Người ta cho rằng hóa học, với vai trò một môn khoa học nghiêm túc và đáng kính, thật sự bắt đầu từ năm 1661 khi Robert Boyle ở Oxford xuất bản cuốn The Sceptical Chymist [tạm dịch: Nhà hóa học đa nghi] – công trình đầu tiên phân biệt hóa học và giả kim thuật – nhưng đó là một quá trình quá độ chậm chạp và loạng choạng. Cho đến thế kỷ XVIII, các học giả vẫn thoải mái đứng về cả hai phe một cách kỳ quặc – chẳng hạn Johann Becher người Đức, tác giả của một cuốn sách rất rõ ràng và không có điểm nào có thể chê trách, Physica Subterranea, lại cũng là người tin chắc rằng nếu có đủ các nguyên liệu cần thiết, ông có thể khiến mình tàng hình.

Có lẽ phát hiện của một người Đức là Hennig Brand vào năm 1675 là ví dụ điển hình nhất cho bản chất kỳ lạ và ngẫu nhiên của hóa học trong những ngày đầu. Brand tin rằng bằng cách nào đó có thể chưng cất vàng từ nước tiểu của con người (sự giống nhau về màu sắc có lẽ là nguyên nhân khiến ông có kết luận này). Ông đã tập hợp 50 xô nước tiểu, cất chúng hàng tháng trong hầm. Bằng nhiều quá trình phức tạp, trước hết ông biến nước tiểu thành một thứ bột nhão độc hại và sau đó là một thứ chất sáp đục màu. Tất nhiên vàng không xuất hiện nhưng một điều thú vị và lạ lùng đã xảy ra. Sau một thời gian, chất này bắt đầu bốc cháy. Hơn nữa, khi tiếp xúc với không khí, nó thường lập tức bùng cháy.

Tiềm năng thương mại của thứ mà người ta sẽ sớm gọi là phốtpho, xuất phát từ tiếng Hy Lạp và Latin (phosphorus) có nghĩa là “mang lửa” – được các thương nhân háo hức đón nhận nhưng những khó khăn trong quá trình sản xuất khiến việc khai thác nó quá tốn kém. Một ounce Photpho được bán lẻ với giá 6 ghi-nê, tương đương với khoảng 300 bảng Anh theo đơn vị tiền tệ ngày nay, nghĩa là còn đắt hơn vàng.

Ban đầu, những người lính được giao nhiệm vụ cung cấp nguyên liệu thô, nhưng chỉ như vậy thì khó mà sản xuất ở quy mô công nghiệp. Vào những năm 1750, một nhà hóa học người Thụy Điển là Karl (hay Carl) Scheele đã phát triển một phương pháp sản xuất phốtpho hàng loạt mà không phải chịu đựng sự bẩn thỉu và mùi hôi của nước tiểu. Chính vì nắm được cách thức sản xuất phốtpho mà Thụy Điển trở thành một quốc gia sản xuất diêm hàng đầu cho tới nay.

Scheele là người vừa lạ thường vừa vô cùng xui xẻo. Là một dược sĩ khiêm tốn và không được hỗ trợ nhiều bởi các thiết bị hiện đại bấy giờ, ông đã phát hiện 8 nguyên tố – clo, flo, mangan, bari, molypden, volfram, nitơ và ôxy – nhưng không được ghi nhận ở bất cứ trường hợp nào. Trong mọi trường hợp, phát hiện của ông hoặc bị xem thường hoặc chỉ được công bố sau khi đã có người khác cũng tìm ra một cách độc lập. Ông cũng phát hiện nhiều hợp chất hữu ích, trong đó có ammoniac, glycerin và axít tannic, đồng thời là người đầu tiên nhận ra tiềm năng thương mại của clo để làm chất tẩy trắng – đó đều là những đột phá khiến người khác trở nên vô cùng giàu có.

Một tính cách đặc biệt của Scheele là ông luôn đòi nếm mọi chất mà ông nghiên cứu, bao gồm cả những chất có tiếng độc hại như thủy ngân hay axít hiđroxianic (một trong các phát hiện khác của ông) – một hỗn hợp độc hại đến mức khoảng 150 năm sau, Erwin Schrödinger đã chọn nó làm độc tố trong thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của mình. Sự dại dột của Scheele cuối cùng đã giết ông. Năm 1786, khi chỉ mới 43 tuổi, người ta thấy ông chết bên bàn làm việc, cạnh đó là một khay các chất hóa học độc hại, mà bất cứ chất nào trong số chúng cũng có thể để lại ánh nhìn đầy hoảng hốt cuối cùng trên gương mặt ông.

Nếu cả thế giới chỉ nói tiếng Thụy Điển, có lẽ Scheele đã được ngợi ca khắp toàn cầu. Thường thì những tràng pháo tay hay được dành cho những nhà khoa học nổi tiếng hơn, chủ yếu đến từ các nước nói tiếng Anh. Scheele phát hiện ra ôxy vào năm 1772 nhưng do nhiều lý do vô cùng phức tạp, mà công trình của ông không được công bố kịp thời. Vinh dự này thuộc về Joseph Priestley, người phát minh ra nguyên tố này một cách độc lập nhưng muộn màng hơn nhiều, vào mùa hè năm 1774. Đáng nói hơn là Scheele cũng không được công nhận là người đã khám phá ra clo. Gần như mọi cuốn sách đều cho rằng Humphry Davy là người đầu tiên tìm ra nguyên tố này. Thật sự thì đúng là Davy đã tìm ra nó, nhưng sau Scheele... 36 năm.

