Nhỏ một giọt mực vào một cốc nước trong rồi để yên, mực sẽ từ từ lan ra và cuối cùng nhuộm màu toàn bộ nước dù không ai khuấy. Đó là vì có thứ gì đó vô hình đang không ngừng đẩy mực ra xung quanh. Hiện tượng đầu tiên làm chuyển động vô hình này hiện ra trước mắt chính là “chuyển động Brown (Brownian Motion)”.
Nói một cách đơn giản, chuyển động Brown là “hiện tượng các hạt nhỏ lơ lửng trong chất lỏng hoặc chất khí chuyển động bất quy tắc do liên tục va chạm với các phân tử xung quanh”. Những rung động nhỏ bé này đã trở thành bằng chứng quyết định chứng minh rằng nguyên tử và phân tử thực sự tồn tại.
Tài liệu này trình bày một cách dễ hiểu từ quá trình phát hiện và khái niệm chuyển động Brown đến lời giải thích của Einstein về nguyên lý của nó, thí nghiệm của Perrin chứng minh sự tồn tại của nguyên tử, cùng những ứng dụng ngày nay.
Sự phát hiện và nguyên lý của chuyển động Brown
Chuyển động Brown là gì?
Tên gọi chuyển động Brown bắt nguồn từ nhà thực vật học người Scotland Robert Brown. Năm 1827, khi quan sát phấn hoa nổi trong nước bằng kính hiển vi, ông phát hiện những hạt cực nhỏ thoát ra từ phấn hoa không ngừng chuyển động qua lại như đang rung rẩy.
Ban đầu, việc phỏng đoán rằng chuyển động này có thể là dấu hiệu của sự sống là điều tự nhiên. Tuy nhiên, Brown xác nhận rằng chuyển động tương tự cũng xuất hiện ở cả những mẫu thực vật cũ lẫn bột thủy tinh hoặc đá được nghiền mịn. Dù đã làm rõ rằng sự sống không phải là nguyên nhân gây ra chuyển động, điều gì khiến các hạt chuyển động vẫn là một bí ẩn trong hơn 70 năm sau đó.
- Tính ngẫu nhiên (Randomness): Hướng và quãng đường chuyển động thay đổi tùy ý ở từng thời điểm.
- Tính liên tục (Persistence): Dù thời gian trôi qua bao lâu, chuyển động vẫn không dừng lại.
- Sự phụ thuộc vào nhiệt độ (Temperature Dependence): Nhiệt độ càng cao, chuyển động càng mạnh.
- Sự phụ thuộc vào kích thước (Size Dependence): Hạt càng nhỏ thì dao động càng lớn.
Nguyên lý chuyển động Brown được Einstein làm sáng tỏ
Người giải được bí ẩn này là Albert Einstein thời trẻ vào năm 1905. Ngay trong năm công bố các bài báo về hiệu ứng quang điện và thuyết tương đối hẹp, ông cũng công bố một bài báo giải thích chuyển động Brown.
(1) Va chạm của những phân tử vô hình
Các phân tử nước nhỏ đến mức không thể nhìn thấy ngay cả bằng kính hiển vi, nhưng chúng không ngừng chuyển động nhanh do nhiệt. Chỉ trong 1 giây, một hạt nhỏ nổi trong nước cũng va chạm với vô số phân tử nước từ mọi phía.
(2) Sự mất cân bằng do ngẫu nhiên
Nếu va chạm xảy ra như nhau từ mọi hướng, hạt sẽ không chuyển động. Nhưng tại một thời điểm nào đó, ngẫu nhiên có nhiều va chạm hơn từ một phía, và sự mất cân bằng nhỏ ấy đẩy hạt đi.
(3) Khoảng cách tỷ lệ với căn bậc hai của thời gian
Einstein đã biểu diễn bằng công thức mức độ hạt lan ra theo một phương. Bình phương độ dịch chuyển trung bình = 2Dt, trong đó D là hệ số khuếch tán và t là thời gian. Vì vậy, ngay cả khi thời gian tăng gấp 4 lần, trung bình hạt cũng chỉ lan ra một khoảng cách gấp 2 lần. Giống như bước chân loạng choạng của người say rượu, hạt cứ tiến rồi lùi nên chỉ dần dần đi xa thêm một chút.
