วัตถุที่ไม่เคลื่อนที่มากมายรอบตัวคุณ อาจเหมือนกับอยู่กับที่นิ่ง ๆ
แต่มองให้ลึกลงไปในโครงสร้างอะตอมของพวกมัน
และคุณจะเห็นโลกที่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา
การยืด
การอัด
การดีดตัว
การกระโดด
การพัดพาอะตอมไปทุกหนทุกแห่ง
และแม้ว่าการเคลื่อนที่นั้นอาจดูโกลาหล แต่มันไม่ได้มั่ว
อะตอมที่เชื่อมอยู่ด้วยกัน
และเป็นโครงสร้างของเกือบทุกสสาร
เคลื่อนที่ตามหลักการ
ยกตัวอย่างเช่น อะตอมจับอยู่ด้วยกัน ด้วยพันธะโคเวเลนท์เป็นโมเลกุล
มีสามแบบพื้นฐาน ที่โมเลกุลสามารถเคลื่อนที่ได้
การหมุน
การเปลี่ยนถ่าย
และการสั่น
แบบการหมุนและการเปลี่ยนถ่าย เคลื่อนโมเลกุลในพื้นที่
ในขณะที่อะตอมของมัน ยังคงอยู่ห่างกันเท่าเดิม
ในขณะที่ การสั่นเปลี่ยนระยะห่างเหล่านั้น
และเปลี่ยนรูปร่างของโมเลกุลด้วย
สำหรับโมเลกุลใด ๆ คุณสามารถ นับวิธีการเคลื่อนที่ของมันได้
ซึ่งมันสอดคล้องกับระดับองศาอิสระ (degrees of freedom)
ซึ่งในทางวิศวกรรมแล้ว
มันหมายถึงจำนวนของตัวแปร ที่เราต้องการนำมาพิจารณา
เพื่อที่จะเข้าใจระบบทั้งหมด
พื้นที่สามมติติถูกกำหนดโดยแกน x, y และ z
การเปลี่ยนถ่ายทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่ ในทิศทางใด ๆ ก็ได้
นั่นคือสามระดับองศาอิสระ
มันยังสามารถหมุนไปรอบ ๆ แกนใด ๆ ก็ได้
ทำให้มีอีกสามระดับองศาอิสระ
แม้ว่าโมเลกุลที่เป็นเส้น อย่างคาร์บอนไดออกไซด์
ในกรณีนั้น การหมุนแบบหนึ่ง จะหมุนโมเลกุลไปรอบ ๆ แกนของมันเอง
ซึ่งไม่ถูกนับ เพราะว่ามันไม่ได้เปลี่ยนตำแหน่งของอะตอม
การสั่นทำให้เรื่องยากขึ้นมาอีกหน่อย
ลองมาดูโมเลกุลง่าย ๆ อย่างไฮโดรเจน
ความยาวของพันธะที่จับสองโมเลกุลไว้ด้วยกัน มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา
ราวกับว่าอะตอมถูกเชื่อมต่อกันด้วยขดลวด
การเปลี่ยนแปลงระยะห่างนั้นน้อยมาก น้อยกว่าหนึ่งในพันล้านเมตรเสียอีก
ยิ่งมีอะตอมและพันธะมากเท่าไร การสั่นก็ยิ่งมีได้หลากหลาย
ยกตัวอย่างเช่น โมเลกุลน้ำที่มีสามอะตอม
มีออกซิเจนหนึ่งอะตอม และสองไฮโดรเจนอะตอม
นั่นทำให้มีการสั่นได้สามแบบ
คือการยืดแบบสมมาตร
การยืดแบบไม่สมมาตร
และการงอ
โมเลกุลที่ซับซ้อนกว่านั้น ก็จะยิ่งมีการสั่นที่แปลกไปกว่านั้น
เช่นการเขย่า
การแกว่ง
การหมุนปั่น
ถ้าคุณรู้ว่าโมเลกุลมีอะตอมจำนวนเท่าไร คุณจะสามารถนับวิธีการหมุนได้
เริ่มจากจำนวนระดับองศาอิสระทั้งหมด
ซึ่งคือสามคูณด้วยจำนวนอะตอมในโมเลกุล
นั่นเป็นเพราะว่าแต่ละอะตอมสามารถเคลื่อน ไปได้ในสามทิศทาง
สามของจากทั้งหมดนั้น สอดคล้องกับการเปลี่ยนถ่าย
ที่อะตอมทั้งหมดเคลื่อนไปในทางเดียวกัน
และสามหรือสองสำหรับโมเลกุลเส้น สอดคล้องกับการหมุน
ทั้งหมด 3N-6 หรือ 3N-5 สำหรับโมเลกุลเส้น
และการสั่น
แล้วอะไรที่ทำให้เกิดการเคลื่อนทั้งหมดนี้
โมเลกุลเคลื่อนก็เพราะว่า พวกมันดูดซับพลังงานจากสิ่งแวดล้อม
ในรูปแบบของความร้อนเป็นส่วนใหญ่
เมื่อพลังงานนี้ถูกส่งต่อไปยังโมเลกุล
พวกมันสั่น
หมุน
และเปลี่ยนถ่ายเร็วขึ้น
การเคลื่อนที่เร็วเพิ่มพลังงานกล ของโมเลกุลและอะตอม
เราเรียกกำหนดให้มันเป็นการเพิ่มอุณหภูมิ และพลังงานความร้อน
นี่คือปรากฏการณ์ที่ไมโครเวฟของคุณ ใช้เพื่ออุ่นอาหาร
เตาไมโครเวปปล่อยรังสีไมโครเวป ซึ่งถูกดูดซับไปโดยโมเลกุล
โดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ำ
พวกมันเคลื่อนไปรอบ ๆ เร็วขึ้นเรื่อย ๆ
ชนปะทะกันและกันและเพิ่มอุณหภูมิของอาหาร และพลังงานความร้อน
ปรากฏการณ์เรือนกระจกเป็นอีกตัวอย่างหนึ่ง
รังสีจากดวงอาทิตย์บางส่วน ที่เข้าสู่พื้นผิวโลก
ถูกสะท้อนกลับออกไปในชั้นบรรยากาศ
ก๊าซเรือนกระจก อย่างเช่นไอน้ำและ คาร์บอนไดออกไซด์ดูดซับการรังสีนี้
และมีความเร็วมากขึ้น
โมเลกุลที่ร้อนขึ้นและเคลื่อนที่เร็วขึ้น เปล่งรังสีอินฟาเรดออกมาทุกทิศทาง
รวมถึงกลับมายังโลก และทำให้โลกร้อนขึ้นด้วย
การเคลื่อนโมเลกุลพวกนี้เคยหยุดบ้างไหม
คุณอาจคิดว่านั่นอาจเกิดขึ้นที่ศูนย์องศาสมบูรณ์
ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุด
ไม่มีใครสามารถทำความเย็นได้ขนาดนั้น
แต่ถึงแม้ว่าเราทำได้
โมเลกุลก็ยังคงเคลื่อน เนื่องจากหลักกลศาสตร์ควอนตัม
ที่เรียกว่า พลังงานที่จุดศูนย์
อีกนัยหนึ่งก็คือ ทุกอย่างเคลื่อนที่ ตั้งแต่จักรวาลเคลื่อนที่
และจะยังเป็นอย่างนั้นต่อไปอีกนาน หลังเราจากไปแล้ว