我聽過很多人說,原子的存在是由布朗運動證明的。現在,我了解了原子理論將如何暗示布朗運動的存在。但是,誰又說,關於我們的世界構成的另一種理論也可以預測布朗運動(以及原子所預測的其他現象)呢?當然,我不確定該理論是什麼,但是我想知道如何說布朗運動證明原子的存在。
我聽過很多人說,原子的存在是由布朗運動證明的。現在,我了解了原子理論將如何暗示布朗運動的存在。但是,誰又說,關於我們的世界構成的另一種理論也可以預測布朗運動(以及原子所預測的其他現象)呢?當然,我不確定該理論是什麼,但是我想知道如何說布朗運動證明原子的存在。
愛因斯坦的布朗運動數學模型為原子模型提供了有力的支持,但並未為其提出的uniqueness(即替代模型的不存在)提供不透氣的證據。
值得注意的是,從邏輯上排除替代模型的可能性並不是他的目標,而是證明原子模型為現象提供了定量一致的解釋。
他的工作是一個更大難題的重要組成部分,由該領域的許多其他研究人員做出了貢獻。一旦他的工作得以完成,照片的其餘部分就會變得更加集中-並且變得更加重要。成功地反對原子假說更困難。
幾年前我讀到的一本物理學教科書的一句話一直困擾著我。它說:
“本書中的某些材料無疑是不正確的。但是,如果我們真的很幸運,那麼其中的大部分是不正確的”。
這是因為,從某種意義上說,您在問題中提出了完全正確的觀點。
有一種理論比我們當前的原子對一個給定粒子進行撞擊的模型更準確地描述了布朗運動。
例如,通過告訴我們why,該理論將在原子理論上得到改進。組成原子的基本粒子具有目前只能通過實驗測量的質量,電荷和其他物理性質。
該理論還將解釋我們目前尚無法令人滿意地解釋的其他現象和物理常數,也將使重力與我們尚無法做到的標準粒子物理學模型保持一致。
您可能知道,我們目前的標準模型只能處理宇宙中約4%的質能,其餘的是由暗物質和暗能量組成的,它們既不可見,也幾乎無法檢測。
擁有一種解釋宇宙起源背後的精確過程以及它的最終命運的理論,也將是一件非常美好的事情。
不幸的是,如您所知,該理論尚未得到發展....
但不斷地朝著這樣的理論努力是物理的作用。作為此過程的一部分,我們當前的原子模型將非常準確地描述一組有限的物理現象和行為,並將其納入該較新的現實模型中。
廣義相對論是上個世紀發展起來的一個例子,它比我們以前的理論(牛頓模型)更準確地解釋了宇宙。但是我們仍然使用牛頓物理學來指導空間。探測降落在火星上的方式,就像我們可以使用當前的原子理論來解釋布朗運動一樣。
就我個人而言,我不希望ever期望將物理學的各個方面聯繫起來的完整/完整的理論。今天我們比以往有更多的問題。我在這個答案中的意圖是爭辯說,一個“漸近”(對不起,我想不出一個更合適的詞)過程,獲得越來越好的模型,每個新模型都基於先前的模型,希望會在(遙遠的)未來。
我認為,這個問題的最佳答案是愛因斯坦在1905年關於布朗運動理論的論文的引言中給出的(標題實際上是“關於懸浮在靜止液體中的小顆粒的運動所要求的”根據熱的分子動力學理論”,它已經很有啟發性了:
如果實際上可以觀察到此處討論的動作(連同 人們期望找到的與之相關的法律),然後是古典 熱力學不再適用於 即使在顯微鏡下也可分辨尺寸的物體的精度 :然後可以精確確定實際原子尺寸。 另一方面,該運動的預測是否被證明是 不正確的話,將會針對 熱量的分子動力學概念。
(摘自1956年Dover版,A.D。Cowper翻譯)。
愛因斯坦(他在撰寫論文時對布朗運動並不了解太多)很清楚,他的理論的有效性並不能直接證明這一點,但是它的證偽將是非常強烈的反對原子理論的論點。在20世紀初,許多主流物理學家仍然認為該理論可作為計算化學平衡的工具,但缺乏任何其他實驗證據。
在任何科學領域中,沒有任何東西可以得到絕對的證明。
原子理論是我們目前最好的解釋布朗運動的猜測,其中包括放射性(例如放射性,所有化學性質等)。從這個意義上講,布朗運動支持原子理論,但並不能絕對證明原子論。
有一天,正如StudyStudyStudy所建議的那樣,我們將有一個更好的理論,這對宇宙的錯誤較少。但是,我們仍然可以使用原子理論來解釋布朗運動,因為它可以起作用。無需進入量子理論來研究撞球遊戲。
那是科學的循環:理論,證偽,更好的理論。因此,我們將永遠無法獲得完整的理論,而如果我們做到了,我們將一無所知。這就是使物理學有趣的原因!
