อะตอมเพื่อนของเรา (6)
บทที่ 5 แพตเทิร์น

            พวกผู้พิพากษาของศาลปฏิวัติฝรั่งเศสสามารถประหารลาวัวซีเย แต่กลับไม่อาจประหารผลงานของเขาได้ เขาเป็นคนแรกที่ใช้ตาชั่งในห้องปฏิบัติการเคมีของเขา และนักเคมีสมัยต่อจากเขาก็สืบทอดการชั่งและตวงสืบมา
            ไม่นานเลยก่อนที่การชั่งทางเคมีจะเปิดเผยความลับอันยิ่งใหญ่และสำคัญเกี่ยวกับสสาร และเกี่ยวกับว่าธรรมชาติผสมธาตุต่าง ๆ ของเธออย่างไร ซึ่งอันที่จริง การณ์ปรากฏว่า คำว่า “ผสม” เป็นคำที่ไม่ค่อยจะถูกต้องนัก
            สารผสมแท้ ๆ นั้นว่าที่จริงก็มีอยู่ อย่างเช่นเราสามารถจะเอาน้ำตาลกับทรายไม่ว่าจะในปริมาณมากน้อยแค่ไหนและในสัดส่วนเท่าใดก็ได้ มาผสมกันให้ทั่วได้จนกระทั่งไม่สามารถจะแยกน้ำตาลกับทรายออกจากกันได้
            แต่ทว่ายังมี “สารผสม” ในแบบอื่น ๆ อีกที่ผสมกันได้ในปริมาณและสัดส่วนที่ตายตัวเท่านั้น สมมุติว่าถ้าคุณต้องการปูพื้นกระเบื้องที่มีลวดลายเป็นตาหมากรุกสีขาวสลับดำ ซึ่งสำหรับลายนี้ “สารผสม” ก็ต้องมีสัดส่วนของกระเบื้องสีขาวกับสีดำเป็น 1 ต่อ 1 ทีนี้ลองสมมุติต่อไปอีกว่าถ้าน้ำหนักกระเบื้องทั้งหมดต้องเป็น 120 ปอนด์ ดังนั้น ช่างปูกระเบื้องก็ต้องเอาแผ่นกระเบื้องสีดำมา 60 ปอนด์กับกระเบื้องสีขาว 60 ปอนด์ แต่ถ้าเขาเอากระเบื้องสีดำมา 50 ปอนด์กับกระเบื้องสีขาว 70 ปอนด์ กระเบื้องที่ปูก็จะผสมลวดลายไม่พอดี คือจะมีกระเบื้องสีขาวเกินไป 20 ปอนด์ ดังนั้น จะเห็นได้ว่า ลวดลายตาหมากรุกจำต้องมีสารผสมที่ตายตัวโดยมีการสลับกันอย่างมีระเบียบ ต่างกันมากกับสารผสมระหว่างน้ำตาลกับทรายที่จะผสมกันเท่าใดก็ได้

