Brown Hareketi Nedir? Sıvı Moleküllerinin Rastgele Hareketlerinin Ardındaki Fizik Nasıl İzah Edilir?

Sıvı içinde yüzen bir cismin nasıl hareket ettiğini birçoğunuz yakından gözlemlemişsinizdir. Bu gözlemi mikroskopik boyutta düşündüğünüzde, sıvı molekülleri içinde yüzen ya da gaz molekülleri arasında uçuşan küçük taneciklerin hareketini inceleme şansı bulanlar da vardır aranızda. İşte bu küçük taneciklerin rastlantısal ve düzensiz hareketine Brown hareketi denir. Adını bu hareketi ilk defa detaylı olarak inceleyen İskoç botanikçi ve biyolog Robert Brown'dan almıştır, daha doğrusu bu hareketin adı ona atfedilmiştir.

Robert Brown Kimdir ve Brown Hareketini Nasıl Keşfetmiştir?

Bilimsel keşiflerin ve ilerlemelerin ivme kazandığı, Darwin ve Rutherford gibi bilim devlerinin yaşadığı bir dönemde (21 Aralık 1773 -10 Nisan 1858) yaşayan Brown, Avustralya’da bir botanikçi olarak çalışmaya başlamıştı. Hayvan ve bitki örneklerini toplayıp belgelendiriyordu. Daha sonra tıp okuyup 1795'de cerrah olarak orduya katıldı. 1805 yılında İngiltere'ye gelinceye kadar Avustralya'da botanik çalışmalarına devam etti. 1810 yılında, Avustralya florasının ilk sistemli çalışması olan Prodromus Florae Novae Hollandiae'yi yayınladı. Brown her ne kadar Brown hareketi ile tanınıyor olsa da Botanik bilimine yaptığı katkılar da büyüktür; adı, Brunonia ve Eucalyptus brownii gibi birçok bitkiye verilerek ölümsüzleşmiştir.

Encyclopaedia Britannica

Brown, polenleri, küf sporlarını ve equisetumları sık sık mikroskop altında inceliyordu. Bu taneciklerin su içindeki hareketlerini gözlemleyen Brown, bu taneciklerin rastlantısal olarak suyun içinde zikzaklar çizerek hareket ettiğini keşfetti. Brown bu keşfini 1827 yılında gerçekleştirdi fakat bu hareket için herhangi bir teori üretmedi. O zaman içinde çok takdir edilmese de, bu keşif atomlar ve moleküller hakkındaki spekülasyonlara öncülük etmişti. Brown'dan önce de taneciklerin hareketlerini gözlemleyen başka bilim insanları olmuştur; bunlardan birisi de Jan İngenhousz'dur. Alkol içindeki kömür ve toz parçacıklarının rastlantısal hareketlerini incelemişti.

Brown Hareketi Nedir?

Brown 1827 yılında suda asılı kalan polen taneciklerini incelerken bu taneciklerin sıvı içinde rastgele hareket ettiğini gördü ve bu hareketi araştırmaya başladı. Bu hareketleri sağlayan şeyin ne olduğunu keşfetmeye çalışıyordu. Bu çalışmalarına ölü ve canlı polen taneciklerinin hareketlerini karşılaştırarak devam etti ve bu hareketin onların ölü veya canlı olması ile ilgisi olmadığını keşfetti.

Polen tanecikleri su moleküllerinden yaklaşık on bin kat daha büyük olmasına rağmen, su molekülleri polen taneciklerini hareket ettirecek kadar güçlüdür. Polen taneciklerinin çok daha büyük olmasından kaynaklı, bu taneciklere binlerce su molekülünün çarpmasıyla sonuçlanır (Eğer yüzeyde ise hava molekülleri de çarpacaktır).