Dù hóa học đã tiến rất xa trong thế kỷ đã có những bước chuyển giữa Newton và Boyle với Scheele, Priestly và Henry Cavendish, vẫn còn cả một chặng đường dài phía trước. Ngay trước những năm cuối thế kỷ XVIII (trong trường hợp của Priestley thì xa hơn một chút), các nhà khoa học khắp nơi vẫn tìm kiếm và đôi khi tin rằng họ thật sự đã tìm thấy những thứ vốn không tồn tại, trong đó có phlogiston, chất được xem là tác nhân tích cực của sự cháy. Đâu đó, người ta còn cho rằng có tồn tại một élan vital bí ẩn, có thể biến những vật vô tri thành có sự sống. Không ai biết tinh chất này ở đâu ra, nhưng dường như có hai điều phổ biến về nó: bạn có thể khiến nó hoạt động nhờ một cú sốc điện (ý tưởng mà Mary Shelley đã vận dụng hết sức thành công trong cuốn tiểu thuyết Frankenstein); và rằng nó tồn tại trong chỉ một vài chất, vì thế chúng ta có hai nhánh của hóa học: hữu cơ (nghiên cứu về những chất mà chúng ta nghĩ là có nó) và vô cơ (nghiên cứu về những thứ chúng ta nghĩ là không có nó).

Cần phải có một người có tầm nhìn để thúc đẩy hóa học bước sang thời hiện đại, và nước Pháp đã cống hiến người này. Tên ông là Antoine-Laurent Lavoisier. Lavoisier sinh năm 1743 trong một gia đình quý tộc nhỏ (cha ông đã mua một tước hiệu cho gia đình). Vào năm 1768, ông mua cổ phần trong một công ty thu thuế và phí thay mặt nhà nước bị ghét cay ghét đắng mang tên Ferme Générale (General Farm). Dù bản thân Lavoisier xét về mọi khía cạnh là một người hiền lành và công bằng nhưng công ty nơi ông làm việc thì không hề có hai đặc tính này. Thứ nhất, nó chỉ đánh thuế người nghèo chứ không đánh thuế người giàu, và thường là đánh thuế tùy tiện. Đối với Lavoisier, sự hấp dẫn của tổ chức này nằm ở chỗ nó giúp cho ông có đủ sự dư giả để theo đuổi đam mê chính của mình là khoa học. Đỉnh điểm, có lúc thu nhập của ông đạt mức 150.000 livơ1 một năm – tương đương với khoảng 12 triệu bảng Anh ngày nay.

1. Đơn vị tiền tệ của Pháp thời xưa.

Ba năm sau khi bước chân vào con đường sự nghiệp thênh thang này, ông kết hôn với cô con gái 14 tuổi của một trong những người chủ của mình. Cuộc hôn nhân là bản tình ca hòa quyện giữa tình cảm và trí tuệ. Bà Lavoisier có một trí tuệ sắc bén và chẳng bao lâu đã song hành cùng chồng trong nghiên cứu một cách hết sức hiệu quả. Dù công việc và đời sống xã hội bận rộn, họ vẫn thu xếp để dành năm tiếng mỗi ngày cho khoa học – hai tiếng vào buổi sáng và ba tiếng vào buổi tối – cùng với cả ngày Chủ nhật (họ gọi đó là jour de bonheur – ngày hạnh phúc). Lavoisier cũng bằng cách nào đó chế tạo thuốc súng, giám sát việc xây dựng một tường thành bao quanh Paris để chống buôn lậu, góp phần tìm ra hệ mét và là đồng tác giả của cuốn Méthode de Nomenclature Chimique [tạm dịch: Phương thức đặt danh pháp hoá học], được xem là Kinh Thánh để đạt sự đồng thuận về tên gọi của các nguyên tố.

Là thành viên hàng đầu của Viện Khoa học Hoàng gia, ông cũng được yêu cầu chủ động quan tâm tới bất cứ chủ đề nào – thuật thôi miên, cải tổ chế độ nhà tù, hệ hô hấp của côn trùng và hệ thống cấp nước của Paris. Vì ở vị thế này nên năm 1780, Lavoisier đã đưa ra những nhận xét thờ ơ về một lý thuyết mới liên quan đến sự cháy do một nhà khoa học trẻ tràn đầy hy vọng gửi tới Viện Khoa học. Đó chính là Jean-Paul Marat.

Điều mà Lavoiseier không bao giờ làm được là khám phá ra một nguyên tố. Vào thời đại mà dường như ai cũng có thể khám phá ra một điều mới mẻ chỉ với một ống nghiệm, một ngọn đèn và ít chất bột trong tay – và nhất là khi khoảng hai phần ba các nguyên tố chưa được tìm thấy – Lavoisier lại không tìm ra được một nguyên tố mới nào. Không phải bởi ông thiếu ống nghiệm. Điều phi lý là ông sở hữu khoảng 13.000 chiếc trong một phòng thí nghiệm tư hiện đại nhất thời bấy giờ.

Thay vào đó, ông đón nhận các phát hiện của những người khác và phân tích. Ông vứt bỏ các giả thuyết về phlogiston và các khí độc. Ông nhận dạng chính xác bản chất của khí ôxy và nitơ rồi đặt cho chúng những cái tên hiện đại này. Tóm lại, ông đem lại phương pháp và tính chặt chẽ, tường minh cho hóa học.

Thiết bị ưa thích của ông thật sự lại rất gọn nhẹ. Trong nhiều năm, Lavoisier đã cùng vợ tiến hành những nghiên cứu cực kỳ chính xác, vốn đòi hỏi những công cụ tốt nhất. Họ đã xác định được rằng khối lượng của một vật bị gỉ không hề giảm như mọi người nghĩ, mà còn tăng lên – một phát hiện lạ lùng. Khi bị gỉ, một vật thể sẽ hút các hạt cơ bản trong không khí bằng cách nào đó. Lần đầu tiên người ta nhận ra vật chất chỉ bị biến đổi chứ không mất đi. Nếu bạn đốt một tờ giấy chẳng hạn, vật chất của nó sẽ được chuyển thành khói và tro, nhưng tổng lượng vật chất trong vũ trụ không đổi. Đây chính là hiện tượng bảo toàn khối lượng, một khái niệm mang tính cách mạng. Không may, nó lại ra đời cùng với một cuộc cách mạng khác – Cách mạng Pháp – và trong cuộc Cách mạng này, Lavoisier đã hoàn toàn đứng nhầm bên.

