ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#29 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : การค้นพบการมีอยู่ของอะตอม

อริสโตเติล (Aristotle) เชื่อว่าสสารทั้งหมดในจักรวาลประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานสี่อย่าง—ดิน อากาศ ไฟ และน้ำ โดยอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรง 2 ชนิด: 1) แรงโน้มถ่วง (gravity) ซึ่งทำให้ดินและน้ำจะตกลงมา และ 2) แรงลอยตัว (levity) ซึ่งทำให้อากาศและไฟลอยตัวขึ้นไป การแบ่งองค์ประกอบของจักรวาลออกเป็นสสาร (matter) และแรง (forces) ยังคงใช้มาจนถึงทุกวันนี้

อริสโตเติลเชื่อว่าสสารมีความต่อเนื่อง กล่าวคือ เราสามารถแบ่งสสารเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย เล็กลงไปได้เรื่อยๆ โดยไม่มีที่สิ้นสุด อย่างไรก็ตามชาวกรีกบางคน เช่น เดโมคริตุส (Democritus) เชื่อว่าสสารนั้นประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดที่แตกต่างกันจำนวนมาก และไม่สามารถแบ่งแยกให้เล็กลงกว่านั้นได้อีก เรียกว่า “อะตอม (atom)”  (คำว่าอะตอมในภาษากรีก หมายถึง “แบ่งแยกไม่ได้”) การโต้เถียงระหว่าง 2 แนวคิดนี้ยังคงดำเนินต่อไปเป็นเวลาหลายร้อยปี โดยปราศจากหลักฐานยืนยันความถูกต้องจากทั้งสองฝ่าย จนกระทั่งในปี 1803 นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ จอห์น ดาลตัน (John Dalton) ค้นพบการมีอยู่ของโมเลกุล (molecules) เขาชี้ให้เห็นข้อเท็จจริงที่ว่าสารประกอบทางเคมีมักจะรวมกันในสัดส่วนที่แน่นอน การรวมตัวของอะตอมสร้างหน่วยที่เรียกว่าโมเลกุล อย่างไรก็ตามการโต้เถียงกันระหว่าง 2 แนวคิดยังดำเนินต่อไปโดยไม่มีข้อยุติ

ในที่สุดไอน์สไตน์ให้หลักฐานทางกายภาพที่สำคัญชิ้นหนึ่งในบทความที่เขียนในปี 1905 ไม่กี่สัปดาห์ก่อนการประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์ชี้ให้เห็นสิ่งที่เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian motion) — การเคลื่อนที่อย่างสะเปะสะปะไม่เป็นระเบียบ (การเคลื่อนที่แบบสุ่ม-random motion) ของผงฝุ่นขนาดจิ๋วในของเหลวบางชนิด ที่เกิดจากการชนกันของอะตอมของของเหลวกับอนุภาคฝุ่น 

ทฤษฎีอะตอมสมัยโบราณ

ความคิดที่ว่าสสารประกอบด้วยอะตอมเกิดขึ้นครั้งแรกเมื่อ 2300 ปีก่อนโดยนักปรัชญาชาวกรีกชื่อ เดโมคริตุส (Democritus) ที่มีชีวิตอยู่ตั้งแต่ 460-370 ปีก่อนคริสตกาล เดโมคริตุสรู้ว่าถ้าหินถูกแบ่งครึ่ง แต่ละครึ่งมีคุณสมบัติเหมือนกับหินก้อนเดิม เขาให้เหตุผลว่าถ้าหินจะถูกตัดเป็นชิ้นเล็กลงเรื่อยๆ เมื่อถึงจุดหนึ่งจะไปถึงชิ้นส่วนที่เล็กมากจนไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป เขาเรียกชิ้นส่วนเล็กๆ เหล่านี้ว่า “อะตอม (atom)” เป็นคำมาจากภาษากรีกว่า atomos ซึ่งแปลว่า “แบ่งแยกไม่ได้” และอะตอมเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นทุกสิ่งที่เราเห็นและเป็นอยู่

