布朗运动，无意中看到物质内部的混乱世界，打开了原子科学的大门

我们今天说，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，这似乎很好理解，即使随便拉出来一个中学生也能跟你说明白，而且他（她）还会补充说，原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子组成的，而原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的。

这一切听起来是那么的自然而然，天经地义，没有人会质疑。然而这个问题只要稍微推敲就会发现问题：分子、原子你看到了吗？没看到凭什么说有？这也是一个严重困扰着18世纪科学家们的难题，因为没看见就不能说真的存在，这是科学的实证主义精神和哲学思辨的最大区别。

一、分子、原子存在的疑似证据

1.1、Boyle's law（波义尔定律）

1662年，英国化学家波义尔（Boyle ）根据实验结果提出：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。”这就是波义尔定律。用数学公式表达就是V=C/P，其中V是指气体的体积，P只容器内气体的压强，C为常数。

这个公式还可以写成PV=C，这意味着，在相同的温度下，A、B两种状态下的气体关系可以表示成PAVA=PBVB。

1.2、化学定比定律

1799年，法国药剂师普罗斯特，在实验的基础上得出结论：两种或两种以上元素相化合物成某一化合物，其重量的比例是一定的，不能或增或减。比如2体积的氢气和1体积的氧气发生燃烧可以完全生成水。

1.3、倍比定律的本质是定比定律

1804年，道尔顿分析了沼气，知道与同量碳相结合的氢的重量之比2：1。随后，他明确地提出了倍比定律：当相同的两元素可以生成两种或两种以上的化合物时，如果其中一元素的重量恒定，那么另一元素在各化合物中的相对重量有简单的倍数比。

二、“疑似证据”分析

现在让我们来共同放空大脑，不要带着我们现有的任何知识，穿越回到中世纪。从前面提出来的化学反应倍比定律和波义尔气体定律我们能得到这样的事实。

其一，2倍体积的氢气和1倍体积的氧气燃烧可以完全生成水；其二，水具有固体、液体、气体三态变化；其三，气体的压强与封闭在容器内的气体的量成正比。

这暗示着，有一种能够组成物质的最基本的微粒存在。它分散开，就变成气体；它们聚集就变成了液体或者是固体。

道尔顿就是在这样的思路的基础上，基于上面的实验事实，提出来的原子假说。然而假说就是假说，尽管物理学家和化学家的实验结果都指向了一个很明显的事实——物质是由大量的基本微粒组成的，但是谁也没有看到这种微粒。

是选择相信基于推理的原子假说，还是客观验证，就成为了科学史上一个巨大的争议。

三、布朗运动——无意中看到物质内部的混乱世界

1827年，英国植物学家布朗在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉不停的无规则运动。随后，科学家们陆续发现，不仅仅是花粉颗粒，其他悬浮在流体中的微粒也拥有这样的无规则运动。

这种运动的特点是，这些小颗粒（比分子大得多）都在进行着快速地、无定向地、随机地、永不停息地运动。颗粒越小、温度越高，这种运动就越激烈。

四、布朗运动成为了分子存在的间接证据

科学家们基于对布朗运动现象的观察和了解，使得人们间接地认识到分子和分子运动的存在。1877年，J.德耳索首先指出布朗运动是由于颗粒受到液体分子碰撞的不平衡力作用而引起的。

1904年，法国科学家H.潘卡雷作了进一步解释：大物体（如线度为0.1毫米）将从各个方面受到运动原子的冲击，打击非常频繁，概率定律使之互相补偿，故它们不移动。微小的粒子受到的打击太少，以至无法补偿。也就是说，布朗运动是液体分子处于不停顿无规则热运动的宏观表现。

1905-1906年A.爱因斯坦和M.von斯莫卢霍夫斯基分别发表了理论上分析布朗运动的文章。1908年皮兰用实验验证了爱因斯坦的理论，从而使分子动理论的物理图像为人们广泛接受。