Không chỉ là thành viên của công ty Ferme Générale bị căm ghét, ông còn là người tích cực xây bức tường thành Paris – công trình bị lên án đến mức trở thành đối tượng đầu tiên bị các công dân nổi loạn tấn công. Bám vào điều này, năm 1791, Marat – giờ đây là một nhân vật uy tín trong Quốc hội, đã tố cáo Lavoisier và cho rằng đã đến lúc ông phải bị treo cổ. Công ty Ferme Générale bị đóng cửa lập tức. Không lâu sau đó, Marat bị ám sát khi đang tắm bởi một phụ nữ trẻ đau khổ là Charlotte Corday, nhưng mọi thứ đã quá trễ đối với Lavoisier.

Năm 1793, Thời kỳ Khủng bố vốn đã căng thẳng lại được đẩy lên một cao trào mới. Vào tháng Mười, Marie Antoinette bị đưa lên đoạn đầu đài. Tháng sau, Lavoisier bị bắt khi ông và vợ đang lên kế hoạch bỏ trốn muộn màng sang Scotland. Vào tháng Năm, ông cùng 31 đồng nghiệp bị đưa ra trước Tòa án Cách mạng (trong một phòng xử án có đặt tượng bán thân của Marat). Tám người trong số họ được tuyên vô tội, nhưng Lavoisier và những người khác được dẫn thẳng ra Quảng trường Cách mạng (ngày nay là Quảng trường Concorde), nơi đặt chiếc máy chém hoạt động liên tục nhất nước Pháp. Lavoisier chứng kiến cha vợ mình bị chặt đầu, sau đó đứng dậy và chấp nhận số phận của mình. Chưa đầy ba tháng sau, vào ngày 27 tháng Bảy, chính Robespierre đã bị xử theo cách tương tự tại cùng một địa điểm. Thời kỳ Khủng bố nhanh chóng kết thúc.

Một trăm năm sau cái chết của ông, một bức tượng Lavoisier đã được dựng lên ở Paris và được chiêm ngưỡng cho đến khi có người chỉ ra rằng nó hoàn toàn không giống ông. Khi được hỏi, người thợ điêu khắc trả lời rằng anh ta đã sử dụng đầu của nhà toán học và triết học, Hầu tước de Condorcet, với hy vọng sẽ không ai để ý hoặc nếu có thì cũng không quan tâm. Anh ta đúng ở vế thứ hai. Bức tượng Lavoisier kiêm Condorcet tồn tại được thêm nửa thế kỷ nữa cho đến Thế chiến II. Vào một buổi sáng nọ, nó được tháo dỡ và mang đi nấu chảy.

Vào đầu những năm 1800, ở Anh rộ lên trào lưu hít Nitơ ôxít, một khí gây cười, sau khi người ta phát hiện rằng nó “kích thích sự hồi hộp cao độ”. Trong suốt gần một nửa thế kỷ, đây là thứ chất gây nghiện dành cho giới trẻ. Một tổ chức học thuật, Hội Askesian, cũng có thời gian sử dụng nó. Các rạp hát tổ chức những “buổi tối với khí cười” nơi các tình nguyện viên tự khiến mình tỉnh táo bằng cách hít thật nhiều khí này và sau đó khiến khán giả cười bò bằng màn trình diễn những bước đi lảo đảo hài hước của họ.

Mãi cho đến năm 1846 người ta mới biết rằng tác dụng thật sự của Nitơ ôxít là chất gây mê. Chỉ có Chúa mới biết đã có bao nhiêu chục nghìn người phải chịu đựng những cơn đau không cần thiết dưới dao mổ của các bác sĩ phẫu thuật chỉ bởi không ai từng nghĩ tới tác dụng rõ ràng và thực tế nhất của loại khí này.

Tôi đề cập tới chuyện này để nói rằng hóa học, dù đã bước rất dài trong thế kỷ XVIII, nhưng dường như đã mất đà trong những thập kỷ đầu tiên của thế kỷ XIX, rất giống ngành địa chất học ở đầu thế kỷ XX. Một phần lý do đến từ sự lạc hậu của trang thiết bị – ví dụ như phải tới nửa sau của thế kỷ này người ta mới chế tạo ra máy ly tâm, chính điều đó đã hạn chế nghiêm trọng các loại thí nghiệm – và một phần nữa là các nguyên nhân xã hội. Hóa học nhìn chung là một môn khoa học dành cho các doanh nhân, những người làm việc với than, kali và thuốc nhuộm, chứ không dành cho các quý ông, những người có xu hướng đi theo ngành địa chất, lịch sử tự nhiên và địa lý. Có lẽ cần biết rằng một trong những quan sát quan trọng nhất thế kỷ, chuyển động Brown, có vai trò xác định bản chất vận động của phân tử, không phải là kết quả nghiên cứu của một nhà hóa học, mà lại là của một nhà sinh vật học người Scotland, Robert Brown. (Điều mà Brown lưu ý vào năm 1827 là các hạt phấn hoa nhỏ lơ lửng trong nước rõ ràng vẫn tiếp tục chuyển động dù ông để chúng tĩnh lặng trong bao lâu. Nguyên nhân của chuyển động vĩnh cửu này – hay sự vận động của các phân tử không thể nhìn thấy được bằng mắt thường – là một bí mật trong suốt thời gian dài.)

Mọi thứ có thể còn tồi tệ hơn nữa nếu không xuất hiện một nhân vật phi thường – Bá tước xứ Rumford – người đã bất chấp sự vĩ đại của tước hiệu của mình, đã bắt đầu cuộc đời tại Woburn, Massachusetts vào năm 1753 với cái tên bình thường là Benjamin Thompson. Ông là một người nhanh nhẹn và nhiều tham vọng, đôi khi còn là một người can đảm, và có thừa trí thông minh nhưng ít khi bận tâm đến bất cứ điều nhỏ nhặt nào. Năm 19 tuổi, ông kết hôn với một góa phụ hơn mình 14 tuổi. Khi cuộc cách mạng thuộc địa nổ ra, ông dại dột đứng về phía những người trung thành và đã có một thời gian làm gián điệp cho họ. Vào năm định mệnh 1776, khi đối mặt với lệnh bắt “nhân danh tự do”, ông đã bỏ vợ con và chạy trốn ngay trước mũi một toán người chống hoàng gia được trang bị những xô nhựa đường nóng, những túi đựng lông vũ với mong muốn cháy bỏng là chụp chúng lên đầu ông.

