במאמר שפורסם ב-20 למאי בסייאנס החוקרים לכן הפריכו את הטיעון של אינשטיין בנוגע לתנועה הבראונית
קבוצת מדענים בראשות מרק רייזן, טונג'קנג לי והקולגות שלהם מאוניברסיטת טקסס באוסטין מדדו את מהירותו הרגעית של החלקיק בתנועה בראונית – אינשטיין אמר ב-1905 שזה בלתי אפשרי לעשות זאת. במאמר שפורסם ב-20 למאי בסייאנס החוקרים לכן הפריכו את הטיעון של אינשטיין בנוגע לתנועה הבראונית.
תנועה בראונית נקראה על שם הבוטניקאי הסקוטי רוברט בראון, שב-1828 פרסם תצפיות מפורטות אודות האופן שבו ניתן לראות שחלקיקי אבקנים זעירים השרויים במים מתנודדים ומשוטטים כאשר בוחנים אותם תחת מיקרוסקופ אופטי חזק. כאשר רוברט בראון הביט מבעד למיקרוסקופ באבקנים הזעירים השרויים במים הוא כתב, "צפיתי ברבים מהם בבירור רב בתנועה... [תנועות אלה] לא נבעו מזרמים בנוזל, ולא מאידויו ההדרגתי, אלא היו שייכות לחלקיקי עצמו". כדי לוודא שהאבקנים אינם חיים – ולמעשה משייטים סביב – בראון ניסה את הניסוי עם אבק פחם. לאבק היו אותן התנועות. המחקר שוחזר בעזרת חלקיקים אחרים, והוצעו מגוון של הסברים לתופעה. אולי, חשבו, היה לתופעה קשר עם זרמי מים קטנטנים או אפקט של האור. אבל אף אחת מהתיאוריות האלה לא נשמעה הגיונית. עם עליית התורה הקינטית של הגזים בשנות ה-1870, שהשתמשה בתנועות האקראיות של המולקולות כדי להסביר את ההתנהגות של הגזים, אחדים ניסו להשתמש בה כדי להסביר את התנועה הבראונית. אבל בגלל שהחלקיקים השרויים במים היו בערך פי 10,000 גדולים ויותר ממולקולות המים, זה נראה שלמולקולה לא יהיה הכוח להזיז את החלקיק הענק.
המאמר של אינשטיין על התנועה הבראונית התפרסם ב-11 למאי 1905. אינשטיין נשען על חקירה סטטיסטית של הפעולות האקראיות של חלקיקים כדי להראות כיצד הם מבוטאים בעולם מקרוסקופי. בעושו כן, אינשטיין הסביר את התנועה בראונית שהטרידה מדענים כמעט שמונה שנים באותה תקופה: מדוע חלקיקים קטנים ששרויים בנוזל כמו מים נצפים כנעים סביב? וכתוצר לוואי אינשטיין קבע אחת ולתמיד שאטומים ומולקולות למעשה קיימים כעצמים פיזיקאליים. אינשטיין הראה שאפילו שהתנגשות אחת לא יכולה להזיז חלקיק גדול ממקומו, האפקט של מיליוני התנגשויות אקראיות לשנייה יכול להסביר את התזזיתיות האקראית שנצפית על ידי בראון. "מאמר זה", הוא הכריז במשפט הראשון, "יראה שלפי התורה המולקולארית הקינטית של החום, שרויים גופים בגודל מיקרוסקופי בתוך הנוזלים שצריכים, כתוצאה מתנועות מולקולאריות תרמיות, לבצע תנועות בגדלים כאלה שניתן בקלות לראותן בעזרת המיקרוסקופ".
אינשטיין אמר שזה בלתי אפשרי לקבוע בכל רגע ורגע את המהירות והכיוון של החלקיק במהלך תנועתו האקראית. אינשטיין הבין שחבטה ממולקולת מים בודדה לא תגרום לחלקיק אבקן ששרוי במים לנוע מספיק בכדי שתנועתו תהיה נראית. אולם, בכל רגע נתון, אם פגעו בחלקיק מכל הצדדים אלפי מולקולות בצורה אקראית, אזי היו כמה רגעים שבהם הרבה יותר חבטות במקרה פגעו בצד מסוים של החלקיק. ואחר כך, ברגע אחר, צד אחר יכל לקבל מטר כבד יותר של פגיעות. התוצאה תהיה התנודדויות רנדומאליות קטנות שיגרמו למה שידוע בשם הליכה אקראית. הדרך הטובה ביותר לדמיין זאת היא לחשוב על שיכור הולך. מבחינה סטטיסטית המרחק של השיכור מנקודת היציאה הוא שווה לשורש הריבועי של מספר השניות שעברו ולא למספר השניות שעברו. אינשטיין הבין שלא ניתן ואין זה הכרחי למדוד כל זיגזג של התנועה הבראונית, וגם לא צריך למדוד את המהירות של החלקיק בכל רגע. הרי החלקיק נע מהר מידי מכדי שנוכל למדוד את מהירותו וכיוונו. אבל זה היה קל למדי למדוד את המרחקים הכלליים של חלקיקים מתנודדים רנדומאלית ככל שמרחקים אלה גדלו עם הזמן. כאשר בסוף אנחנו מציגים את התוצאה הזו בגרף, אנחנו מקבלים עקומת פעמון טיפוסית.
החוקרים בראשות מרק רייזן מצאו דרך לתקוף את נושא מדידת מהירותו הרגעית של החלקיק בתנועה הבראונית על ידי זה שהם המירו את הבעיה מחקירת חלקיקים בנוזל לחלקיקים באוויר. האוויר הוא פחות צפוף מהמים ולכן המולקולות שלו רחוקות יותר. מכאן שהמרחק והזמן בין ההתנגשויות הבראוניות הוא גדול יותר. אולם אז עלתה וצצה בעיה: האוויר לא יכול לתמוך בחלקיקים הקלים ביותר כנגד כוח הכבידה. מה עושים? הקבוצה לקחה חרוז מתחמוצת הסיליקון, או אם תרצו זכוכית סיליקה, שכל גודלו היה מסדר גודל של כמה מיקרון. כיצד הוא צף באוויר? הקבוצה נטלה מתמר שהפעיל רעידות אולטראסוניות שנענעו את החרוזים היישר לאוויר ומלקחיים אופטיות שלכדו אותם, זוג קרני לייזר שהפעילו לחץ קרינה על החרוזים. כאשר החרוז היה באוויר חבטו בו הלוך ושוב מולקולות של האוויר והזיזו אותו קלות ממרכז מלכודת הלייזר. מדידת סטייה זו ממרכז המלכודת נמדדה על ידי ההפרש בהספק בין הקרניים. החוקרים הזינו את הנתונים מהמדידות בניסוי: כיצד המיקום משתנה עם מדידת משתנה הזמן. הם מצאו שבסקאלת זמן של מיקרו-שניות יחס זה מראה שהמרחק של החלקיק הבראוני מנקודת היציאה שווה למספר השניות שעברו. הם אז חישבו את המהירויות הרגעיות מהנוסחא הפשוטה, זמן חלקיי מרחק ומצאו שהמהירויות עוקבות אחר התפלגות מקסוול-בולצמן, כפי שהתורה הקינטית מנבאת. החוקרים כך יכלו לקבוע את מה שאינשטיין החשיב ב-1905 כבלתי אפשרי, את המהירות והכיוון הרגעיים של חרוזי זכוכית הסיליקה.
עוד בנושא באתר הידען