เดโมคริตุสให้เหตุผลว่าหากสสารสามารถแบ่งออกได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด มันจะมีการแตกสลายอย่างสมบูรณ์ซึ่งไม่สามารถรวบรวมกลับคืนมาได้ 

เดโมคริตุสตั้งทฤษฎีว่า อะตอมมีความเฉพาะเจาะจงกับวัตถุที่พวกมันประกอบขึ้นเป็นส่วนประกอบ หมายความว่าอะตอมของหินมีลักษณะเฉพาะของหิน และแตกต่างจากอะตอมของวัตถุอื่นๆ เช่น ขน นี่เป็นทฤษฎีที่น่าทึ่งที่พยายามอธิบายโลกทั้งใบด้วยแนวคิดเพียงเล็กน้อย

แบบจำลองอะตอมของเดโมคริตุสระบุว่า สสารประกอบด้วยอนุภาคที่มองไม่เห็นซึ่งเรียกว่า “อะตอม” พวกมันลอยอยู่ในสูญญากาศ ซึ่งเดโมคริตุสเรียกว่า “ความว่างเปล่า” เดโมคริตุสเชื่อว่าอะตอมมีขนาดเล็กและมองไม่เห็น มีความสม่ำเสมอ เป็นเนื้อเดียวกัน แข็ง บีบอัดไม่ได้ และไม่สามารถทำลายหรือสูญหายได้ นอกจากนี้เขายังเชื่อว่าอะตอมเหล่านี้ทั้งหมดประกอบด้วยสสารหลักเดียวกัน โดยมีความแตกต่างระหว่างพวกมันคือ มีขนาด รูปร่าง ตำแหน่ง และการจัดเรียงต่างกันโดยมีช่องว่างระหว่างอะตอม อะตอมบางส่วนมีลักษณะนูน บางส่วนเว้า บางส่วนมีรูปร่างเหมือนขอเกี่ยว และบางส่วนคล้ายตา ความแตกต่างเหล่านี้ของอะตอมเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติต่างๆ ของสสาร เดโมคริตุสเขียนว่าการรับรู้ของมนุษย์ก็เกิดจากอะตอมเช่นกัน ความขมเกิดจากอะตอมเล็กๆ เป็นเหลี่ยมเป็นหยักๆ ผ่านลิ้น ในขณะที่ความหวานเกิดจากอะตอมที่ใหญ่กว่า เรียบกว่าและกลมกว่าผ่านลิ้น

ความว่างเปล่าคือ “ช่องว่างระหว่างอะตอม” เป็นพื้นที่ว่างที่อะตอมเคลื่อนที่และชนกันอย่างต่อเนื่อง  เมื่ออะตอมเหล่านี้ชนกัน พวกมันอาจผลักกันหรืออาจเชื่อมเกาะติดกันเป็นกลุ่ม เนื่องจากสสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอม ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของสสารจึงเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอะตอม จะเป็นการแยกตัวหรือการรวมตัวของอะตอม ขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ไปทั่วความว่างเปล่า

แม้ว่าทฤษฎีอะตอมของเดโมคริตุสจะน่าทึ่ง เป็นเรื่องที่น่าสนใจมากที่เดโมคริตุสมีแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับอะตอม แต่ก็ถูกอริสโตเติลปฏิเสธ ซึ่งเป็นนักปรัชญาที่ทรงอิทธิพลที่สุดของกรีกโบราณ และทฤษฎีอะตอมของเดโมคริตุสถูกละเลยมาเกือบ 2,000 ปี

อริสโตเติล (384–322 ปีก่อนคริสตกาล)

อริสโตเติล (Aristotle) ปฏิเสธทฤษฎีอะตอมของเดโมคริตุส อริสโตเติลมีความคิดที่ต่างไปจากเดโมคริตุสอย่างสิ้นเชิง เขาคิดว่าสสารทั้งหมดบนโลกไม่ได้ประกอบด้วยอะตอม แต่ประกอบด้วยธาตุทั้งสี่ ได้แก่ ดิน ไฟ น้ำ และอากาศ ซึ่งมีสี่คุณสมบัติ: ร้อน เย็น แห้ง และเปียก กล่าวคือ ธาตุดิน-เย็นและแห้ง ธาตุไฟ-ร้อนและแห้ง ธาตุลม-ร้อนและเปียก และธาตุน้ำ-เย็นและเปียก ธาตุทั้งสี่มีการเปลี่ยนแปลงและเสื่อมสลายได้

