¿Cómo demuestra el movimiento browniano la existencia de los átomos?

Question

He oído a mucha gente decir que la existencia de los átomos se demuestra por el movimiento browniano. Ahora bien, entiendo que una teoría atómica sugiera la existencia del movimiento browniano. Sin embargo, ¿quién puede decir que no existe otra teoría de lo que está compuesto nuestro mundo que también pueda predecir el movimiento browniano (así como los demás fenómenos predichos por los átomos)? Por supuesto, no estoy seguro de cuál sería esa teoría, pero me pregunto cómo se podría decir que el movimiento browniano prueba la existencia de los átomos.

Answer 1

El modelo matemático de Einstein del movimiento browniano proporcionó un fuerte apoyo al modelo atómico, pero no una prueba irrefutable de su validez. unicidad (es decir, el inexistencia de modelos alternativos ) en el momento en que se propuso.

Cabe señalar que su objetivo no era excluir lógicamente la posibilidad de modelos alternativos, sino demostrar que el modelo atómico proporcionaba una explicación cuantitativamente coherente del fenómeno.

Su trabajo era una pieza importante de un rompecabezas más amplio, al que habían contribuido otros investigadores del campo, y una vez que su pieza estuvo en su sitio, el resto de la imagen se enfocó mejor y se hizo mucho más difícil argumentar con éxito en contra de la hipótesis atómica.

Answer 2

Siempre se me ha quedado grabada una cita de un libro de física que leí hace años. Decía:

"Parte del material de este libro es sin duda incorrecto. Pero si tenemos mucha suerte, la MAYOR parte es incorrecta".

En cierto sentido, su pregunta es perfectamente válida.

Existe una teoría que describe el movimiento browniano con más precisión que nuestro modelo actual de átomos empujando una partícula dada.

Esta teoría mejoraría la teoría atómica diciéndonos, por ejemplo, por qué las partículas elementales que componen los átomos tienen las masas, cargas eléctricas y otras propiedades físicas que actualmente sólo podemos medir experimentalmente.

Esta teoría también explicaría otros fenómenos y constantes físicas para los que actualmente no tenemos una explicación satisfactoria, También sería capaz de conciliar la gravedad con el modelo estándar de la física de partículas , lo que todavía no podemos hacer.

Como ya sabrá, nuestro modelo estándar actual sólo puede tratar alrededor del cuatro por ciento de la masa-energía del universo, y el resto consiste en materia oscura y energía oscura que son invisibles y casi imposibles de detectar.

También estaría muy bien una teoría que explicara el proceso preciso del origen del universo y su destino final.

Por desgracia, como usted sabe, esta teoría aún no se ha desarrollado....

Pero el papel de la física es trabajar continuamente hacia esa teoría. Como parte de este proceso, nuestro modelo atómico actual, que es muy preciso a la hora de describir un conjunto limitado de fenómenos y comportamientos físicos, se incorporaría a este modelo más nuevo de la realidad.

Un ejemplo de este proceso, desarrollado a lo largo del siglo pasado, es la Relatividad General, que explica el universo con mucha más precisión que nuestra teoría anterior, (el Modelo Newtoniano). Pero seguimos utilizando la física newtoniana para guiar las sondas espaciales que aterrizan en Marte, del mismo modo que podemos utilizar nuestra teoría atómica actual para explicar el movimiento browniano.

Personalmente, no ever esperar una teoría completa que vincule todos los aspectos de la física. Hoy tenemos más preguntas que nunca. Mi intención en esta respuesta es argumentar que un proceso "asintótico" (lo siento, no se me ocurre una palabra más apropiada), logrando modelos cada vez mejores, cada uno nuevo basado en el modelo anterior, es lo que se espera que ocurra en un futuro (lejano).

Answer 3

Nada en ninguna ciencia puede ser probado absolutamente.

La teoría atómica es nuestra mejor conjetura actual para explicar el movimiento browniano, entre otras cosas (como la radiactividad, toda la química, etc.). En ese sentido, el movimiento browniano admite teoría atómica, pero no absolutamente pruebe eso.

Algún día, como sugiere StudyStudyStudy, tendremos una teoría mejor, que esté menos equivocada sobre el universo. Sin embargo, probablemente seguiremos utilizando la teoría atómica para explicar el movimiento browniano, porque funciona. No hace falta entrar en la teoría cuántica para investigar una partida de billar.

Ése es el bucle de la ciencia: la teoría, falsificación mejor teoría. Por eso, nunca llegaremos a una teoría completa, y si lo hacemos, no lo sabremos. Eso es lo que hace que la física siga siendo interesante.

