อะตอมเพื่อนของเรา (7)
บทที่ 6 คดีที่ขาดเบาะแส

            นั่นเป็นปี ค.ศ. 1808 และเป็นปีสำคัญ ที่ทุกวันนี้เรารู้ว่าเมื่อดอลตันร่างแบบทฤษฎีอะตอมของเขาขึ้นมานั้น เขาจวนเจียนทีเดียวที่จะไขปริศนาออกมาได้ว่าธาตุทางเคมีรวมตัวกันเป็นสารประกอบทางเคมีได้อย่างไร โดยเขาเป็นคนแรกที่เผยแนวคิดออกมาว่าอะตอมต่างชนิดมาเกาะกันและเกิดเป็นอนุภาคของสารประกอบเล็ก ๆ ก็ตาม
            ที่กล่าวว่า “จวนเจียน” นั้น ก็เพราะว่า ดอลตันยังไม่รู้ว่าธาตุแต่ละชนิดจำนวนกี่อะตอม ที่มารวมกันเกิดเป็นสารประกอบชนิดใดชนิดหนึ่ง เขาไม่ได้มีคำตอบเดียวให้กับปริศนา แต่มีหลายคำตอบที่ไม่รู้ว่าคำตอบใดถูกต้อง
            สถานการณ์นี้เป็นแบบเดียวกับที่เกิดขึ้นในนวนิยายนักสืบ คือมีเบาะแสอยู่จำนวนหนึ่งที่ชี้ไปที่คำตอบหลายคำตอบ แต่กลับมีเบาะแสไม่มากพอจะบอกได้ว่าคำตอบใดถูกต้อง ยกตัวอย่างในปริศนาเกี่ยวกับน้ำของเขา ดอลตันสมมุติเอาว่า ไฮโดรเจน 1 ออนซ์มีจำนวนอะตอมเท่ากับออกซิเจน 8 ออนซ์ นั่นทำให้เครื่องปรุงสำหรับน้ำของเขากลายเป็นไฮโดรเจน 1 อะตอมสำหรับแต่ละ 1 อะตอมของออกซิเจน แต่ข้อสรุปนี้เป็นไปตามสมสุติฐานของเขาเท่านั้น แล้วถ้าหากว่าไฮโดรเจนหนัก 1 ออนซ์ประกอบด้วยจำนวนอะตอมเพียงครึ่งเดียวของจำนวนอะตอมออกซิเจนที่หนัก 8 ออนซ์เท่านั้นเล่า? ถ้าเช่นนั้นเขาก็น่าจะมีอะตอมออกซิเจน 2 อะตอมสำหรับแต่ละ 1 อะตอมไฮโดรเจนสำหรับเครื่องปรุงของเขา และสูตรของน้ำก็น่าจะเป็น HOO หรือ HO₂! ซึ่งดอลตันไม่มีทางรู้
          ถึงตรงนี้ทฤษฎีอะตอมของเขาพอดีตรงกับปัญหาแบบหนึ่ง ซึ่งรู้จักกันมาในแวดวงวิทยาศาสตร์ นานหลายศตวรรษแล้ว เรื่องนี้พูดกันครั้งแรกโดยนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกชื่อดีโอฟานตุส ผู้ที่ได้ชื่อว่าบิดาแห่งวิชาพีชคณิต เขามีชีวิตอยู่ที่เมืองอะเล็กซานเดรียประเทศอียิปต์ในราวปี ค.ศ. 260 ปัจจุบันเรารู้จักปัญหาแบบนี้กันในชื่อว่า “สมการไดโอแฟนไทน์” ถ้าจะพูดกันต่อในแนวนวนิยายนักสืบ เราก็ต้องพูดว่าดอลตันกำลังเจอเข้ากับ “คดีที่ขาดเบาะแส”

