Trong khi Einstein và Hubble tỏ ra rất hiệu quả trong việc làm sáng tỏ những khúc mắc về vũ trụ, các nhà khoa học khác lại cố gắng tìm hiểu một cái gì đó gần gũi hơn nhưng thực ra lại rất xa xôi: nguyên tử bé nhỏ nhưng vô cùng bí ẩn.
Nhà vật lý học nổi tiếng Richard Feynman đã từng nhận xét rằng nếu bạn phải gói gọn lịch sử khoa học trong một câu nói duy nhất, câu nói đó sẽ là “Mọi đối tuợng đều đuợc cấu thành bởi nguyên tử”. Chúng xuất hiện khắp mọi nơi và chúng cấu thành mọi thứ. Bạn hãy nhìn quanh mình. Tất cả đều là nguyên tử. Không chỉ những vật rắn chẳng hạn như tường nhà và bàn ghế, mà còn cả không khí quanh bạn. Và chúng xuất hiện với số lượng mà bạn không bao giờ có thể hình dung được.
Chỉnh hợp cơ bản của nguyên tử là phân tử. Một phân tử là tập hợp nhiều hơn một nguyên tử vận hành cùng với nhau trong sự sắp xếp tương đối ổn định: bạn thêm hai nguyên tử hydro vào một nguyên tử oxy và bạn sẽ có một phân tử nước. Các nhà hóa học thường dùng cụm từ “phân tử” hơn là “nguyên tố”, giống như các nhà văn thường dùng từ ngữ hơn mẫu tự, thế nên số lượng các phân tử là vô cùng lớn. Ở độ cao bằng không so với mực nuớc biển, ở nhiệt độ 32 độ F, một centimet khối không khí (có nghĩa là, một khoảng không gian có kích cỡ bằng một hạt đường) chứa đựng 45 tỷ tỷ phân tử. Và chúng xuất hiện ở mọi ngóc ngách quanh bạn. Bạn thử nghĩ xem có bao nhiêu centimet khối trên thế gian này – bạn cần có bao nhiêu hạt đường để lấp đầy khoảng không gian đó.
Rồi bạn hãy nghĩ xem cần có bao nhiêu hạt đường để cấu thành cả vũ trụ này. Tóm lại, nguyên tử vô cùng nhiều.
Chúng cũng bền bỉ vô cùng. Mỗi nguyên tử bạn có được đều đã di chuyển qua các vì sao và đã là một phần của hàng triệu cơ quan của chúng trước khi đến với bạn. Chúng ta sở hữu rất nhiều nguyên tử, và chúng ta đã được tái sinh từ cái chết rất nhiều lần, những nguyên tử cấu thành chúng ta đã từng được sinh ra và mất đi vô số lần – có lẽ những nguyên tử cấu thành chúng ta đã từng có lúc là những nguyên tử cấu thành Shakespeare.
Thế nên tất cả chúng ta đều là sự tái sinh – dù chúng ta có đời sống ngắn ngủi. Khi chúng ta chết đi, những nguyên tử của chúng ta sẽ phân hủy và tìm kiếm ứng dụng mới của chúng ở một nơi nào đó – chúng sẽ trở thành một phần của chiếc lá kia, một phần của một người khác, một phần của giọt sương mai. Tuy nhiên, các nguyên tử tiếp tục tồn tại đến mãi mãi, dù rằng chúng tồn tại ở hình thức khác. Không ai có thể biết được một nguyên tử có thể tồn tại bao lâu, nhưng theo Martin Rees thì có lẽ nó có thể tồn tại khoảng 1035 năm – một con số lớn đến mức tôi phải diễn đạt nó bằng ký hiệu.
Trên hết, nguyên tử rất nhỏ bé – cực kỳ nhỏ. Một sợi tóc có thể chứa nửa triệu nguyên tử. Với kích cỡ như thế, một người có thể chứa đựng một con số nguyên tử mà chúng ta không thể hình dung được, nhưng dĩ nhiên chúng ta sẽ cố gắng tìm hiểu.
Chúng ta hãy bắt đầu với một milimet, một đoạn thẳng ngắn như thế này: -. Bây giờ chúng ta hãy hình dung rằng đường thẳng này được chia thành một ngàn lần có độ rộng bằng nhau. Mỗi đơn vị này được gọi là một micromet. Đây là kích cỡ của vi sinh vật, chúng ta chỉ nhìn thấy chúng qua kính hiển vi. Ví dụ, một vi sinh vật điển hình có độ rộng hai micro, 0,002 milimet, đây là một kích cỡ rất nhỏ. Nếu bạn muốn nhìn thấy nó bằng mắt thường khi nó đang bơi trong một giọt nước, bạn sẽ phải phóng đại kích cỡ giọt nước này mãi đến khi nó có đường kính bốn mươi foot (1 foot = 0,3948 mét). Tuy nhiên, nếu bạn muốn nhìn thấy một nguyên tử trong cùng một giọt nước đó, bạn sẽ phải phóng đại kích cỡ giọt nước này mãi đến khi nó có đường kính mười lăm dặm.
Nói cách khác, nguyên tử tồn tại ở kích cỡ cực kỳ nhỏ bé. Kích cỡ của nó là một phần triệu của một milimet. Kích cỡ của nó nhỏ đến mức chúng ta không thể hình dung được, nhưng bạn có thể hình dung rằng nếu một nguyên tử có độ rộng là một milimet thì độ dày của một tờ giấy sẽ bằng với độ cao của tòa nhà Empire State.
