เกสรดอกไม้ในน้ำ: จุดเล็กๆที่ช่วยไขปริศนาของอะตอม
ทุกวันนี้ ทฤษฎีอะตอม พันธะเคมี และโมเลกุล เป็นสิ่งที่นักเรียน นักศึกษาคุ้นเคยเพราะร่ำเรียนกันจนเห็นเป็นเรื่องปกติ จนอาจลืมไปว่าทั้งหมดที่กล่าวมานี้ล้วนเป็นสิ่งที่ตาเรามองไม่เห็น กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไปก็มองไม่เห็น แล้วเรามั่นใจได้อย่างไรว่าอะตอมมีอยู่จริง?
คำถามนี้เกิดขึ้นกับนักวิทยาศาสตร์เมื่อร้อยกว่าปีก่อน
แม้ว่าในช่วงเวลานั้นนักเคมีจะรู้ดีว่าแนวคิดเรื่องอะตอมใช้อธิบายธรรมชาติของสสารเคมีได้มากมาย แต่ยังไม่มีใครพิสูจน์ได้แบบชัดๆไปเลยว่าอะตอมหรือโมเลกุลมีอยู่จริง
กล่าวคือ เมื่อเราสังเกตสสารบริสุทธิ์ต่างๆตั้งแต่อากาศ น้ำ ฯลฯ พวกมันล้วนมีความต่อเนื่องสม่ำเสมอเป็นเนื้อเดียวกันไปหมด แต่ไม่มีใครแสดงให้เห็นได้เลยว่าองค์ประกอบย่อยที่สุดของสสารมีลักษณะเป็นก้อนๆของอะตอม(หรือโมเลกุล)ที่ไม่ต่อเนื่อง
คำบอกใบ้เกี่ยวกับปริศนาข้อนี้ถูกสังเกตเห็นในปี ค.ศ. 1827 โดยนักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อต โรเบิร์ต บราวน์ (Robert Brown) ผู้ที่มีผลงานด้านพฤกษศาสตร์มากมาย
เช่น การแยกประเภทพืชตระกูลสนออกจากพืชดอก ซึ่งก่อนหน้านั้นพืชทั้งสองถูกจัดเป็นพืชกลุ่มเดียวกันเพราะพวกมันล้วนมีเมล็ด
พืชตระกูลสน เมล็ดจะเป็นแบบเปลือย แตกต่างจากเมล็ดของพืชดอก
แต่การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ของเขาเกิดจากการใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องไปยังละอองเกสรจิ๋วที่ลอยอยู่บนผิวน้ำ แล้วพบว่าละอองเกสรเหล่านั้นเคลื่อนไหวเต้นไปมาแบบสะเปะสะปะและเมื่อปล่อยทิ้งไว้มันจะเปลี่ยนตำแหน่งไปแบบคาดเดาไม่ได้
เขาสงสัยว่าอะไรเป็นเหตุให้ละอองเหล่านี้เคลื่อนไหวได้ ทั้งๆที่น้ำไม่ได้มีการไหลหรือกระเพื่อม จึงทำการทดลองเพิ่มเติมด้วยการนำสสารอื่นที่ไม่ใช่สารอินทรีย์อย่างละอองเกสรมาลอยน้ำ ก็พบว่าพวกมันเคลื่อนไหวในลักษะเดียวกับละอองเกสร
การเคลื่อนไหวแบบสุ่มของสสารเล็กๆบนผิวน้ำ เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์พยายามหาทางอธิบายว่าอะไรเป็นต้นเหตุที่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวดังกล่าวด้วยสมมติฐานต่างๆตั้งแต่ แสงที่ตกกระทบผิวน้ำทำให้เกิดความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ จนถึง การระเหยของน้ำ แต่ไม่นานนักสมมติฐานทั้งหมดนี้ถูกหักล้างด้วยการทดลองที่ละเอียดมากขึ้น
ปริศนาของละอองเกสรนี้ ค้างอยู่ในโลกแห่งฟิสิกส์มาจนถึงศตวรรษที่ 20
ในปี ค.ศ. 1905 เจ้าหน้าที่คนหนึ่งในสำนักงานจดสิทธิบัตรของประเทศสวิตเซอร์แลนด์ที่ไม่มีใครรู้จัก เสนอคำอธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวน์พร้อมการคำนวณทางคณิตศาสตร์อันหลักแหลม
สมมติฐานดังกล่าวคือ น้ำมีองค์ประกอบเป็นโมเลกุลเล็กๆมากมาย โมเลกุลเหล่านี้พุ่งเข้าชนอย่างต่อเนื่องจากทุกทิศทาง อย่างไรก็ตามในช่วงเวลาสั้นๆ ละอองเกสรอาจถูกชนจากด้านหนึ่งมากกว่าอีกด้านเล็กน้อย ทำให้มันขยับจากที่เดิมไปเล็กน้อย แต่ในช่วงเวลาที่ยาวนานพอ การขยับเล็กน้อยเหล่านี้จะรวมกันกลายเป็นการเปลี่ยนตำแหน่งอย่างไม่อาจคาดเดาได้เช่นเดียวกับการเดินของคนเมาสุราอย่างหนัก
อย่างไรก็ตาม ที่บอกว่า คาดเดาไม่ได้ นั้น หมายถึง เราไม่อาจทำนายตำแหน่งของละอองเกสรเมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่งได้ แต่สมการในงานวิจัยดังกล่าวช่วยในการทำนายเชิงสถิติได้ว่า ที่ระยะเวลาหนึ่ง และระยะห่างออกไปจากจุดตั้งต้นค่าหนึ่ง เรามีโอกาสพบละอองเกสรแค่ไหน *
เจ้าหน้าที่คนนั้นมีนามว่า อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งในปีเดียวกันกับที่เขาเสนองานวิจัยเรื่องการเคลื่อนที่แบบบราวน์ เขายังเสนองานวิจัยอีกสองเรื่องนั่นคือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และ คำอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric effect) ซึ่งงานวิจัยทั้งสามล้วนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อโลกฟิสิกส์ ทุกวันนี้นักฟิสิกส์เรียกปี ค.ศ. 1905 ว่า ปีแห่งปาฏิหาริย์ หรือ Annus Mirabilis
ฌอง แปแร็ง
หลังจากนั้นไม่นาน ฌอง แปแร็ง (Jean Perrin) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสศึกษางานของไอน์สไตน์ แล้วทำการทดลองจนได้ผลลัพธ์สอดคล้องกับสมการของไอน์สไตน์ การทดลองดังกล่าวนำไปสู่การวัดขนาดโมเลกุลของน้ำ รวมทั้งค่าคงที่อาโวกาโดรซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในวิชาเคมี ส่งผลให้ฌอง แปแร็งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1926
แม้โลกจะรู้แล้วว่าอะตอม และโมเลกุล มีจริง
แต่คำถามคือ มีอะไรที่เล็กไปกว่าอะตอมหรือไม่ เรื่องนี้ต้องคุยกันในครั้งถัดๆไปครับ
อ้างอิง
Investigations on the Theory of the Brownian Movement
โดย Albert Einstein
* ตัวแปรสำคัญอย่างหนึ่งที่ต้องรู้เพื่อทำนายคือ Diffusion coefficient ซึ่งขึ้นอยู่กับตัวกลางที่ละอองเกสรลอยอยู่
- 34
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
