ธาตุต่าง ๆ เกิดโดยบังเอิญไหม?
“วัตถุทุกอย่างในเอกภพ แม้ดวงดาวที่ห่างไกลที่สุดก็ประกอบด้วยอะตอม” สารานุกรมว่าด้วยดวงดาวและอะตอม (ภาษาอังกฤษ) กล่าวเช่นนั้น. อะตอมแต่ละอะตอมเล็กเกินกว่าจะเห็นได้ แต่เมื่อรวมตัวกันมันก็เกิดเป็นธาตุเคมีที่รู้จักกันดี. ธาตุเหล่านี้ บางชนิดก็เป็นของแข็งที่เราสามารถเห็นได้ บางชนิดก็เป็นแก๊สที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น. อาจบอกได้ไหมว่าธาตุเคมีเหล่านั้นทั้งหมดเกิดโดยบังเอิญ?
ธาตุที่ 1 ถึง 92
แม้ไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่เรียบง่ายที่สุดในบรรดาอะตอมทั้งหมด แต่มันก็เป็นเชื้อเพลิงให้กับดวงดาวต่าง ๆ เช่น ดวงอาทิตย์ และสำคัญยิ่งต่อชีวิต. ไฮโดรเจนอะตอมหนึ่งมีโปรตอนหนึ่งตัวอยู่ภายในนิวเคลียส และมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวโคจรรอบนิวเคลียส. ธาตุเคมีอื่น ๆ เช่น คาร์บอน, ออกซิเจน, ทองคำ, และปรอท ประกอบด้วยอะตอมที่มีอิเล็กตรอนหลายตัวโคจรรอบนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนหลายตัวเช่นกัน.
ราว ๆ 450 ปีมาแล้ว มนุษย์รู้จักธาตุเคมีแค่ 12 ชนิด. ขณะที่ค้นพบธาตุมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์ก็ได้สังเกตลำดับตามธรรมชาติของมัน. และเมื่อนำธาตุเหล่านั้นมาใส่ในตารางตามแนวนอนและแนวตั้ง นักวิทยาศาสตร์ก็ค้นพบว่าธาตุที่อยู่แถวเดียวกันในแนวตั้งมีคุณสมบัติคล้ายกัน. แต่ก็มีช่องที่เว้นว่างในตารางสำหรับธาตุที่ยังไม่รู้จักด้วย. สิ่งนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียชื่อ ดมิตรัย เมนเดเลเยฟ ทำนายว่าจะต้องมีธาตุที่มีเลขอะตอม 32 ซึ่งก็คือเจอร์เมเนียม เขายังได้ทำนายสี, น้ำหนัก, ความหนาแน่น, และจุดหลอมเหลวของมันด้วย. หนังสือเคมี (ภาษาอังกฤษ) ซึ่งเป็นตำราวิทยาศาสตร์ปี 1995 ให้ข้อสังเกตว่า “คำทำนาย” ของเมนเดเลเยฟ “เกี่ยวกับธาตุอื่น ๆ ที่ขาดไป เช่น แกลเลียมและสแกนเดียม ก็ถูกต้องแม่นยำเช่นกัน.”
ต่อมา นักวิทยาศาสตร์ได้ทำนายว่าจะต้องมีธาตุอื่น ๆ อีกซึ่งยังไม่เป็นที่รู้จัก และยังได้ทำนายถึงคุณสมบัติบางอย่างของมันด้วย. ในที่สุด ธาตุทุกชนิดที่ขาดไปก็ถูกค้นพบ. ไม่มีช่องเว้นว่างในตารางธาตุอีกต่อไป. ลำดับตามธรรมชาติของธาตุต่าง ๆ อาศัยจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของแต่ละอะตอม เริ่มจากธาตุหมายเลข 1 คือไฮโดรเจน ไปเรื่อย ๆ จนถึงธาตุยูเรเนียมหมายเลข 92 ซึ่งเป็นธาตุอันดับสุดท้ายซึ่งโดยปกติมีอยู่ในธรรมชาติบนแผ่นดินโลก. สิ่งนี้เป็นเพียงการประจวบเหมาะไหม?