Dĩ nhiên chính sự phong phú và cực kỳ bền bỉ của nguyên tử giúp chúng trở nên hữu ích đến thế, và chính sự nhỏ bé của chúng khiến chúng ta khó có thể nhận ra và thấu hiểu được. Chúng ta có thể mô tả nguyên tử qua ba yếu tố – nhỏ, nhiều, và rất bền vững – và người đầu tiên xác định được rằng mọi đối tượng được cấu thành từ nguyên tử không phải là Antoine–Laurent Lavoisier, như bạn vẫn thường nghĩ, hay Henry Cavendish hay Humphry Davy, mà là một người Anh chỉ được học hành chút ít tên là John Dalton, chúng ta đã gặp người này ở Chương nói về hóa học.
Dalton sinh năm 1766 tại vùng ven quận Lake gần Cockermouth trong một gia đình nghèo nhưng rất mộ đạo, họ là tín đồ phái Quây–cơ. (Bốn năm sau thi sĩ William Wordsworth cũng chào đời tại Cockermouth). Ông là một học sinh thông minh nổi bật – thông minh đến mức khi mới mười hai tuổi ông đã được giao nhiệm vụ phụ trách giảng dạy tại trường tiểu học địa phương. Có thể điều này cho chúng ta thấy sự sớm phát triển của Dalton, nhưng cũng có thể không: chúng ta biết được qua nhật ký của ông rằng tại thời điểm này ông đã đọc cuốn Principia của Newton được viết bằng tiếng La Tinh và những tác phẩm tự nhiên kinh điển khác. Khi được mười lăm tuổi, vẫn trong vai trò là một giảng viên, ông nhận một công việc tại thị trấn Kendal lân cận, và mười năm sau ông chuyển đến Manchester, ông ở đó suốt năm mươi năm còn lại của đời mình. Tại Manchester ông trở thành một cơn lốc trí tuệ, ông xuất bản sách và các bài thuyết trình về nhiều đề tài khác nhau, từ khí tượng học cho đến sách ngữ pháp. Chứng mù màu, đây là triệu chứng ông phải gánh chịu, được gọi là chứng Daltonism trong suốt một khoảng thời gian dài để tỏ lòng biết ơn về những nghiên cứu của ông. Nhưng chính cuốn sách kinh điển được gọi là A New System of Chemical Philosophy, được xuất bản năm 1808, đã đem lại danh tiếng cho ông.
Trong đó, trong một chương ngắn khoảng năm trang (cuốn sách dày hơn chín trăm trang), chúng ta có thể bắt gặp khái niệm đầu tiên về nguyên tử. Hiểu biết đơn giản của Dalton là: thành phần cấu tạo nên mọi vật chất là thứ cực kỳ nhỏ bé, là những hạt không thể nào nhỏ hơn được. “Chúng ta có thể tạo ra một hành tinh mới trong hệ mặt trời hoặc tiêu diệt một hành tinh đang tồn tại, việc này tương ứng với việc tạo ra hoặc tiêu diệt một hạt của hydro”, ông viết.
Ý tưởng về nguyên tử và từ ngữ “nguyên tử” hoàn toàn không hề mới mẻ. Cả hai đã được phát triển bởi người Hy Lạp cổ đại. Đóng góp của Dalton là: xác định kích cỡ tương đối và đặc điểm của nguyên tử. Ví dụ, ông biết rằng hydro là nguyên tố nhẹ nhất, thế nên ông gán cho nó trọng lượng nguyên tử là một. Ông cũng tin rằng nước gồm có bảy nguyên tử oxy và một nguyên tử hydro, và thế nên ông gán cho oxy trọng lượng nguyên tử là bảy. Bằng cách đó ông có thể xác định được trọng lượng tương đối của các nguyên tố đã biết. Không phải lúc nào ông cũng tỏ ra chính xác – thực ra trọng lượng nguyên tử của oxy là mười sáu, chứ không phải là bảy – nhưng nguyên tắc này khá đúng đắn và thiết lập cơ sở cho hóa học hiện đại và phần lớn các môn khoa học hiện đại khác.
Tác phẩm này giúp Dalton trở nên nổi tiếng – dù không quá sôi nổi. Năm 1826, nhà hóa học người Pháp P. J. Pelletier đến Manchester để gặp Dalton. Pelletier nghĩ rằng mình sẽ gặp gỡ Dalton tại một học viện đồ sộ nào đó, thế nên ông tỏ ra vô cùng ngạc nhiên khi bắt gặp Dalton đang giảng dạy số học cho các học sinh tại một ngôi trường nhỏ. Theo lời nhà nghiên cứu lịch sử khoa học E. J. Holmyard, Pelletier tỏ ra bối rối khi trông thấy nhân vật vĩ đại này, ông lắp bắp:
“Đây là ngài Dalton đáng kính đây sao?”, vì ông không thể tin vào mắt mình rằng đây là nhà hóa học lừng danh của châu Âu, đang giảng dạy bốn quy tắc cơ bản cho các học sinh. “Vâng”, Dalton trả lời đơn giản. “Mời anh ngồi trong khi tôi sửa lại bài cho cậu học sinh này”.
Dù Dalton cố tránh né mọi bằng danh dự, ông được bầu chọn vào Hội Hoàng gia dù rằng ông không muốn, nhận rất nhiều huy chương, và nhận số tiền trợ cấp lớn từ chính phủ. Khi ông qua đời vào năm 1844, bốn mươi nghìn người đến dự tang lễ, và đám rước lễ là một đoàn người kéo dài hai dặm. Trong cuốn Dictionary of National Biography, người ta nói về ông rất nhiều, chỉ có Darwin và Lyell có thể so sánh với ông trong số những nhà khoa học lừng danh thế kỷ mười chín.
