งานวิจัยชี้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์เปลี่ยนพันธะเคมีของธาตุหนัก

• นักวิจัยจาก Brown University ได้หลักฐานเชิงสเปกโทรสโกปีโดยตรงว่าในนิวเคลียสอะตอมหนัก ผลเชิงสัมพัทธภาพ เปลี่ยนโครงสร้างของพันธะสาม ทำให้การแบ่งแยกพันธะซิกมาและพันธะไพตามตำราเรียนไม่เป็นจริงอย่างเคร่งครัดอีกต่อไป
• ในธาตุหนัก อิเล็กตรอนจะเร็วขึ้นจนถึงสัดส่วนที่มีนัยสำคัญของความเร็วแสง และ การควบคู่สปิน-วงโคจร ซึ่งเป็นการควบคู่ระหว่างสปินกับวงโคจรของอิเล็กตรอน จะเปลี่ยนกฎปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน ทำให้ขอบเขตระหว่างพันธะซิกมากับพันธะไพพร่าเลือน
• เมื่อทำให้โมเลกุลที่สร้างจากคาร์บอนและบิสมัทเย็นลงใกล้ศูนย์สัมบูรณ์แล้ววัดด้วย โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี พบว่าพันธะไม่ได้เป็นซิกมา 1 พันธะและไพ 2 พันธะตามแบบดั้งเดิม แต่ใกล้เคียงกับไพ 1 พันธะและพันธะไฮบริดซิกมา-ไพ 2 พันธะมากกว่า
• ผลลัพธ์นี้เป็นการตรวจยืนยันโดยตรงถึงผลเชิงสัมพัทธภาพของธาตุหนักที่รู้จักกันมาตั้งแต่ทศวรรษ 1970 และแสดงให้เห็นว่าจำเป็นต้องปรับ โมเดลตำราเรียน ที่แบ่งพันธะสามออกเป็นพันธะสองชนิดอย่างเคร่งครัด
• บิสมัทเป็นตัวเลือกที่อาจใช้แทนตะกั่วที่เป็นพิษในเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นถัดไป และยังเป็นเป้าหมายการวิจัยด้านวัสดุควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัม ดังนั้นการยืนยันโครงสร้างพันธะเชิงสัมพัทธภาพจึงอาจส่งผลโดยตรงต่อการวิจัย เคมีของธาตุหนัก

---

พันธะสามที่เปลี่ยนไปในธาตุหนัก

• อะตอมสร้างพันธะโดยใช้อิเล็กตรอนที่มีประจุลบร่วมกัน โดยคู่อิเล็กตรอนที่เกิดจากอะตอมแต่ละตัวส่งอิเล็กตรอนออกมาคนละหนึ่งตัวจะดึงดูดนิวเคลียสอะตอมทั้งสองที่มีประจุบวกเข้าหากัน
  • หากใช้อิเล็กตรอนร่วมกันตั้งแต่สองคู่ขึ้นไป จะเกิดพันธะคู่หรือ พันธะสาม
• โมเดลพันธะสามแบบดั้งเดิมประกอบด้วย พันธะซิกมา 1 พันธะ ซึ่งเป็นพันธะด้านหน้าที่แข็งแรง และพันธะไพ 2 พันธะ ซึ่งเป็นพันธะด้านข้างที่อ่อนกว่าเมื่อเทียบกัน
  • พันธะซิกมาเกิดขึ้นตามแกนนอนสมมติระหว่างนิวเคลียสอะตอมทั้งสอง
  • พันธะไพ 2 พันธะก่อตัวในลักษณะห่อหุ้มรอบพันธะซิกมา
• โมเดลนี้ใช้ได้กับธาตุเบา แต่สำหรับธาตุหนักที่อยู่ด้านล่างของตารางธาตุ เมื่อนิวเคลียสอะตอมมีมวลมากขึ้น อิเล็กตรอนจะเร็วขึ้นจนถึงสัดส่วนที่มีนัยสำคัญของความเร็วแสง ทำให้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มีความสำคัญ
• ในขอบเขตเชิงสัมพัทธภาพ สปิน ซึ่งเป็นโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนที่ชี้ขึ้นหรือชี้ลง กับวงโคจรของอิเล็กตรอนจะไม่เป็นอิสระต่อกันอีกต่อไป สิ่งนี้เรียกว่า การควบคู่สปิน-วงโคจร
  • การควบคู่สปิน-วงโคจรเปลี่ยนกฎปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน ทำให้การแยกพันธะซิกมากับพันธะไพอย่างเคร่งครัดพังทลายลง
  • จำนวนพันธะรวมยังคงเป็น 3 แต่เป็นเรื่องยากที่จะจัดจำแนกแต่ละพันธะอย่างชัดเจนว่าเป็นซิกมาหรือไพ