Ông chuyển tới sống ở Anh và sau đó là Đức, nơi ông trở thành một cố vấn quân sự cho chính quyền Bavaria. Ông khiến các nhà chức trách ấn tượng đến mức vào năm 1791, ông được phong làm Bá tước vùng Rumford của Thánh chế La Mã. Khi còn ở Munich, ông đã thiết kế và xây dựng một công viên nổi tiếng lấy tên là Vườn Anh.

Giữa những nhiệm vụ này, ông vẫn thu xếp thời gian để tiến hành nghiên cứu khoa học thật sự. Ông trở thành chuyên gia hàng đầu thế giới về nhiệt động lực học và là người đầu tiên làm sáng tỏ các nguyên lý về tính đối lưu của chất lỏng và sự vận động của các dòng hải lưu. Ông cũng chế tạo một vài đồ vật hữu ích, trong đó có một máy pha cà phê nhỏ giọt, đồ lót giữ ấm và một loại bếp lò đến nay vẫn được biết đến là lò sưởi Rumford. Vào năm 1805, khi đang lưu trú tại Pháp, ông đã làm quen và cưới bà Lavoisier, quả phụ của Antoine-Laurent. Cuộc hôn nhân không thành công và họ nhanh chóng chia tay. Rumford ở lại Pháp cho đến khi qua đời vào năm 1814, được cả thế giới, trừ những bà vợ cũ, ngưỡng mộ.

Phải đề cập tới ông ở đây là vì vào năm 1799, trong một chuyến đi ngắn tới London, ông đã thành lập Học viện Hoàng gia, nhưng đó chỉ là một trong số rất nhiều tổ chức học thuật khác ra đời trên khắp nước Anh vào cuối thế kỷ XVIII đầu thế kỷ XIX. Đã có lúc, đây dường như là nơi duy nhất nhiệt tình ủng hộ ngành hóa học non trẻ, và điều này phần lớn là nhờ một chàng trai trẻ sáng dạ là Humphry Davy, vốn được bổ nhiệm làm giáo sư của học viện ngay sau khi nó ra đời và nhanh chóng nổi danh với vai trò một giảng viên tài năng kiêm một nhà thực nghiệm giỏi.

Ngay sau khi nhận chức vụ, Davy lần lượt phát hiện ra các nguyên tố mới – kali, natri, magiê, canxi, stronti và nhôm.1 Ông phát hiện nhiều nguyên tố không hẳn vì ông vô cùng trí tuệ, mà bởi ông đã tìm ra một phương thức thiên tài là đưa dòng điện vào một chất nóng chảy – phương pháp điện phân mà ngày nay chúng ta được biết. Tổng cộng ông đã tìm được 12 nguyên tố mới, chiếm một phần năm tổng số các nguyên tố được biết đến thời đó. Davy đáng lẽ còn tìm ra nhiều hơn, nhưng không may, vì còn trẻ tuổi nên ông cũng đam mê lạc thú mà khí nitơ ôxít đem lại. Ông nghiện nó đến mức mỗi ngày hít từ ba đến bốn lần. Có lẽ đây là nguyên nhân gây ra cái chết của ông vào năm 1829.

1. Sự khác biệt trong cách viết aluminumaluminium (nhôm) bắt nguồn từ sự không quyết đoán của Davy. Khi ông tách được chất này lần đầu tiên vào năm 1808, ông đặt tên cho nó là alumium. Vì một số lý do, ông đã nghĩ lại và đổi thành aluminum bốn năm sau. Người Mỹ tôn trọng tên gọi mới này nhưng nhiều người Anh không thích từ aluminum, với lý do nó phá vỡ quy luật đặt tên các nguyên tố với hậu tố –ium, ví dụ sodium, calcium và strontium. Do đó, họ đã thêm vào một nguyên âm. Trong số các thành tựu khoa học của mình, Davy còn là người phát minh ra đèn bảo hộ cho thợ mỏ.

May mắn thay, vẫn có những người tỉnh táo để làm việc ở đâu đó. Năm 1808, một tín đồ Quaker [phái giáo hữu] nghiêm khắc là John Dalton đã trở thành người đầu tiên khám phá ra bản chất của nguyên tử (một bước tiến lớn lao sẽ được thảo luận đầy đủ hơn ngay sau đây). Và vào năm 1811, một người Ý với cái tên đậm chất opera là Lorenzo Romano Amadeo Carlo Avogadro, Bá tước xứ Quarequa và Cerreto, đã có một phát minh vô cùng có ý nghĩa xét về dài hạn – đó là, hai khối lượng khí bất kỳ, nếu được giữ trong cùng một áp suất và nhiệt độ, sẽ chứa số lượng phân tử như nhau.

Có hai điều cần lưu ý về Nguyên lý Avogadro tưởng chừng như vô cùng đơn giản. Trước hết, đó là cơ sở để tính toán chính xác hơn kích thước và khối lượng của nguyên tử. Sử dụng các thuật toán của Avogadro, các nhà hóa học cuối cùng đã có thể tính được đường kính của một nguyên tử điển hình là 0,00000008cm, nghĩa là nó rất nhỏ. Điều thứ hai là hầu như không ai biết đến nguyên lý này trong gần 50 năm.1

1. Nguyên lý này dẫn tới sự ra đời muộn hơn của hằng số Avogadro, một đơn vị đo lường cơ bản trong hóa học, được đặt theo tên của Avogadro, rất lâu sau khi ông qua đời. Đó là số phân tử có trong 2,016g khí hiđro (hoặc một khối lượng tương tự của bất kỳ khí nào khác). Giá trị của nó là 6,0221367 x 1023, một con số cực kỳ lớn. Những ai học Hóa học từ lâu đã tự mua vui bằng cách tính xem con số này lớn đến mức nào, vì thế tôi có thể nói rằng nó tương đương với số hạt bỏng ngô cần thiết để bao phủ toàn bộ nước Mỹ dưới độ sâu 9 dặm. Đó cũng là số các đồng xu Mỹ đủ để khiến tất cả mọi người trên thế giới này trở thành triệu phú đô-la. Tóm lại đó là một con số lớn.

