Movimiento Browniano

MOVIMIENTO BROWNIANO

SI UN día vamos al cine y observamos en la oscuridad el haz de luz que emite el proyector, nos daremos cuenta de que hay muchas partículas, muy pequeñas, que se están moviendo incesantemente. Veremos que lo hacen en forma zigzagueante y en todas direcciones. Observaremos que ¡también se mueven hacia arriba! ¿Qué partículas son éstas? Sencillamente son las partículas de polvo que hay en el aire.

Observemos con cuidado la bocanada de humo que lanza al aire un fumador. Veremos que está compuesta de pequeñísimas partículas que se están moviendo continuamente en todas las direcciones, también en zigzag.

Otro caso es el siguiente: Póngase polvo de color en un vaso y luego, poco a poco, viértase agua sobre él.

En 1828 el botánico y naturalista escocés Robert Brown (1773-1858) observó que en una solución de agua las partículas de polen de cierta hierba realizaban un movimiento continuo, muy accidentado en zigzag. El movimiento era al azar: era como si las partículas estuvieran vivas.

El orden de magnitud de la longitud lineal de estas partículas de polen variaba entre 5 y 6 micras (1 micra = 0.001 mm). Brown apuntó lo siguiente:

“Al examinar la forma de estas partículas inmersas en agua, vi muchas de ellas evidentemente en movimiento; éste consistía no solamente en un cambio de lugar en el fluido, manifestado por alteraciones en sus posiciones relativas, sino que también, con no poca frecuencia, por un cambio en la forma de la misma partícula [....] En algunos casos se veía a la partícula girar sobre su eje mayor. Estos movimientos eran tales que me convencieron, después de observaciones repetidas, de que no surgían de corrientes en el fluido, ni de su gradual evaporación, sino que pertenecían a la misma partícula”

En el mismo trabajo, Brown señalaba que otros investigadores, antes que él, ya habían notado este movimiento. En particular, menciona los trabajos de F. W. von Gleichen, realizados unos 60 años antes, y de J. T. Needham. Sin embargo, Brown fue el primero que hizo una investigación detallada del fenómeno. En primer lugar quiso saber cuál era la causa de que el polen se estuviera moviendo todo el tiempo. Como primera hipótesis de trabajo sugirió la posibilidad de que se debiera a que el polen tenía vida. En consecuencia puso en un recipiente con agua el polen de plantas que murieron cien años antes. Observó que este polen también realizaba este tipo de movimiento. Brown relata su sorpresa de la forma siguiente: “…me llamó la atención este hecho tan inesperado de aparente vitalidad retenida por estas moléculas tanto tiempo después de la muerte de la planta”

Posteriormente el mismo Brown realizó de nuevo sus experimentos pero ahora usando pequeñas partículas de cuerpo inanimados como minerales. Se dio cuenta que estas realizaban el mismo tipo de movimientos.

De todo este trabajo, Brown sacó la conclusión de que tal fenómeno es característico de cualquier tipo de suspensiones en el que las partículas suspendidas tengan dimensiones muy pequeñas.

El trabajo de Brown atrajo mucho la atención de otros científicos europeos, quienes lo criticaron duramente, pues en él se proponía que el movimiento era autoanimado. Sugirieron en cambio todo tipo de explicaciónes físicas como, por ejemplo, diferencias de temperatura en el agua iluminada, evaporación, corrientes de aire, flujo de calor, capilaridad, etcétera.

El famoso físico inglés Michael Faraday defendió las ideas de Brown, señalando que este movimiento no se podía explicar por ninguna de las causas propuestas. Tanto Faraday como Brown admitieron, sin embargo, que no sabían cómo explicar este fenómeno.

Durante las tres siguientes décadas posteriores al trabajo de Brown, el interés por el movimiento browniano, que fue bautizado así en honor del botánico inglés, decayó. Casi nadie se dedicó a explicarlo o a investigarlo más.

Posteriormente, diversos investigadores estudiaron este movimiento. Entre ellos se puede mencionar a Christian Wiener (1863), Giovanni Cantoni y S. Oehl (1865) y a G. L Gouy (1889). Hacía mediados del siglo XIX se habían formado muchas hipótesis acerca de las causas del movimiento; sin embargo, con las observaciones experimentales varias de las hipótesis fueron eliminadas. En particular se pudo probar de manera contundente que este movimiento no se debía a que hubiera diferencias de temperatura entre dos regiones del espacio. El movimiento browniano se presenta también cuando la temperatura es la misma en todos los puntos del fluido. Asimismo, se desechó la hipótesis de que el zigzag se debía a fuerzas capilares, ya que también ocurría en recipientes muy grandes en los cuales dichas fuerzas no se manifiestan. Cantoni y Oehl mantuvieron sellada herméticamente una suspensión durante un año y encontraron que el movimiento browniano de las partículas no se alteró en ese intervalo.

En 1863 Wiener formuló varios argumentos para mostrar que el movimiento browniano no podía atribuirse a causas externas, sino que tenía que deberse a movimientos internos del fluido. Asimismo, Cantoni lo atribuyó a movimientos térmicos en el líquido, y consideró que este fenómeno nos daba una demostración experimental, bella y directa, de los principios fundamentales de la teoría mecánica del calor". con esto se refería a la relación entre calor y movimiento, que aún en esas épocas no estaba suficientemente clara. De esta forma, durante la década de 1870 se expresó cada vez más frecuentemente la opinión de que el movimiento browniano estaba, de alguna manera, relacionado con el calor.

Algunas personas consideraron la posibilidad de que el movimiento browniano fuera causado por las colisiones de los átomos del fluido con la partícula inmersa en él. El botánico alemán Karl Nägeli publicó un trabajo en 1879 en el que trató de probar que este mecanismo no podía ser el causante del movimiento browniano. Para llo, usó las estimaciones de las masas y velocidades de los atómos que se habían obtenido de la teoría cinética para calcular los cambios en la velocidad que experimentaría la partícula browniana después

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