熱の分子論から要求される静止液体中の懸濁粒子の運動について

アインシュタインによるブラウン運動の理論

『熱の分子論から要求される静止液体中の懸濁粒子の運動について』と題されたこの論文は、アルベルト・アインシュタインが1905年にドイツの物理学誌『アナーレン・デア・フィジーク』で発表したものです。この年は後に「奇跡の年」と呼ばれるアインシュタインの業績が集中的に生まれた年であり、この論文もまた、その年の他の三つの画期的な論文と並ぶ重要な位置を占めています。特筆すべきは、この論文が1808年にジョン・ドルトンによって提唱されて以来、科学者の間で長い間議論の的となっていた原子の実在を、理論的な根拠をもって初めて明確に示した点にあります。

ブラウン運動として知られる現象は、1827年にスコットランドの植物学者ロバート・ブラウンによって初めて詳細に観察されました。彼は顕微鏡を用いて水中に浮かぶ花粉などの微粒子が、まるで生きているかのように不規則に動き回る様子を発見しました。この奇妙な運動は、周囲の水分子が絶えず微粒子に衝突することによって引き起こされるのではないか、という推測はされていましたが、その根拠は定性的であり、分子や原子が本当に存在するのかどうか、多くの科学者は確信を持てずにいました。

1905年、当時まだ無名の物理学者であったアインシュタインは、ブラウン運動に対する初の厳密な統計物理学的分析を発表しました。彼は、もし液体が分子で構成されていると仮定するならば、その分子が熱運動によって微粒子に衝突し、観察されるような不規則な動き（ブラウン運動）を引き起こすはずだと論じました。さらに、アインシュタインは、この運動の統計的な振る舞いを記述する方程式を導き出しました。この理論は、ブラウン運動の観測結果から、分子の大きさや数（アボガドロ数）を具体的に計算できる可能性を示しました。

アインシュタインの理論的な成果を受けて、フランスの物理学者ジャン・ペランは、精密な実験を行い、アインシュタインが導き出した関係式を実証しました。ペランは、さまざまな種類の懸濁粒子を用いた実験を通じて、ブラウン運動の観測から原子の質量や大きさを算出し、ドルトンの原子論が物理的な実体を持つ正確な記述であることを決定的に証明しました。このペランの実験的な検証は、科学界が原子の実在を広く受け入れる上で極めて大きな影響を与えました。

アインシュタインの論文が登場するまで、原子は多くの化学者や物理学者にとって、物質の性質を説明するための「便利な概念」に過ぎず、それが本当に存在する物理的な実体なのかについては、熱心な議論が繰り広げられていました。特に、著名な物理化学者であるヴィルヘルム・オストヴァルトのような「反原子派」の立場を取る科学者も少なくありませんでした。しかし、アインシュタインによるブラウン運動の統計的な分析が、実験家が顕微鏡下で観察される現象から間接的に原子の存在とその挙動を「数える」ことを可能にしたことは、科学界の認識を大きく変える契機となりました。オストヴァルト自身も後に、アインシュタインのブラウン運動に関する完璧な説明によって、原子の実在を信じるようになったと語っています。

また、この論文は、当時アボガドロ数を推定するための最も信頼できる方法を提供しました。アインシュタインの理論から得られるアボガドロ数の値は、当時の他の方法に比べて格段に精度が高く、一桁の有効数字まで正確であったとされています。このように、アインシュタインのブラウン運動に関する論文は、単に奇妙な現象を説明したにとどまらず、原子・分子の実在を揺るぎないものとし、統計物理学の手法が現実世界の現象解明に極めて有効であることを示すとともに、精密な物理定数の決定にも道を開いた、科学史における金字塔と言うべき業績です。

もう一度検索