Bazen bu çarpmalar bir yönde diğerine göre daha fazla olur. Böyle olduğunda, parçacık dengesiz kuvvete cevap verecek ve buna göre hareket edecektir. Dolayısıyla bu durum  polen taneciklerinin öngörülemeyen hareketi ile sonuçlanır. Bu tamamen rastlantısal bir hareket olup bir düzen içinde gerçekleşmez. Küçük taneciklerin sıvı molekülleri veya gaz molekülleri içindeki bu hareketine Brown hareketi denilir.

Wikimedia

Bu olay için bir analoji kuracak olursak; kendinizi kalabalık bir insan grubunun içinde yürümeye çalışan biri olarak düşünün. Bazı anlarda kendimizi sıkışmış ve bir çok insan tarafından itilirken buluruz ama bazen bir yolunu bulup yürümeye devam ederiz. Hareketimizi daha çok etrafımızdaki kalabalık belirler ve yönlendirir. Brown hareketinde de buna benzer bir durum yaşanmaktadır.

Brown Hareketinin Keşfinin Yardımcı Olduğu Çalışmalar

Brown hareketi ile taneciklerin hareketleri daha yakından incelenmeye başlanmış ve başka gözlemlerin de yolunu açmıştır. Gözlemlenen taneciklerin sıcaklıkları arttırıldığında hareketlerinin de artması kinetik teori ile açıklanmıştır. Einstein ve Smoluchowski gibi fizikçiler atom ve moleküllerin varlığını ve hareketini kanıtlamak için bu hareketi kullanmışlardır.

Albert Einstein, 20. yüzyılın başlarında, farklı sıvılarda ve farklı sıcaklıklarda Brown hareketi yapan çeşitli büyüklükteki taneciklerinin beklenen hızlarını istatistiksel olarak analiz ettiği bir dizi makale yayınlamıştır. Einstein'ın 1905'de yayınladığı Investigations on the Theory of the Brownian Movement adlı makalesinde bu hareketi ayrıntılı bir şekilde incelemiştir. Einstein makalesinde mikro parçacıkların Brown hareketi türünden bir hareketin zorunlu olarak gözlenmesi gerektiğini göstermeye çalışmıştır. Einstein'e göre, bu hareket ile atom kuramı desteklenecek ve atomların büyüklüğüyle ilgili nicelikler ölçülebilecekti.

Fransız fizikçi Jean Perrin, Einstein'ın teorik çalışmasını doğrulamak için 1908 yılında bazı deneyler yaptı. O zaman için yeni geliştirilen mikroskop ile parçacıkların sedimantasyon şeklini dikkatlice gözlemlemiş ve bu gözlemleri sayesinde su moleküllerinin ve atomların boyutlarını tahmin edebilmişti. Perrin'in deneysel çalışmaları ile atomlar ve moleküller artık inkar edilemeyecek gözlemlenebilir varlıklar haline gelmişti. Sonuç olarak, elde ettiği sonuçlar Einstein'ın analizini doğrulamıştı.

Sonuç

Bugünkü mikroskoplar sayesinde atom ve molekülleri detaylı olarak gözlemleyebiliyoruz fakat 20. yüzyılın başlarında atomların ve moleküllerin varlığını ve hareketlerini ispatlamaya çalışan bilim insanları için bu gözlemi yapmak mümkün değildi. O zamanki mikroskoplarla atom ve molekülleri gözlemleyebilmek mümkün değildi ama bunların daha büyük tanecikler üzerinde yarattığı etkiyi yani Brown hareketini gözlemlemek mümkün olmuştu.

Scott D. Bembenek

Brown hareketi borsada da kullanılmaktadır. Borsadaki rastgele dalgalanmaların arkasındaki süreçleri anlamaya çalışan modern kaos teorisi, Brown hareketinden faydalanmaktadır. Louis Bachelier, 1900 yılında borsanın stokastik analizi üzerine bir doktora tezi hazırlamış ve Spekülasyonların Teorisi adlı bir model geliştirmiştir. Bu tez ile birlikte ilk kez Brown hareketinin matematiksel bir modeli kullanılmıştır.