ขอพิจารณาเช่นกันถึงความผิดแผกอย่างมากของธาตุเคมีต่าง ๆ. ทองคำและปรอทเป็นธาตุเปล่งสีที่มีลักษณะพิเศษเฉพาะ. ทองคำเป็นของแข็ง ปรอทเป็นของเหลว. กระนั้น ทั้งคู่ก็เป็นธาตุที่มีลำดับติดกันคือ 79 และ 80. อะตอมของทองคำมีอิเล็กตรอน 79 ตัว โปรตอน 79 ตัว และนิวตรอน 118 ตัว. อะตอมของปรอทมีอิเล็กตรอนและโปรตอนมากกว่าแค่ 1 ตัว และมีนิวตรอนในจำนวนไล่เลี่ยกัน.
เป็นเพียงความบังเอิญไหมที่การจัดระบบอนุภาคในอะตอมเปลี่ยนไปนิดเดียวแต่ก่อให้เกิดธาตุที่ผิดแผกแตกต่างกันมากมายเช่นนี้? และจะว่าอย่างไรกับแรงที่ยึดอนุภาคอะตอมเข้าด้วยกัน? สารานุกรมดวงดาวและอะตอม (ภาษาอังกฤษ) อธิบายว่า “จากอนุภาคที่เล็กที่สุดจนถึงกาแล็กซีที่ใหญ่ที่สุด ทุกสิ่งในเอกภพเป็นไปตามกฎเกณฑ์ที่กำหนดไว้โดยกฎทางฟิสิกส์.” ลองมโนภาพดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าหนึ่งในกฎเหล่านี้เปลี่ยนไป. ยกตัวอย่าง จะว่าอย่างไรถ้ามีการปรับเปลี่ยนแรงซึ่งคอยควบคุมอิเล็กตรอนให้โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม?
แรงทางฟิสิกส์ที่ได้รับการปรับตั้งอย่างละเอียด
ลองคิดดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าถูกทำให้อ่อนลง. ดร. เดวิด บล็อก ให้ข้อสังเกตไว้ในหนังสือของเขาชื่อดูดาว (ภาษาอังกฤษ) ดังนี้: “อิเล็กตรอนจะไม่ยึดกับอะตอมอีกต่อไป.” นี่จะหมายความเช่นไร? เขากล่าวต่อไปว่า “เราก็จะมีเอกภพที่ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีใด ๆ เกิดขึ้นได้เลย!” น่าดีใจสักเพียงไรที่เรามีกฎอันแน่นอนซึ่งทำให้การเกิดปฏิกิริยาทางเคมีเป็นไปได้! ยกตัวอย่าง ไฮโดรเจนสองอะตอมรวมตัวกับออกซิเจนหนึ่งอะตอมเกิดเป็นน้ำอันมีค่าหนึ่งโมเลกุล.
แรงแม่เหล็กไฟฟ้าอ่อนกว่าประมาณ 100 เท่าของแรงนิวเคลียร์ชนิดเข้มที่ยึดนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกัน. จะเกิดอะไรขึ้นถ้าอัตราส่วนนี้เปลี่ยนไป? นักวิทยาศาสตร์จอห์น แบร์โรว์ และ แฟรงก์ ทิปเลอร์อธิบายว่า “ถ้าความแรงสัมพัทธ์ของแรงนิวเคลียร์และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าแตกต่างจากที่เป็นอยู่นิดเดียว อะตอมคาร์บอนก็ไม่อาจเกิดขึ้นได้.” ไม่มีคาร์บอน ก็ไม่มีชีวิต. 20 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักตัวของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดเป็นอะตอมคาร์บอน.
ที่สำคัญเช่นกันก็คือ ความแรงของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเทียบเคียงกับความแรงของแรงโน้มถ่วง. วารสารนิว ไซเยนติสต์ อธิบายว่า “หากความแรงสัมพัทธ์ของแรงโน้มถ่วงกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนไปเพียงนิดเดียว ดาวฤกษ์เช่นดวงอาทิตย์ก็จะเปลี่ยนเป็นดาวยักษ์น้ำเงิน [ร้อนเกินกว่าชีวิตจะทนได้] หรือไม่ก็เปลี่ยนเป็นดาวแคระแดง [ร้อนไม่พอจะค้ำจุนชีวิต].”
