物理

实时布朗运动

爱因斯坦梦dream以求:德克萨斯州的一个团队刚刚测量了悬浮在流体中的微珠的瞬时速度。

Marie-Neige鞋匠

对于爱因斯坦来说,这是不可能完成的任务。马克·赖森(Mark Raizen)和他的同事做到了。来自德克萨斯大学奥斯汀分校物理系的这些研究人员测量了悬浮在流体中的直径为几微米的球的瞬时速度。

在这样的条件下,即使是一个人也没有任何干扰,球仍会在所有方向上移动,并与流体分子发生碰撞。布朗尼纪念英国植物学家罗伯特·布朗(1773-1858)表示,这种随机运动是如此之快。 1907年,爱因斯坦遗憾地得出结论,从技术上讲,用时间手段实时测量球的速度是不可能的。

他的失望使赌注下降了。统计物理学当时还很新,它基于一个基本假设(一个孤立系统的可能微观状态的等概率),该假设从未进行过实验验证。但是,对布朗运动引起的球的瞬时速度的测量将有可能证明这种假设的直接结果:能量均分定理。

根据此原理,球的动能(即由于其运动产生的能量)仅取决于系统的温度:球的大小,质量均不取决于球的温度涉及的液体。由于动能与瞬时速度的平方成正比,因此“测量”球的瞬时速度以推断出其动能并用等分定理验证其充分性是“足够的”。

主要困难在于以下事实:在液体中,即使是目前的技术也无法提供足够的空间分辨率,无法将球的运动与仪器的背景噪音区分开。在粘性较低的空气中,空间分辨率会更好,但球会在重力作用下掉落。马克·赖森(Mark Raizen)和他的小组设法通过使用光学“夹具”来捕获球,以克服重力,该夹具由水平布置在粒子两侧的两个激光束组成,并专注于它。

尽管此陷阱使球保持悬浮,但并不能阻止其布朗运动。此外,光束伴随球 :当它离开陷阱的中心时,它会稍微偏转两个激光束。通过使用高速检测系统对该偏差进行测量,我们可以推断出球位置的变化,从而推论出每五微秒的速度变化。

因此,得克萨斯州的研究小组证明,球的动能与它悬浮的空气的压力无关,这证实了能量均分定理。现在,研究人员计划在物理学上面临另一个巨大挑战:观察冷却到绝对零的球的行为。在此温度下,量子物理学优先于统计物理学。等分定理不再有效:对宏观物体的实验测量对这种状态变化敏感吗?

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