Movimiento browniano
El movimiento browniano es el movimiento aleatorio de las partículas en un líquido o un gas. El movimiento está causado por átomos o moléculas que se mueven rápidamente y chocan con las partículas. El movimiento browniano fue descubierto en 1827 por el botánico Robert Brown. En 1827, mientras observaba con un microscopio las partículas atrapadas en las cavidades del interior de los granos de polen en el agua, observó que las partículas se movían a través del agua; pero no pudo averiguar qué causaba este movimiento.
Los átomos y las moléculas se consideraban desde hacía tiempo las partes principales de la materia. En 1905, Albert Einstein publicó un artículo en el que explicaba con detalle cómo el movimiento que Brown había observado era el resultado del movimiento del polen por parte de las moléculas de agua. Esta fue una de sus primeras grandes contribuciones a la ciencia y convenció a muchos científicos de que los átomos y las moléculas existen. Perrin recibió el Premio Nobel de Física en 1926 "por sus trabajos sobre la estructura discontinua de la materia". La dirección de la fuerza del bombardeo atómico cambia constantemente, y en diferentes momentos la partícula es golpeada más por un lado que por otro, lo que conduce a la naturaleza aparentemente aleatoria del movimiento.
Hay demasiados impactos moleculares que conforman el patrón browniano, por lo que ningún modelo científico puede dar cuenta de todos ellos. Por ello, para describirlo sólo se pueden utilizar modelos probabilísticos de poblaciones moleculares. A continuación se presentan dos de estos modelos de la mecánica estadística, realizados por Einstein y Smoluchowski. Otro tipo de modelos puramente probabilísticos son los modelos de procesos estocásticos. Existen procesos estocásticos más simples y más complicados que en extremo ("llevados al límite") pueden describir el movimiento browniano (véase el paseo aleatorio y el teorema de Donsker).
Albert Einstein y Norbert Wiener también estudiaron el movimiento browniano, con mayor precisión matemática.
Historia
El poema científico del romano Lucrecio "Sobre la naturaleza de las cosas" (c. 60 a.C.) contiene una descripción del movimiento browniano de las partículas de polvo en los versos 113-140 del Libro II. Lo utiliza para ayudar a la gente a saber con certeza la existencia de los átomos:
"Observa lo que ocurre cuando se deja entrar la luz del sol en un edificio y la luz del edificio pequeño en sus lugares de sombra. Verás una cantidad de partículas diminutas moviéndose de una cantidad de maneras..."
Aunque Jan Ingenhousz describió en 1785 el extraño movimiento de las partículas de polvo de carbón en la superficie del alcohol, el descubrimiento de este fenómeno suele atribuirse al botánico Robert Brown en 1827. Brown estaba estudiando los granos de polen de la planta Clarkia pulchella suspendidos en agua bajo el microscopio cuando observó que diminutas partículas, expulsadas por los granos de polen, ejecutaban un movimiento agitado. Repitiendo el experimento con partículas de materia inorgánica pudo descartar que el movimiento estuviera relacionado con la vida, aunque todavía no se conocía su origen.
La primera persona que describió las matemáticas del movimiento browniano fue Thorvald N. Thiele en un artículo sobre el método de los mínimos cuadrados publicado en 1880. Le siguió Louis Bachelier en 1900 en su tesis doctoral "La teoría de la especulación", en la que presentaba un análisis de los mercados de acciones y opciones. El modelo de movimiento browniano del mercado de valores se utiliza a menudo, pero Benoit Mandelbrot negó su aplicabilidad a los movimientos de los precios de las acciones.
Albert Einstein (en uno de sus trabajos de 1905) y Marian Smoluchowski (1906) llamaron la atención de los físicos sobre la solución del problema y lo presentaron como una forma de confirmar indirectamente la existencia de átomos y moléculas. Sus ecuaciones que describen el movimiento browniano fueron comprobadas por el trabajo experimental de Jean Baptiste Perrin en 1908.
Del libro de Jean Baptiste Perrin, Les Atomes, se muestran tres trazados del movimiento de las partículas de la línea de 0,53 µm, vistas al microscopio. Las posiciones sucesivas cada 30 segundos están unidas por líneas rectas (el tamaño de la malla es de 3,2 µm).
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es el movimiento browniano?
R: El movimiento browniano es el movimiento aleatorio de partículas en un líquido o un gas causado por átomos o moléculas en rápido movimiento que chocan contra las partículas.
P: ¿Quién descubrió el movimiento browniano?
R: El movimiento browniano fue descubierto en 1827 por el botánico Robert Brown.
P: ¿Cómo contribuyó Albert Einstein a comprender el movimiento browniano?
R: En 1905, Albert Einstein publicó un artículo en el que explicaba cómo el movimiento observado por Robert Brown estaba causado por el choque de moléculas de agua individuales contra las partículas. Esto ayudó a convencer a muchos científicos de que los átomos y las moléculas existen.
P: ¿Quién verificó experimentalmente la teoría de Einstein?
R: Jean Perrin verificó experimentalmente la teoría de Einstein en 1908 y fue galardonado con el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre la estructura de la materia.
P: ¿Cómo se produce este patrón aleatorio?
R: La dirección de la fuerza del bombardeo atómico cambia constantemente, lo que hace que diferentes lados de la partícula sean golpeados en momentos distintos y provoca patrones de movimiento aparentemente aleatorios.
P: ¿Qué tipo de modelos se utilizan para describirlo? R: Para describirlo se utilizan modelos probabilísticos de poblaciones moleculares como los de Einstein y Smoluchowski, así como modelos de procesos estocásticos.
P: ¿Quién más estudió el movimiento browniano con mayor precisión matemática? R: Norbert Wiener también estudió el movimiento browniano con mayor precisión matemática.