วิธีการและผลลัพธ์ของการวัดพันธะคาร์บอน-บิสมัทโดยตรง

• นักวิจัยจาก Brown University ได้สร้างโมเลกุลจากคาร์บอนกับบิสมัท ซึ่งเป็นธาตุหนัก เพื่อศึกษาการ ไฮบริดของพันธะเชิงสัมพัทธภาพ ในงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Science
  • บิสมัทเป็นธาตุหนักที่อยู่ติดกับตะกั่วในตารางธาตุ จึงคาดว่าผลเชิงสัมพัทธภาพจะมีความสำคัญ
  • นักวิจัยทำให้โมเลกุลเย็นลงใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ จากนั้นวิเคราะห์ด้วยโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี
• โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี คือการใช้เลเซอร์ดึงอิเล็กตรอนในโมเลกุลออกจากตำแหน่งเดิมทีละตัว แล้วใช้ระยะทางที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปเพื่อระบุความแข็งแรงของพันธะ
• สเปกตรัมโฟโตอิเล็กตรอนที่วัดได้แสดงให้เห็นว่าพันธะคาร์บอน-บิสมัทไม่สอดคล้องกับโครงสร้างพันธะสามแบบดั้งเดิมที่ประกอบด้วยซิกมา 1 พันธะและไพ 2 พันธะ
  • โครงสร้างจริงใกล้เคียงกับ พันธะไพ 1 พันธะ และพันธะไฮบริด 2 พันธะที่ผสมลักษณะของซิกมาและไพมากกว่า
• แนวคิดที่ว่าสัมพัทธภาพมีความสำคัญในธาตุหนักมีมาตั้งแต่ทศวรรษ 1970 แต่งานวิจัยนี้ให้ หลักฐานเชิงสเปกโทรสโกปีโดยตรง ว่าโมเดลพันธะที่เรียนกันในวิชาเคมีระดับมัธยมปลายไม่เหมาะกับธาตุหนัก
• บิสมัทมีความเป็นไปได้ที่จะใช้แทนตะกั่วที่เป็นพิษในเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นถัดไป และยังได้รับความสนใจในการวิจัยวัสดุควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัม
  • หากมีการใช้งานธาตุหนักมากขึ้น โครงสร้างเชิงสัมพัทธภาพอาจกลายเป็นโมเดลตำราเรียนแบบใหม่
• งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation ของสหรัฐฯ หมายเลข CHE-2403841 และ Department of Energy หมายเลข DE-SC0008501

[GN⁺]

ความเห็นจาก Hacker News

• เพราะ ผลเชิงสัมพัทธภาพ ปรอทจึงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนชั้นในเคลื่อนที่ด้วยความเร็วราว 60% ของความเร็วแสง ทำให้ดึงอิเล็กตรอนชั้นนอกเข้ามาแรงขึ้น จนเกิดพันธะและก่อตัวเป็นของแข็งได้ยาก
  แต่ผมไม่ใช่นักฟิสิกส์ ดังนั้นอย่าเพิ่งเชื่อคำอธิบายนี้แบบตรงตัวไปใช้กับการออกแบบยานอวกาศล่ะ

