The invisible motion of still objects - Ran Tivony

Translator: Kelwalin Dhanasarnsombut Reviewer: Rawee Ma

Many of the inanimate objects around you probably seem perfectly still.

วัตถุที่ไม่เคลื่อนที่มากมายรอบตัวคุณ อาจเหมือนกับอยู่กับที่นิ่ง ๆ

But look deep into the atomic structure of any of them,

แต่มองให้ลึกลงไปในโครงสร้างอะตอมของพวกมัน

and you'll see a world in constant flux.

และคุณจะเห็นโลกที่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

Stretching,

การยืด

contracting,

การอัด

springing,

การดีดตัว

jittering,

drifting atoms everywhere.

การกระโดด

การพัดพาอะตอมไปทุกหนทุกแห่ง

And though that movement may seem chaotic, it's not random.

และแม้ว่าการเคลื่อนที่นั้นอาจดูโกลาหล แต่มันไม่ได้มั่ว

Atoms that are bonded together,

อะตอมที่เชื่อมอยู่ด้วยกัน

and that describes almost all substances,

และเป็นโครงสร้างของเกือบทุกสสาร

move according to a set of principles.

เคลื่อนที่ตามหลักการ

For example, take molecules, atoms held together by covalent bonds.

ยกตัวอย่างเช่น อะตอมจับอยู่ด้วยกัน ด้วยพันธะโคเวเลนท์เป็นโมเลกุล

There are three basic ways molecules can move:

มีสามแบบพื้นฐาน ที่โมเลกุลสามารถเคลื่อนที่ได้

rotation,

การหมุน

translation,

การเปลี่ยนถ่าย

and vibration.

และการสั่น

Rotation and translation move a molecule in space

แบบการหมุนและการเปลี่ยนถ่าย เคลื่อนโมเลกุลในพื้นที่

while its atoms stay the same distance apart.

ในขณะที่อะตอมของมัน ยังคงอยู่ห่างกันเท่าเดิม

Vibration, on the other hand, changes those distances,

ในขณะที่ การสั่นเปลี่ยนระยะห่างเหล่านั้น

actually altering the molecule's shape.

และเปลี่ยนรูปร่างของโมเลกุลด้วย

For any molecule, you can count up the number of different ways it can move.

สำหรับโมเลกุลใด ๆ คุณสามารถ นับวิธีการเคลื่อนที่ของมันได้

That corresponds to its degrees of freedom,

ซึ่งมันสอดคล้องกับระดับองศาอิสระ (degrees of freedom)

which in the context of mechanics

ซึ่งในทางวิศวกรรมแล้ว

basically means the number of variables we need to take into account

มันหมายถึงจำนวนของตัวแปร ที่เราต้องการนำมาพิจารณา

to understand the full system.

เพื่อที่จะเข้าใจระบบทั้งหมด

Three-dimensional space is defined by x, y, and z axes.

พื้นที่สามมติติถูกกำหนดโดยแกน x, y และ z

Translation allows the molecule to move in the direction of any of them.

การเปลี่ยนถ่ายทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่ ในทิศทางใด ๆ ก็ได้

That's three degrees of freedom.

นั่นคือสามระดับองศาอิสระ

It can also rotate around any of these three axes.

มันยังสามารถหมุนไปรอบ ๆ แกนใด ๆ ก็ได้

That's three more,

ทำให้มีอีกสามระดับองศาอิสระ

unless it's a linear molecule, like carbon dioxide.

แม้ว่าโมเลกุลที่เป็นเส้น อย่างคาร์บอนไดออกไซด์

There, one of the rotations just spins the molecule around its own axis,

ในกรณีนั้น การหมุนแบบหนึ่ง จะหมุนโมเลกุลไปรอบ ๆ แกนของมันเอง

which doesn't count because it doesn't change the position of the atoms.

ซึ่งไม่ถูกนับ เพราะว่ามันไม่ได้เปลี่ยนตำแหน่งของอะตอม

Vibration is where it gets a bit tricky.

การสั่นทำให้เรื่องยากขึ้นมาอีกหน่อย

Let's take a simple molecule, like hydrogen.

ลองมาดูโมเลกุลง่าย ๆ อย่างไฮโดรเจน

The length of the bond that holds the two atoms together is constantly changing

ความยาวของพันธะที่จับสองโมเลกุลไว้ด้วยกัน มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

as if the atoms were connected by a spring.

ราวกับว่าอะตอมถูกเชื่อมต่อกันด้วยขดลวด

That change in distance is tiny, less than a billionth of a meter.

การเปลี่ยนแปลงระยะห่างนั้นน้อยมาก น้อยกว่าหนึ่งในพันล้านเมตรเสียอีก

The more atoms and bonds a molecule has, the more vibrational modes.

ยิ่งมีอะตอมและพันธะมากเท่าไร การสั่นก็ยิ่งมีได้หลากหลาย

For example, a water molecule has three atoms:

ยกตัวอย่างเช่น โมเลกุลน้ำที่มีสามอะตอม

one oxygen and two hydrogens, and two bonds.

มีออกซิเจนหนึ่งอะตอม และสองไฮโดรเจนอะตอม

That gives it three modes of vibration:

นั่นทำให้มีการสั่นได้สามแบบ

symmetric stretching,

คือการยืดแบบสมมาตร

asymmetric stretching,

การยืดแบบไม่สมมาตร

and bending.

