อะตอมเพื่อนของเรา (8)
บทที่ 7 อะตอมขณะก่อคดี

แลด้วยประการฉะนี้ กว่าร้อยปีมาแล้วที่นักวิทยาศาสตร์พากันตื่นเต้นอยู่กับกระแสของอะตอม แทบไม่มีนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงเลยแม้สักคนเดียวที่ไม่เชื่อว่าอะตอมมีอยู่จริง ทุกคนเชื่อว่ามีอะตอมแม้ไม่มีสักคนเลยที่เคยเห็นมัน กระนั้น ความเชื่อทั้งมวลว่าอะตอมมีจริง ตั้งอยู่บนพื้นฐานที่นักกฎหมายเรียกว่า หลักฐานแวดล้อม

อะตอมเปรียบไปก็เหมือนกับเป็น จำเลย ที่ผู้พิพากษา คณะลูกขุน และพยานทั้งหลายทั้งปวงเป็นนักวิทยาศาสตร์ โดยพยานพากันเสนอหลักฐานจำนวนมากมายที่สังเกตพบจากที่เกิดเหตุอาชญากรรมต่อศาล และข้อเท็จจริงเหล่านี้จะอธิบายได้ก็ต่อเมื่อสิ่งที่เรียกว่า อะตอม มีอยู่จริงเท่านั้น ข้างฝ่ายคณะลูกขุนก็รับฟังพวกพยานอย่างพินิจพิจารณาพร้อมกับชั่งใจกับข้อเท็จจริงที่ได้ฟัง ซึ่งสภาพแวดล้อมบีบคณะลูกขุนให้สรุปได้แค่ว่า อะตอมมีอยู่จริง ในขณะที่ทนายจำเลยก็ซักค้านได้แต่เพียงว่า “ท่านสุภาพบุรุษ—ทั้งหมดนี้เป็นแค่หลักฐานแวดล้อม ไม่เคยมีใครเคยพบเห็นแม้แต่เสี้ยวหนึ่งของอะตอม ไม่มีลายนิ้วมือ ไม่เคยมีใครเคยเห็นอะตอมขณะลงมือก่อคดี” แต่คณะลูกขุนพบว่าอะตอมมีความผิดที่มีอยู่จริง เพราะหลักฐานมีมากมายเหลือเกิน

ในที่สุด ในปี ค.ศ. 1827 ก็มีพยานคนหนึ่งพบเห็นอะตอมขณะลงมือก่อคดี นี่เป็นหลักฐานที่แท้จริงที่เห็นจากกล้องจุลทรรศน์ วันหนึ่งขณะที่นักชีววิทยาชาวอังกฤษชื่อว่ารอเบิร์ต บราวน์ กำลังส่องดูหยดน้ำด้วยกล้องจุลทรรศน์ด้วยกำลังขยายสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ เขามองเห็นชิ้นเล็ก ๆ ของผงฝุ่นจำนวนมากในน้ำกับพวกพืชชิ้นเล็กมาก ๆ ที่เห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ บราวน์ไม่รู้ว่าชิ้นเล็ก ๆ พวกนี้คืออะไร แต่คิดว่าพวกมันมีชีวิต เพราะว่าพวกมันสั่น แกว่งไปแกว่งมา และเต้นระบำไปรอบ ๆ โดยไม่รู้จักอยู่นิ่ง เขาเชื่อว่าพวกมันเป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กกว่าพืชและสัตว์เซลล์เดียวที่รู้จักกันแล้วในตอนนั้นเป็นอย่างมาก ดังนั้นเขาจึงมองข้ามหลักฐานนี้ไป