(4) Nhiệt độ và kích thước quyết định chuyển động
Einstein cũng biểu diễn hệ số khuếch tán bằng công thức D = kT / (6πηr). T là nhiệt độ, η là độ nhớt của chất lỏng, r là bán kính hạt và k là hằng số Boltzmann. Kết quả quan sát cho thấy nhiệt độ càng cao thì chuyển động càng mạnh, còn chất lỏng càng nhớt hoặc hạt càng lớn thì chuyển động càng chậm, tất cả đều được gói gọn trong dòng công thức này. Những vật lớn như quả bóng không rung động trong nước cũng là vì các va chạm từ mọi phía gần như triệt tiêu nhau hoàn toàn.
Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà vật lý người Ba Lan Marian Smoluchowski đã độc lập đi đến cùng kết luận vào năm 1906.
Thí nghiệm của Perrin chứng minh sự tồn tại của nguyên tử
Ngay cả đến đầu thế kỷ 20, vẫn có những nhà khoa học cho rằng nguyên tử chỉ là giả thuyết được dùng để thuận tiện cho tính toán, còn việc chúng có thực sự tồn tại hay không vẫn chưa chắc chắn. Lý thuyết của Einstein đã mở ra con đường giải quyết cuộc tranh luận này bằng thực nghiệm.
Từ khoảng năm 1908, nhà vật lý người Pháp Jean Perrin đã tạo ra những hạt nhỏ có kích thước đồng đều và dùng kính hiển vi ghi lại vị trí của chúng theo các khoảng thời gian cố định. Kết quả rất phù hợp với dự đoán của Einstein, và dựa vào đó, ông đã xác định được số Avogadro, tức số hạt có trong 1 mol chất, gần với giá trị được biết đến ngày nay (khoảng 6.02 × 10²³).
Khi các giá trị thu được bằng nhiều phương pháp độc lập đều gần giống nhau, những ý kiến nghi ngờ sự tồn tại thực của nguyên tử dần mất sức thuyết phục. Với đóng góp này, Perrin được trao giải Nobel Vật lý năm 1926.
3 lĩnh vực ứng dụng chuyển động Brown
Vượt ra ngoài sách giáo khoa vật lý, chuyển động Brown đã trở thành khuôn khổ cơ bản để giải thích “chuyển động ngẫu nhiên” trong nhiều lĩnh vực.
[Lĩnh vực 1] Sinh học và hóa học
Sự khuếch tán giúp chất dinh dưỡng và các chất truyền tín hiệu lan ra trong tế bào bắt nguồn từ chuyển động Brown của các phân tử. Đường trong cà phê không được khuấy vẫn phân bố đều theo thời gian cũng theo cùng nguyên lý này.
[Lĩnh vực 2] Đo lường chính xác
Đo mức độ dao động của hạt cho phép tính ngược lại kích thước của hạt. Các thiết bị đo kích thước hạt nano hoặc protein sử dụng nguyên lý này.
[Lĩnh vực 3] Tài chính
Năm 1900, nhà toán học người Pháp Louis Bachelier đã giải thích biến động giá cổ phiếu bằng bước đi ngẫu nhiên giống chuyển động Brown. Ý tưởng này sau đó trở thành nền tảng của lý thuyết tài chính dùng để tính giá quyền chọn.
Khởi đầu từ những rung động nhỏ bé dưới kính hiển vi, chuyển động Brown đã phát triển thành một lý thuyết chứng minh sự tồn tại của nguyên tử và giải thích cả những chuyển động trong sinh học lẫn tài chính. Có thể nói, chuyển động của những thứ nhỏ bé nhất đã trở thành chìa khóa lớn nhất để hiểu thế giới.
Dừng lại và quan sát kỹ những chuyển động nhỏ tưởng chừng hiển nhiên chính là bước đầu tiên trên hành trình khám phá thế giới vô hình.