Suốt một thế kỷ sau khi Dalton trình bày những đề xuất của mình, nó vẫn tồn tại trong vai trò là một giả thuyết, và một vài nhà khoa học lỗi lạc – đáng ghi nhận là nhà vật lý học người Viennese tên là Ernst Mach, người ta đặt tên ông cho tốc độ âm thanh – đã nghi ngờ về sự tồn tại của nguyên tử. “Nguyên tử không thể được cảm nhận bằng trực giác… chúng là thứ do suy nghĩ tạo ra”, ông viết. Sự tồn tại của nguyên tử bị nghi ngờ tại các quốc gia nói tiếng Đức đến mức người ta xem nó là một trong những nhân tố dẫn đến sự tự sát của nhà vật lý học lý thuyết vĩ đại rất say mê nghiên cứu nguyên tử, Ludwig Boltzmann, vào năm 1906.
Chính Einstein là người đã cung cấp những chứng cớ rành rành về sự tồn tại của nguyên tử qua bài thuyết trình về sự chuyển động Brownian vào năm 1905, nhưng điều này dường như chẳng thu hút sự chú ý của ai và bất luận thế nào Einstein vẫn tiếp tục công việc của mình với Thuyết Tương đối tổng quát. Thế nên vị anh hùng thực sự đầu tiên của thời đại nguyên tử, nếu không phải là nhân vật quan trọng nhất trong bối cảnh này, chính là Ernest Rutherford.
Rutherford sinh năm 1871 tại New Zealand trong một gia đình đông con di cư từ Scotland. Vì lớn lên tại khu vực hẻo lánh của một đất nước xa xôi, ông ít được tiếp cận với thế giới khoa học, nhưng vào năm 1895 ông giành được học bổng đưa ông đến Phòng thí nghiệm Cavendish tại Đại học Cambridge.
Các nhà vật lý học thường tỏ sự khinh miệt đối với các nhà khoa học thuộc các lĩnh vực khác. Khi vợ của nhà vật lý học vĩ đại người Áo Wolfgang Pauli ly hôn với ông để đến với một nhà hóa học nọ, ông sống trong sự bối rối với sự hoài nghi. “Nếu cô ấy đến với một gã đấu bò thì tôi còn có thể hiểu được”, ông nói với một người bạn, “Nhưng đằng này lại là một nhà hóa học.”.
Đó là tình cảm mà Rutherford có thể hiểu được. “Khoa học hoặc là vật lý học hoặc là việc đưa thư”, đã từng có lúc ông nói thế, câu nói này được nhắc đến nhiều lần kể từ đó. Vì vậy có sự mỉa mai khi ông giành giải Nobel vào năm 1908, đó là giải Nobel hóa học, chứ không phải vật lý học.
Rutherford là người may mắn – may mắn để trở thành một thiên tài, nhưng ông thậm chí còn may mắn hơn khi sống trong một thời đại mà vật lý học và hóa học tồn tại tương hợp cùng nhau. Chưa bao giờ vật lý học và hóa học lại có được mối quan hệ hỗ tương tốt đến thế.
Với những thành công của mình, Rutherford không phải là người đặc biệt thông minh hay là người cực kỳ thành thạo trong toán học. Trong các bài giảng dạy của mình, ông thường nhầm lẫn các phương trình và phải tạm ngưng giữa chừng và yêu cầu các sinh viên tự tìm hiểu. Theo lời một đồng nghiệp lâu dài của ông, James Chadwick, người khám phá nơtron, thì ông thậm chí cũng không giỏi giang lắm trong các thử nghiệm. Đơn giản ông là người vừa kiên trì vừa sẵn sàng tiếp thu cái mới. Chính sự sắc sảo và táo bạo của ông là yếu tố bổ khuyết cho sự thông minh của ông. Tâm trí ông, theo lời một nhà viết tiểu sử nọ, “luôn hướng về những điều mới mẻ, luôn nhìn về phía trước, và điều đó giúp ông vượt xa những người khác”. Khi đối mặt với những khó khăn, ông sẵn sàng làm việc cật lực hơn và kiên trì hơn so với hầu hết mọi người và sẵn sàng lắng nghe những lời giải thích khác thường. Những đột phát của ông xuất nguồn từ việc ông sẵn sàng trải qua nhiều giờ đồng hồ buồn tẻ ngồi tại màn hình để đếm những điểm lấp lánh của các hạt alpha – một công việc mà lẽ ra ông có thể thuê người khác làm hộ. Ông là người đầu tiên – thực sự là người đầu tiên – nhận thấy rằng sức mạnh cố hữu trong nguyên tử có thể, nếu được khai thác, tạo thành những quả bom đủ mạnh để “khiến thế giới biến mất sau làn khói”.
Nhưng danh tiếng vẫn đang chờ đợi ông vào năm 1895 khi ông đến Đại học Cavendish. [1] Đó là giai đoạn xảy ra nhiều sự kiện quan trọng trong khoa học. Vào năm ông đến Cambridge, Wilhelm Roentgen khám phá tia X tại Đại học Wurzburg ở Đức, và trong năm sau Henri Becquerel khám phá năng lực phóng xạ. Và chính Đại học Cavendish cũng trải qua một khoảng thời gian dài thịnh vượng. Năm 1897, J. J. Thomson và các đồng nghiệp khám phá electron tại đây, năm 1911 C. T. R. Wilson sáng chế máy dò hạt đầu tiên ở đó (chúng ta sẽ tìm hiểu ở phần sau), và năm 1932 James Chadwick khám phá nơtron ở đó. Ngoài ra, về sau James Watson và Francis Crick khám phá cấu trúc DNA tại Đại học Cavendish vào năm 1953.