การเคลื่อนไหวแบบบราวน์เป็นข้อพิสูจน์ว่าโมเลกุลของน้ำมีการเคลื่อนไหวอย่างคงที่ ในของเหลวนั้น อะตอมและโมเลกุลจะเต้นไปรอบ ๆ ไถลชนกันและกันไม่รู้จักหยุดหย่อน ในขณะที่โมเลกุลในของแข็งไม่ไถลชนกัน แต่จะสั่นและแกว่งกลับไปกลับมารอบ ๆ ตำแหน่งที่อยู่กับที่ เหมือนกับการกระเด้งของขดลวดสปริงของที่นอนสปริง ถ้าเป็นไปได้ว่า คุณมีตาวิเศษมองเห็นอะตอมได้ เมื่อมองไปที่พื้นโต๊ะเบื้องหน้า คุณก็จะเห็นโครงข่ายอันซับซ้อนของอะตอมและโมเลกุลกำลังสั่นไปมา

อะตอมและโมเลกุลของแก๊สก็เคลื่อนที่อยู่เสมอเช่นกัน เมื่อกว่าร้อยปีก่อน พวกนักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจกับแนวคิดนี้กันมาก เพราะการเคลื่อนที่ของอะตอมเปิดโอกาสให้อธิบายกฎของแก๊สที่มีชื่อเสียงพวกนั้นได้ ที่ว่าแก๊สที่ถูกจับไว้มีพฤติกรรมอย่างไร กฎธรรมชาติไม่ว่าข้อใดก็ตาม ล้วนมีความท้าทายอย่างยิ่ง เพราะมันต้องการคำอธิบาย แล้วการณ์ก็กลับกลายเป็นว่า การเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลเท่านั้นที่เป็นคำอธิบายที่ถูกต้องของพฤติกรรมอันมีระเบียบของแก๊ส ซึ่งในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษขบวนความคิดของพวกนักวิทยาศาสตร์เป็นดังนี้

แก๊สประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุลที่โบยบินไปได้เสรีอยู่ตลอดเวลา พุ่งกลับไปกลับมาได้ในทุกทิศทางเหมือนกับฝูงแมลงวันตอม แต่ทว่าสำหรับแมลงวันแล้ว พวกมันมักบินหึ่งเป็นวงและแทบจะไม่บินชนกันเลย ซึ่งโมเลกุลของแก๊สไม่เป็นอย่างนั้น ที่พุ่งตรงไปจนชนเข้ากับโมเลกุลอื่นที่บังเอิญมาขวางทางอยู่ โมเลกุลที่ชนกันจะสะท้อนกลับแบบเดียวกับลูกบิลเลียดที่มาชนกันแล้วกระเด็นแยกไปคนละทาง แต่ละโมเลกุลในแก๊สจะเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา แล้วก็ชนไปเรื่อยกับโมเลกุลโน้นโมเลกุลนี้ในแก๊สนั้น ดังนั้น ทิศที่มันเคลื่อนที่ไปจึงซิกแซ็กจนมั่วไปหมด

โมเลกุลของแก๊สยังชนเข้ากับผนังภาชนะที่ล้อมรอบพวกมันเอาไว้อยู่ตลอดเวลาด้วย เมื่อพวกมันชนเข้ากับผนัง ก็สะท้อนกลับมาและกลับไปเคลื่อนที่เสรีไม่สิ้นสุดอยู่ในมวลของแก๊สนั้นอีก ทุก ๆ วินาทีมีโมเลกุลมากมายชนผนังภาชนะหลายครั้ง และนี่ก็กลายเป็นการผลักน้อย ๆ นับล้าน ๆ ครั้งที่กลายเป็นความดันอันคงที่ต่อผนังภาชนะนั้น

