愛因斯坦科學奇蹟年的創舉之一：布朗運動

如果你曾經看過灰塵在陽光下飛舞，那麼你所看到的就是布朗運動。這是微粒懸浮在空氣或水等流體中的無規則運動。雖然這種效應至少在古希臘以來就已被知曉，但它是以植物學家羅伯特·布朗（Robert Brown）的名字命名，他在1827年第一次詳細描述了這種運動。他證明了這並非由生物體所導致，但仍無法確定其原因。

雖然有曾懷疑布朗運動是由原子對微粒的碰撞所引起的，但直到1905年愛因斯坦發表論文《對布朗運動理論的研究》（Investigations on the theory of Brownian Movement）之後，最終才被得以確認。

雖然物質都是由原子構成在現在是個常識，但這個想法長期以來都被視為爭議。在1800年代初，化學家約翰·道爾頓（John Dalton）提出物質是由不可分的球形粒子即原子組成，這些原子以各種形式出現就被稱為元素。道爾頓主要是為了解釋不同類型的物質（元素）之間的化學反應似乎以特定的比率發生。原子模型非常好地解釋了這一過程，但理論中的原子非常小，以至於我們沒有觀察到它們的希望。

到了1800年代末，物理學家路德維希·玻爾茲曼把這個想法拓展成氣體分子運動論，他提出，諸如溫度和壓力等氣體的性質是由於原子和分子的運動與相互作用的結果。這提供了一種理論方法來連接熱力學和牛頓的功與能量概念。

在整個1800年代，科學家被劃分為「原子論者」如道爾頓和玻爾茲曼，和他們的對手如恩斯特·馬赫（愛因斯坦稱他為相對論的先驅）。爭論的核心是原子無法測量。你可以隨心所欲推測它們的存在，但是原子假說是無法測試的。這時，愛因斯坦對布朗運動的研究論文就橫空出世了。

愛因斯坦並不是第一個提出原子碰撞來解決布朗運動，但他的論文之所以有著如此重大的意義，是因為它把原子的物理性質和宏觀可以測量的東西聯繫在一起。愛因斯坦的論文著重研究了流體的一種性質——被稱為擴散。例如，把食用色素滴在水裡，它就會逐漸散開，這是由於色素與水分子不斷發生碰撞。由於分子碰撞是隨機的，所以色素就會無規運動產生隨機圖案。你可以這樣來看，色素先走一步，然後沿隨機方向再走一步，如此反覆。平均來說，色素的位置保持不變，但偶然會向外滑移。因此，隨著時間的推移，色素就會擴散。

愛因斯坦的理論顯示，一個進行布朗運動的微粒，它的擴散將會以一個特定的速率（稱為均方位移）移動，而這速度取決於單位摩爾流體中的原子或分子的數量。據此，可以確定分子或原子的大小。這是首次，一個可測量的量能讓我們探測原子領域。不只是這個想法，而且愛因斯坦的計算結果具有很高的精度，許多科學家最終得以信服。

愛因斯坦的這項工作解決了已經持續了近一個世紀的爭論，並且把分子運動論置於實驗基礎上。通過篇論文，牛頓物理學、化學、熱力學被聯繫在一起了。

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