелких частиц наблюдали многие ученые и установили следующее:
а) в отличие от всех других наблюдаемых видов движения (за исключением движения небесных тел) это движение никогда не прекращается;
б) движение хаотично, каждая частица описывает сложные зигзагообразные траектории, при этом предсказать, где окажется частица в следующий момент времени, абсолютно невозможно;
в) интенсивность движения тем выше, чем выше температура жидкости, чем ниже ее вязкость и чем меньше размеры частиц; г) броуновское движение со всеми свойствами, указанными выше, можно наблюдать в воздухе, хотя технически это несколько сложнее.
Для того, чтобы понять причины этого удивительного, на первый взгляд, явления, вернемся снова к понятию равновесной системы, причем, для начала без учета распределения молекул по высоте. В такой системе все ее параметры во всех точках одинаковы. Все параметры системы, но не каждой отдельной молекулы, уже хотя бы потому, что именно для равновесной системы справедливо распределение молекул по скоростям. Значит, на микрочастицу, оказавшуюся в воздухе (рассмотрим вначале привычную нам среду — идеальный газ), могут «налететь», столкнуться с ней, молекулы, обладающие разными скоростями и, соответственно, импульсами. Если с одной стороны окажутся молекулы со скоростями в среднем чуть большими, чем с другой, то частица получит некоторый импульс, вследствие которого она изменит и модуль, и, в общем случае, направление своей скорости. Но это еще не все. Даже и в равновесной системе у нас нет никаких гарантий, что в любом объеме концентрация молекул одинакова. Пусть у нас воздух заключен в куб с ребром 1 м. Давление и температура воздуха соответствуют нормальным условиям, тогда концентрация молекул в этом кубе 2,7 • 10 м (см. задачу № 70), а т. к. объем 1 м , то и число молекул в объеме тоже 2,7 • 1025. Если мы теперь разделим наш куб на 10 равных частей или на миллион, то в каждой части (ячейке) будет в одном случае 2,7 • 10J1, а в другом — 2,7 • 1019 молекул, но уж разумеется не с точностью до одной штуки. Но даже если в одной ячейке окажется на несколько миллиардов молекул меньше, чем в другой, концентрация молекул в каждой ячейке практически не изменится. А вот если мы мысленно разделим наш куб на 10 ячеек, то поручиться за то, что в каждой ячейке окажется ровно 27 молекул никто не сможет, вот в среднем, их будет 27, а в каждой конкретной ячейке по-разному: где-то 20, где-то 35, где-то может быть и 80, а где-то и ни одной. Но обойдемся и без экзотики, пусть в одной из ячеек 26 молекул, и тогда в этой ячейке концентрация 2,6 • 10 м , т. е. почти на 4% меньше. В малых объемах (не обязательно порядка 10 м , объем может быть и на несколько порядков больше) возникают флуктуации, т. е. отклонения от среднего значения, концентрации молекул, а следовательно, и плотности газа, и его давления. При этом система в целом остается равновесной, эти микронеоднородности, флуктуации, не играют существенной роли в макропроцессах.