ถึงตรงนี้ นี่คือข้อเสนอที่นักฟิสิกส์ไม่ว่าท่านใดคงจะยินดีปรีดา เฉพาะอย่างยิ่งหากเขามีทักษะทางคณิตศาสตร์เป็นพิเศษ! คือว่ามีเนื้อที่ที่บรรจุแก๊สเอาไว้อยู่หลายลูกบาศก์นิ้ว ดังนั้นจึงมีความดันอยู่หลายปอนด์ต่อตารางนิ้ว และสามารถสมมุติได้ว่าโมเลกุลก็คงจะโบยบินไปด้วยความเร็วหลายฟุตต่อวินาที แล้วก็ด้วยข้อมูลอย่างนี้แหละ ที่นักเรียนฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์จะนั่งลง แล้วก็คำนวณว่าโมเลกุลจะชนกันบ่อยเพียงใด ในแต่ละวินาที และมันจะเคลื่อนที่โดยเฉลี่ยไปได้ไกลแค่ไหนระหว่างการชนกัน ซึ่งจาการคำนวณนี่แหละที่เขาสามารถจะพบได้ว่ามวลปริมาณหนึ่ง ๆ ของโมเลกุลที่โบยบิน จะประพฤติเสมือนแก๊สจริงหรือไม่

ในศตวรรษที่ 19 วิชาคณิตศาสตร์มีพัฒนาการที่ดีพอเพียงแล้ว โดยนิวตันได้คำนวณการโคจรของดาวเคราะห์ต่าง ๆ ไว้ วิชาแคลคูลัสมีใช้มานานแล้ว และนักคณิตศาสตร์ก็รู้ว่าจะจัดการกับสมการอนุพันธ์แสนกลได้อย่างไร วิธีการทางคณิตศาสตร์ชั้นสูงเหล่านี้เป็นเครื่องมือที่มีอานุภาพด้านทฤษฎี โดยนำมาใช้คำนวณหาการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในแก๊สได้

ผลการคำนวณปรากฏว่าประสบผลสำเร็จเป็นอย่างมาก โดยแสดงให้เห็นว่ามวลขนาดใหญ่ของอะตอมและโมเลกุลที่เวียนว่อนไปทั่วนั้น มีพฤติกรรมเป็นไปตามกฎต่าง ๆ ที่ใช้ได้กับแก๊ส กฎต่าง ๆ ที่ว่านี้เรียกว่า จลนพลศาสตร์ของแก๊ส ซึ่งผลคำนวณออกมาดีและได้ข้อพิสูจน์สุดท้ายว่าการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลสม่ำเสมอคงที่ และยังได้ข้อสรุปสุดท้ายด้วยว่าสสารประกอบขึ้นจากอะตอมจริง แม้ไม่มีใครเคยเห็นอะตอมด้วยตาตัวเองก็ตาม

เมื่อการเคลื่อนที่ของอะตอมเป็นที่รับรู้กันแล้ว ทำให้ในที่สุดยี่ห้อทางวิทยาศาสตร์ของอาริสโตเติลก็เป็นอันย่อยยับลง ตัวอย่างหนึ่งคือเรื่องธรรมชาติของความร้อน เมื่อร้อยกว่าปีก่อนนักวิทยาศาสตร์ยังเชื่อตามอาริสโตเติลอยู่เลยว่า สิ่งที่ร้อนก็เพราะมันประกอบด้วยความร้อน อันเป็นสิ่งที่อาริสโตเติลบอกไว้ว่า ความร้อนเป็นสสารอย่างหนึ่งที่มีอยู่ในของที่ร้อน ๆ ซึ่งแม้แต่ลาวัวซีเยผู้ยิ่งใหญ่ก็ยังบรรจุ ความร้อน ไว้ในตารางของเขา ว่าก็เป็นธาตุทางเคมีชนิดหนึ่งด้วย ปัจจุบันเรารู้กันแล้วว่า ความร้อนคือการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุล เช่น ถ้าให้ความร้อนกับเตารีด อะตอมของมันก็จะเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น เมื่อเราแตะมัน อะตอมที่ปะทะกันรุนแรงขึ้นของมันต่อผิวของเรา ก็ทำให้เรารู้สึกถึงความร้อน