            ยังมีสารผสมอย่างอื่นอีกหลายชนิด ลองพิจารณาพื้นที่ปูด้วยกระเบื้องที่มีลวดลายอย่างรูปทางด้านขวานี้ กระเบื้องสีดำแต่ละแผ่นล้อมรอบด้วยกระเบื้องสีขาว 24 แผ่น ลายนี้ต้องใช้กระเบื้องสีขาวมากกว่ากระเบื้องสีดำ 8 เท่าตัว ช่างปูกระเบื้องต้องใช้กระเบื้องสีดำ 10 ปอนด์กับกระเบื้องสีขาว 80 ปอนด์ สัดส่วนการผสมของกระเบื้องลายนี้ก็เป็น 8 ต่อ 1 ในขณะที่ลายกระดานหมากรุกมีสัดส่วนสีขาว 1 แผ่นต่อสีดำ 1 แผ่น
            ทีนี้มาลองดูคำว่า “สารผสม” กัน ซึ่งก็คงเห็นว่าคำนี้ไม่ค่อยจะถูกต้องนักถ้าการผสมเป็นแบบพื้นปูกระเบื้องข้างต้น ทรายผสมกับน้ำตาลเป็นสารผสมอย่างแท้จริงในขณะที่การปูพื้นกระเบื้องเกิดลายต่าง ๆ ขึ้นมาอย่างมีรูปแบบที่ตายตัว กรณีอย่างนี้เรามีคำเรียกหาที่น่าจะดูเหมาะกว่าสารผสมก็คือคำว่า “สารประกอบ”
            คราวนี้ก็ย้อนมาในยุคปี ค.ศ. 1800 ตอนนั้นก็มีนักเคมีมากมายที่ทำการทดลองทางเคมีกันอย่างเป็นล่ำเป็นสันในห้องทดลองของพวกเขา แล้วก็มีเพื่อนสนิทของลาวัวซีเยชื่อว่าโกลด แบร์โตลเล กับชาวฝรั่งเศสอีกท่านหนึ่งชื่อโชแซฟ ปรูสต์ นอกจากนี้ก็ยังมีชาวเยอรมันคือเยเรเมียส์ ริชเทอร์ และ เก. เอ. ฟิชเชอร์ ทุกท่านล้วนใช้การชั่งและตวง
            นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้พบว่าธาตุบางธาตุมีการผสมกันเป็นปริมาณเท่าใดก็ได้ ธาตุเหล่านี้ผสมเข้าด้วยกันเหมือนกับน้ำตาลกี่กำมือและทรายกี่กำมือผสมกันก็ได้ แต่ธาตุส่วนใหญ่มีพฤติกรรมต่างไป เมื่อนำมาผสมกัน พวกมันไม่แค่ปนกัน แต่รวมกันด้วยปฏิกิริยาเคมี อย่างที่ลาวัวซีเยผู้ยิ่งใหญ่ได้แสดงให้เห็นมาแล้วอย่างชัดเจน ในกรณีของการเผาไหม้ และยังพบกันอีกว่าธาตุส่วนใหญ่รวมตัวกันในปริมาณตายตัวเท่านั้น ยกตัวอย่างมีการค้นพบว่าโซเดียม 46 ออนซ์รวมตัวกับคลอรีน 71 ออนซ์เสมอและกลายเป็นเกลือแกงขึ้นมา ในทำนองเดียวกัน ไฮโดรเจน 1 ออนซ์ก็รวมตัวกับออกซิเจน 8 ออนซ์เท่านั้นแล้วกลายเป็นน้ำ 9 ออนซ์ โดยถ้าเอาไฮโดรเจน 2 ออนซ์ผสมกับออกซิเจน 8 ออนซ์ ก็จะมีไฮโดรเจนเหลืออยู่ 1 ออนซ์ เหมือนกับที่ช่างปูกระเบื้องก็จะมีกระเบื้องสีขาวเหลืออยู่ 20 ปอนด์
            นานหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้ ง่วนอยู่กับตาชั่งของพวกเขา ในใจก็คงหมกมุ่นอยู่กับว่า ธาตุนี้กี่ออนซ์จะรวมตัวกับธาตุนั้นสักกี่ออนซ์ พวกเขาตีพิมพ์ตารางยาวเหยียดของธาตุที่รวมตัวกันพวกนี้ ผลงานเหล่านี้สำคัญมากก็จริงแต่พวกเขาก็ยังไม่ตระหนักอย่างแท้จริงว่าอะไรกำลังจะเกิดขึ้นจากผลงานเหล่านี้ จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1808 นักเคมีและฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ชาวอังกฤษชื่อจอห์น ดอลตันเป็นผู้มาชี้ให้เห็น

            จอห์น ดอลตันเกิดมาเป็นเด็กชนบทที่ยากจนในครอบครัวเคร่งศาสนาที่เรียกว่า Quaker และตั้งแต่เด็กเขาก็ต้องหาเลี้ยงตัวเอง สมัยเด็ก ๆ เขาทำงานในไร่ แต่ต่อมาไม่นานเขาก็พบว่าเขาสามารถหาเลี้ยงตัวได้ด้วยหัวเล็ก ๆ แต่มีความชาญฉลาดของเขามากว่าที่จะใช้มือทั้งสองข้าง ด้วยอายุเพียง 12 ปีเขาเริ่มสอนหนังสือที่โรงเรียนในหมู่บ้าน และในเวลาเพียง 3 ปีต่อมาเขาได้เป็นผู้ช่วยครูในโรงเรียนกินนอน เมื่ออายุได้ 19 ปีเขาก็ได้เป็นครูใหญ่โรงเรียนนั้น และหลายปีหลังจากนั้นเขาได้ศึกษาภาษาละติน กรีก ฝรั่งเศส คณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ ตลอดชีวิตที่เหลือเขาก็เป็นอาจารย์สอนหนังสือตามมหาวิทยาลัยต่าง ๆ ในประเทศอังกฤษ

