อะตอมเพื่อนของเรา (11) บทที่ 10 E=mc²

หลังจากมาดามคูรีค้นพบเรเดียม พวกนักวิทยาศาสตร์พากันหลงใหลอย่างที่สุดต่อรังสีประหลาด ที่พลุ่งออกมาอย่างสม่ำเสมอจากส่วนลึกเร้นลับของอะตอม แน่ละว่ารังสีพวกนี้เป็นสิ่งที่น่าตื่นใจที่สุดของธาตุกัมมันตรังสี แต่สามีภรรยาคูรีก็ยังค้นพบด้วยว่าก้อนเรเดียมจะอุ่นกว่าบรรยากาศรอบ ๆ มันอยู่ตลอดเวลา สมบัตินี้น่าตื่นใจน้อยกว่ารังสีที่เปล่งออกมา แต่น่ากล่าวถึงไม่น้อยไปกว่ากัน

เรเดียมได้กลายเป็นต้นกำเนิดความร้อนที่ให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอและลึกลับ ถ้าใส่เรเดียมก้อนหนึ่งลงไปในเบ้าที่มีน้ำเต็ม น้ำก็จะอุ่นขึ้น ถ้าเบ้านั้นหุ้มด้วยฉนวนความร้อนเพื่อกันความร้อนสูญหายได้อย่างสมบูรณ์ น้ำก็จะค่อย ๆ ร้อนขึ้นและในที่สุดก็จะเริ่มเดือด ก้อนเรเดียมสามารถจะทำให้น้ำนั้นเดือดช้า ๆ ได้นานหลายศตวรรษ! ดังนั้นในก้อนเรเดียมเล็ก ๆ ได้ประจุซ่อนไว้ด้วยพลังงานปริมาณมหาศาลที่โปรยปรายออกมาช้า ๆ

การค้นพบกัมมันตภาพรังสีเกิดขึ้นก่อนการเปลี่ยนสู่ศตวรรษที่ 20 และเป็นสิ่งแรกจริง ๆ แก่วิทยาศาสตร์ให้นึกเฉลียวถึงพลังงานอะตอม แต่เวลาได้ผ่านไปหลายปีแล้ว ก็ยังไม่มีผู้ใดสังหรณ์เลยสักนิดว่าพลังงานนี้มาจากที่ไหนกัน คงเพราะพลังงานกัมมันตรังสีขัดกับทุกกฎวิทยาศาสตร์ที่รู้จักกันในเวลานั้น

ความเข้าใจรังสีลึกลับนี้เป็นครั้งแรกได้มาจากแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ผู้ยิ่งใหญ่เมื่อปี ค.ศ. 1905 เมื่อเขาค้นพบกฎธรรมชาติกฎใหม่ ตอนนั้นอายุเขาแค่ยี่สิบหกปี เป็นครั้งแรกที่เขาเขียนสิ่งที่จะกลายเป็นสมการที่มีชื่อเสียงที่สุดด้านวิทยาศาสตร์ โดยเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขา สมการมีว่า E=mc² ซึ่ง E แทนพลังงาน m แทนมวลหรือสสาร และ c² แทนความเร็วแสงคูณด้วยตัวมันเอง เครื่องหมายเท่ากับหมายถึงว่าพลังงานและสสารเป็นสิ่งเดียวกันเมื่อสสารคูณด้วย c²

นี่เป็นประพจน์ทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่มีอะไรน่าตื่นเต้น แต่ความหมายเชิงลึกของมันสามารถเข้าใจได้ผ่านทางนิทานปรัมปราของเรา เช่นกับชาวประมงที่ได้ค้นพบว่าพลังอันยิ่งใหญ่ถูกบรรจุอยู่ในภาชนะใบน้อย...

