Το πείραμα της κηλίδας του λαδιού του Βενιαμίν Φραγκλίνου

Σε γενικές γραμμές η ιδέα ότι η ύλη αποτελείται λίγο -πολύ από αδιαίρετα άτομα αποδίδεται στον Δημόκριτο. Παρόλο που η ιδέα του μεγάλου φιλοσόφου ήταν σωστή, ο ίδιος δεν πρέπει να συνειδητοποίησε τη στιγμή που το σκέφθηκε ότι τα άτομα που μας περιβάλλουν είναι τόσο πολύ μικρά: λιγότερο από ένα νανόμετρο, ή ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου!
Στη συνέχεια έπρεπε να περιμένουμε τα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα για να έχουμε μια ολοκληρωμένη απάντηση, όταν οι φυσικοί έδωσαν τις οριστικές αποδείξεις για την ύπαρξη των ατόμων και κατάφεραν να εκτιμήσουν με αρκετή ακρίβεια το μέγεθος τους.

Ωστόσο, το 1762, ο Βενιαμίν Φραγκλίνος έκανε μια εκπληκτική παρατήρηση που θα μπορούσε να αποδείξει, έναν αιώνα πριν από τους άλλους, πώς τα άτομα και τα μόρια που μας περιβάλλουν είναι πολύ μα πολύ μικρά. Αλλά περιέργως, δεν ολοκλήρωσε το πείραμά του, ή μάλλον το συλλογισμό του ως το τέλος.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ ΒΕΝΙΑΜΙΝ ΦΡΑΓΚΛΙΝΟΥ

Πρώτα ας πω δυο λόγια για τον Benjamin Franklin, τον οποίο μπορείτε να θαυμάσετε στα χαρτονομίσματα των 100 $. Γεννημένος στη Βοστώνη το 1706, ήταν ένας από τους ιδρυτές των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής και συνυπέγραψε με τον Thomas Jefferson τη διακήρυξη της ανεξαρτησίας το 1776.
Εκτός του ότι υπήρξε ένας μεγάλος ηγέτης, ήταν συνάμα κι ένας λαμπρός φυσικός και ένας εξαιρετικός εφευρέτης. Έγινε επίσης γνωστός για το διάσημο και επικίνδυνο πείραμα του χαρταετού, το οποίο του επέτρεψε να αποδείξει την ηλεκτρική φύση της αστραπής και εφηύρε το αλεξικέραυνο.

Το πείραμα στο οποίο αναφέρομαι δεν είναι τόσο γνωστό όσο αυτό του χαρταετού, αλλά κατά τη γνώμη μου είναι πολύ πιο επαναστατικό!

Το 1762, ο Φραγκλίνος περπατάει στην άκρη της λίμνης Clapham της Αγγλίας και αποφασίζει - ποιος ξέρει γιατί- να ρίξει λίγο λάδι στο νερό. Παρατηρεί τότε ότι μια κηλίδα σχηματίζεται στην επιφάνεια η οποία γρήγορα εξαπλώνεται για να καλύψει σχεδόν το ένα τέταρτο της επιφάνειας του νερού.

Για τους αγγλόφωνους, ορίστε ένα απόσπασμα που έγραψε το 1773 για αυτό το πείραμα:
“At length at Clapham where there is, on the common, a large pond, which I observed to be one day very rough with the wind, I fetched out a cruet of oil, and dropped a little of it on the water. I saw it spread itself with surprising swiftness upon the surface. The oil, though not more than a teaspoonful, produced an instant calm over a space several yards square, which spread amazingly and extended itself gradually until it reached the leeside, making all that quarter of the pond, perhaps half an acre, as smooth as a looking glass.”

Για όσους έχουν πρόβλημα στα αγγλικά, το κλειδί βρίσκεται στην παρακάτω εικόνα, η οποία δείχνει τη λίμνη Clapham πριν και μετά την τοποθέτηση των σταγόνων λαδιού: δείτε την ταινία του λαδιού, το οποίο έχει την ιδιότητα να "ηρεμεί" το νερό και να κάνει την επιφάνειά του πιο ομαλή και όχι κυματιστή.
Ποιο είναι το πάχος του λεπτού στρώματος του λαδιού;
Αυτό που είναι συναρπαστικό για αυτή την εμπειρία είναι ότι μια μικρή ποσότητα λαδιού (το ισοδύναμο ενός κουταλιού της σούπας κατά τον Φραγκλίνο) μπορεί να κλιμακωθεί σε μια πολύ μεγάλη επιφάνεια, περίπου 2 στρεμμάτων ή 2000 τετραγωνικών μέτρων. Είναι απίστευτο αλλά φαίνεται ότι ο Βενιαμίν Φραγκλίνος δεν μπήκε καν στον κόπο να προσπαθήσει να υπολογίσει το πάχος του στρώματος του λαδιού.Το έκανε στη θέση του ο Rayleigh το 1890 όταν επανέλαβε το πείραμα του Φραγκλίνου και υπολόγισε το πάχος. Ο υπολογισμός είναι στοιχειώδης και το αποτέλεσμα είναι εκπληκτικό!
Αλλά ας το δούμε: ο Φραγκλίνος ρίχνει το ισοδύναμο μιας κουταλιάς της σούπας λάδι, ας πούμε 2 κυβικά εκατοστά. Εάν η μεμβράνη απλώνεται πάνω από 2000 τ.μ. μια απλή διαίρεση δείχνει ότι πρέπει να έχει ένα πάχος περίπου ενός νανομέτρου...σχετικά το μέγεθος περίπου ενός μορίου λαδιού! Εν αγνοία του, ο Βενιαμίν Φραγκλίνος επρόκειτο να παρακολουθήσει μια μεμβράνη λαδιού η οποία είχε μόνο το πάχος ενός μορίου. 

Με αυτόν τον απλό υπολογισμό, ο Φραγκλίνος θα μπορούσε να συμπεράνει ότι τα στοιχεία του υλικού πρέπει να είναι τουλάχιστον τόσο μικρά όσο ενός νανομέτρου. Στη συνέχεια, θα μπορούσε επίσης να υπολογίσει τον αριθμό των μορίων που υπάρχουν σε μια σταγόνα λαδιού και να βρει κάτι αρκετά κοντά στο μέγεθος του αριθμού του Avogadro που είναι της τάξης των 10 ^ 23 (10 στην εικοστή τρίτη δύναμη).

Αλλά όχι, ο Φραγκλίνος δεν είχε την ιδέα της διαίρεσης και έπρεπε να περάσουν 100 χρόνια, όταν το 1865 ο Johann Loschmidt υπολόγισε με άλλα μέσα το μέγεθος των μορίων του αέρα και να συνειδητοποιήσουμε πως ο ατομικός κόσμος είναι πράγματι μικροσκοπικός.

*Ο Γιάννης Κουκουφίκης είναι επιχειρηματίας