Một phần là vì ông vốn là một nhà khoa học về hưu, làm việc một mình và rất ít liên lạc với các nhà khoa học khác, chỉ công bố một vài bài báo và không tham dự bất cứ cuộc hội thảo nào. Đồng thời cũng còn vì thời đó không có hội thảo nào về hóa học, và cũng có rất ít tạp chí về lĩnh vực này để công bố nghiên cứu. Đây là một sự thật khá lạ kỳ. Cuộc Cách mạng Công nghiệp được thúc đẩy phần lớn nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực hóa học, thế nhưng chúng ta vẫn chưa có một ngành hóa học quy củ trong nhiều thập kỷ.

Mãi tới năm 1841, Hội Hóa học London mới được thành lập, và nó không cho ra đời được một tạp chí thường kỳ nào cho đến tận năm 1848, khi hầu hết các Hội khoa học ở châu Âu như địa lý, địa chất, động vật học, tự nhiên học và thực vật học đã có ít nhất 20 năm tuổi hay còn nhiều hơn. Đối thủ của nó là Học viện Hóa học ra đời năm 1877, một năm sau khi Hội Hóa học Hoa Kỳ được thành lập. Bởi các nhà hóa học rất chậm đi vào tổ chức, cho nên thông tin về phát kiến quan trọng của Avogadro vào năm 1811 không được biết đến rộng rãi cho đến khi Hội nghị Hóa học quốc tế lần đầu tiên được tổ chức tại Karlsruhe vào năm 1860.

Bởi các nhà hóa học đã làm việc biệt lập quá lâu, nên sự đồng thuận diễn ra chậm chạp. Cho đến nửa sau của thế kỷ này, công thức H2O2 có thể có nghĩa là nước với một nhà hóa học, nhưng lại chỉ là hiđro peroxit với một nhà hóa học khác. C2H4 có thể là ký hiệu của êtylen hoặc khí mêtan. Hầu như không có quy tắc trình bày thống nhất về phân tử ở bất cứ đâu.

Các nhà hóa học cũng sử dụng rất nhiều ký hiệu và chữ cái viết tắt, thường là do họ tự nghĩ ra. J. J. Berzelius, người Thụy Điển, đã đề xuất một biện pháp cần thiết là viết tắt các nguyên tố dựa trên tên tiếng Hy Lạp hoặc Latin của nó. Từ đó mà ký hiệu viết tắt của sắt là Fe (xuất phát từ tiếng Latin ferrum) và của bạc là Ag (xuất phát từ tiếng Latin argentum). Việc có nhiều ký hiệu hóa học phù hợp với tên tiếng Anh của chúng (thí dụ N và nitrogen, O và ôxygen, H và hiđrogen, vv…) phản ánh nguồn gốc Latin của tiếng Anh chứ không phải vị trí cao quý của nó. Để thể hiện số nguyên tử có trong một phân tử, Berzelius đã chọn cách viết chỉ số ở bên trên, chẳng hạn H2O. Về sau, dù không vì một lý do đặc biệt nào, người ta lại ưa chuộng cách viết H2O.

Cho dù được sắp xếp lại đôi chút, nhưng hóa học vào khoảng nửa sau của thế kỷ XIX vẫn là một mớ hổ lốn, bởi vậy sự xuất hiện nổi bật của một giáo sư Đại học St Peterburg có bề ngoài kỳ lạ và hơi khùng vào năm 1869 lại làm người ta rất vui lòng, đó chính là Dmitri Ivanovich Mendeleyev.

Mendeleyev (đôi khi còn được viết là Mendeleev hay Mendeléef) sinh năm 1834 tại Tobolsk, vùng viễn đông Siberia, trong một gia đình trung lưu, có giáo dục và rất đông người – nhiều đến mức tư liệu không ghi nhận chính xác có bao nhiêu đứa con trong gia đình ông: một số nguồn cho biết họ có 14 đứa con, một số nguồn thì lại đưa ra con số 17. Song tất cả đều đồng ý rằng Dmitri là con út trong gia đình. May mắn không phải lúc nào cũng mỉm cười với nhà Mendeleyev. Khi Dmitri còn nhỏ, cha ông, hiệu trưởng của một trường học địa phương, bị mù và mẹ ông đã phải ra ngoài làm việc. Là một người phụ nữ phi thường, cuối cùng bà trở thành người điều hành một xưởng sản xuất kính thành công. Tất cả mọi thứ diễn ra suôn sẻ cho đến năm 1848 khi xưởng bị cháy và gia đình ông lại rơi vào tình trạng thiếu thốn. Quyết tâm để đứa con con út được học hành, bà Mendeleyev bất khuất đã cùng Dmitri đi nhờ xe hàng nghìn dặm tới tận St Petersburg – bằng từ London tới Guinea Xích đạo – và gửi ông vào Học viện Sư phạm. Kiệt sức vì vất vả, bà đã qua đời không lâu sau đó.