            ขอยกตัวอย่างพื้น ๆ ของสมการไดโอแฟนไทน์ ก็อย่างเช่นมีชาวนานำลูกสุกร 2 ตัวกับไก่งวงอีก 4 ตัวไปขายในเมือง เมื่อกลับมาบ้านเขาได้เงินมา 24 ดอลลาร์ ปัญหาก็คือว่าเขาขายไก่งวงไปเป็นจำนวนเงินตัวละเท่าใด แน่ละ ปัญหานี้ไม่สามารถแก้ได้ด้วยวิธีธรรมดา มันมีได้หลายคำตอบและคุณไม่มีทางรู้ได้ว่าคำตอบใดถูกต้อง เช่น ชาวนาของเราอาจขายไก่งวงไปตัวละ 2 ดอลลาร์ในกรณีที่เขาขายลูกหมูได้ตัวละ 8 ดอลลาร์ หรือถ้าเขาขายลูกหมูได้ตัวละ 6 ดอลลาร์ เราก็รู้ได้เลยว่าเขาต้องขายไก่งวงไปตัวละ 3 ดอลลาร์ คำตอบของปัญหาแบบนี้มีมากได้เท่าที่คุณต้องการ ปัญหานี้แก้ได้เมื่อมีอีก 1 เบาะแส เช่น หากรู้ราคาของลูกหมู 1 ตัว ก็สามารถหาคำตอบที่ถูกต้องได้ทันที
            ดอลตันโชคดี เพราะเบาะแสที่ขาดหายไปนี้ หาพบได้ภายในเวลาเพียง 3 ปีหลังจากดอลตันตีพิมพ์ทฤษฎีอะตอมของเขาในการพิมพ์ครั้งแรก ข้อมูลที่ได้มาจากกฎธรรมชาติอันน่าพิศวงที่ค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวอิตาลีชื่อว่าอาเมเดโอ อาโวกาโดร

            อาโวกาโดรก็เป็นเช่นเดียวกับนักฟิสิกส์ทั้งหลายในยุคของเขา ที่ให้ความสนใจเป็นอย่างมาก กับเรื่องของแก๊สว่า พวกมันมีพฤติกรรมอย่างไร ภายใต้เงื่อนไขของความดัน และอุณหภูมิที่แตกต่างกัน นับตั้งแต่ยุคของกาลิเลโอ นักวิทยาศาสตร์ก็ทราบกันแล้วว่าเมื่อจับเอาแก๊สมาบรรจุไว้ในกระบอกสูบหรือในภาชนะที่ปิดแน่น แก๊สจะมีสภาพยืดหยุ่นเหมือนกับขดลวดสปริง ซึ่งตัวอย่างที่ชัดเจนก็คืออากาศในสูบรถจักรยาน เมื่อคุณใช้นิ้วอุดปลายสายทางลมออกเอาไว้พร้อมกับดันด้ามกระบอกสูบเข้าไป คุณจะรู้สึกเหมือนกับกำลังออกแรงต้านกับขดลวดสปริง อากาศเป็นแก๊สอย่างหนึ่งซึ่งอันที่จริงก็เป็นเหมือนกับสปริงชั้นยอดที่เราใช้ในยางรถยนต์เพื่อให้การขับขี่นุ่มนวลและมีสปริง
ตั้งแต่สมัยของกาลิเลโอแล้วที่นักฟิสิกส์ทั้งหลายได้ทดลองเกี่ยวกับความมีสปริงหรือความดันของอากาศหรือของแก๊สอื่น ๆ อันน่าสนใจนี้ ในเวลาที่ผ่านมาพวกเขาพบว่าแก๊สมีพฤติกรรมเป็นไปตามกฎที่ค่อนข้างธรรมดาหลายข้อ กฎของแก๊สข้อหนึ่งค้นพบโดยรอเบิร์ต บอยล์คนที่เรากล่าวถึงมาก่อนแล้วว่าเป็นผู้ที่บอกแก่เราว่าธาตุทางเคมีคืออะไร กฎนี้เรียกว่า “กฎของบอยล์” เขาตีพิมพ์ไว้ในหนังสือชื่อ “ว่าด้วยลักษณะสปริงของอากาศ” ซึ่งบอกเพียงง่าย ๆ ว่า มวลจำนวนหนึ่งของแก๊สที่ถูกจับไว้ในภาชนะใบหนึ่ง จะมีความดันเพิ่มเป็นสองเท่าเมื่อถูกบีบให้มีปริมาตรลงเหลือครึ่งหนึ่งของตอนตั้งต้น ในทางกลับกัน ความดันของแก๊สก็จะลดลงเมื่อปริมาตรของแก๊สภาชนะปิดนั้นเพิ่มขึ้น