  • ถ้าอย่างนั้นคำถามที่น่าสนใจกว่าคือ ทำไม ธาตุข้างเคียงของปรอท ในตารางธาตุถึงไม่แสดงปรากฏการณ์แบบเดียวกัน
  • อีกด้านหนึ่ง ควาร์ก ทั้งหมดในอะตอมทั่วไปก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 0.99995c

• ผมว่าน่าสนใจตรงที่ในย่านสัมพัทธภาพจะเกิด spin-orbit coupling ซึ่งทำให้สปินและวงโคจรของอิเล็กตรอนไม่เป็นอิสระต่อกัน ผมเพิ่งเคยได้ยินเรื่องพันธะซิกมาและพันธะไพด้วย
  https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285

  • พันธะซิกมาและพันธะไพ มักเรียนกันใน AP Chemistry แต่ก็มักอธิบายแบบคลุมเครือว่าทำไมและทำงานอย่างไร ยิ่งอะตอมหนัก รูปร่างของกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนเวเลนซ์ก็ยิ่งซับซ้อน และเมื่อมีอะตอมมากกว่าหนึ่งตัวมาจับกันก็ยิ่งซับซ้อนขึ้นมาก
  • ประโยคที่อ้างมานั้นพูดให้เคร่งครัดแล้วไม่ถูกนัก สิ่งที่ทำให้เกิดผลนี้ไม่ใช่ มวลของนิวเคลียสที่เพิ่มขึ้น แต่เป็น ประจุนิวเคลียส ที่มากขึ้นและการเปลี่ยนแปลงของ Coulomb potential ที่ตามมา
  • ถ้าให้ประจุบวกกับดาวนิวตรอน อิเล็กตรอนจะสามารถโคจรรอบมันได้ไหม?

• เรื่องที่สัมพัทธภาพส่งผลต่อวงโคจรอิเล็กตรอนของธาตุหนักนี่ไม่ใช่ว่ารู้กันอยู่แล้วหรือ? ผมก็เรียนมาตั้งแต่คลาสฟิสิกส์ช่วงกลางทศวรรษ 2000 แล้ว และก็ทราบกันมานานแล้วว่าสีของทองมาจาก ผลเชิงสัมพัทธภาพ
  https://physics.aps.org/articles/v10/s3

  • งานวิจัยนี้ดูเหมือนจะเป็นการยืนยันเรื่องนี้ครั้งแรกด้วย การสังเกตออร์บิทัลโดยตรงในการทดลอง แนวคิดที่ว่าสัมพัทธภาพมีความสำคัญในธาตุหนักมีมาตั้งแต่ยุค 1970 แล้ว แต่นี่เป็นหลักฐานเชิงสเปกโทรสโกปีโดยตรงว่ารูปแบบพันธะเคมีที่เรียนกันในมัธยมใช้กับธาตุหนักไม่ได้
  • โดยทั่วไปแล้ว spin-orbit coupling และผลเชิงสัมพัทธภาพในธาตุหนักไม่ใช่เรื่องใหม่ และมีการศึกษากันอย่างสำคัญในยูเรเนียมกับพลูโทเนียมด้วย คำนวณคร่าวๆ ก็เห็นได้ว่าอิเล็กตรอนบางส่วนไปถึงความเร็วระดับสัมพัทธภาพ
    การค้นพบครั้งนี้น่าจะใกล้เคียงกับการเป็นกรณีใหม่ที่เกิดในพันธะเฉพาะของไอออนเฉพาะมากกว่า อ่านตัวงานมากกว่าอ่านข่าวประชาสัมพันธ์เกินจริงของมหาวิทยาลัยจะดีกว่า เพราะแม้แต่บทสรุปของบรรณาธิการก็ยังบอกไว้ตั้งแต่ต้นว่า “เป็นที่ชัดเจนมานานแล้วว่าเมื่ออะตอมหนักพอจนสัมพัทธภาพเข้ามาเกี่ยวข้อง แบบจำลองนี้ก็เริ่มสั่นคลอน”
  • เมื่อ 25 ปีก่อนผมก็เรียนมาแล้วว่า สัมพัทธภาพมีสัดส่วนใหญ่ ในสมการเคมีควอนตัมของอะตอมทอง แนวคิดนี้เก่าแล้ว และพาดหัวทำให้เข้าใจผิด
  • จุดโฟกัสของงานน่าจะเจาะจงไปที่ ผลเชิงสัมพัทธภาพในพันธะสาม มากกว่าผลเชิงสัมพัทธภาพทั่วไป
  • มีบทความใน Wikipedia ที่เกี่ยวข้องอยู่แล้วด้วย
    https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_chemistry

