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July 27th, 2009
在古典童話 --「國王的新衣」-- 中，安徒生（Hans Christian Andersen）利用一個小孩的雙眼來挑戰傳統智慧，並幫助其他人看得更清楚。在類似風格中，Illinois 大學的研究者現在揭露關於一種古典鐘形曲線的赤裸裸真相，那用來描述一液體擴散通過其他物質時的運動。
"這些新發現興起關於擴散過程統計學天性的根本問題，" Steve Granick 說，Founder 工程教授，同時也是 U. of I. 材料科學與工程、化學、化學與生物分子工程以及物理學教授。
擴散（Diffusion）對於藥物傳遞、水淨化以及活細胞的正常運作很關鍵。擴散過程的關鍵在於某分子的運動如何影響其他分子的運動這件事。
"在高中科學課程裡，學生常被指派這種作業：利用一具顯微鏡來觀看位於一滴水中的塵埃粒子，" Granick 說。"塵埃粒子好像是活著的，前後運動，未曾在相同的方向上。塵埃粒子的運動是由於周遭水分子的隨機「踢動」。"
稱之為「布朗運動（Brownian motion，以植物學加 Robert Brown 為名，他在 1828 年注意到這件事）」，流體的這種現象由愛因斯坦（Albert Einstein）在 1905 年描述，那時他發表了他的液體統計學分子理論。
根據愛因斯坦表示，若許多分子的運動被觀察，而某段時間內，每一種運動的距離被記錄，其分布將類似眾所周知的、在科學課程中用來評分的高斯（Gaussian）、鐘形曲線。
愛因斯坦說對了 -- 幾乎。
"如同愛因斯坦，我們通常認為我們能以標準的鐘形描述布朗運動，" Granick 說。"但現在，能量測非常細小距離的能力比 100 年以前所能辦到的要更加精確，我們發現，我們能得到比先前所想像的億要更加極端。"
一篇下週將於 PNAS 線上早期版發表的文章裡，U. of I. 研究者證明，愛因斯坦的解釋，那常為教科書所引用，在某些重要例子中失效。
這些實驗的進行是透過螢光顯微鏡的使用，精確追蹤 100 奈米膠體小珠（ colloidal beads）的運動。
在一項系列實驗中，研究者觀察到小珠因布朗運動，在液體分子的微小管道（tubes）上下運動。在第二項系列實驗中，研究者觀察到，小珠再度因布朗運動，擴散通過一糾結巨分子細絲（filaments）的多孔膜。
在這二組實驗中，有許多特徵完全同意愛因斯坦與鐘形曲線；不過也有些特徵顯然不贊同。在這些例子中，小珠移動的比這種平常曲線所預測的要更遠。在這些極端的位移中，擴散行為並非高斯，研究者報告。這種行為是指數的。
"這些大規模的位移很少發生，但當它們確實發生時，它們比我們先前所以為的可能性還要大很多，" Granick 說。
這些新發現 "改變了擴散遊戲的規則，" Granick 說。 "如同國王的新衣，我們現在知道，在考慮特殊問題、過程或操作時，鐘形曲線並非一直都是對的方法，我們能開始繞著它構思，也許能利用它。而且，我們能校正那些教科書。"
※ 相關報導：
＊ Anomalous yet Brownian
http://www.pnas.org/content/early/2009/08/04/0903554106.abstract
Bo Wang, Stephen M. Anthony, Sung Chul Bae and Steve Granick＊ 在奈米尺度下打破普朗克定律
PNAS, Published online before print July 30, 2009,
doi: 10.1073/pnas.0903554106
＊ 光的黑暗面 -- 碎形的光渦流
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