Mendeleyev đã nghiêm túc hoàn thành chương trình học, và nhận được một công việc tại một trường đại học địa phương. Tại đây, ông trở thành một nhà hóa học có năng lực nhưng không quá xuất sắc. Ông được biết đến nhiều hơn với bộ râu tóc quái dị của mình bởi ông thường chỉ cắt chúng một năm một lần, thay vì tài năng ông thể hiện trong phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, vào năm 1869, ở độ tuổi 35, ông bắt đầu tìm tòi cách sắp xếp các nguyên tố. Vào thời điểm đó, các nguyên tố thường được phân nhóm theo hai cách – hoặc bằng khối lượng nguyên tử (sử dụng phương pháp của Avogadro) hoặc theo các đặc tính chung (ví dụ, chúng là kim loại hay khí). Điểm đột phá của Mendeleyev là ông nhận thấy rằng hai cách này có thể kết hợp trên một bảng duy nhất.

Như vẫn thường thấy trong khoa học, nguyên tắc này đã được dự đoán ba năm trước đó bởi một nhà hóa học không chuyên người Anh, John Newlands. Ông đã cho rằng khi các nguyên tố được sắp xếp theo khối lượng, chúng dường như lặp lại những đặc tính nhất định – tại mỗi vị trí số tám trên bảng phân loại. Với chút không khôn ngoan, và vì ý tưởng này chưa gặp thời, Newlands đã gọi nó là Luật Quãng tám và so sánh cách sắp xếp này với những quãng tám trên một bàn phím dương cầm. Có lẽ do cách Newlands trình bày vấn đề, nên ý tưởng này bị cho là lố bịch và bị chế giễu khắp nơi. Khi thảo luận, các cử tọa khôi hài còn thường hỏi liệu ông có thể bảo các nguyên tố chơi một đoạn nhạc không. Quá thất vọng, Newlands bỏ dở việc phát triển ý tưởng và cũng nhanh chóng không còn được ai chú ý tới.

Mendeleyev tiếp cận hơi khác một chút, ông xếp các nguyên tố thành nhóm bảy, nhưng về cơ bản sử dụng cùng một tiền đề. Đột nhiên, ý tưởng này trở nên sáng rõ và có chiều sâu một cách kỳ diệu. Bởi đặc tính của các nguyên tố lặp lại một cách có chu kỳ nên phát minh này được gọi là Bảng Tuần hoàn các nguyên tố.

Người ta cho rằng Mendeleyev có cảm hứng từ trò chơi bài có tên là solitaire ở Bắc Mỹ, trong đó các quân bài được xếp theo bộ ở chiều ngang và theo con số ở chiều dọc. Sử dụng một khái niệm tương tự, ông đã sắp xếp các nguyên tố theo hàng ngang gọi là chu kỳ và hàng dọc gọi là nhóm. Điều này lập tức thể hiện một bộ các mối quan hệ khi đọc từ trên xuống dưới và từ trái sang phải. Cụ thể là, các cột dọc là các nguyên tố cùng đặc tính với nhau. Do đó, đồng sẽ ở trên bạc và bạc ở dưới đồng vì chúng đều là kim loại; trong khi đó, hêli, neon và argon đều thuộc cột khí. (Nhân tố thật sự quyết định vị trí của nguyên tố này là electron hóa trị của chúng và để hiểu được điều này bạn cần phải tìm hiểu thêm). Trong khi đó, các hàng ngang sắp xếp các nguyên tố hóa học theo thứ tự tăng dần của số proton có trong hạt nhân – hay còn được biết đến là số hiệu nguyên tử.

Cấu trúc của nguyên tử và tầm quan trọng của các proton sẽ được bàn tới trong chương tiếp theo; tất cả những gì cần lúc này là hiểu được nguyên tắc sắp xếp: hiđro chỉ có một proton cho nên số hiệu nguyên tử của nó là 1 và sẽ đứng đầu bảng; urani có 92 proton và sẽ đứng gần cuối với số hiệu nguyên tử là 92. Theo đó, như Philip Ball đã nói, hóa học thật sự chỉ là vấn đề về đếm. (Số hiệu nguyên tử không nên bị nhầm với nguyên tử khối, dùng để chỉ tổng số proton và số neutron trong một nguyên tố nhất định).

Khi đó, vẫn còn nhiều điều người ta chưa biết và chưa hiểu. Hiđro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, nhưng không ai biết được điều đó cho đến 30 năm sau. Hêli, nguyên tố phổ biến thứ hai cũng chỉ được phát hiện năm trước đó – sự tồn tại của nó chưa từng được đặt thành vấn đề từ trước – và sau đó nó được phát hiện qua quang phổ trong một lần nhật thực, không phải trên Trái Đất mà trên Mặt Trời, đó là lý do nó mang tên của thần Mặt Trời trong tiếng Hy Lạp – Helios. Phải mãi đến năm 1895 người ta mới tách được nguyên tố này. Dù sao, nhờ phát minh của Mendeleyev, hóa học giờ đây đã có một bước tiến vững chắc.

Đối với hầu hết chúng ta, Bảng Tuần hoàn mang một vẻ đẹp trừu tượng, song đối với các nhà hóa học, nó đã thiết lập ngay trật tự và sự minh xác. “Không nghi ngờ gì nữa, Bảng Tuần hoàn các nguyên tố hóa học là sơ đồ tổ chức đẹp mắt nhất từng được tạo ra,” Robert E. Krebs đã viết như vậy trong cuốn The History and Use of Our Earth’s Chemical Elements [tạm dịch: Lịch sử và việc sử dụng các nguyên tố hóa học của Trái Đất] – và bạn có thể tìm thấy những lời cảm thán tương tự trong bất cứ tài liệu nào về lịch sử hóa học từng được xuất bản.

Ngày nay, chúng ta có khoảng 120 nguyên tố đã được tìm ra – 92 nguyên tố xuất hiện một cách tự nhiên và khoảng hai chục các nguyên tố được tìm ra từ phòng thí nghiệm. Con số thực tế có phần gây tranh cãi vì các nguyên tố tổng hợp nặng chỉ tồn tại trong vài phần triệu của giây, và các nhà hóa học đôi khi tranh luận về việc liệu chúng đã thật sự được phát hiện hay chưa. Vào thời của Mendeleyev, người ta mới chỉ biết đến 63 nguyên tố, nhưng ông biết rõ rằng các nguyên tố này không đủ để tạo nên một bức tranh hoàn chỉnh vì có quá nhiều mảnh còn thiếu. Bảng Tuần hoàn của ông dự đoán, với độ chính xác cao, vị trí các nguyên tố mới sẽ chiếm chỗ khi chúng được phát hiện. Không ai biết rằng số lượng các nguyên tố sẽ lên đến bao nhiêu, nhưng bất cứ chất gì có nguyên tử khối lớn hơn 168 đều bị xem như “suy diễn thuần túy”; nhưng điều chắc chắn là bất cứ nguyên tố nào được tìm thấy đều sẽ khớp với hệ thống vĩ đại của Mendeleyev.

Thế kỷ XIX còn có một điều bất ngờ cuối cùng cho các nhà hóa học. Mọi chuyện bắt đầu từ năm 1896 khi Henri Becquerel ở Paris bất cẩn để một gói muối urani trên một tấm kính ảnh được bọc kỹ và cất trong ngăn kéo. Khi lấy tấm kính ảnh, ông kinh ngạc nhận thấy số muối đã cháy hết và có vẻ tấm kính đã bị phơi sáng. Các hạt muối đã tạo ra một loại tia nào đó.

Xét thấy tầm quan trọng của hiện tượng mà mình mới phát hiện, Becquerel đã làm một việc lạ lùng: ông giao vấn đề này cho một học viên cao học nghiên cứu. May mắn thay, học viên này là một người mới di cư từ Ba Lan tới, có tên là Marie Curie. Cùng làm việc với vị hôn phu của mình, Pierre, Curie còn phát hiện được rằng một số loại đá nhất định phát ra nguồn năng lượng bất thường và liên tục mà không thu nhỏ kích thước hay thay đổi theo một cách nhận thấy được. Đây là điều mà bà và chồng không thể biết – thực chất là không ai có thể biết cho đến tận khi Einstein giải thích những điều này ở thập kỷ sau, rằng các loại đá này đang chuyển hóa khối lượng thành năng lượng theo một cách vô cùng hiệu quả. Marie Curie đã gọi đây là hiệu ứng “phóng xạ”. Trong quá trình làm việc, hai vợ chồng bà đã tìm thấy hai nguyên tố mới – poloni, được đặt theo tên tổ quốc quê hương họ, và rađi. Vào năm 1904, hai vợ chồng Curie và Becquerel đã cùng nhận giải Nobel về Vật lý (Marie Curie sẽ còn nhận được một giải thứ hai vào năm 1911 về Hóa học; bà là người duy nhất từng nhận giải ở cả hai lĩnh vực Vật lý và Hóa học).

Tại Đại học McGill ở Montreal, chàng trai trẻ người New Zealand, Ernest Rutherford, rất có hứng thú với chất chất phóng xạ mới. Cùng với đồng nghiệp của mình là Frederick Soddy, ông đã khám phá rằng nguồn năng lượng dự trữ khổng lồ được nén trong những mẩu vật chất nhỏ bé này và sự phân rã phóng xạ của những nguồn dự trữ này là nguyên nhân chính cho sự ấm áp của Trái Đất. Họ cũng phát hiện ra rằng các nguyên tố phóng xạ phân rã để trở thành các nguyên tố khác – ví dụ hôm nay bạn có một nguyên tử urani, và hôm sau bạn có một nguyên tử chì. Điều này thật sự kỳ lạ. Nó đơn giản và thuần túy là thuật giả kim; không ai đã từng tưởng tượng rằng nó có thể xảy ra một cách tự nhiên và tự phát.

Vốn thực dụng, Rutherford là người đầu tiên nhận thấy rằng phát hiện của mình có khả năng ứng dụng thực tế rất giá trị. Ông nhận thấy bất cứ mẫu vật chất phóng xạ nào cũng đều mất cùng một khoảng thời gian để một nửa mẫu đó phân rã – đây chính là chu kỳ bán rã nổi tiếng1 – và do đó độ phân rã đều đặn và đáng tin cậy này có thể trở thành một loại đồng hồ. Bằng cách tính ngược trở lại để xem lượng phóng xạ của một vật chất hiện có và tốc độ bán rã của nó, bạn có thể tính ra tuổi của vật chất này. Ông đã thử với một mẩu uranit, quặng gốc của urani, và nhận thấy tuổi của nó là 700 triệu năm – lớn hơn rất nhiều so với độ tuổi mà hầu hết mọi người gán cho Trái Đất.

1. Nếu bạn từng băn khoăn xem bằng cách nào xác định 50% nguyên tử nào sẽ chết và 50% nào sẽ tồn tại trong chu kỳ tiếp theo của mẫu vật, câu trả lời là chu kỳ bán rã chỉ thuận tiện cho việc tính toán. Hãy tưởng tượng bạn có một mẫu vật chất với chu kỳ bán rã 30 giây. Không phải tất cả mọi nguyên tử trong mẫu này sẽ tồn tại trong chính xác 30, 60 hay 90 giây hoặc một khoảng thời gian chính xác nào khác. Mỗi nguyên tử thực chất tồn tại trong một khoảng thời gian hoàn toàn ngẫu nhiên và không liên quan gì tới các bội số của 30; nó có thể tồn tại thêm hai giây nữa kể từ thời điểm này hoặc nó có thể dao động tới hàng năm, hàng thập kỷ hoặc hàng thế kỷ nữa. Không ai có thể nói chính xác được. Điều chúng ta có thể nói là nếu nhìn tổng thể thì tốc độ phân rã này có nghĩa là một nửa số nguyên tử của mẫu sẽ biến mất sau mỗi 30 giây. Nói cách khác, đây là một tốc độ trung bình và bạn có thể áp dụng nó vào bất cứ mẫu lớn nào. Chẳng hạn, có người đã tính toán rằng các đồng xu của Mỹ có chu kỳ bán rã khoảng 30 năm.