EDITAR: argumento filosófico extra

¿Cómo puede existir el cambio? Si algo cambia, no es esa cosa ya no, por lo que no cambió, por lo que el cambio es imposible. Los primeros filósofos griegos vieron dos salidas:

a) Existimos en un "universo de bloques" en el que todo es un gran ladrillo y no pasa nada. Está claro que no es el caso, así que

b) El universo está formado por muchos fragmentos diminutos e inmutables que, al juntarse de distintas maneras, forman objetos diferentes: ¡átomos!

Éste es sólo un ejemplo de la falsificación en acción, incluso en la primera transición de la filosofía a la ciencia.

Answer 4

Creo que la mejor respuesta a esta pregunta la dio Einstein en la introducción de su artículo de 1905 sobre la teoría del movimiento browniano (el título era en realidad " Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario exigido por la teoría cinética molecular del calor ", que ya es bastante esclarecedor):

Si el movimiento del que se habla aquí puede observarse realmente (junto con las leyes relacionadas con él que cabría esperar encontrar), entonces la termodinámica clásica la termodinámica clásica ya no puede considerarse aplicable con precisión a cuerpos incluso de dimensiones distinguibles en un microscopio entonces es posible una determinación exacta de las dimensiones atómicas reales. Por otra parte, si la predicción de este movimiento hubiera resultado ser un argumento de peso en contra de la teoría de las concepción cinético-molecular del calor.

(de la edición Dover de 1956, traducida por A.D. Cowper).

Einstein (que no sabía demasiado sobre el movimiento browniano en el momento en que escribió el artículo) tenía muy claro que la validez de su teoría no habría sido una prueba directa, pero su falsificación habría sido un argumento muy fuerte contra la teoría atómica. Teoría que, a principios del siglo XX, seguía siendo considerada por muchos físicos de la corriente dominante como una herramienta para calcular equilibrios químicos, pero que carecía de cualquier otra prueba experimental.

Answer 5

El movimiento browniano está íntimamente ligado a la existencia de átomos en la medida en que el coeficiente de difusión y su teoría, formulada por Einstein, se basan en él para hacer predicciones cuantitativas. Si mezclamos la idea de que los átomos existen y podemos estudiarlos desde un punto de vista estadístico y de que su efecto es medible también a muy pequeña escala (micras) obtenemos la difusión. Boltzmann ideó la teoría. Einstein tuvo la maravillosa idea de suponer que la teoría no sólo era aplicable a los átomos, sino también a los objetos de tamaño micrométrico, que son lo suficientemente grandes como para ser observados, pero lo suficientemente pequeños como para recibir una influencia significativa de los átomos. Hay un paso específico, más fácil de ver en la idea de Langevin de escribir una ecuación estocástica explícita para el movimiento browniano, en el que Einstein supone que las partículas de tamaño micrométrico son en equilibrio térmico con los átomos circundantes, es decir, siguen el teorema de equipartición de modo que su velocidad al cuadrado es $K_B T / M$ (donde $K_B$ es la constante de Boltzmann, $T$ la temperatura y $M$ la masa de la partícula. Fíjate que esto es como decir, ampliando la escala, que los mosquitos que golpean un globo de aire caliente tienen un efecto sobre él, de modo que todo está en equilibrio y que este efecto podría medirse macroscópicamente (en realidad, si tuvieras un mol de mosquitos, esto no te parecería tan descabellado, ¿verdad?).

En cualquier caso, la cuestión es que la teoría del BM demuestra que el comportamiento estadístico de los átomos puede observarse observando objetos más grandes. Dejando a un lado la interpretación filosófica, el movimiento browniano permite una medición independiente del número de Avogadro. Los únicos ingredientes son 1)los átomos existen 2)los objetos de tamaño micrométrico obedecen a la mecánica estadística

Perrin (premio Nobel) realizó (muy inteligentemente) una medición de este tipo. Midiendo la sedimentación de partículas de tamaño micrométrico pudo estimar el coeficiente de difusión $D=\mu R/N_A T$ (donde vemos la movilidad, la constante de los gases, la temperatura y, como única incógnita, el número de Avogadro). Su resultado se aproximaba mucho a los valores ya estimados de $N_A$ demostrando así que el marco teórico de la física basado en la hipótesis atomista era "verdadero" o, al menos, comprobable experimentalmente.

Obsérvese que la mayor parte del mérito corresponde a Einstein y Boltzmann por la teoría de la difusión y la mecánica estadística. Pero en realidad fue Perrin quien realizó las mediciones y lo demostró todo, ya que la parte teórica en sí era muy controvertida en aquella época.