            กฎของแก๊สข้ออื่น ๆ ค้นพบภายหลังยุคของบอยล์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิของแก๊ส ยกตัวอย่างเช่น เราทุกคนรู้กันว่าความดันของแก๊สในยางรถยนต์เพิ่มขึ้นเมื่อรถวิ่งไปได้สักพักหนึ่งและล้อร้อนขึ้น กฎของแก๊สที่เกี่ยวกับอุณหภูมิพวกนี้ ค้นพบเพียงไม่กี่ปี ก่อนที่ดอลตันและอาโวกาโดร จะมาคร่ำเคร่งทุ่มเทความพยายามของพวกเขาให้กับอะตอม
            อาโวกาโดรเป็นศาสตราจารย์ทางฟิสิกส์อยู่ที่มหาวิทยาลัยตูรินประเทศอิตาลีนานหลายปี จนถึงปี ค.ศ. 1811 เขาก็ค้นพบกฎข้อหนึ่งที่นับแต่นั้นก็เชื่อมโยงเข้ากับชื่อของเขา
            แก๊สไม่ว่าชนิดใด ๆ ถ้ามีความดันและอุณหภูมิเท่ากัน เมื่อจับมาใส่ไว้ในภาชนะที่มีขนาดเท่ากัน แก๊สในภาชนะนั้นจะมีจำนวนอนุภาคของแก๊สเท่ากันเสมอ
            ยกตัวอย่างไฮโดรเจนและออกซิเจนเมื่อนำมาบรรจุไว้ในขวดแกลลอนอย่างละขวด กฎของอาโวกาโดรก็บอกว่า จำนวนอะตอมที่มีอยู่ในขวดทั้งสองใบจะเท่ากันเมื่อมีความดันและอุณหภูมิเท่ากัน กฎนี้เป็นจริงสำหรับไนโตรเจนและคลอรีนซึ่งเป็นแก๊สอื่นอีกสองชนิด กฎนี้เป็นอื่นไปไม่ได้นอกจากความอัศจรรย์!
            อาโวกาโดรได้เบาะแสที่หายไปแล้ว และเขาก็ตลุยไปข้างหน้าทันทีเพื่อใช้กับปัญหาของดอลตัน ทั้งหมดที่เขาต้องลงมือทำก็คือต้องมามองดูที่ตารางของนักเคมีทั้งหลายว่าไฮโดรเจน 1 แกลลอนหนักเท่าใดและออกซิเจน 1 แกลลอนนั้นมีน้ำหนักเท่าใด ซึ่งตารางแสดงว่า 1 แกลลอนของออกซิเจนหนักกว่าไฮโดรเจน 1 แกลลอน 16 เท่าตัว แต่ในแต่ละแกลลอนนั้นมีจำนวนอะตอมเท่ากัน ดังนั้น ออกซิเจน 1 อะตอมก็ต้องหนักเป็น 16 เท่าของน้ำหนักอะตอมไฮโดรเจน! นี่เป็นผลลัพธ์ง่าย ๆ แต่สำคัญมาก

