Snelheid van de Brownse beweging eindelijk gemeten

Wat Einstein een eeuw geleden absoluut onmogelijk leek, is natuurkundigen van de universiteit van Texas in Austin gelukt. Ze maten de snelheid van de Brownse beweging van één deeltje – een microscopisch klein gazen bolletje – terwijl dit van alle kanten door gasmoleculen wordt bestookt (Science Express, 20 mei).

De Brownse beweging is een ontdekking van de Schotse botanicus Robert Brown. In de zomer van 1827 zag hij door zijn microscoop dat stuifmeelkorrels in water voortdurend in beweging waren. Ze voerden een chaotische dans uit.

Deze Brownse beweging ontstaat, zo luidde uiteindelijk de verklaring, door botsingen van watermoleculen tegen zo’n stuifmeelbolletje. De waarneembare bewegingen waren het eerste (indirecte) bewijs voor het bestaan van moleculen.

Albert Einstein berekende in 1905 over welke gemiddelde afstand een deeltje zich in een bepaalde tijd zou verplaatsen. Metingen van de Fransman Perrin bevestigden drie jaar later Einsteins voorspelling van de gemiddelde uitkomst. Maar pogingen om de werkelijke snelheid van één molecuul in zo’n Brownse beweging te meten mislukten. Dat is onder andere erg moeilijk omdat in een vloeistof een deeltje wel een tijdje op zijn plaats blijft, maar na een botsing snel weer een schop van een ander molecuul krijgt.

Het zou makkelijker zijn als het deeltje in een gas zat, omdat daarin minder moleculen zitten en de botsingen met grotere tussenpozen plaatsvinden. Maar in een gas blijft een deeltje niet stil hangen. Mark Raizen en zijn studenten hielden een glasbolletje van ongeveer een duizendste millimeter met behulp van lasers (een zogeheten optische pincet) op zijn plaats. Telkens als het bolletje door gasmoleculen werd geraakt, schoot het een heel klein beetje van zijn plek af, met een snelheid die Raizen nauwkeurig wist te meten. Die snelheid, die elke keer weer net even anders is, bleek precies de theoretisch voorspelde waarden te volgen. Raizen bewees daarmee dat Einsteins voorspelling dat het glasbolletje zich als een groot molecuul gedraagt: net als voor een molecuul is de snelheid ervan (of beter gezegd de kinetische energie) uitsluitend afhankelijk van de temperatuur. De onderzoekers verwachten nu dat ze bij extreem lage temperaturen afwijkingen van Einsteins voorspelling zullen waarnemen. Rob van den Berg