เพื่ออธิบายองค์ประกอบของทุกสสาร สำหรับอริสโตเติล เมื่อพิจารณาชิ้นไม้ที่ถูกเผา เปลวไฟเป็นองค์ประกอบของ “ไฟ” ควันไฟก็คือ “อากาศ” ความชื้นก็คือ “น้ำ” และเถ้าที่หลงเหลืออยู่ก็คือองค์ประกอบของ “ดิน”

อัตราส่วนของธาตุทั้งสี่นี้ส่งผลต่อคุณสมบัติของสสาร ตัวอย่างเช่น หินประกอบด้วยดินในปริมาณมาก ในขณะที่กระต่ายจะมีอัตราส่วนน้ำและไฟที่สูงกว่า ทำให้มันนิ่มและให้ชีวิต

อริสโตเติลเป็นผู้ริเริ่มแนวคิดเกี่ยวกับโลกทางกายภาพอย่างเป็นระบบ ซึ่งมักเรียกกันว่าฟิสิกส์ของอริสโตเติล (Aristotelian physics) อริสโตเติลได้ค้นพบหลายอย่างเกี่ยวกับธรรมชาติของการเคลื่อนไหว เขาเชื่อว่าการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติของวัตถุถูกกำหนดโดยธรรมชาติของธาตุทั้งสี่ที่ประกอบเป็นวัตถุ

สำหรับอริสโตเติล แรงมีอยู่ภายในวัตถุที่บังคับให้มันประพฤติตัวในลักษณะใดลักษณะหนึ่ง “แรงโน้มถ่วง (gravity)” มีแนวโน้มตามธรรมชาติที่จะตกลงสู่พื้นโลก ซึ่งทำให้ธาตุที่หนักคือ ดินและน้ำ ตกลงมา และ “แรงลอยตัว (levity)” มีแนวโน้มตามธรรมชาติที่จะลอยขึ้นสู่ท้องฟ้า ซึ่งทำให้ธาตุที่เบาคือ อากาศและไฟ ลอยตัวขึ้นไป และธาตุทั้งสี่พยายามที่จะกลับสู่ “ที่ธรรมชาติ” ของพวกมันเสมอ ตัวอย่างเช่น เช่น ไฟต้องอยู่บนท้องฟ้า มันจึงพยายามลอยสูงขึ้นเสมอ ธาตุดินอยู่ข้างล่าง มันจึงพยายามหล่นลงมาสู่พื้น 

ย้อนกลับมาเรื่องของอะตอม ฝ่ายตรงข้ามที่ทรงพลังที่สุดของทฤษฎีอะตอมของเดโมคริตุสคืออริสโตเติล นอกจากอริสโตเติลไม่เชื่อว่าสสารทั้งหมดบนโลกประกอบด้วยอะตอม แต่ประกอบด้วยธาตุทั้งสี่ ได้แก่ ดิน ไฟ น้ำ และอากาศ อริสโตเติลยังคิดว่า “สสารทุกชนิดสามารถถูกแบ่งให้เล็กลงไปได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด โดยไม่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของมัน” และเขาไม่เชื่อว่า “สูญญากาศ” หรือความว่างเปล่านั้นมีอยู่จริง อริสโตเติลได้บัญญัติวลีที่ว่า “ธรรมชาติเกลียดชังสูญญากาศ (Nature abhors a vacuum)” วลีนี้เป็นการแสดงออกของอริสโตเติลถึงแนวคิดที่ว่า “ช่องว่างที่ไม่มีการเติมเต็ม” นั้นขัดต่อกฎของธรรมชาติและฟิสิกส์ และทุกพื้นที่จำเป็นต้องเต็มไปด้วยบางสิ่ง และไม่ว่าที่ใดก็ตามที่สูญญากาศดังกล่าวใกล้จะพัฒนา ธรรมชาติก็จะเติมเต็มลงในทันที