Đầu tiên Rutherford làm việc với sóng radio (sóng vô tuyến), và với một vài lĩnh vực khác – ông tìm được cách truyền tín hiệu âm thanh qua khoảng cách một dặm, đây là một thành tựu rất tốt tại thời điểm này – nhưng lại bỏ cuộc khi ông được một đồng nghiệp lớn tuổi hơn khuyến cáo rằng không có nhiều triển vọng cho sóng vô tuyến. Tuy nhiên, nhìn chung Rutherford không phát triển mạnh tại Cavendish. Sau ba năm ở đó, vì cảm thấy rằng mình dậm chân tại chỗ, ông đảm nhận một vị trí tại Đại học McGill ở Montreal, và ở đó ông bắt đầu hướng thẳng đến sự thành công. Trước khi ông nhận được giải Nobel (vì “những khám phá về sự phân rã của các nguyên tố, và hóa học về các chất phóng xạ”, theo trích dẫn chính thức), ông đã chuyển đến Đại học Manchester, và chính tại đây ông thực hiện công việc quan trọng nhất của mình: xác định cấu trúc và bản chất của nguyên tử.
Đầu thế kỷ hai mươi, người ta biết rằng nguyên tử được cấu thành bởi nhiều phần – khám phá của Thomson về electron đã xác minh được điều đó – nhưng người ta vẫn không biết rằng một nguyên tử được cấu thành bởi bao nhiêu phần hoặc chúng kết hợp với nhau như thế nào và chúng có hình dạng ra sao. Một số nhà vật lý học cho rằng nguyên tử có thể có hình khối, vì hình khối có thể gắn kết với nhau chặt chẽ mà không bỏ phí không gian. Tuy nhiên, quan điểm chung cho rằng một nguyên tử có hình dạng giống một chiếc bánh bao nhân nho hoặc bánh putđinh có nhân: một vật rắn, nặng, mang điện tích dương nhưng bên trong có các electron mang điện tích âm, giống như nho trong bánh bao nhân nho.
Năm 1910, Rutherford (với sự trợ giúp của học trò Hans Geiger, người này về sau phát minh máy dò phóng xạ mang tên mình) bắn các nguyên tử heli đã được ion hóa, còn gọi là hạt alpha, vào một tấm kim loại vàng. Rutherford vô cùng ngạc nhiên, một số hạt bị bật ngược trở lại. Cứ như thể, ông nói, ông đã bắn một chiếc vỏ sò rộng mười lăm inch vào một tờ giấy và nó bật ngược trở lại vào lòng ông.
Không ai nghĩ rằng điều này có thể xảy ra. Sau khi suy nghĩ cẩn thận ông nhận thấy rằng chỉ có thể có một lời giải thích duy nhất: các hạt bị bật ngược trở lại là những hạt va chạm phải một cái gì đó nhỏ và rắn tại lõi của nguyên tử, trong khi các hạt khác lại không bị ngăn cản. Rutherford nhận thấy rằng, một nguyên tử gần như không chứa bất kỳ không gian nào, với những hạt nhân rất dày đặc tại lõi. Đây là một khám phá đầy phấn khởi, nhưng nó lại làm nảy sinh một vấn đề quan trọng. Theo những quy tắc vật lý thời bấy giờ thì nguyên tử không hề tồn tại.
Chúng ta hãy tạm ngừng một chút và tìm hiểu về cấu trúc của nguyên tử theo như những gì hiện nay chúng ta đã biết. Mỗi nguyên tử đều được cấu thành bởi ba loại hạt cơ bản: hạt proton, hạt mang điện tích dương; hạt electron, hạt mang điện tích âm; và hạt nơtron, hạt không mang điện tích. Hạt proton và nơtron được xếp bên trong các lõi, trong khi hạt electron lại bao bọc bên ngoài. Số hạt proton là yếu tố giúp chúng ta nhận dạng đặc tính hóa học của một nguyên tử. Nguyên tử có một hạt proton là nguyên tử của hyđrô, nguyên tử có hai hạt proton là nguyên tử của heli, nguyên tử có ba hạt proton là nguyên tử của liti, và vân vân. Mỗi khi bạn thêm vào một hạt proton thì bạn tạo được một nguyên tô mới. (Vì số hạt proton trong một nguyên tử luôn được cân bằng bởi số hạt electron tương ứng, chính vì thế đôi khi bạn sẽ nhận thấy rằng người ta dùng số hạt electron để định nghĩa về nguyên tố).
Hạt nơtron không ảnh hưởng gì đến việc nhận dạng nguyên tử, nhưng chúng có thể làm tăng khối lượng của nguyên tử. Số hạt nơtron thường bằng với số hạt proton, nhưng chúng có thể ít hơn hoặc nhiều hơn đôi chút. Bạn hãy thêm vào một hoặc hai hạt nơtron và bạn sẽ có được chất đồng vị.
Hạt nơtron và proton chiếm cứ tại nhân của nguyên tử. Nhân của nguyên tử rất nhỏ bé – chỉ một phần triệu của một phần tỷ tổng thể tích của nguyên tử – nhưng lại rất nặng vì nó chứa hầu hết khối lượng của nguvên tử. Theo lời Cropper, nếu một nguyên tử được phóng to thành kích cỡ của một ngôi nhà thờ, thì hạt nhân của nó cũng chỉ có kích cỡ bằng một con ruồi – nhưng là một con ruồi nặng hơn ngồi nhà thờ nhiều nghìn lần. Chính khoảng không gian thừa thãi của nguyên tử là yếu tố khiến Rutherford phải đau đầu vào năm 1910.
