歷史 物理

1926年諾貝爾物理獎:讓.巴蒂斯特.佩蘭

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撰文者:余海峯 博士 (物理雙月刊副總編,費米伽瑪射線太空望遠鏡研究團隊成員)
發文日期:2018-05-01
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  • 1926 年的諾貝爾物理奬,由法國物理學家讓.巴蒂斯特.佩蘭(Jean Baptiste Perrin)獲得。佩蘭所做的沉澱平衡實驗證實了愛因斯坦解釋布朗運動的理論,證明原子真實存在。
    圖片 1
    [讓.巴蒂斯特.佩蘭的諾貝爾獎官方照片。]
     
    物質究竟是連續的還是有著最小不可分的單位?這是自古希臘時代已經困擾著每位學者的問題。原子(atomos)一詞也是來自古希臘哲學家,有著「不可分割的」意思。後來,英國化學家約翰.道耳頓(John Dalton)認為不同種類的元素皆由不同種類的原子構成,而同一元素的原子全都一樣。

    羅拔.布朗(Robert Brown)發現縣懸浮在水中的花粉有著不規則運動,這被稱為布朗運動。1905 年,愛因斯坦推導出布朗運動擴散方程,並把擴散系數與原子的尺寸連結起來。這可算是原子存在的間接證據,可是我們仍不能排除原子以外的其他原因導致觀察到的布朗運動。

    佩蘭證明愛因斯坦理論的實驗,是透過觀察沉澱在液體中的小顆粒去計算出阿伏伽德羅常數(Avogadro constant),是樣本之中原子數量的單位。如果原子存在的話,那麼液體中的顆粒雖然比液體重,卻不會全部都沉澱到液體底部,而會在液體中不同深度形成不同密度。這個狀態就叫做沉澱平衡,也是現代化學室必備儀器離心機(centrifuge)的原理。
    圖片 2
    [沉澱在液體中的乳化藤黃顆粒圖示。每顆藤黃直徑約 0.6 微米。Credit: Bernard H. Lavenda/Wikimedia Commons]
     
    佩蘭準備了很多液體,裡面有數量眾多的乳化藤黃(gamboge)顆粒。這些藤黃顆粒的尺寸不一,他必須要把不同尺寸的藤黃顆粒分開來,然而選出所有尺寸一模一樣的球狀藤黃顆粒來做他的沉澱平衡實驗。這是因為不同尺寸的藤黃顆粒的沉澱情況都不盡相同,而且不使用同一形狀的藤黃顆粒就不能夠算出液體中到底沉澱了多少顆。

    耐心的佩蘭花了幾個月的時間,終於成功分離出一模一樣尺寸的球狀藤黃顆粒,用來進行他的實驗。實驗中觀察到的布朗運動情況不單與愛因斯坦的理論吻合,而且佩蘭亦得出了阿伏伽德羅常數的數值。佩蘭用他得到的數值比較用氣體動力理論(kinetic theory of gas)得到的數值,發現兩者是一致的。

    理查.費曼(Richard Feynman)曾經說過,如果明天人類文明就要毀滅,只能留下一句說話去幫助倖存下來的人重建文明,什麼話能以最少字數說出最大量的資訊呢?費曼認為是「所有物質皆由不斷運動的細小原子構成。」

    佩蘭證明原子真實存在,可說是人類史上最重要的科學發現。


    封面圖:Brownian Motion on a Sphere. The generator of ths process is ½ times the Laplace-Beltrami-Operator (Thomas Steiner put it under the CC-by-SA 2.5. If you use the python code or the R code, please give a reference to Christian Bayer and Thomas Steiner.)
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