คนส่วนใหญ่เชื่อตามความคิดของอริสโตเติล ทำให้แนวคิดของเดโมคริตุสที่ว่าสสารทั้งหมดบนโลกประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าอะตอม ถูกมองข้ามไปเป็นเวลาประมาณ 2,000 ปี! ก่อนที่นักวิทยาศาสตร์จะทำการสังเกตการณ์ด้วยอุปกรณ์และเห็นอะตอมเหมือนเดโมคริตุส แนวคิดของเดโมคริตุสเป็นรากฐานที่ดีสำหรับการพัฒนาทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่ ส่วนทัศนะของอริสโตเติลได้รับการพิสูจน์ว่าไม่ถูกต้องในที่สุด และคำสอนของเขาไม่ปรากฏในมุมมองสมัยใหม่ของอะตอม

Jake Bugg – Lost

ทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่

จอห์น ดาลตัน (ค.ศ. 1766-1844)

นับตั้งแต่เดโมคริตุส (Democritus) เสนอทฤษฎีอะตอมเป็นครั้งแรก ต้องใช้เวลาเกือบสองพันปีก่อนที่ทฤษฎีอะตอมจะได้รับการยอมรับว่าเป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่อธิบายธรรมชาติของสสารในรูปของอะตอม โดย จอห์น ดาลตัน (John Dalton) ครูและนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้พัฒนาทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่ขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1803

ดาลตันได้คิดค้นทฤษฎีอะตอมของเขาขึ้นจากการวิจัยของเขาเกี่ยวกับก๊าซ การทดลองของเขาเกี่ยวกับการสร้างก๊าซผสม ซึ่งรวมถึงแรงดันไอน้ำและไอระเหยอื่นๆ ที่อุณหภูมิต่างๆ ในการระเหยและการขยายตัวทางความร้อนของก๊าซ 

ในบทความของเขา ดาลตันอธิบายการทดลองที่เขาพยายามค้นหาความดันของไอน้ำที่จุดต่างๆ ระหว่าง 0 ถึง 100 °C จากการสังเกตของเหลวหกชนิดที่แตกต่างกัน ดาลตันสรุปว่าความแปรผันของความดันไอของของเหลวทั้งหมดมีค่าเท่ากัน สำหรับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เท่ากัน 

เขายังสรุปด้วยว่าของเหลวยืดหยุ่นทั้งหมดภายใต้แรงดันเดียวกัน จะขยายตัวเท่าๆ กันเมื่อใช้ความร้อน นอกจากนี้เขาตั้งข้อสังเกตว่าสำหรับการขยายตัวของปรอทใดๆ การขยายตัวของอากาศที่สอดคล้องกันนั้นมีสัดส่วนน้อยกว่าอุณหภูมิที่สูงขึ้น

Dalton’s Atomic Theory

ในระหว่างการวิจัยเกี่ยวกับก๊าซนี้ ดาลตันยังค้นพบด้วยว่าก๊าซบางชนิดสามารถรวมกันได้ในสัดส่วนที่แน่นอนเท่านั้น แม้ว่าสารประกอบสองชนิดที่ต่างกันจะมีองค์ประกอบหรือกลุ่มขององค์ประกอบเดียวกันร่วมกันก็ตาม สิ่งนี้กลายเป็น “กฎความดันบางส่วนของดาลตัน (Dalton’s law of partial pressures)” ซึ่งระบุว่า “ในส่วนผสมของก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยา ความดันทั้งหมดที่กระทำจะเท่ากับผลรวมของแรงดันบางส่วนของก๊าซแต่ละตัว”

การทดลองเหล่านี้สร้างขึ้นจากสองทฤษฎีที่เกิดขึ้นเมื่อปลายศตวรรษที่ 18 ซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี

กฎข้อแรกคือ “กฎการอนุรักษ์มวล (Conservation of mass) ซึ่งเสนอโดย Antoine Lavoisier ในปี 1789 ซึ่งระบุว่ามวลรวมในปฏิกิริยาเคมีนั้นคงที่ นั่นคือ สารตั้งต้นมีมวลเท่ากันกับผลิตภัณฑ์

กฎข้อที่สองคือ “กฎของสัดส่วนที่แน่นอน (Law of definite proportions)” ซึ่งได้รับการพิสูจน์ครั้งแรกโดยนักเคมีชาวฝรั่งเศส Joseph Louis Proust ในปี 1799 กฎนี้ระบุว่าหากสารประกอบถูกแบ่งออกเป็นองค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบ มวลขององค์ประกอบจะมีสัดส่วนเท่ากันเสมอโดยไม่คำนึงถึงปริมาณหรือแหล่งที่มาของสารตั้งต้น

เมื่อศึกษากฎเหล่านี้และต่อยอดจากกฎเหล่านี้ ดาลตันได้พัฒนากฎของเขาในสัดส่วนที่หลากหลาย กฎข้อนี้ระบุว่าหากธาตุสองธาตุรวมกันเป็นสารประกอบที่เป็นไปได้จำนวนหนึ่ง อัตราส่วนของมวลของธาตุที่สองซึ่งรวมกับมวลคงที่ของธาตุแรกจะเป็นอัตราส่วนของจำนวนเต็มจำนวนน้อย 

ดาลตันยังได้เสนอตามความเชื่อของเขาว่า อะตอมของธาตุต่างๆ สามารถแยกแยะความแตกต่างได้ในระดับสากลตามน้ำหนักอะตอมที่ต่างกัน ในการทำเช่นนั้น เขากลายเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่อธิบายพฤติกรรมของอะตอมในแง่ของการวัดน้ำหนัก เขายังสร้างตารางที่แสดงรายการน้ำหนักอะตอมของธาตุที่รู้จักทั้งหมด

เมื่อการทดลองหลายชุดจบลง ดาลตันได้เสนอทฤษฎีอะตอมซึ่งต่อมาถูกเรียกว่า “ทฤษฎีอะตอมของดาลตัน (Dalton’s Atomic Theory)”  ซึ่งกลายเป็นหนึ่งในรากฐานที่สำคัญของทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่

สมมุติฐานของทฤษฎีอะตอมของดาลตันมีดังนี้

(1) สสารทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่า “อะตอม” ซึ่งเป็นหน่วยการสร้างที่ไม่สามารถแบ่งแยกต่อไปได้ และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำลายได้

(2) อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีขนาด น้ำหนัก (มวล) และคุณสมบัติอื่นๆ เหมือนกัน แต่อะตอมของธาตุต่างชนิดกันจะมีขนาด น้ำหนัก (มวล) และคุณสมบัติอื่นๆ ที่แตกต่างกันไป

(3) สารประกอบเกิดขึ้นจากการรวมกันของอะตอมที่แตกต่างกันสองชนิดขึ้นไป ในอัตราส่วนที่เป็นเลขจำนวนเต็มอย่างง่าย

(4) ปฏิกิริยาเคมีส่งผลให้เกิดการจัดเรียงอะตอมใหม่ในสารตั้งต้นและสารประกอบของผลิตภัณฑ์

จะเห็นได้ว่า ดาลตันเป็นคนแรกที่เสนอแบบจำลองอะตอมสมัยใหม่โดยอาศัยการทดลองล้วนๆ และเสนอแนวคิดการมีอยู่ของโมเลกุล (molecules) เขาชี้ให้เห็นข้อเท็จจริงที่ว่าสารประกอบทางเคมีมักจะรวมกันในสัดส่วนที่แน่นอน การรวมตัวของอะตอมสร้างหน่วยที่เรียกว่าโมเลกุล ณ เวลานั้น ทฤษฎีอะตอมของดาลตันได้รับการยอมรับอย่างรวดเร็วโดยชุมชนวิทยาศาสตร์โดยรวม โดยมีข้อโต้แย้งเล็กน้อย