EDIT:獎勵哲學論點!
變化如何存在?如果某件事改變了,那不再是那件事,所以它沒有改變,所以改變是不可能的。早期的希臘哲學家看到了兩種出路:
a)我們存在於一個“塊狀宇宙”中,那裡的一切都是一塊大磚頭,什麼都沒有發生。顯然不是這樣,
b)宇宙由許多微小的不變位組成,當以不同方式組合在一起時,這些組成不同的對象-原子!
即使在從哲學到科學的早期轉變中,這也只是偽造工作的一個例子。
無論如何,關鍵是BM理論表明可以通過觀察更大的物體來觀察原子的統計行為。除了哲學解釋之外,布朗運動允許對avogadro數進行獨立測量。唯一的成分是 1)原子存在 2)微米大小的物體服從統計力學
這種測量(非常聰明)是由Perrin(諾貝爾獎)完成的。通過測量微米級顆粒的沉降,他能夠估算擴散係數 $ D = \ mu R / N_A T $ span>(在這裡我們看到了遷移率,氣體常數,溫度,以及唯一未知的Avogadro數)。 他的結果非常接近 $ N_A $ span>的估計值,從而證明了基於原子假說的物理學理論框架是“真實的”或至少在實驗上可檢驗的。
請注意,愛因斯坦和玻爾茲曼的大部分功勞歸功於擴散理論和統計力學。但這實際上是Perrin進行的測量並證明了一切,因為當時的理論部分本身是很有爭議的。
直到1905年愛因斯坦提出了將兩者聯繫起來的理論,布朗運動本身並沒有證明任何有關原子的東西。愛因斯坦做了以下工作:他寫下了布朗運動的分子模型,獲得了擴散係數(可測量的量)和分子大小(當時未知)之間的關係,並使用該理論從分子的擴散來計算分子的大小。係數。這不能唯一地證明原子存在。證明了在合理假設下的原子理論可以解釋布朗運動。
要從更數學的角度解釋這一點,必須理解證明的含義。我的意思是我們知道它的意思,所以我不再贅述,但是必須理解的是,即使在數學中,也沒有任何東西可以憑空證明。總有一些假設。例如,下面是一個假設:
Universe是確定性的,因此具有完全相同配置的任何兩個Universe將重複相同的行為。
現在,這裡顯然不暗含或否認其他宇宙的存在。這裡的主張僅僅是,如果復制的那一刻,蘋果正從樹上朝牛頓的頭掉下來,無論是原件還是複製品,蘋果都會擊中牛頓的頭,他會記得在計算中包括重力
如果有一天被證明是假的怎麼辦?可能有些東西是確定性的,但可能有1%的宇宙在偽隨機中不僅是隨機的,“我有50%擲硬幣並獲得正面”的感覺,但實際上是100%隨機的粒子如何相互作用。那可能嗎?可能並非如此,但這是一個極端的反例。
另一個問題是,科學當然是在這種假設下完成的,但它在實驗過程中也會進行離散測量,並試圖以此為基礎構建模型。即使我們考慮在某些重複實驗中從山上滾下來時也會遵循類似的路徑,我們也總是會有有限數量的數據點,但實際的曲線和表示是連續的(另一個假設,但更安全)。但是,現在考慮一下科學中的任何東西。我們可能會談論大型物體或小型物體,但是問題是相同的,因為我們只觀察大型物體而不是精細的物體。
因此,當您詢問布朗運動是否證明原子的存在時,不,事實並非如此。但是,在顯微鏡下觀察一個原子並將該對象命名為“原子”確實可以作為證明。它不能證明該對象的屬性。它僅證明存在我們稱為原子的事物。從同樣的意義上講,我可以證明存在水或存在空氣。但是,只有真正沒有其他選擇,並且涉及的數據點以某種方式使理論局限於這種情況下,布朗運動才能證明原子。
有無限的理論可以解釋任何有限的數量,因此,為宇宙的行為選擇任何單一的理論都需要無限的數據。