แรงอีกชนิดหนึ่งคือ แรงนิวเคลียร์ชนิดอ่อนซึ่งควบคุมความเร็วของปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายในดวงอาทิตย์. นักฟิสิกส์ชื่อฟรีแมน ไดสัน อธิบายว่า “แรงนี้อ่อนพอเหมาะพอดีที่ไฮโดรเจนในดวงอาทิตย์จะเผาไหม้อย่างช้า ๆ และด้วยอัตราคงที่.” อาจยกตัวอย่างอื่น ๆ ได้อีกหลายตัวอย่างอันแสดงให้เห็นวิธีที่ชีวิตของเราต้องพึ่งอาศัยกฎและสภาพการณ์ที่ได้ดุลภาคอย่างยิ่งซึ่งมีอยู่ในเอกภพ. ศาสตราจารย์พอล เดวีส์ นักเขียนเรื่องทางวิทยาศาสตร์ เปรียบเทียบกฎและสภาพการณ์ในเอกภพกับชุดปุ่มปรับ และกล่าวว่า “ดูราวกับจะต้องปรับปุ่มต่าง ๆ ให้แม่นยำสุดยอด หากจะให้เอกภพมีสภาพที่ชีวิตเจริญเติบโตได้ดี.”
นานก่อนที่เซอร์ไอแซก นิวตัน จะค้นพบกฎของแรงโน้มถ่วง คัมภีร์ไบเบิลได้พูดถึงกฎที่แน่นอนเหล่านั้นแล้ว. บุรุษชื่อโยบถูกถามดังนี้: “เจ้าได้ประกาศกฎต่าง ๆ ที่ควบคุมท้องฟ้าหรือ, หรือกำหนดกฎธรรมชาติบนแผ่นดินโลก?” (โยบ 38:33, ฉบับแปลเดอะ นิว อิงลิช ไบเบิล) คำถามอื่น ๆ ที่ทำให้ต้องเจียมตัวก็คือ “เจ้านะอยู่ที่ไหนเมื่อเราได้วางรากแห่งพิภพโลก?” และ “ใครเป็นผู้กะกำหนดกว้างยาวของโลก, เจ้ารู้ไหม?”—โยบ 38:4, 5.
[กรอบหน้า 6]
ธาตุต่าง ๆ ที่สำคัญยิ่งต่อชีวิต
ในร่างกายของเรามีธาตุไฮโดรเจน, ออกซิเจน, และคาร์บอนเป็นส่วนประกอบอยู่ราว ๆ 98 เปอร์เซ็นต์. รองลงมาคือไนโตรเจน ซึ่งมีอยู่ 1.4 เปอร์เซ็นต์. ธาตุอื่น ๆ มีปริมาณน้อยมากแต่ก็สำคัญต่อชีวิตเช่นกัน.
[ตาราง/แผนภูมิธาตุหน้า 6, 7]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
ณ เวลาที่มีการพิมพ์วารสารฉบับนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ผลิตธาตุลำดับที่ 93 จนถึง 118 แล้ว. ดังที่สามารถทำนายได้ ธาตุเหล่านี้ยังคงเข้ากันอย่างเหมาะเจาะกับตารางธาตุ.