Ngày nay chúng ta vẫn cảm thấy ngạc nhiên với khái niệm rằng nguyên tử gần như là một khoảng không gian rỗng, và rằng sự bền vững mà chúng ta cảm nhận được quanh mình chỉ là một ảo tưởng. Khi hai vật va đập vào nhau trong thế giới thực – quả bóng bida thường được dùng làm minh họa – thực ra chúng không va đập vào nhau. “Nói đúng ra”, theo lời giải thích của Timothy Ferris, “từ trường âm của hai quả bóng đẩy nhau… nếu không có điện tích của chúng thì chúng có thể, giống như các dải ngân hà, di chuyển xuyên qua nhau một cách vô hại”. Khi bạn ngồi trên một chiếc ghế, bạn không thực sự ngồi lên nó, nhưng thực ra bạn đang bay lơ lửng trên mặt ghế, cách mặt ghế một angstrom (một angstrom bằng một phần một trăm triệu xentimet), các hạt electron của bạn và các hạt electron của nó không ngừng đẩy nhau.
Hầu hết mọi người đều nghĩ rằng một nguyên tử gồm có một hoặc hai hạt electron di chuyển quanh một hạt nhân, giống như các hành tinh di chuyển quanh mặt trời. Ý niệm này được tạo ra vào năm 1904, gần như chỉ dựa vào sự phỏng đoán, bởi một nhà vật lý học người Nhật Bản tên là Hantaro Nagaoka. Ý niệm đó hoàn toàn sai lạc, nhưng nó lại tồn tại bền bỉ. Theo lời Isaac Asimov, nó truyền cảm hứng cho các tác giả phim khoa học viễn tưởng tạo ra các câu chuyện về thế giới này trong thế giới nọ, trong các câu chuyện này nguyên tử trở thành các hệ mặt trời cực nhỏ hoặc hệ mặt trời của chúng ta trở thành một hạt bụi trong một không gian cực lớn. Thậm chí ngày nay tổ chức CERN (the European Organization for Nuclear Research) vẫn sử dụng hình ảnh của Nagaoka làm biểu trưng trên website của họ. Thực ra, theo những gì các nhà vật lý học khám phá được ngay sau đó, hạt electron hoàn toàn không di chuyển giống như các hành tinh di chuyển theo quỹ đạo, nhưng chúng di chuyển giống như những cách quạt xoay tròn, có thể lấp đầy mọi không gian của nguyên tử trong cùng một lúc (nhưng sự khác biệt cốt lõi ở đây là: các cánh quạt chỉ dường như xuất hiện mọi nơi trong cùng một lúc, trong khi đó các hạt electron lại thực sự xuất hiện mọi nơi trong cùng một lúc).
Không cần phải nói, vào năm 1910 và suốt nhiều năm sau đó người ta chỉ hiểu biết được rất ít về những điều này. Khám phá của Rutherford làm lộ ra một số vấn đề quan trọng, nhất là việc hạt electron không thể di chuyển theo quỹ đạo mà lại không đâm sầm vào nhau. Học thuyết điện động lực khi ấy cho rằng một hạt electron khi chuyển động sẽ nhanh chóng cạn kiệt năng lượng – chỉ trong tích tắc – và di chuyển hướng vào hạt nhân, tạo ra những hậu quả nghiêm trọng cho cả hai. Ngoài ra còn có một vấn đề khác: làm thế nào để các hạt proton với điện tích dương có thể liên kết lại với nhau mà không nổ bùng tách rời nhau và phá hủy phần còn lại của nguyên tử. Rõ ràng những gì đang diễn ra trong thế giới cực nhỏ đó hoàn toàn không chịu ảnh hưởng bởi những quy luật ứng dụng cho thế giới vĩ mô của chúng ta.
Khi các nhà vật lý bắt đầu nghiên cứu sâu về lĩnh vực nguyên tử này, họ nhận thấy rằng nó chẳng khác gì so với những gì chúng ta biết, nhưng nó khác so với những gì chúng ta tưởng tượng. “Vì cách thức hoạt động của nguyên tử rất khác thường”, Richard Feynman đã từng nhận xét, “nên chúng ta khó có thể tìm hiểu và nó dường như là sự kỳ lạ và bí ẩn đối với mọi người, cả nhà vật lý tập sự lẫn nhà vật lý giàu kinh nghiệm”. Khi Feynman đưa ra nhận xét này, trước đó các nhà vật lý đã trải qua nửa thế kỷ để làm quen với cách thức hoạt động kỳ lạ của nguyên tử. Thế nên chúng ta có thể hình dung được sự ngạc nhiên của Rutherford và các đồng nghiệp vào những năm 1910 khi mọi khám phá của họ trở thành những việc hoàn toàn mới mẻ.
Một trong số những người làm việc cùng Rutherford là một thanh niên nhã nhặn người Đan Mạch tên là Niels Bohr. Năm 1913, trong khi đang bối rối về cấu trúc của nguyên tử, Bohr nảy sinh một ý tưởng thú vị đến mức ông phải hủy tuần trăng mật của mình để viết thành một bài thuyết trình tạo bước ngoặt cho khoa học. Vì các nhà vật lý không thể nhìn thấy thứ gì nhỏ như nguyên tử, họ phải tìm hiểu cấu trúc nguyên tử bằng cách khảo sát phản ứng của nó khi họ tác động đến nó, chẳng hạn như cách Rutherford đã bắn các hạt alpha vào tấm kim loại. Đôi khi, chẳng gì phải ngạc nhiên, kết quả của các thử nghiệm này khiến họ phải bối rối. Một trong những bối rối đó chính là việc họ phải dành nhiều thời gian để đọc các bước sóng quang phổ của hydro. Những thử nghiệm như thế này cho thấy rằng các nguyên tử hydro phát ra năng lượng ở một số bước sóng nhất định nào đó. Không ai có thể hiểu được tại sao lại thế.
