11 اکتبر 2011 - یکی از جنبه‌های مهم حرکت براؤنی را که چند ده سال پیش پیش‌بینی شده بود پژوهشگران اروپایی مشاهده کرده‌اند. آنها برهم‌کنش بین گوی‌های میکرومتری با محیط شاره را اندازه گرفته و نشان داده‌اند که گوی‌ها از پیشینه‌ی حرکت خود "خاطره" دارند. این پژوهشگران می‌گویند روش تجربی‌شان را می‌توان به صورت حسگر زیست‌فیزیکی به کار برد. حرکت براؤنی را آلبرت اینشتین در مقاله‌ئی معروف در سال 1905 توضیح داد: حرکت براؤنی نامی‌ست برای حرکت ‌پیش‌بینی‌ناپذیر ذرات ریز در شاره و برخاسته از ضربه‌های بسیار ضعیفی‌ست که ذره در نتیجه‌ی حرکت گرمایی‌ی شاره دریافت می‌کند. اینشتین و دیگر فیزیکدان‌ها باور داشتند که این ضربه‌ها از حرکت ذره مستقل و مشخصه‌ی آن همهمه‌ی سفید[1] است.

 همهمه‌ی براؤنی می‌تواند رنگین باشد: برداشت هنرمند از گوی کوچکی با موچین اپتیکی نگه داشته شده است و از شاره‌ی اطرافش ضربه دریافت می‌کند (با تشکر از آلن دوایون و سیلویا ینه).

به‌یاد داشتن ِ حرکت

در میانه‌های قرن بیستم فیزیکدان‌ها کم‌کم متوجه شدند هنگامی که چگالی‌ی ذره و شاره نزدیک به هم َند ضربه ها کاملا کاتوره‌ای نیستند و نظریه "هم‌بستگی‌ها‌ی پاینده" بین حرکت شاره و ذره پیش‌بینی می‌کند. این هم‌بستگی‌ها برخاسته از این واقعیت است که ذره در حال حرکت، شاره‌ی اطراف را با خود می‌بَرَد که خود بر حرکت ذره تأثیر می‌گذارد. برای نمونه کسی که با سرعت ثابت در آب شنا کند بخشی از آب اطراف خود را همراه خود می‌کِشَد. اما اگر ناگهان از شنا باز ایستد آب ِ در حال حرکت او را به جلو خواهد راند.  پژوهشگران این پدیده را "حافظه‌ی هیدرودینامیک" می‌نامند ولی مشاهده‌ی آن برای تک‌ذره‌های بسیار ریز تحت حرکت براؤنی تا کنون میسر نشده بود.  

اینک سیلویا یِنِه[2] در دانشگاه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL)[3] سوییس و همکاران سوییسی و آلمانی‌ی او ادعا کرده‌اند که شاهد ِ روشن این حافظه در حرکت براؤنی را دیده‌اند. اندازه‌گیری‌ها‌ی آنها بر این شالوده استوار شده که "حافظه"ی هیدرودینامیک باعث می‌شود مشخصه‌ی طیف ِ توان ِ حرکت ِ ذره "همهمه‌ی رنگین[4]" باشد و نه همهمه‌ی سفید. در بافت ِ حرکت براؤنی همهمه‌ی سفید به معنی‌ی مستقل‌بودن ِ دامنه‌ی نوسان ذره (یا توان آن) از بس‌آمد ِ نوسان است. اما آزمایش ینه نشان می‌دهد که در بس‌آمدهای بزرگ‌تر اندازه‌ی نوسان بیشتر است یعنی همهمه دیگر سفید نیست بلکه رنگین است.

تله ی ویژه

گروه ینه اندازه‌گیری‌شان را با به‌تله‌انداختن ِ گوی ملامین میکرومتری در موچین‌های  اپتیکی[5] انجام داده‌اند. این موچین‌ها که با باریکه‌های لیزری‌ی بسیار کانونی‌شده خلق می‌شوند به ابزارهای تجاری‌ئی که زیست‌فیزیکدان ها مدتی‌ست به کار می‌برند شبیه است اما این پژوهشگران سال ها تلاش کرده‌اند و توانسته‌اند تفکیک‌دهی‌ی زمانی‌ی آنها را 1000 مرتبه بهتر کنند تا بتوانند فواصل کم‌تر از یک نانومتر را اندازه بگیرند.

در آزمایش، تک‌ذره‌ها در تله‌ی موچین، داخل ِ شاره فرو برده می‌شوند. پارامترهای آزمایش چنان تعیین شده بود که زمان لازم برای پخش شاره روی قطر ذره حدود یک ششم زمانی باشد که برای رسیدن به تعادل درون موچین اپتیکی نیاز است. زمان ِ پخش[6] هم‌مقیاس با زمانی‌ست که انتظار می رود زمان ِ عمل‌کرد ِ حافظه‌ی هیدرودینامیکی باشد و این آرایش ِ آزمایشی به پژوهشگران امکان می‌دهد هم‌بستگی‌ها را بررسی کنند.

ینه توضیح می‌دهد که در حال حاضر دو و شاید سه آزمایشگاه در دنیا وجود دارند که از آرایشی مشابه با دقت زیاد برخوردارَند. او می گوید که گروه او قصد دارد این روش به‌دام‌اندازی‌ی اپتیکی را به‌صورت ابزار پیشرفته‌ئی در زیست‌فیزیک جا بیاندازد.

در باره‌ی نویسنده: توشنا کمیساریا گزارشگر فیزیکس‌ورلد دات کام است.

منبع:

New twist on Brownian motion seen for the first time

Tushna Commissariat

physicsworld.com 10 October 2011

http://physicsworld.com/cws/article/news/47451