แม้แต่ก้อนน้ำแข็งก็ยังมีความร้อนอยู่ด้วยปริมาณเล็กน้อย ถ้ามีแว่นขยายที่สามารถมองก้อนน้ำแข็งขยายโตขึ้นร้อยล้านเท่าตัว เราจะเห็นเหมือนกับโครงสร้างยักษ์สามมิติของแต่ละโมเลกุลเดี่ยว ๆ ของ H2O มาเรียงซ้อนสานกันแป็นแนว และพวกมันก็ขยับเคลื่อนตัวอย่างคงที่ แต่พวกมันสั่นอย่างเชื่องช้าและแสนจะเกียจคร้าน นี่แหละที่ว่าทำไมเมื่อเราแตะก้อนน้ำแข็งมือของเราจึงรู้สึกเย็น

คราวนี้มาว่ากันถึงเปลวไฟ อะตอมและโมเลกุลภายในเปลวไฟรุนแรงอย่างที่สุด พวกมันพุ่งไปพุ่งมาด้วยความเร็วสูงลิ่ว และนี่ก็คือทำไมเปลวไฟจึงร้อน เหยือกแก้วที่เราหยิบฉวยมาจากชั้นวางให้ความรู้สึกที่ปกติเมื่อเราแตะต้องมัน เพราะว่าโมเลกุลของมันเคลื่อนที่อย่างช้ามาก ๆ เพียงแต่ไม่ช้าเท่ากับของก้อนน้ำแข็ง แต่ทว่าจะเกิดอะไรขึ้น หากเราเอาน้ำแข็งใส่ไว้ในเหยือกและนำเหยือกไปตั้งบนไฟ

เมื่อโมเลกุลเคลื่อนที่เร็วในเปลวไฟกระเด้งไปกระทบกับโมเลกุลของเหยือกแก้ว โมเลกุลของเหยือกแก้วก็เริ่มจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นด้วย และไปกระทบกับโมเลกุลของน้ำแข็งอีกทอดหนึ่ง ทำให้โมเลกุลของน้ำแข็งเคลื่อนที่เร็วขึ้นตามไปด้วย มันเหมือนกับการเล่นบิลเลียดที่ลูกบิลเลียดลูกหนึ่งไปกระทบกับลูกบิลเลียดอีกลูกหนึ่ง แล้วก็ไปกระทบกับอีกลูกหนึ่งเป็นทอด ๆ ไป

ไอน้ำคือคนรับใช้ผู้ทรงพลังจนแทบเป็นคนรับใช้มหัศจรรย์ แต่ก็ยังไม่ใช่จีนี่ผู้ทรงพลัง-จีนี่ที่อาศัยอยู่ในอะตอมในเรื่องของเรา ไอน้ำเป็นคนรับใช้ผู้หิวกระหายซึ่งต้องป้อนอาหารให้อย่างคงที่ มันดึงพลังของมันออกมาจากไฟ และจำเป็นต้องทำให้ไฟลุกไหม้ไม่รู้จักหมดอยู่ตลอดเวลา ไฟในยุคเทคโนโลยีนี้กัดกินทรัพยากรถ่านหินและน้ำมันอันทรงค่าของเราชนิดที่เรียกว่าสวาปามทีเดียว

จนถึงปี ค.ศ. 1890 ที่มนุษย์รู้สึกกระหยิ่มมากกับความสำเร็จด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม และคิดว่าได้รับพลังของธรรมชาติมาอยู่ในบังคับแล้ว เพราะว่ามนุษย์รู้จักอะตอม รู้ขนาดของอะตอมและรู้ว่าอะตอมแต่ละชนิดหนักเท่าใด มนุษย์รู้ว่าอะตอมมีจำนวนมากมหาศาล และยังรู้ถึงพลังอันยิ่งใหญ่ ที่แฝงอยู่ภายในการเคลื่อนไหวอันกราดเกรี้ยวของอะตอมอีกด้วย แต่อันที่จริงมนุษย์ยังไม่รู้ว่าที่แท้อะตอมคืออะไร พวกเขายังคิดว่าอะตอมเป็นสิ่งที่ทำลายและแบ่งแยกไม่ได้อย่างที่ชื่อของมันบอกเป็นนัย

สิ่งที่ชวนประหลาดใจปรากฏอยู่ไกลลิบ ๆ แล้ว!