[ที่มา]
แหล่งที่มา: ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอส แอลาโมส
ชื่อธาตุ สัญลักษณ์ เลขอะตอม (จำนวนโปรตอน)
ไฮโดรเจน H 1
ฮีเลียม He 2
ลิเทียม Li 3
เบริลเลียม Be 4
โบรอน B 5
คาร์บอน C 6
ไนโตรเจน N 7
ออกซิเจน O 8
ฟลูออรีน F 9
นีออน Ne 10
โซเดียม Na 11
แมกนีเซียม Mg 12
อะลูมินัม Al 13
ซิลิคอน Si 14
ฟอสฟอรัส P 15
กำมะถัน S 16
คลอรีน Cl 17
อาร์กอน Ar 18
โพแทสเซียม K 19
แคลเซียม Ca 20
สแกนเดียม Sc 21
ไทเทเนียม Ti 22
วาเนเดียม V 23
โครเมียม Cr 24
แมงกานีส Mn 25
เหล็ก Fe 26
โคบอลต์ Co 27
นิกเกิล Ni 28
ทองแดง Cu 29
สังกะสี Zn 30
แกลเลียม Ga 31
เจอร์เมเนียม Ge 32
สารหนู As 33
ซีลีเนียม Se 34
โบรมีน Br 35
คริปทอน Kr 36
รูบิเดียม Rb 37
สตรอนเชียม Sr 38
อิตเทรียม Y 39
เซอร์โคเนียม Zr 40
ไนโอเบียม Nb 41
โมลิบดีนัม Mo 42
เทคนีเชียม Tc 43
รูทีเนียม Ru 44
โรเดียม Rh 45
แพลเลเดียม Pd 46
เงิน Ag 47
แคดเมียม Cd 48
อินเดียม In 49
ดีบุก Sn 50
พลวง Sb 51
เทลลูเรียม Te 52
ไอโอดีน I 53
ซีนอน Xe 54
ซีเซียม Cs 55
แบเรียม Ba 56
แลนทานัม La 57
ซีเรียม Ce 58
เพรซีโอดิเมียม Pr 59
นีโอดิเมียม Nd 60
โพรมีเทียม Pm 61
ซาแมเรียม Sm 62
ยูโรเพียม Eu 63
แกโดลิเนียม Gd 64
เทอร์เบียม Tb 65
ดิสโพรเซียม Dy 66
โฮลเมียม Ho 67
เออร์เบียม Er 68
ทูเลียม Tm 69
อิตเทอร์เบียม Yb 70
ลูทีเชียม Lu 71
แฮฟเนียม Hf 72
แทนทาลัม Ta 73
ทังสเตน W 74
รีเนียม Re 75
ออสเมียม Os 76
อิริเดียม Ir 77
แพลทินัม Pt 78
ทองคำ Au 79
ปรอท Hg 80
แทลเลียม Tl 81
ตะกั่ว Pb 82
บิสมัท Bi 83
พอโลเนียม Po 84
แอสทาทีน At 85
เรดอน Rn 86
แฟรนเซียม Fr 87
เรเดียม Ra 88
แอกทิเนียม Ac 89
ทอเรียม Th 90
โพรแทกทิเนียม Pa 91
ยูเรเนียม U 92
เนปทูเนียม Np 93
พลูโทเนียม Pu 94
อะเมริเซียม Am 95
คูเรียม Cm 96
เบอร์คีเลียม Bk 97
แคลิฟอร์เนียม Cf 98
ไอน์สไตเนียม Es 99
เฟอร์เมียม Fm 100
เมนเดลีเวียม Md 101
โนเบเลียม No 102
ลอว์เรนเซียม Lr 103
รัทเทอร์ฟอร์เดียม Rf 104
ดับเนียม Db 105
ซีบอร์เจียม Sg 106
บอห์เรียม Bh 107
แฮสเซียม Hs 108
ไมต์นีเรียม Mt 109
110
111
112
114
116
118
[แผนภูมิ]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
ลำดับและการประสานสัมพันธ์กันของธาตุต่าง ๆ ในตารางธาตุสะท้อนถึงการออกแบบด้วยเชาวน์ปัญญาหรือเป็นเพียงความบังเอิญ?
อะตอมฮีเลียม
อิเล็กตรอน
โปรตอน
นิวตรอน
[แผนภูมิ/ภาพหน้า 7]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
แรงทางฟิสิกส์สี่ชนิดได้รับการปรับตั้งอย่างละเอียดแม่นยำโดยสิ่งใด?
แรงแม่เหล็กไฟฟ้า
แรงนิวเคลียร์ชนิดเข้ม
แรงโน้มถ่วง
แรงนิวเคลียร์ชนิดอ่อน
โมเลกุลของน้ำ
นิวเคลียสของอะตอม
ดาวยักษ์น้ำเงิน
ดาวแคระแดง
ดวงอาทิตย์