เบาะแสแก่สูตรของไอน์สไตน์อยู่ตรงปริมาณ c² ความเร็วของแสงคือ 186,000 ไมล์ต่อวินาที ตัวเลขหกหลักนี้เมื่อคูณด้วยตัวมันเองได้เป็น 34,596,000,000 ซึ่งตามสมการของไอน์สไตน์ต้องเอาค่าของ มวล มาคูณด้วยตัวเลขนี้เพื่อหาค่าของ พลังงาน ที่จะสมมูลพอดีกับมวลปริมาณนี้ โดยไม่จำเป็นต้องบอกว่าพลังงานนี้อยู่ในหน่วยใด เพราะผลลัพธ์ที่ได้เป็นตัวเลขมหาศาลไม่ว่าในหน่วยใด

สมการไอน์สไตน์บอกแต่เพียงว่าสสารและพลังงานเป็นสิ่งเดียวกันในรูปร่างหน้าตาสองอย่างที่แตกต่างกัน ตัวสมการเองไม่ได้บอกว่าจะสามารถแปลงสสารให้เป็นพลังงานได้ด้วยวิธีใด แต่สูตรนี้รับประกันแก่เหล่านักวิทยาศาสตร์ว่าน่าจะมีสิ่งที่เป็นต้นกำเนิดของพลังงานที่ไม่รู้จักหมดอย่างเรเดียม ดังนั้นนับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1905 เป็นต้นมา นักวิทยาศาสตร์จึงมีสูตร--แต่ไม่มีคู่มือใช้งาน

ธรรมชาตินั่นเองที่มีคู่มือใช้งาน และได้ใช้งานมันมานับตั้งแต่เริ่มต้นกาลเวลา ทุกวันนี้เราทราบดีว่าพลังงานอะตอมได้ให้พลังแก่จักรวาลและจุดไฟให้กับท้องฟ้า ยกตัวอย่างดวงอาทิตย์ของเราที่ส่งพลังงานออกมาในรูปของแสงแดด ในแต่ละวินาที มวล 4 ล้านตันของดวงอาทิตย์แปลงเป็นพลังงานบริสุทธิ์และโปรยปรายสู่อวกาศ และเป็นอยู่อย่างนี้มาหลายพันล้านปีแล้ว ดวงดาวอื่น ๆ นับพันล้านดวงก็โปรยปรายพลังงานปริมาณเท่า ๆ กันนี้ออกมาเช่นกัน ที่จริงธรรมชาติกำลังสิ้นเปลืองพลังงานไปเปล่า ๆ เกินกว่าจะเข้าใจได้

เป็นไปได้ไม่เลยว่าต้นกำเนิดพลังงานแห่งดวงดาวได้มาจากเชื้อเพลิงเคมีใดที่เรารู้จักกัน เพราะหากว่าพลังงานของดวงอาทิตย์ผลิตจากการเผาไหม้ถ่านหินชั้นดีกับออกซิเจน มันจะไหม้เป็นกองขี้เถ้าภายใน 2-3 พันปี เช่นเดียวกับดวงดาวอื่น ๆ ดวงอาทิตย์ส่องแสงได้ด้วยไฟจากอะตอม ลึกลงไปในแกนของดวงอาทิตย์ พลังงานปริมาณที่น่าตกใจถูกตุ๋นสกัดออกมาจากสสาร พลังงานนี้โปรยปรายช้า ๆ ผ่านตัวดวงอาทิตย์ที่เป็นแก๊สและหลั่งไหลออกมาที่พื้นผิวเป็นแสงแดด

