El moviment brownià

El moviment brownià és un d’aquells temes oblidats, que gairebé no surt als llibres de text; però que va ser la primera prova conclüent de la hipòtesi atòmica i que, a més, va fer que canviéssim la manera que entenem fer ciència. Avui voldria parlar-vos d’aquest fenomen que comença en la persona d’en Robert Brown.
[@more@]

Robert Brown va ser fill d’un pastor protestant escocès. Nascut en 1773 va ser el típic erudit autodidacta, superb, diligent i meticulós fins al fanatisme. Va estudiar medicina a Edimburg i va treballar uns anys com ajudant d’un cirurgià en un regiment de Fifeshire.

Mentre feia això, es va posar a aprendre alemany. Estudiava els noms i les seves declinacions abans de l’esmorzar i la conjugació dels verbs auxiliars després. Armat amb els seus nous coneixements, va començar a dominar tota la documentació alemanya sobre botànica.

En 1798 va fer una visita a Londres on va conèixer al gran botànic Sir Joseph Banks, en aquell moment president de la Royal Society. El nostre home el va impressionar de tal manera que tres anys després va fer, amb la recomanació del mateix Banks, un llarg viatge a Austràlia tornant en 1805 amb prop de 4.000 espècimens de plantes exòtiques molt ben  guardades al vaixell.

Va passar anys descrivint, classificant i catalogant aquests espècimens, alhora que treballava de bibliotecari i assistent personal de Banks. D’aquí, va sortir l’embrió del que ha arribat a ser el departament botànic del Museu Britànic, del que va ser el primer encarregat professional.

Brown va conèixer al Charles Darwin. Darwin va dir d’ell que era contradictori, profundament savi, però molt donat a la pedanteria, generós en uns aspectes, malhumorat i desconfiat en uns altres. Em va semblar que destacava sobretot per filar molt prim en les seves observacions i la seva perfecta exactitud. Darwin va dir també d’ell que mai prestava espècimens de la seva col·lecció, fins i tot ni aquells que ell i només ell tenia i que mai no li anaven a ser d’utilitat.

Brown és conegut, sobretot, per un estudi dels grans de pol·len de la Clarkia pulcella, una flor silvestre popular actualment entre els jardiners, descoberta en 1806 per Meriwther Lewis, encara que li va posar el nom del seu company d’eexploració: William Clark. Brown pretenia analitzar minuciosament la forma i grandària dels grans de pol·len amb un microscopi. Però es va trobar amb un problema: no paraven de moure’s. Es desplaçaven erràticament pel camp de visió. No era el primer que veia això. Ja Leeuwenhoeck (recordeu a a el nostre amic el poter?) havia escrit que els "animáculos" es movien a l’aigua quan els observava dalt, baix, en cercle… deia que era fantàstic observar-lo. Alguns d’aquells "animáculos" tenien petits pels o extensions que els permetien nedar, així que el moviment podia ser explicat per la força vital.

Encara que els grans de pol·len eren simples i no tenien parts mòbils eren innegablement orgànics. Brown va suposar que, en ser les parts masculines de l’equip reproductiu d’una planta, també tenien aquest esperit vital que els impulsava a moure’s. Tanmateix, desconfiava d’aquestes hipòtesis tan vagues. A Brown li encantava l’observació, així que va observar altres plantes i va poder veure també un moviment similar, però el mateix va succeir amb fragments de fulles i tiges.

Va provar amb partícules de colorant, petits fragments d’un trossos de fusta petrificada, trossos de cristall ordinari, etc. Fins i tot amb pols d’un tros de l’Esfinx a la qual tenia accés com encarregat del Museu Britànic. Encara que era matèria indubtablement inanimada o morta es va moure com tot la resta.

Va mirar d’esbrinar la causa d’aquests moviments. A part de no ser deguts al moviment vital, tampoc eren deguts a  vibracins, per acció de la calor o per influències elèctriques o magnètiques. Tot era contradictori i incomprensible: les partícules no podien moure’s per voluntat pròpia si no hi havia alguna influència externa. Però es movien. Com era un escrupolós botànic descriptiu i no un filòsof de la Natura no va fer cap hipòtesi. Va morir en 1858 i, com va dir Charles Darwin: amb ell van morir moltes coses, a causa de un excessiu temor de no cometre mai un error.

