顕微鏡で水中の微粒子を見ると、不規則に揺れ動いて見えることがあります。動くものだから生き物、と判断してよいでしょうか。生きていない小さな粒でも、周囲の分子の不規則な運動による衝突を受けて揺れ動きます。このような粒の不規則な動きがブラウン運動です。
ここで見えている微粒子と、それを取り囲む水の分子は違います。顕微鏡の画面に大きな点として見える粒が、水分子一個そのものとは限りません。見えている対象を通して、直接見えていない小さな尺度の働きを考えるところに、この観察の面白さがあります。
四方から押されても、瞬間ごとの偏りがある
周囲の分子はさまざまな方向から粒へぶつかります。長い時間で見れば特定の方向へ押し続けるとは限りませんが、短い瞬間には衝突の偏りが生じます。そのため微粒子の進む向きは次々に変わります。一本のなめらかな円を描く運動や、一定方向の直進として覚えないようにしましょう。
粒が大きいと、同じような不均衡が全体の動きとして目立ちにくくなります。温度や液体の性質も動きに関わります。ただし、ある粒が一瞬大きく動いたことだけから、その場所の温度が高いと断定することはできません。不規則な現象では、複数の粒やある程度の時間の記録が必要です。
図の折れ線は、等しい時間間隔で記録した位置をつないだ架空の軌跡です。点と点の間で実際に一直線に動いたという意味ではありません。記録の間にも細かな方向転換が起きている可能性があります。観測の間隔を細かくすると、同じ運動からより細かい経路が分かる場合があります。
全て同じ向きに流れたら、別の要因も考える
画面中の粒がまとまって右へ移っているなら、水の流れや装置の揺れも考えます。ブラウン運動と流れが同時に重なることもあるため、不規則な揺れが少し見えたから流れはない、とも言い切れません。多数の粒に共通する動きと、各粒ごとの細かな動きを分けます。
容器の一部を温めると対流が生じる場合があります。温度の効果を比べたい実験であっても、その操作で大きな流れをつくれば、粒の移動を全てブラウン運動の変化として扱えません。熱している場所と観察位置、温度の均一さを確認します。
ブラウン運動は拡散を理解する手がかりにもなりますが、一個の粒が目的地へ向かって進むという説明ではありません。粒の集団の分布が広がることと、一個の粒の次の一歩を予言できることは別です。地図の最短経路のように、到着点から動く向きを決めてはいけません。
例題1：移動した長さと、出発点からの隔たり
架空の位置記録です。一つの粒を観察すると、右へ3目盛り、その後左へ2目盛り、さらに右へ1目盛り動いたと読み取れました。この三つの記録区間を直線でつないだ長さの合計と、最後に出発点から右へ何目盛りずれたかを求めてください。
答え・解説： 区間の長さの合計は3＋2＋1＝6目盛り、最後のずれは3−2＋1＝2目盛りです。戻った分も経路の長さには含めます。ただし6目盛りは、記録した点どうしを結んだ折れ線の長さです。区間内の細かな動きまで測れていなければ、実際にたどった全経路の長さとは断定できません。
例題2：生き物だと判断できる？
水中の粒Aと、同じくらい小さな人工の粒Bを観察したところ、どちらも不規則に揺れていました。Aについて「動いているので生きている」と結論できますか。また、多数の粒が同時に画面の右端へ移り続けたら、追加で何を点検しますか。
答え・解説： 動いていることだけでは生命の証拠になりません。人工の粒も同じように動くという比較があり、周囲の分子から受ける作用でも説明できます。全体が右へ流れる場合は、水流、対流、台や視野の移動を点検します。一つの説明で全てを片づけず、集団の共通の動きを生む要因を分けて考えます。
顕微鏡の観察では、見えた点の名前より先に、何を直接見たのかを正確に書きます。「水分子が右へ進んだ」ではなく「観察している微粒子の位置が右へ変わった」とするのが、今回の記録です。目に見える証拠と、それを説明する模型をつなぐときには、この一段階を省かないようにしましょう。
記録する時間間隔を細かくすると、粗い記録では抜け落ちていた折り返しを拾えます。そのため、同じ観察時間でも、点を結んで求めた道のりは記録間隔によって変わりえます。一方、最初と最後が同じ観察点なら、その二点間の変位は中間点を増やしても変わりません。軌跡の長さを比べる問題では、観察時間だけでなく記録間隔もそろえているかを確認しましょう。