            ที่เหลือก็เป็นเรื่องง่าย เพราะเมื่ออะตอมออกซิเจนหนักเป็น 16 เท่าของอะตอมไฮโดรเจน เป็นใครก็ต้องหาได้ว่าจำนวนอะตอมของไฮโดรเจนครึ่งออนซ์ก็ต้องเท่ากับจำนวนอะตอมของออกซิเจน 8 ออนซ์ แต่เครื่องปรุงสำหรับน้ำของดอลตันต้องมีไฮโดรเจน 1 ออนซ์ต่อออกซิเจน 8 ออนซ์ ดังนั้นเครื่องปรุงของน้ำก็ต้องเป็นไฮโดรเจน 2 อะตอมต่อทุก ๆ ออกซิเจน 1 อะตอม ซึ่งเมื่อรวมกันตามปฏิกิริยาเคมี ก็จะได้ “H₂O”-น้ำ?

            ดอลตันได้แสดงว่าสารประกอบทางเคมีเกิดขึ้นได้อย่างไร คือ อะตอมของธาตุต่าง ๆ มาเกาะยึดกันและรวมกันเข้าเป็นสิ่งที่เขาเรียกว่า “อะตอมประกอบ” จากนั้น อาโวกาโดรก็มาแสดงให้เห็นว่าอะตอมแต่ละชนิดจำนวนกี่อะตอมรวมตัวกันเข้าเป็นอะตอมประกอบแต่ละชนิด นอกจากนี้เขายังเป็นคนแรกที่มองออกว่า อะตอมประกอบเหล่านี้ มีความสำคัญอย่างไรต่อความเข้าใจทางฟิสิกส์และเคมี เขาถึงกับตั้งชื่อให้กับอะตอมประกอบพวกนี้ เพื่อให้มีความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างพวกอะตอมประกอบกับพวกอะตอมเดี่ยว ๆ โดยเขาเรียกอะตอมประกอบว่า “โมเลกุล” ซึ่งหมายถึง “มวลน้อย ๆ” และอนุรักษ์ชื่อ “อะตอม” ไว้สำหรับอนุภาคเดี่ยวที่เล็กที่สุดที่ประกอบกันขึ้นเป็นธาตุทางเคมี
            เมื่อว่าตามอาโวกาโดร การรวมตัวเป็น “H₂O” ก็คือโมเลกุลอย่างหนึ่ง ซึ่งก็คือโมเลกุลน้ำ อันเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของน้ำ ถ้านำเอามวลของโมเลกุลเหล่านี้นับล้านและพันล้านโมเลกุลมารวมกัน สิ่งที่ได้ก็คือน้ำ 1 หยด

            ถึงตรงนี้ทุกอย่างก็กระจ่างแล้ว ธาตุทางเคมีประกอบขึ้นจากอะตอมเดี่ยว ๆ หรือโมเลกุลซึ่งมีแต่อะตอมชนิดเดียวกันมาเกาะยึดติดกัน โดยสารประกอบทางเคมีประกอบขึ้นจากโมเลกุลซึ่งมีชนิดของอะตอม 2 หรือ 3 ชนิดที่แตกต่างกัน
            หลังจากที่ผลงานของอาโวกาโดรสำเร็จสมบูรณ์แล้ว ในที่สุดทฤษฎีอะตอมของดอลตันก็เป็นที่ยอมรับ ทุกวันนี้เรามองว่าดอลตันเป็นบิดาของอะตอมสมัยใหม่ และสำหรับอาโวกาโดรเรามองว่าเป็นบิดาของโมเลกุล
            อย่างไรก็ดี ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำ ซึ่งก็ตกเป็นภาระหน้าที่ของพวกนักเคมีที่ต้องหาให้ได้ว่าโมเลกุลมากมายในธรรมชาติเกิดขึ้นได้อย่างไร และเกิดขึ้นจากอะตอมแต่ละชนิดอย่างละกี่อะตอม นี่กลายเป็นเกมตัวเลขและการรวมตัวกันอันมีเสน่ห์ชวนไขปัญหาอันมากมายเหล่านี้ และเสมือนกับเกมปริศนาอักษรไขว้ขนาดใหญ่ที่ขยายใหญ่ขึ้นรวดเร็วเกินกว่าที่จะไขคำตอบได้
            เกมนี้เริ่มต้นด้วยโมเลกุลธรรมดา ๆ เช่นที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมโซเดียมและคลอรีนรวมตัวกัน ธาตุทั้งสองชนิดนี้เป็นพิษอย่างแรง แต่เมื่ออะตอมโซเดียม (Na) 1 อะตอมและอะตอมคลอรีน (Cl) 1 อะตอมมายึดเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลง่าย ๆ อย่าง “NaCl” ที่เราได้ก็คือ—เกลือแกง--นั่นเอง จากนั้นก็ต้องจัดการกับโมเลกุลที่ซับซ้อนขึ้น ยกตัวอย่าง อะตอมของคาร์บอน (C) จำนวน 12 อะตอม กับไฮโดรเจน (H) 22 อะตอม และออกซิเจน (O) อีก 11 อะตอม เมื่อมายึดกันอย่างถูกวิธีเป็นโมเลกุล C₁₂H₂₂O₁₁ ก็ได้เป็น—น้ำตาล