พลังงานของดวงอาทิตย์เพียงส่วนเสี้ยวนิดเดียวที่ตกลงมายังโลกและทำให้เรามีชีวิตอยู่ได้ ทรัพยากรทั้งหมดของเราไม่ว่าถ่านหิน น้ำมัน และพลังน้ำ ล้วนมีจุดเริ่มต้นย้อนกลับไปที่ดวงอาทิตย์ ย้อนกลับไปที่ไฟจากอะตอมที่พลุ่งโพลงลึกอยู่หลังกำแพงแก๊สของดวงอาทิตย์ พืชที่มีชีวิตอยู่เมื่อหลายพันปีและหลายล้านปีก่อน เจริญงอกงามในแสงแดดจากดวงอาทิตย์ดวงเดียวกับที่ให้ความอบอุ่นแก่เราทุกวันนี้ พืชเหล่านี้ตายไปและทับถมซ้อนอยู่ใต้ดินและหินมากมายหลายชั้น และภายใต้ความดันที่กดทับนี้ที่ได้แปลงพวกมันไปเป็นพีตและถ่านหิน ซึ่งทุกวันนี้เราขุดขึ้นมาและใช้เป็นเชื้อเพลิง น้ำมันของเราก็เช่นกัน มาจากสิ่งมีชีวิตที่ครั้งหนึ่งเคยมีชีวิตอยู่ได้ด้วยแสงแดด แม้จนวันนี้ดวงอาทิตย์ก็ยังให้พลังแก่เรา ความร้อนของมันระเหยน้ำในมหาสมุทรและพามันข้ามไปในพื้นทวีปเพื่อตกลงมาเป็นฝน น้ำฝนเติมเต็มทะเลสาบหลังเขื่อนของเรา และไหลลอดผ่านท่อใหญ่ที่ต่อไปยังใบพัดของเทอร์ไบน์ขนาดใหญ่ที่ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตพลังไฟฟ้าแก่นคร เมือง และโรงงานต่าง ๆ ของเรา ไฟจากอะตอมของดวงอาทิตย์นี่เองที่ให้พลังแก่อารยธรรมของเรา

นั่นคือเหตุแลผลของนักวิทยาศาสตร์ในช่วงทศวรรษหลังจากที่ไอน์สไตน์ตีพิมพ์สมการของเขาเป็นครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 1905 อย่างไรก็ดี ในตอนต้น เหตุผลของพวกเขาไปไม่ไกลเกินกว่าการรับรู้ว่ามีอะไรอย่างพลังงานอะตอมอยู่ นักวิทยาศาสตร์น้อยมาก ถ้าจะมีอยู่บ้าง ที่คาดเดาเกี่ยวกับการใช้พลังงานอะตอมได้ในเชิงปฏิบัติในอนาคต ในเวลานั้นเรารู้เกี่ยวกับอะตอมน้อยมาก แม้แต่ศัพท์ “พลังงานอะตอม” ที่เราคุ้นเคยกันอย่างในปัจจุบัน ก็ยังไม่เคยมีใครใช้ ผู้เชี่ยวชาญบางคนพูดถึงพลังงาน “ข้างในอะตอม” พวกเขาใช้คำศัพท์นี้เพื่อชี้ว่าพลังงานของธาตุกัมมันตรังสีมีกำเนิดจากบางแห่งภายในอะตอม

เกี่ยวกับภายในอะตอมนั้น เป็นการท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ระหว่างทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20

กัมมันตภาพรังสี—อะตอมที่กำลังแตกสลาย! นี่เป็นเรื่องที่ช็อกนักวิทยาศาสตร์ทั้งมวล อะตอมไม่ใช่สิ่งที่ทำลายไม่ได้ แบ่งแยกไม่ได้ เป็นเหมือนลูกบอลแข็ง อีกต่อไปแล้ว แต่มีรังสีแอลฟาและบีตา มีชิ้นส่วนที่มีประจุบวกและปรุจุลบที่ออกมาจากที่เร้นลับลึกลงไปภายในอะตอม ชิ้นส่วนพวกนี้เป็นสิ่งที่พิสูจน์ว่าอะตอมต้องประกอบด้วยส่วนที่ยังเล็กกว่าอีก อันเป็นองค์ประกอบที่มีประจุไฟฟ้า

แต่อาการช็อกจากการค้นพบปรากฏการณ์นี้ก็ถูกแทนที่โดยเร็ว จากเรื่องตื่นเต้นและคำถามใหญ่ข้อต่อมา

สถาปัตยกรรมของอะตอมเป็นอย่างไร?