La comunitat científica va ignorar el moviment brownià durant dècades. Els que ho observaven ho consideraven una molèstia i la majoria dels botànics i zoòlegs persistien en la idea del moviment vital. Però això havia de canviar. Ludwig Christian Wiener era un professor que feia classes de matemàtiques i geometria en universitats alemanyes. En 1863 va repetir els experiments del Brown i va fer una hipòtesi molt especulativa: que tot aquell moviment era explicable si el líquid en el que es retorçaven les partícules brownianes estaven fetes d’àtoms que les xocaven pertot arreu.

Penseu que per aquella època els àtoms eren massa petits per a ser vists ni percebuts per cap mitjà directe, i encara que podien resultar molt útils com models no s’acabava d’acceptar la seva existència. Naturalment els químics es veien gairebé forçats a creure en ells. Si no existissin, com podrien explicar tantes reaccions químiques amb tanta senzillesa? Per què hauria de comportar-se la matèria, en tants sentits i tan enterament com si fos atòmica, no sent-lo en realitat? Alguns químics, però, deien que no era prudent sortir-se dels fenòmens mesurables. Així pensaven homes com Wilhelm Ostwald, que exigien de forma rigurosa efectes directament observables per a acceptar la seva existència. Fins i tot a principis del segle XX mantenia que els àtoms no existien.

Allà pels anys 1860, el físic escocès James Clerk Maxwell havia proposat una impressionant explicació de les propietats dels gasos partint de partícules movent-se a l’atzar. Maxwell havia après tota aquesta estadística llegint al matemàtic belga Adolphe Quetelet, qui havia classificat els índexs de criminalitat a França d’acord amb l’edat, educació, clima de la localitat en la qual se sofria el crim i l’època de l’any que es produïa; el que havia estat el principi de l’aplicació dels mètodes estadístics a les ciències demogràfiques i socials.

De seguida va sorgir la sospita que les partícules del líquid, en moure’s a l’atzar, podrien empènyer en l’un i l’altre sentit a les partícules més grans en suspensió. Podia ser que els grans de pol·len o de tint estiguessin sent bombardejats per les partícules d’aigua i que fos això era el que produïa el moviment brownià. Podria haver moments que els xocarien més partícules d’un costat que d’un altre i d’aquesta manera nosaltres veuríem a la partícula browniana desplaçant-se sense veure les petites. En suma, estaven veient el resultat directe de l’acció dels àtoms que componien la suspensió.

Una sèrie de jesuïtes francesos també va formular aquesta mateixa hipòtesi. El Pare Joseph Delsaulx atribueix a un col·lega anònim la idea que el moviment brownià era el resultat de l’agitació constant de les partícules o àtoms que componen un líquid. El problema és que calia demostrar-lo però no tenien l’aparell matemàtic necessari. Encara que Botzmann si ho tenia no va mirar resoldre’l. Ni tan sols Maxwell es va interessar.

Anem a l’any 1905 quan entra en escena un home de 26 anys. Treballava en una casa de patents a Berna perquè havia estat incapaç d’aconseguir una posició acadèmica. A part de realitzar el seu treball, quan no havia els seus caps per allà, desenvolupava les seves idees de física. Havia de fer-lo amb cura, doncs quan el cap apareixia havia d’amagar ràpidament aquells apunts i fórmules en un calaix. El nom d’aquest home és Albert Einstein.

El gran savi va arribar a sentir-se fascinat per les denses i prolixes monografies d’en Boltzmann. També ell es va adonar que una partícula petita submergida en un líquid rebotaria pertot arreu a causa de les col·lisions moleculars. Es va preguntar si el moviment d’una partícula suficientment gran com per a ser vista al microscopi podria constituir una prova directa de l’existència dels àtoms.

No era tasca fàcil. Altres científics anteriors havien vist que una partícula browniana havia de tenir, de mitjana, la mateixa energia de moviment que les molècules del líquid en les que estaven suspeses. Aquestes molècules de líquid amb massa molt més petita es mourien pertot arreu a tota velocitat, mentre que les partícules brownianas es mourien de forma molt més lenta. És clar, calia aplicar estadística. O sigui, calia trobar una relació matemàtica entre la velocitat mitjana d’una molècula de líquid (que es movia molt de pressa) i la velocitat mitjana de la molècula browniana (que es movia més a poc a poc). Recordem, a més, que el moviment brownià és sobre tot erràtic.

