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Brownsche Bewegung: Wärmebewegung von Partikeln direkt gemessen

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Die zufällige Zickzackbewegung von winzigen Glasperlen in Luft haben Forscher um Tongcang Li von der University of Texas in Austin nun erstmals gemessen. Der Gleichverteilungssatz, nach dem die Bewegungsenergie eines Teilchens allein durch seine Temperatur bestimmt wird, trifft demnach auch auf die Brownsche Bewegung zu. Die angewandte Technik könnte zudem dazu dienen, mikrometergroße Partikel auf extrem niedrige Temperaturen abzukühlen und so für quantenmechanische Effekte zugänglich zu machen.

Glasperle in der SchwebeLaden...
Glasperle in der Schwebe | Eine fünf Mikrometer große Glasperle wird hier durch einen Laserstrahl in der Schwebe gehalten. Mit einer solchen optischen Falle untersuchten Wissenschaftler nun die Brownsche Bewegung solcher Kugeln.
Mittels einer optischen Pinzette, realisiert durch zwei Laserstrahlen, versetzte das Team drei Mikrometer messende Kügelchen aus Siliziumdioxid einzeln in einen Schwebezustand. Aus der Ablenkung des eingestrahlten Laserlichts konnten die Wissenschaftler auf die Position des Teilchens schließen und so die Dynamik der Brownschen Bewegung bei unterschiedlichem Druck untersuchen. Auch wenn sich die Partikelspuren ähneln, so Li und seine Kollegen, ändert sich die Momentangeschwindigkeit unter hohem Druck öfter als bei niedrigem.

Albert Einstein schlug vor rund 100 Jahren vor, durch die Momentangeschwindigkeit eines Brownschen Teilchens ein Grundprinzip der statistischen Mechanik zu überprüfen. Demnach ist die kinetische Energie eines Teilchens unabhängig von dessen Eigenschaften, wie Masse oder Größe, sowie der seiner Umwelt. Allerdings schloss er, dass die tatsächlich zurückgelegte Strecke pro Zeiteinheit sich bei einem solchen Teilchen in der Praxis nicht messen ließe.

Kennt man jedoch die Geschwindigkeit der Partikel, könnte die Brownsche Bewegung theoretisch durch eine jeweils entgegengerichtete Kraft zum Stillstand gebracht werden, spekulieren die Forscher. Im Vakuum sollten sich auf diese Weise dann Quanteneffekte bei makroskopischen Objekten – wie etwa den winzigen Kügelchen – beobachten lassen. In diesem Zustand würde sich ein solches mechanisches System beispielsweise als hochempfindlicher Sensor eignen. (mp)

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  • Quellen
Li, T. et al.: Measurement of the Instantaneous Velocity of a Brownian Particle. In: Science, 10.1126/science.1189403, 2010.

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