Trong khi đang bối rối về vấn đề này thì Bohr đột nhiên khám phá được một giải pháp và lập tức viết thành bài thuyết trình nổi tiếng của mình. Được gọi là “On the Constitutions of Atoms and Molecules” (Kết cấu của nguyên tử và phân tử), bài thuyết trình này giải thích tại sao các hạt electron có thể không rơi ra khỏi nhân nguyên tử bằng cách đề xuất rằng chúng chỉ có thể di chuyển theo một số quỹ đạo xác định nào đó. Theo học thuyết mới này, một electron di chuyển giữa các quỹ đạo sẽ biến mất khỏi quỹ đạo này và lập tức xuất hiện ở một quỹ đạo khác mà không hề dừng lại ở khoảng không gian giữa hai quỹ đạo này. Ý tưởng này – “bước đột phá” – dĩ nhiên hoàn toàn mới lạ, nó quá tốt khiến người ta không thể tin rằng đó là sự thật. Nó không những giữ cho các electron không di chuyển theo đường xoắn ốc hướng vào hạt nhân, mà còn giải thích được các bước sóng gây bối rối của hydro. Các hạt electron chỉ xuất hiện tại một số quỹ đạo nhất định nào đó vì chúng chỉ tồn tại ở một số quỹ đạo nhất định nào đó. Đó là sự hiểu biết khiến người ta phải sững sờ, và nó đã đem về cho Bohr giải Nobel vật lý năm 1922, chỉ một năm sau Einstein nhận được giải Nobel của mình.
Trong khi ấy Rutherford kiên trì, lúc này đã quay lại Đại học Cambridge trong vai trò là người kế vị trưởng Phòng thí nghiệm Cavendish, phát minh ra một mô hình có thể giải thích được tại sao các hạt nhân lại không nở lớn. Ông nhận thấy rằng ắt hẳn chúng phải được bù đắp bởi một loại hạt trung hòa nào đó, loại hạt mà ông gọi là hạt nơtron. Ý tưởng này đơn giản và hấp dẫn, nhưng không dễ gì chứng minh. Người cộng tác của Rutherford, James Chadwick, đã trải qua mười một năm miệt mài để tìm kiếm các hạt nơtron trước khi thành công vào năm 1932. Ông cũng nhận được giải Nobel vật lý vào năm 1935. Theo lời Boorse và các đồng nghiệp của ông đã vạch ra trong cuốn lịch sử khoa học của họ, sự chậm trễ của khám phá này có lẽ là điều tốt vì việc kiểm soát được hạt nơtron là điều thiết yếu cho sự phát triển bom nguyên tử. (Vì hạt nơtron không có điện tích, chúng không bị đẩy bởi từ trường tại nhân nguyên tử, thế nên nó có thể được bắn vào trong nhân nguyên tử, chuẩn bị sẵn sàng cho quy trình hủy diệt được gọi là sự phân hạt nhân). Nếu hạt nơtron được khám phá vào những năm 1920, họ ghi chú, thì “rất có thể bom nguyên tử đã được khai thác lần đầu tiên tại châu Âu, chắc chắn bởi người Đức”.
Có thể nói, người châu Âu đã có trong tay họ toàn bộ hiểu biết về sự vận hành của electron. Vấn đề chính họ gặp phải ở đây là, đôi khi electron vận hành như một loại hạt đôi khi nó lại vận hành như một loại sóng. Sự đối ngẫu không thể xảy ra như thế này đã khiến các nhà vật lý phải điên đầu. Suốt một thập niên sau đó, họ đã phải suy nghĩ rất nhiều và đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau. Tại Pháp, Hoàng tử Louis–Victor de Broglie, dòng giống của một gia đình Công tước, phát hiện ra rằng sự dị thường trong cách vận hành của electron biến mất khi chúng ta xem chúng là một loại sóng. Khám phá này đã thu hút sự chú ý của một người Áo tên là Erwin Schrodinger, người đã thực hiện nhiều cải tiến khéo léo và phát minh ra một phương pháp hữu ích được gọi là cơ học sóng. Gần như đồng thời, nhà vật lý người Đức, Werner Heisenberg, phát minh ra một học thuyết được gọi là cơ học ma trận. Học thuyết này phức tạp về mặt toán học đến mức hầu như không ai có thể thực sự hiểu được nó, kể cả chính Heisenberg (“Thậm chí tôi cũng không biết ma trận là gì”, đã có lúc Heisenberg nói với một người bạn bằng giọng đầy thất vọng), nhưng dường như nó có thể giải quyết được một số vấn đề nhất định mà sóng của Schrodinger không thể giải thích được.
Kết quả cuối cùng là vật lý học có hai giả thuyết, dựa vào những lập luận mâu thuẫn nhau. Đây là một hoàn cảnh không thể chấp nhận được.
Cuối cùng, vào năm 1926, Heisenberg tìm ra được một thỏa hiệp được mọi người ủng hộ, thiết lập một môn học mới được gọi là cơ học lượng tử. Cốt lõi của nguyên lý thiếu sự cụ thể này của Heisenberg phát biểu rằng electron là một loại hạt nhưng hạt này có thể được mô tả bằng sóng. Sự thiếu cụ thể xoay quanh học thuyết này là: chúng ta có thể biết được đường đi của electron khi nó di chuyển qua một khoảng không gian hoặc chúng ta có thể biết được nó ở đâu dựa vào một khoảng cách nào đó, nhưng rốt cuộc chúng ta không biết được cả hai yếu tố này. Bất kỳ nỗ lực nào nhằm đo lường yếu tố này cũng không thể không mâu thuẫn với yếu tố còn lại. Vấn đề ở đây không đơn giản như việc tìm kiếm các thiết bị chính xác hơn; đây là một đặc tính bất biến của vũ trụ.