            นักวิทยาศาสตร์เดี๋ยวนี้ก็ยังคงง่วนอยู่กับการค้นหาว่า อะตอมมายึดเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลโน้นโมเลกุลนี้อย่างไรกัน โดยที่โมเลกุลพื้น ๆ ทุกชนิดถูกวิเคราะห์ไปหมดตั้งนานมาแล้ว ทุกวันนี้นักเคมีกำลังปล้ำอยู่กับพวกโมเลกุลที่ประกอบขึ้นจากอะตอมเดี่ยว ๆ จำนวนนับหมื่นหรือแม้แต่หลายแสนอะตอม! โมเลกุลพวกนี้ได้แก่โมเลกุลของสิ่งมีชีวิตอย่างพืช สัตว์ รวมทั้งคนเรา ซึ่งเมื่อปี ค.ศ. 1955 ดอกเตอร์ไลนัส พอลิงแห่งสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากการที่เขาศึกษาโมเลกุลขนาดยักษ์พวกนี้
            อาโวกาโดรใช้กฎอันน่าพิศวงของเขา เพื่อค้นหาว่า อะตอมออกซิเจนหนักกว่าอะตอมไฮโดรเจนเท่าใด และกับอะตอมอื่น ๆ ทุกชนิดก็ทำได้ด้วยวิธีเดียวกัน โดยวิธีนี้นักเคมีก็ค้นพบสิ่งที่เรียกว่า “น้ำหนักเชิงอะตอม” และก็กลายเป็นว่าในอะตอมทั้งหมดนั้นไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่เบาที่สุด และดังนั้นก็เลยถูกกำหนดให้มีน้ำหนักเชิงอะตอมเท่ากับ 1 ก็เลยทำให้ออกซิเจนมีน้ำหนักเชิงอะตอมเป็น 16 สำหรับเหล็กคือ 56 และอะตอมที่เกิดในธรรมชาติที่หนักที่สุดได้แก่ ยูเรเนียม มีน้ำหนักเชิงอะตอมคือ 238
            แม้จนทุกวันนี้ก็ยังไม่มีใครเคยได้มองเห็นอะตอมเดี่ยว ๆ นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากในยุคของอาโวกาโดรเองก็ยังคิดกันว่าไม่มีสิ่งที่เรียกว่าอะตอมอยู่ แต่เพียงไม่กี่ปีต่อมา ก็เป็นที่รู้กันทั่วไปว่า อะตอมของแต่ละธาตุที่รู้จักกันในขณะนั้นหนักเท่าใด เมื่อเทียบกับอะตอมไฮโดรเจน

แปลจาก CHAPTER SIX: THE CASE OF THE MISSING CLUE ของหนังสือ The WALT DISNEY story of OUR FRIEND THE ATOM by Heinz Haber, Published by DELL PUBLISHING CO., INC., N.Y., 1956