L’Einstein va seguir altre camí, com tantes vegades va fer. Va traçar un cercle imaginari al voltant d’una molècula i es va preguntar quant trigaria, de mitjana, a arribar a la vora d’aquest cercle. D’aquesta manera, va obtenir un resultat teòric que podia ser sotmès a experimentació. Aquests resultats van ser publicats en 1905 al costat d’altres famosos assajos, entre ells la Teoria Especial de la Relativitat i altres provocadores idees sobre la naturalesa corpuscular de la llum.

Aquí hi ha un detall sorprenent. Resulta que quan l’Einstein va iniciar els seus càlculs, ni tan sols havia sentit parlar del moviment brownià. Va ser mentre l’escrivia quan es va assabentar que el fenomen ja era conegut per botànics i altres durant generacions anteriors. De fet, en la introducció va escriure:

És possible que els moviments que es discutiran aquí siguin idèntics al anomenat "moviment molecular brownià"; tanmateix, els detalls que he aconseguit establir en relació a aquest últim són tan imprecisos que no puc formar-me un judici sobre el particular.

Segons la seva fórmula, les partícules suspeses en un got alt de líquid havien de reflectir, en la seva distribució, l’equilibri entre la força gravitatòria i l’efecte del moviment brownià. Si actués només la gravetat, totes les partícules s’anirien al fons. Si només actués el moviment brownià, es distribuïrien amb uniformitat. Sota l’acció d’ambdós fenòmens haurien distribuïr-se concentrant-se cap al fons, cada vegada amb més densitat.

Einstein era un teòric i es va conformar amb obtenir l’equació. Tres anys després, en 1908, el físic francès Jean Perrin va suspendre en aigua granets de resina i de goma i va comptar el nombre de grans a diferents nivells. Va trobar que aquest nombre creixia cap avall. I el millor de tot: concordava exactament amb el predit per l’equació d’Einstein.

També va obtenir, a més, una mesura raonablement aproximada del pes real de les molècules. L’Ostwald es va enfrontar llavors amb un experiment observable, produït per molècules individuals. No va poder seguir negant l’existència dels àtoms.

Perrin va rebre pel seu treball el Premi Nobel de Física en 1926. L’Einstein havia rebut el seu en 1921, per altres mèrits (mereixia altre Nobel, oi?; i si tenim en compte que no per la relativitat… En fi. Continuem).

Però hi havia una cosa més que havia canviat. Per primera vegada, un raonament estadístic permetia als físics parlar sobre el comportament de multituds d’àtoms sense conèixer el comportament de cadascun per separat. Fins i tot encara que la seva observació estigués més enllà de les seves possibilitats. O sigui, que podíem conèixer l’edifici sense saber com eren els maons.

Encara més. Fins aleshores, la teoria i l’experiment havien anat de la mà. Ara això ja no passava. La teoria contenia elements sobre l’existència real dels quals els físics no tenien cap dubte, però no podien arribar de forma experimental. Mentre que per al teòric els àtoms tenien una existència evident i una posició i velocitat determinades (la quàntica encara no havia entrat en joc), per a l’experimental els àtoms només existien de forma deduïble i únicament podien ser descrits estadísticament.

Un gran canvi, oi?

Per a acabar, vull recordar-vos que quan al Feynman li van preguntar que si s’acabés el món i desaparegués tot el coneixement, quina idea científica guardaria. Va dir: "que la matèria es compon d’àtoms".

 
Fonts:
"El electrón es zurdo", Isaac Asimov
"“Incertidumbre", David Lindley
http://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_browniano

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

2 comentaris a l'entrada: El moviment brownià

  1. joan diu:

    És molt bo veure que un fenomen passa per diferents persones i que cada una el tracta a la seva manera.

    Sens dubte el 1905 va ser l’Annus Mirabilis.

    Ah, si haguessin deixat repetir a l’Einstein en tindria uns quants.

  2. omalaled diu:

    Jo era dels que creia, en un principi, que l’Einstein només estava per la Relativitat.

    Me l’he trobat en tants llocs que em donen calfreds cada vegada que ho penso.

    Salut!

Els comentaris estan tancats.