• ความยอดเยี่ยมของ Einstein ไปไกลกว่าวิทยาศาสตร์เสียอีก
  <https://assets.press.princeton.edu/chapters/s6681.pdf>
  เขาภูมิใจในอัตลักษณ์ความเป็นยิวของตนเอง แต่ก็ยังตั้งคำถามว่าถ้าไม่ได้เกิดมาในชีวิตแบบนั้น เขาจะยังเป็นยิวอยู่หรือไม่ ผมไม่ค่อยเห็นด้วยกับแนวคิดกำหนดนิยมที่เคร่งมากของเขาเท่าไร แต่นามสกุลของเขาเป็นที่รู้จักแพร่หลายยิ่งกว่านามสกุลของผมหรือแทบจะของใครก็ตาม
  ผมจบปริญญาเคมีเภสัชช่วงกลางทศวรรษ 2000 และยากจะจินตนาการได้เลยว่าการศึกษาวิทยาศาสตร์จะน่าทึ่งแค่ไหนด้วยสื่อภาพในทุกวันนี้ ตอนนี้เราสามารถดู แบบจำลองที่โต้ตอบได้สูงมาก ของธาตุทุกชนิดได้ในเว็บเบราว์เซอร์เพียงคลิกเดียวโดยไม่ต้องใช้ซอฟต์แวร์แยกต่างหาก ตอนนั้นผมต้องอาศัยแค่ภาพพิมพ์สองมิติในห้องสมุด แล้วหมุนโครงสร้างเคมีอินทรีย์ในหัวเอาเองเรื่องมิติสัมพันธ์ แต่ก็ยังได้ A

• ข้อความที่ว่า “บิสมัทอาจแทนที่ตะกั่วที่เป็นพิษในเซลล์แสงอาทิตย์ยุคถัดไปได้” ฟังดูน่าสงสัย แผงโซลาร์ทั่วไปที่ผลิตจำนวนมากในปัจจุบันมีการใช้ตะกั่วจริงหรือ? Wikipedia บอกว่า lead telluride กับ lead selenide ใช้ในอุปกรณ์โฟโตโวลตาอิกและตัวตรวจจับอินฟราเรด แต่แต่ละหน้าก็ไม่ได้พูดถึงแผงโซลาร์
  ลองค้นดูก็เจอแค่การใช้งานใน แผงโซลาร์แบบยืดหยุ่น ที่มีส่วนแบ่งตลาดน้อยมาก และหลายแบบเท่าที่ทราบก็ใช้สารประกอบแคดเมียมแทนตะกั่ว ซึ่งแน่นอนว่าแคดเมียมก็เป็นพิษเหมือนกัน
  ยังมีข้อมูลว่าตะกั่วถูกใช้ในงานบัดกรีประกอบแผง แต่ใน EU ก็แบนตะกั่วสำหรับงานบัดกรีมานานแล้วภายใต้ RoHS ยกเว้นการใช้งานเฉพาะทางบางอย่าง ถ้าแผงโซลาร์เคยเป็นข้อยกเว้น ก็สงสัยว่าในปี 2026 ยังเป็นอยู่ไหม บิสมัทถูกใช้ในโลหะบัดกรีบางชนิดด้วยเหตุผลคล้ายตะกั่วจริง
  มีข้อมูลว่าในแผงที่นำไปรีไซเคิล ตะกั่วคิดเป็นน้ำหนักประมาณ 0.1% และยังมีข้อมูลว่าปริมาณรวมต่ำกว่ามาตรฐานความปลอดภัยของวัสดุสนามเด็กเล่นด้วย เมื่อดูภาพรวมแล้ว คำว่า ตะกั่วที่เป็นพิษ ดูเหมือนเป็นข้อมูลเก่าหรือเป็นถ้อยคำที่ชวนให้เกิดความกลัว ความไม่แน่นอน และความสงสัยมากกว่า

