爱因斯坦(Einstein)给细菌算命.
设想有一只细菌居住在一间小屋子(20平方米)里面,这里就是它的“家”了。大家知道,细菌没有自主行走能力,只能“随风飘荡”,“四海为家”。我们要问:这只细菌何时会“碰壁”(找死),被光触媒二氧化钛(TiO2)“分解”,化为“乌有”?
细菌的实际处境究竟怎样呢?请看以下二维示意图(模拟室内环境):
我们这样设想,在一个极小的空间里面,细菌(黄色小球)被许许多多的空气分子所包围,不断地受到空气分子的“随机撞击”(细菌浑身感到”痒痒“),无法躲藏。此时,细菌瓢向何方,谁也不知道。但是,这是纳米科学家所关心的事情,不是胡思乱想。
大约在1905年前后,针对这个问题,物理学家Albert Einstein这样提问:”How far a Brownian particle travels in a given time interval“,在这里,Einstein首先把问题抽象化了,提升到布朗运动(Brown Motion的高度来看问题,他这样提问:在一个给定的时间段里面,一个做布朗运动的粒子能够走多远?在数学研究中,问题的正确提出就算解决了这个问题的一半。大家知道,针对实际问题,建立数学方程式,这是数学家们的“拿手戏”。
经过周密的分析与推理,Einstein建立了所谓”散射方程“(Diffusion Eguation):
其中:函数p(x,t)代表”the density(密度)of Brownian particles at point at time,系数D代表“The mass diffusivity”(所谓“质量散射度”,这是完全可以实际度量的物理量)。
实际上,经过计算发现:这只小细菌每秒钟大约要受到次撞击,很受罪,迟早要“碰壁”找死。这就是Eistein给细菌算命的最终结果。你信不信?