五、布朗运动与病毒的传播

用布朗运动，我们也能解释，为什么病毒能够无视重力的作用，飞得很远而不会掉落到地上。这是因为构成空气分子从不同角度以很高的速度向各个方向运动，空气中的小颗粒不停地受到来自各个方向的气体分子对它的撞击，这样它就能够像气体分子一样，在空间中保持长久的悬浮。

病毒乘坐的“交通工具”之一气溶胶是直径大约在0.01~10微米左右的小颗粒，天气预报中常常提及的PM2.5，特指直径小于2.5微米的气溶胶粒子。气溶胶在我们的生活中无处不在。云、雾、尘埃、未燃尽的燃料产生的烟、气体中的固体粉尘等都是气溶胶

气溶胶和飞沫的区别主要体现在颗粒大小、悬浮时间长短和扩散距离上。飞沫颗粒的直径通常大于100微米，会受重力作用很快沉降到地面，扩散距离为1~2米之内。而小于100微米的飞沫会迅速蒸干水分形成直径小于5微米的飞沫核，携带着病原体在空气中悬浮很长时间，并且会随着空气流动扩散到数米甚至数十米之外。

气溶胶传播此前已被医学界讨论，SARS和中东呼吸综合征（MERS）都出现过疑似气溶胶传播的现象，只不过因为大多数传播发生在2米内的近距离传播，很难严格区分飞沫传播还是气溶胶传播。

对于新冠病毒能否通过气溶胶传播，国家卫健委给出的回应是“尚待明确”。不过，随着空气流动，气溶胶会向四面八方扩散，病毒浓度将随着传播距离快速降低至安全范围。尽管如此，避免出入封闭或半封闭空间，做好戴口罩、勤洗手等个人防护措施仍然至关重要。

在居家和办公室等封闭空间中，应经常开窗通风，降低病毒的浓度；也要检查建筑的排水通风系统是否存在缺陷，如抽水马桶的U形管和地漏的水封层是否存有足够的水，天井的空气是否通过排风扇回流到室内等。

六、研究布朗运动的价值

今天很容易就能观察到布朗运动，某宝上学生用的显微镜200多块就能买到，在普通人能承受的价格范围以内。如果我们有足够的耐心，就紧紧盯着一个颗粒的运动，你会发现，这个颗粒就像一个喝醉的醉汉，东一头，西一脚。

每隔一段微小的时间记录一次位置，所留下来的路径就是一条毫无规律的折线。如果在两个位置之间，再缩短观察的时间间隔，会得到与大时间间隔所得的相似的折线图形，这就是不同时标下的自相似，现代科学已经将这种支离破碎的自相似图形称为分形。

海岸线、云朵、血管、树叶……都是分形。分形是非线性科学的研究热点之一，这种基础研究会带来许多有价值的应用。

布朗运动假设是现代资本市场理论的核心假设。现代资本市场理论认为证券期货价格具有随机性特征。这里的所谓随机性，是指数据的无记忆性，即过去数据不构成对未来数据的预测基础。

你在看电视时常看到的杂波和刺耳的噪音，那是因为电子除了做规则运动外还做布朗运动，电子工程师研究布朗运动找到了消除噪音的方法。

天气变化也像布朗运动，小说家描写的多彩而起落的人生也像布朗运动！所以说搞社会科学的也要学点自然科学知识，反之亦然。

结束语

布朗运动的深入研究，最终为原子论提供了有力的支持。一场关于原子论的争论，也成为了科学发展史上无数争论的一个缩影。在大量的客观证据面前，人类的猜测成为了真相。这也是科学研究的一个特征：必须要经过试验验证。

从病毒粘附在气溶胶和飞沫上传播的例子中，我们也可以看到，基础物理学研究是如何给现代传染病传播学提供理论支持的。这也是科学的另外一个特点：学科之间不能相互矛盾。

我是郭哥聊科学，普及科学知识，传播科学思维，持续为您提供高质量的科普文章。