Mùa xuân năm 1904, Rutherford đã thới London để giảng dạy ở Học viện Hoàng gia – tổ chức cao quý được Bá tước Rumford thành lập chỉ mới 105 năm trước đó, cho dù thời đại của tóc giả rắc bột cứ như đã cách xa so với mốt xắn tay áo ở cuối thời Victoria. Rutherford đến đây để chia sẻ về thuyết tan rã phóng xạ mới của mình, và vì thế ông mang theo một mẩu uranit. Ông chuẩn bị rất cẩn thận vì ngài Kelvin lão thành cũng có mặt, dù có thể không phải lúc nào cũng tỉnh táo – Rutherford biết chính Kelvin đã cho rằng việc phát hiện ra một nguồn nhiệt mới sẽ khiến các tính toán của ông trở thành thứ bỏ đi. Rutherford đã tìm ra nguồn nhiệt mới này. Nhờ có phóng xạ, Trái Đất có thể – và có đủ bằng chứng là đã tồn tại nhiều rất nhiều con số 24 triệu năm như những phép tính sau cùng của Kelvin đã đưa ra.

Kelvin mỉm cười với bài thuyết trình đầy sự tôn kính của Rutherford nhưng thực chất không hề bị lay chuyển. Ông không bao giờ chấp nhận những con số này, cho đến tận khi qua đời ông vẫn tin rằng công trình tính toán tuổi Trái Đất là một trong những đóng góp quan trọng nhất của mình cho khoa học – vĩ đại hơn cả những gì ông đã cống hiến cho ngành nhiệt động lực học.

Cũng như mọi cuộc cách mạng khoa học khác, những phát kiến mới của Rutherford không được đón nhận trên toàn cầu. Cho đến tận những năm 1930, John Joly ở Dublin vẫn khăng khăng rằng Trái Đất không thể có độ tuổi nhiều hơn 89 triệu năm, và chỉ thôi nghĩ vậy khi ông qua đời. Những người khác bắt đầu lo ngại rằng Rutherford giờ đã cho họ quá nhiều thời gian. Nhưng ngay cả khi phương pháp đo lường phân rã trở nên nổi tiếng, cũng còn phải mất hàng thập kỷ trước khi chúng ta tính được tuổi thật của Trái Đất là khoảng một tỷ năm. Khoa học đã đi đúng đường, nhưng còn cách chân lý rất xa.

Kelvin mất năm 1907. Đây cũng là năm chứng kiến sự ra đi của Dmitri Mendeleyev. Cũng như Kelvin, quãng thời gian làm việc hiệu quả nhất của ông đã lùi xa, song những năm cuối đời của ông lại không mấy thanh thản. Càng có tuổi, Mendeleyev càng lập dị – ông từ chối công nhận sự tồn tại của phóng xạ, electron hay bất cứ thứ gì mới. Ông dành vài chục năm cuối đời ở các phòng thí nghiệm và giảng đường khắp châu Âu. Vào năm 1955, nguyên tố số 101 đã được đặt tên là mendelevium để vinh danh ông. “Thật phù hợp,” Paul Strathern nói, “bởi đây là một nguyên tố không ổn định.”

Đương nhiên, câu chuyện phóng xạ sẽ còn tiếp tục theo những cách không ai mong đợi. Đầu những năm 1900, Pierre Curie bắt đầu có triệu chứng nhiễm độc phóng xạ khá rõ – những cơn đau nhức trong xương và cảm giác bất ổn thường xuyên – chúng ngày càng không mấy dễ chịu. Chúng ta sẽ không bao giờ biết được chính xác, bởi vào năm 1906 ông bị xe cán khi đang băng qua một con phố ở Paris, và qua đời.

Marie Curie dành phần đời còn lại cống hiến hết mình cho lĩnh vực này, góp phần thành lập nên Viện Phóng xạ tại Đại học Paris vào năm 1914. Dù nhận hai giải Nobel nhưng bà chưa bao giờ được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học, chính vì sau cái chết của Pierre, bà vướng vào một rắc rối tình ái với một nhà vật lý đã có gia đình. Câu chuyện không đủ kín kẽ đến mức nó trở thành tai tiếng đối với ngay cả người Pháp, hoặc ít nhất là các nhà khoa học lão làng trong ban lãnh đạo Viện. Suốt một thời gian dài người ta cho rằng bất cứ thứ gì có năng lượng khổng lồ như chất phóng xạ đều có lợi. Nhiều năm liền, các nhà sản xuất kem đánh răng và thuốc nhuận tràng đã cho chất phóng xạ thori vào sản phẩm của mình, và ít nhất cho đến cuối những năm 1920, khách sạn Glen Springs ở vùng Finger Lakes của New York (và chắc chắn ở nhiều nơi khác) đã quảng cáo đầy tự hào hiệu quả của các “suối khoáng có chất phóng xạ”. Mãi cho tới năm 1938, nó mới bị cấm sử dụng trong các sản phẩm tiêu dùng. Song đã quá muộn đối với Marie Curie, bà đã qua đời vì bệnh bạch cầu từ năm 1934. Chất phóng xạ trên thực tế rất độc hại và tồn tại lâu đến mức những giấy tờ của bà từ thập kỷ 1890 – ngay cả những cuốn sách dạy nấu ăn – cũng quá nguy hiểm để chạm vào. Những cuốn sách trong phòng thí nghiệm của bà được bảo quản trong những chiếc hộp lót chì, và những ai muốn xem chúng đều phải mặc đồ bảo hộ.

Nhờ sự cống hiến và khả năng chịu rủi ro vô thức của những nhà khoa học nguyên tử đầu tiên, vào đầu thế kỷ XX, thật rõ ràng là Trái Đất thật sự có tuổi rất khả kính, nhưng sẽ phải mất nửa thế kỷ nghiên cứu khoa học nữa, người ta mới có thể tự tin khẳng định mức độ của sự khả kính này. Đồng thời, khoa học cũng chuẩn bị bước sang một kỷ nguyên mới – kỷ nguyên nguyên tử.