만약 깨끗한 물 한 잔에 한 방울의 잉크를 떨어뜨리면, 잉크는 서서히 확산되어 결국 물과 완전히 혼합되는데, 이는 한 액체의 분자가 다른 액체 속으로 들어간 것을 보여줍니다. 분자들은 끊임없이 움직이고 있고, 물질을 구성하는 분자들은 매우 '에너지 넘치는' 존재입니다. 일반적으로 기체를 구성하는 분자들은 더욱 에너지 넘치며, 예를 들면 당신이 심은 자리에서 만개한 제리 꽃의 향기는 이웃집에까지 들려올 수 있고, 물고기나 고기가 부패하면 주변에 나쁜 냄새가 나게 됩니다. 사실, 고체 분자나 원자도 그닥 안정하지 않습니다. 매우 매끄럽고 깨끗한 납 판자를 금 판자 위에 ntil 몇 달 후에 두 판자가 서로 달라붙는 것을 볼 수 있는데, 납 원자들이 금 판자 속으로 들어가고, 금 원자들도 납 판자 속으로 들어가기 때문입니다. 5년 동안 보관하면, 금과 납 원자는 서로 약 1cm 정도 침투하기도 합니다. 또한, 오래된 석탄을 보관한 벽의 구석이나 바닥에는 상당히 두꺼운 검은색 층이 있는데, 이는 석탄 원자들이 벽 속으로 들어간 결과 입니다. 이러한 현상은 열운동이라고 불리며, 물질을 구성하는 많은 분자나 원자들이 하는 무질서한 운동을 의미합니다. 물체의 온도가 높을수록 열운동이 더 강렬해집니다.
액체와 기체 분자가 무질서하게 움직이는 것을 보여주는 유명한 현상은 '브라운 운동'입니다. 이 현상은 영국의 식물학자 로버트 브라운(Robert Brown)에 의해 발견되었습니다. 1827년, 브라운은 물 속에 꽃가루를 넣은 다음, 그 중 하나를 현미경으로 관찰했는데, 그는 놀라운 것을 발견했습니다. 꽃가루 중 일부 작은 입자들이 물 속에서 마치 마법처럼 움직이고 있었고, 각 입자는 방향과 속도를 빠르게 바꾸며, 마치 무질서한 춤을 추는 것처럼 보였습니다. 심지어 이 작은 입자들의 현미경 사진을 찍어 오래 관찰하더라도 이 운동은 멈추지 않았습니다. 공기 중에서도 브라운 운동을 관찰할 수 있고, 특히 햇빛이 강한 방에서 공기 중의 입자(예: 먼지)를 관찰하면, 이들도 마치 무질서한 춤을 추는 것처럼 보입니다.
브라운 운동이 어떻게 발생하는가? 원래, 우리가 보는 한 물질도 실제로 많은 분자로 구성되어 있고, 이러한 분자들은 무질서하게 운동하고 있습니다(열운동). 현미경 사진을 관찰하면, 입자가 작을수록 받는 분자의 충돌이 불균형하게 됩니다. 한 순간에는 한 방향으로 강하게 충돌을 받고, 다음 순간에는 다른 방향으로 강하게 충돌을 받아, 결국 입자의 방향과 속도가 계속 바뀌게 됩니다. 이로 인해 입자는 무질서하게 브라운 운동을 하게 됩니다.
브라운 운동이 발견된 후 오랜 기간 동안 사람들은 이유를 이해할 수 없었습니다. 1877년, 델소(Delso)는 브라운 운동이 미세한 입자가 주변 분자로부터 계속 받는 충돌 때문에 발생한다고 정확히 지적했습니다. 1905년, 아인슈타인(Einstein)은 통계적 방법을 이용하여 브라운 운동의 규칙성을 완전히 설명하였으며, 원자와 분자가 실제로 존재한다는 것을 입증하였습니다. 브라운 운동과 관련된 실험 및 이론적 설명은 분자 운동론 및 통계 역학의 기초가 되었습니다.