            ผลงานวิจัยทางฟิสิกส์และเคมีอันยิ่งใหญ่ของดอลตันเป็นผลงานในช่วงเวลาว่างของเขา ส่วนใหญ่เขาสนใจฟิสิกส์และอุตุนิยมวิทยา ตอนอายุราว ๆ 40 ปีเท่านั้นเองที่เขามุ่งความสนใจของเขาไปที่วิชาเคมี และเขาทำการทดลองด้วยสายตาที่ผ่านการอบรมมาทางด้านฟิสิกส์
            เขาหลงใหลไปกับวิธีการที่ธรรมชาติรวมธาตุต่าง ๆ ขึ้นมาเป็นสารประกอบต่าง ๆ มากมายที่รู้จักกันดีแล้วในยุคของเขา ในตอนนั้นเกิดมีกฎอันสำคัญว่าด้วยการรวมตัวของธาตุในสัดส่วนที่แน่นอนเท่านั้นขึ้นมา แต่ดอลตันเป็นคนแรกที่ตระหนักรู้กฎนี้อย่างแจ้งชัดและได้หยิบมันออกมาจากตารางที่พวกนักเคมีเขียนขึ้นมา
            และในทันใดเขาก็ตระหนักว่ากฎอันมหัศจรรย์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยอะตอมเท่านั้น!
            ดังนั้น ดอลตันก็เริ่มร่างแบบทฤษฎีอะตอมทางเคมีอันมีชื่อของเขาขึ้น เขาบอกว่าสสารประกอบขึ้นจากอะตอม และมีแรงที่ยังไม่มีใครรู้จักที่กระทำระหว่างอะตอมพวกนั้นในการดึงพวกมันเข้าด้วยกัน เขาถึงกับวาดรูปอะตอมเหล่านั้นของเขาแทนด้วยจุดเล็ก ๆ กับวงกลมและมีเส้นรัศมีแทนแรงดูดระหว่างพวกมัน นอกจากนี้เขาก็ยังวาดรูปแสดงว่าอะตอมมารวมกลุ่มกันเป็นสสารชิ้นโตขึ้นได้อย่างไร ยกตัวอย่างพวกอะตอมทองแดงมารวมกลุ่มกันเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสเล็ก ๆ หลายอัน เมื่อหลายอะตอมมารวมกลุ่มในลักษณะนี้หลายกลุ่มเข้า ก็จะรวมกันเป็นแผ่นที่โตขึ้นของกลุ่มอะตอมวางเรียงเหมือนกับแต่ละช่องตารางของกระดานหมากรุก แล้วถ้ามีแผ่นอย่างนี้นับล้าน ๆ แผ่นมาทับซ้อนกันเป็นชั้น ๆ พวกมันก็จะเกิดเป็นผลึกเล็ก ๆ ที่มองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ ทีนี้ถ้ามีผลึกนับล้าน ๆ ผลึกมารวมตัวกันบ้าง ก็จะเกิดเป็นโลหะทองแดงที่เรารู้จักในสิ่งของทั่วไปอย่างเช่นในเหรียญเพนนี