Trong thực tế điều này có nghĩa là bạn không bao giờ có thể tiên đoán được vị trí chính xác của một electron tại bất kỳ thời điểm nào. Bạn chỉ có thể có được khả năng xuất hiện tổng quát của electron. Xét từ một khía cạnh nào đó, theo lời Dennis Overbye, một electron không hề tồn tại mãi đến khi nó được quan sát. Hoặc, nói cách khác, mãi đến khi được quan sát thì một electron mới được xem là “xuất hiện mọi nơi trong cùng một lúc hoặc chẳng tồn tại ở đâu cả”.
Nếu điều này khiến bạn bối rối, bạn có thể cảm thấy yên tâm hơn khi biết rằng chính các nhà vật lý học cũng bối rối về việc này. Overbye viết, “Bohr đã từng nhận xét rằng ai không cảm thấy bối rối trong lần đầu tiên nghe nói về thuyết lượng tử thì người đó không thể hiểu được ý nghĩa của nó”. Heisenberg, khi được hỏi rằng mọi người nên mường tượng một nguyên tử theo cách nào, đã đáp lời: “Đừng cố gắng”.
Thế nên nguyên tử hóa ra lại là thứ rất khác so với hình ảnh mà hầu hết mọi người đã tạo ra. Electron không xoay quanh hạt nhân giống như một hành tinh xoay quanh mặt trời của nó, thay vì thế nó là thứ không có hình dạng nhất định giống như một đám mây. “Vỏ” của một nguyên tử không cứng và sáng bóng như các hình minh họa mà chúng ta thường gặp, mà chỉ đơn giản là phần ngoài cùng của những đám mây electron mờ nhạt, về cơ bản, chính đám mây này cũng chỉ là một khu vực đánh dấu sự xuất hiện của electron. Thế nên một nguyên tử, nếu bạn có thể nhìn thấy, sẽ trông giống như một quả bóng tennis mờ nhạt hơn là một quả bóng kim loại có đường nét rõ ràng (nhưng thực ra nó có thể không giống thứ nào trong hai thứ này mà có thể giống bất kỳ thứ gì bạn đã từng trông thấy; xét cho cùng thì chúng ta đang tìm hiểu một thế giới rất khác biệt so với thế giới mà chúng ta đang nhìn thấy quanh mình).
Dường như không có điểm dừng cho sự kỳ lạ. Theo lời James Trefil thì, đây là lần đầu tiên các nhà khoa học chạm trán với “một lĩnh vực của vũ trụ mà trí não của chúng ta không đủ sức thấu hiểu”. Hoặc theo lời Feynman thì, “thế giới vi mô vận hành hoàn toàn khác biệt với thế giới vĩ mô”. Khi các nhà vật lý nghiên cứu sâu hơn, họ nhận thấy rằng họ đã khám phá được một thế giới mà ở đó không chỉ các electron có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác mà không cần phải băng qua khoảng không gian giữa hai quỹ đạo này, mà kể cả vật chất cũng tự nhiên xuất hiện không từ một nguyên nhân nào cả – “miễn là”, theo lời Alan Lightman của MIT, “nó lại biến mất ngay lập tức”.
Có lẽ sự thiếu chắc chắn thú vị nhất của thuyết lượng tử chính là ý tưởng này, xuất nguồn từ nguyên tắc loại trừ của Wolfgang Pauli vào năm 1925: các hạt bên trong nguyên tử tồn tại theo cặp, thậm chí khi bị rách rời nhau ở khoảng cách đáng kể, vẫn có thể lập tức “biết” được hạt còn lại đang làm gì. Theo thuyết lượng tử thì các hạt này có một phẩm chất được gọi là sự xoay tròn, khi bạn xác định được sự xoay tròn của một hạt, thì hạt theo cặp của nó, bất luận đang xuất hiện ở đâu, sẽ lập tức xoay tròn theo hướng đối nghịch với cùng một vận tốc như thế.
Theo lời của tác giả khoa học Lawrence Joseph, điều này cũng giống như khi bạn có hai quả bóng giống hệt nhau, một ở Ohio và một ở Fiji, và ngay khi bắn quả bóng tại Ohio sang Fiji thì ngay lập tức quả bóng còn lại ở Fiji cũng di chuyển theo hướng ngược lại với cùng một vận tốc như thế. Đáng ghi nhận là, hiện tượng này đã được chứng minh vào năm 1997 khi các nhà vật lý tại Đại học Geneva bắn các hạt photon theo hướng trái nghịch nhau và chứng minh được rằng sự tác động đến hạt này sẽ kích thích phản ứng tức thì nơi hạt còn lại.
Để minh họa cho bản chất không thể cảm nhận bằng trực giác của thế giới lượng tử, Schrodinger đề xuất một thử nghiệm nổi tiếng bằng tư duy: bạn hình dung một con mèo được đặt trong một chiếc hộp, trong chiếc hộp này có một nguyên tử của một chất phóng xạ được đặt trong một chiếc lọ nhỏ chứa axit clohydric. Nếu nguyên tử này phát tán trong một giờ đồng hồ, nó sẽ tạo ra cơ cấu nổ làm vỡ chiếc lọ và làm tổn thương con mèo. Nếu không, con mèo có thể sống. Nhưng chúng ta không thể biết được trường hợp nào sẽ xảy ra, thế nên về mặt khoa học chúng ta không có chọn lựa, chúng ta chỉ có thể xem như con mèo này có 100 phần trăm sống sót và 100 phần trăm chết trong cùng một lúc. Điều này có nghĩa là, theo lời Stephen Hawking, chúng ta không thể “tiên đoán được chính xác những sự kiện tương lai nếu thậm chí chúng ta còn không thể đo lường được chính xác trạng thái hiện tại của vũ trụ!”.
