1827年的夏天，蘇格蘭植物學家羅伯特·布朗（Robert Brown）從一些紫色的克拉花（Clarkia pulchella）的花心中採下花粉，並與水滴進行混合。通過他的黃銅顯微鏡觀察，布朗注意到了很奇怪的事情。在他的鏡頭下，細碎的花粉塗片漂浮在濕潤的介質上，看起來似乎正在顫抖。
布朗很自然地認為，這種振動是花粉自身產生的。他在筆記本上寫下：「不是由水流產生，也不是由緩慢蒸發產生，而是源於顆粒自身。」和他那個時代的很多科學家一樣，他深受古希臘哲學—科學家們的影響，確信有機體中存在著一種神奇的力量，可以形成生命。或許他眼前看到的，實際上就正是生命的本質！
不過作為一位嚴謹的科學家，布朗為了驗證他的猜想，還試驗了其他一些花粉和孢子，用「絢麗的動作」一詞記錄了碎屑的振動。然而令他吃驚的是，在懸浮液中，沒有生命的物質和生物樣品一樣，也會出現顫抖——石棉纖維、金屬粉末，甚至來自斯芬克斯像的石頭碎屑樣品，都是如此。這些樣品通常來講都不具備神奇的生命力量，只是都有液體圍繞著它們而已。
我們現在都已經知道這些運動確實是由微粒所引起的，但這些微粒比起布朗通過簡易顯微鏡看到的那些顆粒可要小上數千倍。為了跟上當時的時尚，他將這些振動的微粒稱之為「分子」，因為「分子」一詞從字面上翻譯就是「很小的東西」，所以他命名的術語從技術上說是很精確的。然而，他真正看到的其實是不可見的水分子對那些懸浮顆粒的猛烈衝擊。從某種意義上講，他也看到了自己。在我們所有人的身體裡，正是因為分子的這種「動盪」，才讓我們能夠活著，就像傳說中那神奇的力量一般。
這種運動在亞顯微鏡的尺度下發生，因此羅伯特·布朗的設備並未達到真正的觀察深度。他所觀察的顆粒幾乎是不可見的，可能也就是直徑1微米左右，或者說是指甲厚度的千分之一。動盪的水分子比起這些來，還要小上幾萬倍，甚至比光的波長還要小——而光線是讓我們能看到事物的原因。如今，比光學顯微鏡更為強大的電子顯微鏡給分子和原子製作了生動的圖片，但並非是真正意義上的照片，因為這已經超出「可見」的正常範圍了。它們只是窺探了分子或原子的位置和形狀，就像一個讀取黑膠唱片凹槽的留聲機針頭一樣。但是尺度小並非是分子和原子難以被觀察的唯一原因，還有一個重要問題是它們並非是想像中那樣靜止不動。
在2013年，IBM的一個研究團隊為了拍攝單一分子的首張「定格電影」，不得不將樣品冷凍到零下450華氏度（零下268攝氏度），從而使被觀察對象的運動慢到足夠可以被操控。這部名為《一個男孩和他的原子》（A Boy and His Atom）的電影現已被《吉尼斯世界紀錄》收錄為全世界最小的定格電影，其情節是珠狀的一氧化碳分子排列成簡筆畫的人物形象，其中一個分子充當了玩具。聚焦如此清晰的圖案是絕不可能在室溫條件下拍攝出來的，因為持續抖動的分子會以接近每小時1000英里（1609千米）的速度逃離出視野。
自由運動的分子和原子具有超凡的速度，以至於它們會多次極速地衝撞那些同樣精力充沛的鄰居。在海平面高度下，室溫條件的一個氧氣分子在一秒內會被它的同伴撞擊超過十億次；如果你能讓你的手在看似平靜的空氣中保持絕對靜止1秒鐘，它將會遭受超過1024次這樣的衝擊。你週遭的空間看起來空無一物，實際上卻充滿著這些橫衝直撞的分子，如果它們多到可以讓你清晰看到時，你也許會因為吸入或穿過它們而感到反胃。不過即便是你自己，也不可能做到保持靜止，因為你身體內的原子和分子仍然會瘋狂地互相衝撞，或是拉拽束縛它們的化學鍵。
大量分子包圍著羅伯特·布朗的樣品，不斷從各個方向撞擊著這個「龐然大物」，以此宣示它們的存在。由於分子數目的微量差異，顆粒在不同方向所受的力並不均勻，從而產生了隨機運動，就好像沙灘球被跳舞的密集人群頂開時表現出的反彈一樣。
布朗並非是發現這一運動的第一人，儘管這已被公認是他名下的貢獻。「布朗運動」這一術語主要用來描述微粒的運動，但實際也反映出更普遍的現象，即所有原子和分子的熱運動。如果你曾看到過陽光下光柱中的塵埃閃爍不定，說明你已經見過類似運動了。懸浮顆粒和碎屑被大量不可見的空氣分子推搡，閃光正是源自它們對光的反射。
兩千年前，羅馬詩人盧克萊修（Lucretius）曾推斷過這種塵埃運動的原因，在古典主義學者約翰·塞爾比·沃森（John Selby Watson）翻譯的其著作《原子之舞》（The Dance of Atoms）中，盧克萊修如此解釋：「這種無序意味著，物質規律中尚存在著某種隱秘的運動趨勢，儘管對我們的感官而言是潛在而不可見的……這種運動源於（原子），並隨著溫度上升而擴散，以至於被我們所感知。」
盧克萊修和其他一些早期的哲學—科學家思考了世間萬物的原子本質，儘管沒有任何辦法證實他們的直覺。有時，想像力也會將他們帶入歧途，例如，盧克萊修曾描述原子是「徹頭徹尾的固體」。不過斯蒂芬·格林布拉特（Stephen Greenblatt）在《大轉向》（The Swerve）這部有關盧克萊修的書中解釋道，早期的這些原子論者在思考類似的問題時，想的不僅僅是定量物理學。
根據格林布拉特的觀點，現實中的原子性質影響著我們每個人生命中最內在的本質：
如果你能持續對自己複述萬物存在的最簡單的事實——只有原子和虛無，只有原子和虛無……你的生命將會改變。當你聽到雷鳴時，你不再懼怕朱庇特的憤怒，當流感爆發之時，也不再懷疑是否有人冒犯了阿波羅。
在如今這個核能與納米技術縱橫的時代，很難相信我們對原子掌握的這些細節是很新的知識，然而，在科技界完全接受原子真實性之前出生的很多人如今仍然健在。一直到1803年，才由英國化學家約翰·道爾頓（John Dalton）提出了正式的原子論，而直到1905年，才由阿爾伯特·愛因斯坦通過對布朗運動進行數學分析，論證了分子與原子的存在。
當代的專家們可以很常規地去研究特定的原子以及它們在分子結構中的排布。但是對於缺乏必要設備的我們來說，原子存在這一事實對我們的震撼程度跟盧克萊修時代是一樣的。