            ในเมื่อมีอะตอมของทองแดงได้ ดอลตันเชื่อว่าก็ต้องมีอะตอมชนิดอื่น ๆ ได้เช่นกันโดยเป็นอะตอมเฉพาะสำหรับแต่ละธาตุทางเคมี ดังนั้นดอลตันบอกให้รู้ว่ามีอะตอมของไฮโดรเจน ของออกซิเจน ของเหล็ก ทองแดง ปรอท และของธาตุทางเคมีอื่น ๆ อีกทั้งสิ้น อะตอมทั้งหมดของธาตุใดธาตุหนึ่งเป็นเหมือนกันหมดอย่างสัมบูรณ์ ยกตัวอย่างอะตอมออกซิเจนสองอะตอมยังเหมือนกันยิ่งกว่าฝาแฝดสองคนเสียอีก ถ้าอะตอมออกซิเจนสองอะตอมนั้นมองเห็นได้ ก็จะไม่มีใครสามารถบอกความแตกต่างได้ เพราะพวกมันเหมือนกันทั้งรูปร่าง ขนาด และยิ่งไปกว่านั้น ยังหนักเท่า ๆ กันอีกด้วย ในขณะที่อะตอมของอีกธาตุหนึ่งก็ต่างไป น้ำหนักต่างไปจากออกซิเจน แต่ในกลุ่มอะตอมชนิดเดียวกันนั้น พวกมันก็จะเหมือนกันหมดชนิดแยกไม่ออก
            อันที่จริง ความคิดของดอลตันแตกต่างเล็กน้อยจากความคิดของดีโมคริตุส กาสซองดี และนิวตัน แต่แนวความคิดทั้งหมดนี้ต่างก็เป็นทฤษฎีและสมมุติฐานที่ไม่มีผู้ใดพิสูจน์ได้จริง ๆ ในเมื่ออะไรก็ตามที่เล็กจนเกินกว่าตาจะมองเห็นได้ คุณจะบอกเกี่ยวกับมันอย่างไรก็ได้ทุกอย่างโดยไม่มีใครพิสูจน์ได้ว่าคุณพูดผิด แต่คุณก็พิสูจน์ไม่ได้เช่นกันว่าคุณเป็นฝ่ายถูก แต่ดอลตันเป็นคนแรกที่มีบางอย่างมาแสดงเพื่อรองรับทฤษฎีอะตอมของเขา บางอย่างที่ผู้ทรงภูมิท่านก่อน ๆ ไม่เคยมีให้มาก่อน
            มีอยู่ประการหนึ่งก็คือ การมีรูปแบบที่สม่ำเสมออย่างของผลึก ซึ่งดอลตันได้อธิบายความสม่ำเสมออันน่าประหลาดนี้ ผ่านรูปแบบอันสม่ำเสมอ ซึ่งน่าจะเกิดจากการที่อะตอมจัดเรียงตัวกันเช่นนั้นเอง แม้ไม่มีข้อพิสูจน์โดยตรงว่ามีอะตอมอยู่จริง แต่กล้องจุลทรรศน์ก็แสดงว่าแม้แต่ผลึกที่เล็กมาก ๆ ก็มีรูปแบบที่สม่ำเสมอและมีระเบียบเหมือนกันทุกประการกับผลึกก้อนโต ๆ เพียงแต่ไม่มีกล้องจุลทรรศน์ที่แสดงให้เห็นอะตอมเดี่ยว ๆ ได้ ก็จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะพิสูจน์ว่ารูปแบบของผลึก ย้อนกลับไปหาการจัดตัวอย่างสม่ำเสมอของอะตอมเดี่ยว ๆ จริง นี่เป็นแนวคิดอันยอดเยี่ยมและทุกวันนี้เรารู้ว่าความคิดของดอลตันถูกต้อง เพียงแต่ในยุคนั้นยังไม่มีข้อพิสูจน์
            แต่ดอลตันเขยิบต่อไปในประเด็นที่สองซึ่งหนักแน่นมาก ในการสนับสนุนทฤษฎีอะตอมของเขา ด้วยทฤษฎีนี้เขาอธิบายว่าทำไมอะตอมส่วนใหญ่จึงผสมกันเฉพาะปริมาณที่ตายตัวเท่านั้น อย่างที่ไฮโดรเจน 1 ออนซ์รวมกับออกซิเจน 8 ออนซ์เกิดเป็นน้ำ 9 ออนซ์ ดอลตันก็อธิบายว่าไฮโดรเจน 1 ออนซ์รวมกับออกซิเจน 8 ออนซ์ประกอบขึ้นจากอะตอมเฉพาะ 2 กลุ่ม ทำนองเดียวกับกระเบื้องปูพื้น 2 ชั้นก็ประกอบด้วยแผ่นกระเบื้องเฉพาะ เมื่อทั้งสองกลุ่มมารวมกัน พวกมันก็จะมาจัดเรียงตัวกันในรูปแบบที่แน่นอน-อะตอมต่ออะตอมแบบเดียวกับกระเบื้องต่อกระเบื้อง
            ในกรณีของน้ำ ดอลตันสมมุติว่า ไฮโดรเจน 1 ออนซ์มีจำนวนอะตอมเท่ากับออกซิเจน 8 ออนซ์ เมื่อมารวมกันเกิดเป็นน้ำ 9 ออนซ์ ก็โดยอะตอมไฮโดรเจน 1 อะตอมเกาะกับอะตอมออกซิเจน 1 อะตอมเป็นคู่ ทำนองเดียวกับที่ช่างปูกระเบื้องต่อกระเบื้องสีดำ 1 แผ่นเข้ากับกระเบื้องสีขาว 1 แผ่น ในทั้ง 2 กรณี ทั้งอะตอมและกระเบื้องทั้งหมดถูกใช้ไปหมดเพราะต่างก็จับคู่ได้หมด
            ถ้าไฮโดรเจนแต่ละอะตอมแทนด้วยสัญลักษณ์ H และออกซิเจนแต่ละอะตอมแทนด้วย O ดังนั้นการรวมตัวกันทางเคมีของอะตอมทั้งสองก็สามารถเขียนได้ดังนี้

            แนวคิดนี้แสดงถึงความเป็นอัจฉริยะทีเดียว เพราะทำให้มนุษย์สามารถจับต้องอะตอมที่มองไม่เห็นได้ นี่แหละที่ว่าทำไมเราจึงคิดถึงดอลตันทุกครั้งที่เราคิดถึงทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่
            แต่ทว่า ยังคงมีบางประการที่ไม่ค่อยจะถูกต้องนัก!

แปลจาก CHAPTER FIVE: PATTERNS ของหนังสือ The WALT DISNEY story of OUR FRIEND THE ATOM by Heinz Haber, Published by DELL PUBLISHING CO., INC., N.Y., 1956