แม้นว่าสาระสำคัญของทฤษฎีของดาลตันยังคงถูกต้อง แต่ทฤษฎีของดาลตันมีหลายอย่างที่ผิด อาทิเช่น ปัจจุบันเรารู้ว่าอะตอมสามารถแบ่งย่อยได้อีกเป็นโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน และอะตอมสามารถแตกตัวและแปลงสภาพเป็นอะตอมของธาตุอื่นๆได้ นอกจากนี้อะตอมของธาตุหนึ่งไม่ได้มีน้ำหนักเท่ากันเสมอไป เพราะแม้ว่าจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสจะเท่ากันสำหรับอะตอมทั้งหมดของธาตุเดียวกัน แต่จำนวนนิวตรอนกลับไม่เท่ากัน ส่งผลให้เลขมวล (โปรตอน+นิวตรอน) ต่างกันด้วย และเรียกเป็น “ไอโซโทป (isotope)” ของธาตุนั้นๆ

โรเบิร์ต บราวน์ (ค.ศ. 1773 – 1858) 

หลักฐานเบื้องต้นของอะตอมโดยตรงโดยแท้จริงนั้นให้เครดิตกับโรเบิร์ต บราวน์ (Robert Brown) นักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อต ในปี 1827 เขาสังเกตเห็นว่าละอองเรณูของดอกไม้ขนาดเล็กที่ลอยอยู่ในน้ำนิ่ง กระตุกและเคลื่อนตัวไปมาในเส้นทางที่ซับซ้อน เป็นการเต้นที่ไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยและโกลาหล ไม่เคยปรากฏว่าช้าหรือหยุด ซึ่งสามารถสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์

ตามที่บราวน์ตรวจสอบ มันไม่ได้เกิดจากอิทธิพลภายนอก เช่น แสง อุณหภูมิ กระแสน้ำ หรือจากการระเหยทีละน้อยของน้ำ ในตอนแรกเขาคิดว่าการเคลื่อนที่แบบซิกแซกนี้อาจเกี่ยวข้องกับกระบวนการมีชีวิตภายในละอองเรณู แต่ต่อมาเขาสังเกตเห็นการเคลื่อนที่แบบเดียวกันกับละอองเรณูของพืชที่ตายไปแล้วหลายปี ดังนั้นเขายืนยันว่าการเคลื่อนที่แบบซิกแซกที่ไม่หยุดหย่อนนี้ไม่ใช่กระบวนการทางชีววิทยา มันคือกระบวนการทางกายภาพ ดังนั้นคำอธิบายสำหรับการเคลื่อนที่ดังกล่าว ควรหันไปใช้ขอบเขตของฟิสิกส์มากกว่าชีววิทยา แต่ ณ จุดนี้ เขาไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น ตั้งแต่นั้นมาปรากฏการณ์นี้จึงได้รับการตั้งชื่อตามนักพฤกษศาสตร์ผู้นี้ว่า “การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian motion)” ซึ่งไม่ได้จำกัดเฉพาะละอองเรณู แต่ยังรวมถึง ควัน เขม่า ฝุ่น

ILIRA & VIZE – Dynamite

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

หากคุณเคยดูฝุ่นผงเต้นรำท่ามกลางแสงแดด แสดงว่าคุณเคยสังเกตเห็น “การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian motion)” ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่อย่างสะเปะสะปะไม่เป็นระเบียบหรือการเคลื่อนที่แบบสุ่ม (random motion) ของอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ เนื่องจากอนุภาคนั้นชนกับอะตอมหรือโมเลกุลในตัวกลางที่อยู่รอบข้าง แม้ว่าอนุภาคอาจมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับขนาดของอะตอมและโมเลกุลในตัวกลาง แต่ก็สามารถเคลื่อนที่ได้จากการกระแทกด้วยมวลขนาดเล็กจำนวนมากที่กำลังเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว โดยปกติการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นในอนุภาคขนาดเล็ก ของเหลวที่หนืดน้อยกว่า และที่อุณหภูมิสูงขึ้น สิ่งเหล่านี้เป็นปัจจัยบางประการที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคในของเหลว

