Stulecie śmierci Smoluchowskiego

Marian Smoluchowski zapisał się w historii fizyki jako jeden z twórców fizyki statystycznej. Obecnie, gdy używając odpowiednich narzędzi potrafimy zobaczyć pojedyncze atomy, a nawet nimi manipulować, trudno uwierzyć, że nieco ponad 100 lat temu istnienie atomów i molekuł uznawano za niepotrzebną hipotezę. Prace Smoluchowskiego na temat ruchów Browna, opalescencji, fluktuacji i granic stosowalności drugiej zasady termodynamiki pozwoliły na ugruntowanie „teorii atomistycznej”.

Świat współczesnej nauki zmienia się bardzo szybko. Często teorie opracowane kilka czy kilkanaście lat temu są już przestarzałe i zastąpione nowymi. Na tym tle zdumiewać może fakt, że Smoluchowski wciąż jest jednym z najczęściej cytowanych polskich fizyków. Tylko w ciągu ostatnich 5 lat jego prace cytowane były ponad 2800 razy, a jeszcze częściej pojawiały się w nich odniesienia do równania Smoluchowskiego.

Szczególnie ważne było konsekwentnie stosowane przez Smoluchowskiego probabilistyczne podejście do analizowanych procesów. Pozwoliło to wyjaśnić pozorną sprzeczność i odpowiedzieć na pytanie, dlaczego procesy, które w skali mikroskopowej są odwracalne w skali makro są nieodwracalne. Smoluchowski wykazał, że druga zasada termodynamiki ma charakter statystyczny, tzn. że istnienie procesów, które przebiegałyby niezgodnie z tą zasadą jest możliwe, lecz niesłychanie mało prawdopodobne. Użył w analizie „zębatki brownowskiej” – teoretycznego kółka molekularnego z zapadką, która pozwala mu się obrócić tylko w jedną stronę. Wydawać się może, że gdyby skonstruować takie urządzenie mogłoby ono przekształcać energię ruchów termicznych ośrodka na użyteczną pracę, co byłoby sprzeczne z drugą zasadą termodynamiki. Smoluchowski wykazał, że aby reagować na fluktuacje termiczne zapadka musiałaby sama im podlegać, a zatem obracać się również w zakazanym kierunku. Pomysł ten znalazł zastosowanie w modelowaniu procesów enzymatyczych zachodzących w żywych komórkach oraz w opisie działania motorów molekularnych. Za wykorzystanie takich zjawisk w realnych eksperymentach w 2016 r. została przyznana Nagroda Nobla w dziedzinie chemii.

Smoluchowski opracował również teorię koagulacji w roztworach złota koloidalnego, będącą specjalnym zastosowaniem teorii ruchów Browna. Zrobił to na prośbę R. Zsigmondy'ego (1865-1929), który opowiedział mu o swoich doświadczeniach dotyczących koagulacji w takich roztworach: gdy dwie cząstki znajdą się na tyle blisko siebie, że ich odległość będzie mniejsza niż promień oddziaływania to następuje ich połączenie. Okazało się, że było to jedno z najważniejszych dokonań Smoluchowskiego. W 1916 i 1917 r. wydał prace opisujące to zjawisko i właśnie te publikacje są najczęściej cytowanymi w literaturze naukowej elementami jego dorobku. W latach 2000-2017 cytowano je 4915 razy.

Model koagulacji okazał się także użyteczny w opisie procesów zachodzących w plazmie gluonowo-kwarkowej.

Zagadnienie, które Smoluchowski opisywał i analizował jako jeden z pierwszych badaczy były fluktuacje. Początkowo sądzono, że szumy termiczne występujące w wielu układach są rzeczą niepożądaną. To one odpowiadają np. za pogorszenie jakości lub nawet utratę czytelności danych przesyłanych przez różne media. Jednak w wielu procesach występowanie szumów termicznych jest korzystne. Chyba najważniejszym z nich jest ucieczka ze stanów metastabilnych. Hendrik Antony Kramers (1894-1952) w swojej pracy z 1940 r. [3] zaprezentował nowoczesną teorię szybkości reakcji, która odwołuje się do konstruktywnej roli fluktuacji. Fluktuacje wykorzystywane są również w zjawisku rezonansu stochastycznego opisanego po raz pierwszy w 1981 r. [4]

Smoluchowski był też jednym z twórców teorii procesów stochastycznych, a wyprowadzone przez niego (i nazywane jego imieniem) równania, są używane m.in. w opisie procesów kwantowych, opisie procesów sedymentacji i koagulacji, teorii relaksacji jądrowej, teorii transferu elektronowego oraz termodynamice informacyjnej.

Przykłady prac opublikowanych w latach 2016-17, których autorzy cytowali prace Smoluchowskiego bądź wykorzystywali równanie Smoluchowskiego: