Trong khi Einstein và Hubble chỉ rõ cấu trúc vũ trụ trên quy mô lớn, thì những nhà khoa học khác cũng đang miệt mài tìm hiểu một khái niệm tưởng như rất gần mà cũng rất xa: chính là những nguyên tử nhỏ bé và bí ẩn.
Nhà vật lý Richard Feynman của Đại học Caltech đã từng phát biểu: “Nếu bạn muốn thu gọn lịch sử vật lý chỉ trong một câu, thì đó là: Mọi vật chất đều được tạo thành từ nguyên tử.” Chúng có mặt ở khắp mọi nơi và cấu thành mọi thứ. Hãy nhìn xung quanh bạn, tất cả đều là nguyên tử, không chỉ trong những bức tường rắn hay ghế sopha, mà còn tồn tại trong cả không khí mà bạn hít thở và những vật thậm chí bạn không thể nhận thức được.
Nguyên tử sẽ tạo thành phân tử [molecule] (trong tiếng Latin có nghĩa là “một lượng rất nhỏ”). Một phân tử có cấu tạo đơn giản từ hai hay nhiều nguyên tử kết hợp với nhau trong một cơ chế ổn định. Khi sắp xếp hai nguyên tử hiđro và một nguyên tử ôxy, ta sẽ có một phân tử nước. Những nhà hóa học thường tư duy từ góc độ phân tử hơn là các nguyên tố, cũng giống như những nhà văn thích từ ngữ hơn là các chữ cái đơn lẻ, vì vậy họ thường đo đếm bằng số phân tử, một con số thực sự rất ấn tượng. Trong điều kiện mặt biển, ở nhiệt độ 0oC, 1cm3 không khí (có thể tích bằng một viên đường) chứa tới 45 tỷ tỷ phân tử. Bây giờ, hãy nhìn ra ngoài ô cửa sổ và nghĩ xem bạn cần bao nhiêu viên đường như vậy để lấp đầy không gian trước mắt và sau đó là cả vũ trụ. Bạn sẽ thấy số lượng các nguyên tử nhiều không kể xiết.
Độ bền của chúng cũng thật tuyệt vời. Vì các nguyên tử có vòng đời rất dài nên chúng chuyển từ vật này sang vật khác. Mỗi nguyên tử cấu thành bạn chắc chắn đã đi qua vài ngôi sao và từng là một phần của hàng triệu sinh vật. Mỗi người chúng ta đều là một tập hợp nguyên tử khổng lồ, và chúng được chuyển hóa triệt để khi vật chủ lìa đời đến nỗi một phần lớn trong chúng ta – khoảng một tỷ nguyên tử – rất có thể đã từng thuộc về Shakespeare. Một tỷ khác đến từ Đức Phật, Beethoven, Thành Cát Tư Hãn hay bất cứ nhân vật lịch sử nào (nhưng bạn phải trừ Elvis Presley ra, vì các nguyên tử phải mất nhiều thập kỷ trước khi có thể tái phân bố một cách triệt để).
Vậy là tất cả chúng ta đều là sự tái sinh, dù chỉ để sống một đời ngắn ngủi. Đến khi ta chết, các nguyên tử sẽ tách ra và đi tìm một vật chủ mới, ví dụ như một chiếc lá, một cơ thể sống hoặc một hạt sương. Bản thân các nguyên tử sẽ chu du mãi mãi trong vũ trụ này. Không ai biết một nguyên tử tồn tại được bao lâu, nhưng theo Martin Rees thì có thể là 1035 năm – con số lớn đến nỗi chính bản thân tác giả cuốn sách này cũng phải biểu thị nó dưới dạng toán học.
Các nguyên tử rất nhỏ – cực kỳ nhỏ. Một sợi tóc của con người cũng có thể chứa đến cả nửa triệu nguyên tử. Ở mức đó rõ ràng ta khó mà tưởng tượng được một nguyên tử đơn lẻ nhỏ đến thế nào, nhưng tất nhiên chúng ta nên thử.
Hãy bắt đầu với 1mm, nó sẽ có độ dài như dấu gạch này: -. Bây giờ chia dấu gạch này thành 1.000 phần bằng nhau, ta có kích cỡ của một vi sinh vật khoảng một micron. Một con trùng đế giày bình thường chỉ cỡ 2 micron, tức là 0,002mm. Nếu bằng mắt thường, bạn muốn thấy sinh vật đơn bào này bơi trong một giọt nước, bạn sẽ phải phóng đại giọt nước cho đến khi nó dài khoảng 12m. Tuy nhiên, nếu muốn nhìn thấy một nguyên tử trong cùng giọt nước đó, bạn phải phóng nó lên thành 24km.
Nói cách khác, nguyên tử tồn tại ở quy mô một phần mười triệu milimét, nhỏ đến nỗi bạn phải phóng đại mỗi micron lên 10.000 lần mới phát hiện được. Nếu bạn vẫn thấy khó tưởng tượng, thì tỉ lệ của một nguyên tử so với vạch milimét ở phía trên chỉ bằng với tỉ lệ độ dày của một tờ giấy so với tòa nhà Empire State.
Dù sự bé nhỏ khiến nguyên tử gần như vô hình, nhưng chúng thực chất rất bền và có số lượng khổng lồ. Mô tả về nguyên tử có thể được gói gọn trong ba từ: nhỏ, nhiều, vững chắc. Antoine-Laurent Lavoisier không phải là người đầu tiên nhận thức được rằng vật chất được cấu thành từ nguyên tử, và Henry Cavendish hay Humphry Davy cũng không, mà là một tín hữu người Anh mà chúng ta đã nhắc đến ở chương 7, John Dalton.
Dalton sinh năm 1766 tại quận Lake, gần Cockermouth trong một gia đình thợ dệt nghèo và mộ đạo. Ông là một học sinh sáng dạ, khi mới 12 tuổi đã được giao quản lý trường giáo hữu địa phương, những điều này có lẽ cũng chưa đủ để nói về sự trưởng thành sớm của Dalton. Ở tuổi này, ông đã bắt đầu đọc Các Nguyên lý của Newton, bằng nguyên bản tiếng Latin, cùng với nhiều tác phẩm kinh điển khác. Năm 15 tuổi, khi vẫn là quản lý trường học, ông chuyển đến thị trấn Kendal gần đó, và một thập kỷ sau thì dừng chân ở Manchester trong suốt 50 năm còn lại của đời mình. Tại Manchester, ông được xem là biểu tượng của trí tuệ, và đã xuất bản một loạt sách báo ở nhiều mảng khác nhau, từ khí tượng đến ngữ pháp. Nhà khoa học này có tầm ảnh hưởng lớn đến nỗi bệnh mù màu mà ông mắc phải sau này được đặt theo tên ông là hội chứng Daltonism. Tuy nhiên, chỉ sau khi xuất bản cuốn sách A New System of Chemical Philosophy [tạm dịch: Hệ thống triết lý Hóa học mới], tên tuổi ông mới thực sự lừng lẫy.
Trong một chương ngắn chỉ gồm 5 trong số 900 trang sách, người đọc được tiếp cận với nguyên tử dưới góc nhìn hiện đại. Dalton đưa ra quan điểm cho rằng tại căn bản nhất của mọi vật chất là các hạt tối giản cực nhỏ. Ông viết: “Khi cố gắng tạo ra hoặc phá hủy một hạt hiđro, thì tức là ta đang tạo ra hoặc phá hủy cả một hành tinh của hệ Mặt Trời.”
Khái niệm và cả tên gọi nguyên tử không hề mới mà đã được phát triển bởi những người Hy Lạp cổ, Dalton chỉ đóng góp bằng cách xem xét kích thước và tính chất tương đối, cũng như cách mà các nguyên tử kết hợp với nhau. Ví dụ, hiđro là nguyên tố nhẹ nhất, ông đặt cho nó nguyên tử khối là 1. Hoặc nước bao gồm 7 phần ôxy và một phần hiđro nên ôxy nhận nguyên tử khối là 7. Cũng bằng cách đó, ông xác định trọng lượng tương đối của hầu hết các nguyên tố phổ biến. Tất nhiên, ông không hoàn toàn chính xác, trọng lượng nguyên tử thực sự của ôxy là 16 chứ không phải 7, nhưng nguyên tắc của ông vẫn được chấp nhận một cách rộng rãi, và trở thành cơ sở cho hóa học hiện đại cũng như rất nhiều lĩnh vực khoa học khác.
Việc này đã khiến Dalton nổi tiếng, mặc dù ông vẫn sống khiêm tốn đúng như một giáo hữu Anh. Năm 1826, nhà hóa học người Pháp P. J. Pelletier đã tìm đến Manchester gặp người anh hùng nguyên tử này. Trái với tưởng tượng ban đầu sẽ phải tìm Dalton ở các viện nghiên cứu lớn, Pelletier rất bất ngờ khi thấy ông đang dạy toán tại một trường tiểu học nhỏ. Theo nhà viết lịch sử khoa học E. J. Holmyard, Pelletier khi diện kiến người đàn ông vĩ đại đó, đã kinh ngạc lắp bắp:
“Thưa, xin hỏi ngài có phải là ngài Dalton?” vì ông không thể tin nhà hóa học lừng danh châu Âu lại đang dạy một chú nhóc những phép toán vỡ lòng. “Chính tôi”, người đàn ông giản dị trả lời, “hãy đợi một chút để tôi dạy cho cậu bé này thế nào là số học được không?”