และการงอ

More complicated molecules have even fancier vibrational modes,

โมเลกุลที่ซับซ้อนกว่านั้น ก็จะยิ่งมีการสั่นที่แปลกไปกว่านั้น

like rocking,

เช่นการเขย่า

wagging,

การแกว่ง

and twisting.

การหมุนปั่น

If you know how many atoms a molecule has, you can count its vibrational modes.

ถ้าคุณรู้ว่าโมเลกุลมีอะตอมจำนวนเท่าไร คุณจะสามารถนับวิธีการหมุนได้

Start with the total degrees of freedom,

เริ่มจากจำนวนระดับองศาอิสระทั้งหมด

which is three times the number of atoms in the molecule.

ซึ่งคือสามคูณด้วยจำนวนอะตอมในโมเลกุล

That's because each atom can move in three different directions.

นั่นเป็นเพราะว่าแต่ละอะตอมสามารถเคลื่อน ไปได้ในสามทิศทาง

Three of the total correspond to translation

สามของจากทั้งหมดนั้น สอดคล้องกับการเปลี่ยนถ่าย

when all the atoms are going in the same direction.

ที่อะตอมทั้งหมดเคลื่อนไปในทางเดียวกัน

And three, or two for linear molecules, correspond to rotations.

และสามหรือสองสำหรับโมเลกุลเส้น สอดคล้องกับการหมุน

All the rest, 3N-6 or 3N-5 for linear molecules,

ทั้งหมด 3N-6 หรือ 3N-5 สำหรับโมเลกุลเส้น

are vibrations.

และการสั่น

So what's causing all this motion?

แล้วอะไรที่ทำให้เกิดการเคลื่อนทั้งหมดนี้

Molecules move because they absorb energy from their surroundings,

โมเลกุลเคลื่อนก็เพราะว่า พวกมันดูดซับพลังงานจากสิ่งแวดล้อม

mainly in the form of heat or electromagnetic radiation.

ในรูปแบบของความร้อนเป็นส่วนใหญ่

When this energy gets transferred to the molecules,

เมื่อพลังงานนี้ถูกส่งต่อไปยังโมเลกุล

they vibrate,

พวกมันสั่น

rotate,

หมุน

or translate faster.

และเปลี่ยนถ่ายเร็วขึ้น

Faster motion increases the kinetic energy of the molecules and atoms.

การเคลื่อนที่เร็วเพิ่มพลังงานกล ของโมเลกุลและอะตอม

We define this as an increase in temperature and thermal energy.

เราเรียกกำหนดให้มันเป็นการเพิ่มอุณหภูมิ และพลังงานความร้อน

This is the phenomenon your microwave oven uses to heat your food.

นี่คือปรากฏการณ์ที่ไมโครเวฟของคุณ ใช้เพื่ออุ่นอาหาร

The oven emits microwave radiation, which is absorbed by the molecules,

เตาไมโครเวปปล่อยรังสีไมโครเวป ซึ่งถูกดูดซับไปโดยโมเลกุล

especially those of water.

โดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ำ

They move around faster and faster,

พวกมันเคลื่อนไปรอบ ๆ เร็วขึ้นเรื่อย ๆ

bumping into each other and increasing the food's temperature and thermal energy.

ชนปะทะกันและกันและเพิ่มอุณหภูมิของอาหาร และพลังงานความร้อน

The greenhouse effect is another example.

ปรากฏการณ์เรือนกระจกเป็นอีกตัวอย่างหนึ่ง

Some of the solar radiation that hits the Earth's surface

รังสีจากดวงอาทิตย์บางส่วน ที่เข้าสู่พื้นผิวโลก

is reflected back to the atmosphere.

ถูกสะท้อนกลับออกไปในชั้นบรรยากาศ

Greenhouse gases, like water vapor and carbon dioxide absorb this radiation

ก๊าซเรือนกระจก อย่างเช่นไอน้ำและ คาร์บอนไดออกไซด์ดูดซับการรังสีนี้

and speed up.

และมีความเร็วมากขึ้น

These hotter, faster-moving molecules emit infrared radiation in all directions,

โมเลกุลที่ร้อนขึ้นและเคลื่อนที่เร็วขึ้น เปล่งรังสีอินฟาเรดออกมาทุกทิศทาง

including back to Earth, warming it.

รวมถึงกลับมายังโลก และทำให้โลกร้อนขึ้นด้วย

Does all this molecular motion ever stop?

การเคลื่อนโมเลกุลพวกนี้เคยหยุดบ้างไหม

You might think that would happen at absolute zero,

คุณอาจคิดว่านั่นอาจเกิดขึ้นที่ศูนย์องศาสมบูรณ์

the coldest possible temperature.

ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุด

No one's ever managed to cool anything down that much,

ไม่มีใครสามารถทำความเย็นได้ขนาดนั้น

but even if we could,

แต่ถึงแม้ว่าเราทำได้

molecules would still move due to a quantum mechanical principle

โมเลกุลก็ยังคงเคลื่อน เนื่องจากหลักกลศาสตร์ควอนตัม

called zero-point energy.

ที่เรียกว่า พลังงานที่จุดศูนย์

In other words, everything has been moving since the universe's very first moments,

อีกนัยหนึ่งก็คือ ทุกอย่างเคลื่อนที่ ตั้งแต่จักรวาลเคลื่อนที่

and will keep going long, long after we're gone.

และจะยังเป็นอย่างนั้นต่อไปอีกนาน หลังเราจากไปแล้ว