การทำความเข้าใจการเคลื่อนไหวแบบบราวเนียนเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากเป็นพื้นฐานสำหรับทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่ ทฤษฎีจลนศาสตร์ของก๊าซยังอิงตามแบบจำลองการเคลื่อนที่ของอนุภาคแบบบราวเนียน นอกจากนี้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ยังใช้ในหลากหลายสาขาวิชา เช่น คณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ เคมี เศรษฐศาสตร์ เป็นต้น

นับตั้งแต่ปี 1928 ที่โรเบิร์ต บราวน์ (Robert Brown) ค้นพบการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน แต่ไม่สามารถระบุสาเหตุของมันได้ นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งได้พบการเคลื่อนที่ที่แปลกประหลาดนี้เช่นเดียวกัน เมื่อสังเกตเห็นอนุภาคคอลลอยด์ขนาดเล็กของสีย้อม ฝุ่น หรือเขม่า ควัน จากการเผาไหม้ ที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรืออากาศ แม้ว่าจะมีข้อสงสัยว่าเป็นการเคลื่อนไหวที่เกิดจากการชนของอะตอมในตัวกลางกับอนุภาค แต่ก็ไม่ได้รับการยืนยัน เรื่องราวของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคลุมเครือมาเกือบหนึ่งศตวรรษ จนกระทั่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) มายืนยันในปี 1905

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (ค.ศ. 1879 – 1955)

ในปี 1905 เป็นปีมหัศจรรย์ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (อายุ 26 ปี) ซึ่งเวลานั้นทำงานเป็นเสมียนที่สำนักงานสิทธิบัตรสวิส ในกรุงเบิร์น ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ เขาได้ตีพิมพ์บทความ 4 ฉบับที่ทำให้ชุมชนฟิสิกส์ตกตะลึงและเปลี่ยนมุมมองของเราที่มีต่อจักรวาลอย่างมาก เอกสารทั้งหมดได้รับการตีพิมพ์ใน Annalen der Physik (Annals of Physics) ซึ่งเป็นวารสารหลักเกี่ยวกับฟิสิกส์ของเยอรมัน ซึ่งบทความทั้ง 4 คือ

(1) ปรากฏการณ์โฟโตอิเลคตริก (Photoelectric effect) –> “มุมมองแบบฮิวริสติกของการผลิตและการเปลี่ยนแปลงของแสง (A heuristic point of view of the production and transformation of light)” ที่นำเสนอแนวคิดเชิงปฏิวัติที่ว่าแสงเป็นก้อนพลังงาน (ควอนต้า) และยืนยันว่าแสงเป็นอนุภาค การอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกส่งผลให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1921

(2) การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian motion) –> “เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดเล็กที่ลอยอยู่ในของเหลวที่อยู่กับที่ ตามที่ทฤษฎีความร้อนของโมเลกุลและจลนศาสตร์กำหนด (On the movement of small particles suspended in a stationary liquid, as required by the molecular-kinetic theory of heat)” แม้ว่าจะไม่ได้ปฏิวัติหลักการทางฟิสิกส์ แต่ไอน์สไตน์สามารถให้คำอธิบายที่ยืนยันการมีอยู่ของอะตอมและโมเลกุล

(3) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Theory of Special Relativity) –> “เกี่ยวกับพลศาสตร์ไฟฟ้าของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ (On the Electrodynamics of Moving Bodies)” ผลงานของไอน์สไตน์อันโด่งดังที่ล้มล้างกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน เปลี่ยนแนวคิดเรื่องเวลาและอวกาศของนักฟิสิกส์  ทำให้เข้าใจว่าเวลาไม่ใช่สิ่งสัมบูรณ์และ “อีเธอร์” ไม่มีจริง

(4) ความเท่าเทียมกันระหว่างมวลและพลังงาน (Mass–Energy Equivalence) –> “ความเฉื่อยของวัตถุขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานหรือไม่ (Does the inertia of a body depend on its energy content?)” เป็นการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ การยืนยันความเท่าเทียมกันระหว่างสสารและพลังงาน แสดงด้วยสมการที่มีชื่อเสียงที่สุดในประวัติศาสตร์ E = mc²