• นี่คือผลการทดลองที่ยืนยัน สมการ Dirac อีกครั้ง ซึ่งเป็นการบูรณาการทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเข้ากับฟิสิกส์ควอนตัม
  PDF ของงานวิจัย: https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/sites.brown.edu/dist/0/196/fil...

• แล้ว ซูเปอร์ฟลูอิดและคอนเดนเสทแบบ Bose-Einstein ล่ะ? ผมสงสัยว่ากับซูเปอร์ฟลูอิดอย่าง ³He มีกฎอีกแบบหนึ่งใช้บังคับหรือเปล่า หรือว่ากฎของซูเปอร์ฟลูอิดใช้กับธาตุหนักด้วย ตรงนี้ดูเหมือนจะต้องมีแบบจำลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมของซูเปอร์ฟลูอิดด้วย

• สัมพัทธภาพยังเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติแปลกๆ อีกหลายอย่างของธาตุหนัก เช่น สีของทอง หรือเหตุผลที่ตะกั่วเหมาะจะเป็นวัสดุแบตเตอรี่

• มุมควอนตัมของเรื่องนี้จะทำนายได้เท่าเทียมกันด้วย กลศาสตร์แบบ Bohm หรือไม่? หรือว่านี่เป็นกรณีที่น่าสนใจซึ่งคำทำนายของสองทฤษฎีแยกจากกัน จนเปิดทางให้พิสูจน์หักล้างได้?

  • กลศาสตร์แบบ Bohm ไม่เป็นสัมพัทธภาพอยู่แล้ว ดังนั้นแต่แรกก็ไม่สอดคล้องกับปรากฏการณ์เชิงสัมพัทธภาพ โดยทั่วไปมันให้คำทำนายแบบเดียวกับกลศาสตร์ควอนตัมไม่เป็นสัมพัทธภาพ เช่นสมการ Schrödinger แต่เพราะ ความไม่เป็นเฉพาะที่ของคลื่นนำ จึงยากที่จะหาฉบับเชิงสัมพัทธภาพที่เทียบเท่ากับสมการ Dirac

• หลังจากทำงานเป็นเจ้าหน้าที่สำนักงานสิทธิบัตร แล้วไปยึดสิทธิในเทคโนโลยีพื้นฐานแบบนี้ไว้ก่อน ถือว่ามองการณ์ไกลมาก ตอนนั้นคงมีคนคิดว่า “เวลาที่ดาวพุธบังดวงอาทิตย์คลาดไปนิดหน่อยจะมีมูลค่าทางการค้าอะไร” แต่ตอนนี้บริษัทเคมีทั่วจักรวาลคงจะโดนส่งบิลค่าใช้งานทุกครั้งที่ผลิตอะไรซับซ้อนกว่าก๊าซไฮโดรเจน
  ในทางกลับกัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบกาลิเลโอ หมดอายุสิทธิบัตรไปนานแล้ว เลยใช้งานได้ฟรี จะขยับตัวอย่างอิสระภายในเครื่องบินหรือยานพาหนะอื่นๆ ราวกับเป็นกรอบอ้างอิงหยุดนิ่งก็ไม่ต้องจ่ายค่าลิขสิทธิ์

  • ตอนนี้เราก็เอาเงินภาษีไปสนับสนุน งานวิจัยพื้นฐาน กันอยู่แล้ว ดังนั้นการไปเก็บค่าธรรมเนียมเพิ่มจากผลงานที่ไม่สามารถทำกำไรได้และไม่แย่งใช้กัน จึงไม่ยุติธรรม