布朗运动 

布朗运动（或者说“分子热运动”）表述的是一种微粒不停地无规则地“乱窜”的现象。这似乎在暗示物质在低温环境里尚可保持“冷静”，构织美丽的形态；而在温度升高时，就不那么“安分”，显得杂乱无章了。

1827年，英国植物学家罗伯特·布朗(Robert Brown)利用一般的显微镜观察悬浮于水中的花粉微粒时，发现这些花粉微粒会呈现不规则状的运动（图1-7）。他在公布了这一发现后，引来更多科学家的关注和研究，并且将微粒的这无规则的运动称为布朗运动。

图1-7　显微镜观察到的微粒的无序运动轨迹

研究发现，这些小的颗粒为液体的分子所包围，由于液体分子的热运动，小颗粒受到来自各个方向液体分子的碰撞，这些冲撞使微粒受到各个方向的力。由于这些力不可能是完全对称和抵消的，因此微粒会做沿冲量较大方向的运动。又因为这种力的冲撞方向是不确定的，使微粒在运动中不断改变方向。所以微粒作无规则的运动。温度越高，布朗运动越剧烈。它间接显示了物质分子处于永恒的、无规则的运动之中。

那么，布朗运动中，这些粒子是自发的运动还是受到周围分子的不平衡的碰撞而导致的运动？答案是后者，但是要从理论上解释清楚却并不容易。

1905年，爱因斯坦发表了5篇论文，其中一篇是《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》，这在当时并没有引起人们的注意。甚至有人会认为这不过是对当时热门的物理现象凑热闹而已。但是，这是第一次从理论上解释了布朗运动，他的研究也成为分子运动论和统计力学发展的基础。这年爱因斯坦发表的另外几篇论文中，有两篇是后来更著名的论文，一篇是狭义相对论，一篇是光电效应（提出了量子概念）。

有趣的是，爱因斯坦提出这个理论，并不清楚一定与布朗运动有关。法国人佩兰（Perrin）为此做了几年的实验，终于证明爱因斯坦的公式是对的，佩兰因此获得了1926年的诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦在他关于分子热运动的论文中指出，他的目的是“要找到能证实确实存在有一定大小的原子的最有说服力的事实。”他说：“按照热的分子运动论，由于热的分子运动，大小可以用显微镜看见的物体悬浮在液体中，必定会发生其大小可以用显微镜容易观测到的运动。可能这里所讨论的运动就是所谓‘布朗分子运动’”。他认为只要能实际观测到这种运动和预期的规律性，“精确测定原子的实际大小就成为可能了”。“反之，要是关于这种运动的预言证明是不正确的，那么就提供了一个有分量的证据来反对热分子运动观”。也就是说，爱因斯坦的著作是为了证明分子或原子是存在的。而在当时，原子、分子论是刚刚建立不久的理论，还没有被普遍接受。因此，布朗运动成为间接证明原子、分子存在的一种自然现象而被科学家所关注。而由分子运动导致的微粒的无规则运动，则被解读为分子始终在不停地做无规则的运动。

但是，当我们认识到分子的另一个特性后，对布朗运动所代表的意义，会有完全不同的想法。分子的另一个特性就是它的自组装性，这恰是与无规则运动相反的分子活动过程。

由于布朗是在水溶液中发现分子热运动的，我们希望仍然通过观测水分子来解读自组装过程。