เมื่อบทความของไอน์สไตน์ปรากฏตัวครั้งแรกในปี 1905 แนวคิดเรื่องอะตอมและโมเลกุลยังคงเป็นประเด็นถกเถียงทางวิทยาศาสตร์อย่างเผ็ดร้อน ปรากฏการณ์การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนยังคงอธิบายไม่ได้ จนกระทั่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ตีพิมพ์บทความที่อธิบายอย่างละเอียดว่าละอองเรณูถูกเคลื่อนย้ายโดยโมเลกุลของน้ำที่ประกอบขึ้นเป็นของเหลวอย่างไร งานของไอน์สไตน์ยุติข้อพิพาทที่โหมกระหน่ำมาเกือบศตวรรษ และวางทฤษฎีจลนศาสตร์ไว้บนพื้นฐานการทดลอง

ไอน์สไตน์ตระหนักว่าการกระตุกของละอองเรณูที่เห็นในการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนนั้น เกิดจากละอองเรณูถูกกระแทกด้วยโมเลกุลของน้ำที่มองไม่เห็นอย่างไม่หยุดหย่อน ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ดูเหมือนละอองเรณูกระเด้งไปมาด้วยตัวมันเอง 

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของละอองเรณูที่เกิดจากการกระแทกกับโมเลกุลของน้ำจะทำให้เกิดความผันผวนทางสถิติ ตัวอย่างเช่น บางครั้งกลุ่มโมเลกุลเล็กๆ ของน้ำที่มองไม่เห็นสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันได้เพียงครู่เดียว จากนั้นโมเลกุลของน้ำที่อยู่ใกล้เคียงอีกกลุ่มหนึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางอื่นได้ครู่หนึ่ง ละอองเรณูที่มองเห็นได้ซึ่งแช่อยู่ในโมเลกุลของน้ำที่สั่นสะเทือนแบบสุ่มที่มองไม่เห็นเหล่านี้ จะถูกกระแทกจากทุกด้านเท่าๆ กัน แต่บางครั้งอาจถูก “ผลัก” ไปในทิศทางเดียว และหลังจากนั้นครู่ต่อมาถูกดันไปคนละทิศ ทำให้ละอองเรณูนั้นมีการเคลื่อนที่แบบ “ซิกแซก” ซึ่งสามารถสังเกตได้โดยตรงภายใต้กล้องจุลทรรศน์

โมเลกุลของน้ำเหล่านี้ มีขนาดเล็กมากจนเรามองไม่เห็น พวกมันมีมวลน้อย แต่มีโมเมนตัมมาก พลังงานความร้อนทำให้โมเลกุลของน้ำมีการเคลื่อนที่แบบสุ่ม (ไม่เป็นระเบียบ) ด้วยความเร็วสูง ผลกระทบโดยรวมของโมเลกุลของน้ำเหล่านี้กับอนุภาคแขวนลอย ทำให้เกิดโมเมนตัมมากพอที่จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคแขวนลอยทั้งๆ ที่มีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลของน้ำแบบทวีคูณ

ในบทความนี้ ไอน์สไตน์ยังประสบความสำเร็จในการระบุกฎทางคณิตศาสตร์ที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคตามหลักการของทฤษฎีจลนศาสตร์-โมเลกุล มันเป็นไปได้ที่จะหาจำนวนโมเลกุลของน้ำที่ชนละอองเรณูเม็ดเดียว และความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ำที่อุณหภูมิต่างๆ ทั้งหมดนี้ทำได้โดยการดูจากละอองเรณูผ่านทางกล้องจุลทรรศน์ นี่เป็นหลักฐานของการมีอยู่ของอะตอมและโมเลกุล ซึ่งเป็นหลักฐานที่สนับสนุนแนวคิดของทฤษฎีอะตอม

Alessia Cara – Growing Pains

• Facebook
• Twitter
• Line