Do bởi những việc kỳ quặc này, nhiều nhà vật lý không thích thuyết lượng tử, hoặc ít ra thì họ cũng không nắm bắt được một số khía cạnh của thuyết lượng tử, kể cả Einstein. Điều này hơi có vẻ mỉa mai vì chính ông, trong năm 1905 đáng nhớ, là người đã giải thích khá thuyết phục về việc photon (lượng tử ánh sáng) đôi khi vận hành giống như các hạt và đôi khi lại vận hành giống như các bước sóng – đây là ý niệm cốt lõi của vật lý học mới mẻ. “Thuyết lượng tử xứng đáng để chúng ta quan tâm đến”, ông nhận xét với thái độ lịch sự, nhưng thực ra ông không thích nó. “Thượng đế không chơi trò súc sắc”, ông nói. [2]
Einstein không thể chịu được ý niệm rằng Thượng đế có thể tạo ra một vũ trụ mà trong đó tồn tại một thứ gì đó mãi mãi không ai có thể hiểu được. Hơn nữa, ý tưởng về việc hai đối tượng cách xa nhau hàng ngàn tỷ dặm có thể tác động lẫn nhau tức thì là sự xúc phạm đối với Thuyết Tương đối đặc biệt. Rõ ràng điều này cho thấy rằng không gì có thể tác động đến vận tốc ánh sáng tuy thế các nhà vật lý học lại khẳng định rằng ở mức độ hạ nguyên tử thì đây là điều có thể. (Không ai giải thích được tại sao các hạt lại làm được điều này. Các nhà khoa học đã quan tâm nhiều đến vấn đề này, theo lời nhà vật lý học Yakir Aharanov, “bằng cách chẳng nghĩ gì về nó”).
Trên hết, vật lý học lượng tử tạo ra sự hỗn độn mà trước đó chưa hề tồn tại. Đột nhiên bạn cần phải có hai quy luật để giải thích sự vận hành của vũ trụ – thuyết lượng tử cho thế giới vi mô và Thuyết Tương đối cho thế giới vĩ mô. Trọng lực trong Thuyết Tương đối giải thích thuyết phục tại sao các hành tinh lại di chuyển theo quỹ đạo quanh mặt trời hoặc tại sao các dải ngân hà lại có xu hướng chụm lại với nhau, nhưng hóa ra lại chẳng tác động gì đến thế giới vi mô ở mức độ hạt. Để giải thích được tại sao các nguyên tử lại được gắn kết với nhau, chúng ta cần đến những lực khác, và vào những năm 1930 chúng ta khám phá được hai lực mới: lực nguyên tử mạnh và lực nguyên tử yếu. Lực mạnh liên kết các nguyên tử lại với nhau; nó cho phép các proton bám sát vào hạt nhân. Lực yếu liên quan đến nhiều tác động linh tinh khác, chủ yếu giúp kiểm soát tốc độ của một vài hình thức phân rã phóng xạ.
Lực nguyên tử yếu, dù được gọi là “yếu”, mạnh hơn trọng lực mười tỷ tỷ tỷ lần, và lực nguyên tử mạnh còn mạnh hơn thế rất nhiều lần – nhưng tác động của chúng chỉ xuất hiện trong khoảng cách cực nhỏ. Lực này chỉ xuất hiện trong phạm vi 1/100.000 đường kính của nguyên tử. Đó là lý do tại sao nhân nguyên tử lại rắn và dày đặc đến thế và tại sao các nguyên tố có hạt nhân lớn thường thiếu bền vững: lực hạt nhân mạnh không thể giữ được tất cả hạt proton.
Kết luận cuối cùng của việc này là, vật lý học dừng lại với hai quy luật – một cho thế giới cực nhỏ, một cho vũ trụ ở phạm vi lớn – dẫn đến những đời sống rất khác nhau. Einstein cũng không thích điều đó. Ông dành phần còn lại của đời mình để tìm cách kết hợp hai quy luật này bằng một học thuyết thống nhất hai quy luật này, nhưng ông luôn thất bại. Đã có nhiều lúc ông nghĩ rằng mình đã tìm được nó, nhưng cuối cùng ông luôn phải thất vọng. Khi sắp qua đời ông sống cách ly khỏi mọi người trong tình trạng đáng thương. Snow viết, “Gần như mọi đồng nghiệp của ông đều nghĩ, hiện vẫn nghĩ, rằng ông đã hoang phí nửa sau đời mình”.
Tuy nhiên, tại nơi khác, sự tiến triển đang được thực hiện. Giữa những năm 1940 các nhà khoa học đã có thể hiểu được nguyên tử ở một mức độ vô cùng sâu sắc – những hiểu biết sâu sắc của họ được minh họa qua hai quả bom nguyên tử đã được cho nổ tại Nhật Bản năm 1945.
Tại thời điểm này chúng ta có thể thông cảm cho các nhà khoa học khi họ nghĩ rằng họ đã chinh phục được nguyên tử. Thực ra, vẫn còn đó rất nhiều yếu tố phức tạp nơi thế giới vật lý nguyên tử này. Nhưng trước khi chúng ta đến với câu chuyện dài đó, chúng ta cần phải khảo sát sơ qua nhiều yếu tố khác liên quan đến khoa học và sự xác định cuối cùng về độ tuổi của trái đất.
___________
[1] Đặt tên theo William Cavendish, Công tước thứ bảy của Devonshire, là nhà toán học thiên tài và là Nam tước trong triều đại Nữ hoàng Victoria. Năm 1870, ông tặng cho trường Đại học này 6.300 bảng để xây dựng phòng thí nghiệm.
[2] Câu nói chính xác của ông là: “Khó có thể nhìn trộm những quân bài của Thượng đế. Nhưng việc Người chơi trò súc sắc và dùng phương pháp ngoại cảm… là điều tôi hoàn toàn không thể tin được chút nào”.
