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Schweizer Forschende belegen Einsteins Theorie

12.04.2011 - (idw) Universität Basel

Nach über 100 Jahren ist es einem internationalen Forschungsteam unter Mitwirkung des an der Universität Basel angesiedelten Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS ) Nanowissenschaften erstmals gelungen, Einsteins Theorie zur Brownschen Molekularbewegung im Experiment zu untersuchen und zu bestätigen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden kürzlich in der renommierten Wissenschaftszeitschrift «Nature Physics» veröffentlicht. Bereits im Jahr 1827 beobachtete der britische Botaniker Robert Brown unter seinem Mikroskop, dass sich kleine Partikel aus Pflanzenpollen im Wasser ruckartig und unvorhersehbar bewegen. 1905 erklärte Albert Einstein im Rahmen seiner Doktorarbeit, dass diese Bewegung durch Zusammenstösse der Partikel mit den umgebenden Wassermolekülen zustande kommt. Während die beobachteten Zellbestandteile mikroskopisch zu sehen sind, bleiben die Wassermoleküle bei der Auflösung eines Lichtmikroskops unsichtbar. Ihr Effekt auf die freien Bestandteile der Pollenkörner im Wasser ist jedoch zu beobachten. Indirekt lieferte Einstein mit seiner Theorie den Beweis für die Existenz von Molekülen und Atomen, lange bevor diese experimentell nachgewiesen oder dargestellt werden konnten. Aufgrund von zahlreichen thermodynamischen Überlegungen wurde Einsteins Theorie in den vergangenen hundert Jahren mehrfach indirekt bestätigt. Der Effekt der Wassermoleküle auf die Bewegung der suspendierten Teilchen konnte jedoch bisher nie direkt gemessen werden, da es technisch nicht möglich war, diese Bewegungen auf kleinstem Raum bei Zeiten im Nanosekundenbereich zu verfolgen.

Einem internationalen Team unter Mitwirkung des NFS Nanowissenschaften ist es nun erstmals gelungen, Einsteins Theorie zur Brownschen Molekularbewegung direkt zu verifizieren. Die Forscherinnen und Forscher entwickelten eine optische Laserfalle, mit der sie ein einzelnes Teilchen einfangen können. Dank eines neuartigen Detektors liessen sich dann die Bewegungen dieses einzelnen Teilchens verfolgen. Die gemessenen Daten stimmten in hervorragender Weise mit den theoretischen Vorhersagen überein.

Nationaler Forschungsschwerpunkt Nanowissenschaften
Der Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) Nanowissenschaften ist ein langfristiges, an der Universität Basel angesiedeltes interdisziplinares Forschungsprojekt, das sich mit Strukturen und Phänomenen im Nanometerbereich beschaftigt und Impulse fur Lebenswissenschaften, Nachhaltigkeit, Informations- und Kommunikationstechnologie geben mochte. Innerhalb des NFS fungiert die Universitat Basel als Kompetenzzentrum. Die Nationalen Forschungsschwerpunkte sind ein Forderinstrument des Schweizerischen Nationalfonds. Seit 2006 ist der NFS Nanowissenschaften Bestandteil des Swiss Nanoscience Instituts an der Universität Basel.

Orginalbeitrag
Rongxin Huang, Isaac Chavez, Katja M. Taute, Branimir Lukic, Sylvia Jeney, Mark G. Raizen, Ernst-Ludwig Florin
Direct observation of the full transition from ballistic to diffusive Brownian motion in a liquid
Nature Physics (27 March 2011), doi:10.1038/nphys1953

Kontakt
Dr. Sylvia Jeney, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Laboratory of Physics of Complex Matter, 1015 Lausanne, Tel. 021 693 53 56, E-Mail sylvia.jeney@epfl.ch
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