Mặc dù Dalton từ chối nhận mọi vinh quang, nhưng người ta vẫn bầu ông vào Hội Hoàng gia, vinh danh ông với đủ loại huy chương và trao cho ông mức trợ cấp chính phủ hào phóng. Khi ông qua đời vào năm 1844, 40.000 người đã đến viếng và đoàn người đưa tang kéo dài đến hai dặm. Thông tin về ông trong Từ điển Tiểu sử Quốc gia (Dictionary of National Biography) là một trong những mục dài nhất, sánh ngang với những vĩ nhân của thế kỷ XIX như Darwin và Lyell.
Một thế kỷ sau khi Dalton đưa ra đề xuất của mình, nó vẫn hoàn toàn chỉ là giả thuyết, và một số nhân vật uy tín, đặc biệt là nhà vật lý người Áo, Ernst Mach, tên của ông được đặt cho tốc độ âm thanh, không giấu nổi nghi ngờ về sự tồn tại của nguyên tử. Ông này viết: “Các nguyên tử không thể được nhận biết bằng các giác quan... Chúng chỉ có trong trí tưởng tượng mà thôi.” Sự hoài nghi này đặc biệt lớn trong cộng đồng nói tiếng Đức, thậm chí nó còn được cho là đã góp phần gây ra vụ tự sát của nhà vật lý tài ba, cũng là một người đam mê nguyên tử, Ludwig Boltzmann, vào năm 1906.
Khi nghiên cứu về chuyển động Brown năm 1905, chính Einstein là người đầu tiên đưa ra các bằng chứng không thể chối cãi về sự tồn tại của nguyên tử. Tuy nhiên, vì không nhận được sự chú ý nên ông sớm quay lại nghiên cứu thuyết tương đối tổng quát. Công lao khởi xướng thời đại nguyên tử thuộc về người hùng Ernest Rutherford.
Rutherford sinh năm 1871 trong một khu hẻo lánh tại New Zealand. Cha mẹ ông di cư từ Scotland đến New Zealand để trồng đay và nuôi dạy các con (theo lời Steven Weinberg). Lớn lên tại một vùng hẻo lánh của một đất nước xa xôi, nhưng Rutherford không hề xa rời khoa học chính thống, ngược lại vào năm 1895, ông giành được học bổng đến nơi lý tưởng nhất trên thế giới để nghiên cứu vật lý, đó là phòng thí nghiệm Cavendish của Đại học Cambridge.
Ai cũng biết các nhà vật lý thường chẳng ưa gì các nhà khoa học của những lĩnh vực khác. Khi vợ nhà vật lý người Áo, Wolfgang Pauli, bỏ ông để chạy theo một nhà hóa học, ông đã vô cùng choáng váng. “Nếu cô ta bỏ tôi để theo một tên đấu bò thì tôi còn tin được”, ông thổ lộ với một người bạn, “đằng này lại là một nhà hóa học…”
Đó là cảm giác mà Rutherford có thể hiểu được, vì chính ông đã từng nói, “khoa học chỉ bao gồm vật lý, hoặc sưu tầm tem”. Vậy mà thật trớ trêu, giải Nobel mà ông nhận được năm 1908 lại là về hóa học, chứ không phải vật lý.
Có thể nói Rutherford là người may mắn vì không chỉ có tài, ông còn được sinh ra trong giai đoạn vật lý và hóa học hết sức thú vị, đồng thời chúng cũng chung sống hòa bình (dù có thể chỉ là cảm nhận của ông). Điều đó sẽ không bao giờ tái diễn nữa.
Rutherford không phải là một người xuất chúng, thậm chí, ông còn rất tệ ở môn toán. Khi giảng bài, ông có khi còn bế tắc ở các phương trình, thường phải bỏ giữa chừng để các sinh viên tự giải quyết. Theo người đồng nghiệp lâu năm James Chadwick, người đã tìm ra neutron, ông thậm chí còn không giỏi ở cả mảng thí nghiệm. Tuy nhiên, trí tuệ của ông phần nào được bù đắp bởi đức tính kiên trì và ham học hỏi. Ông đã dùng tinh thần dám nghĩ dám làm để bù vào sự khôn ngoan. Trong tiểu sử, người ta viết về ông như là một người “luôn hướng tầm nhìn ra xa nhất có thể ngoài các ranh giới, chỉ như vậy cũng đã hơn hầu hết những người khác rồi.” Khi đối mặt với một nan đề, ông sẵn sàng dành nhiều giờ trong phòng làm việc hơn bất cứ ai, đồng thời không ngại lĩnh hội những cách giải thích phi chính thống. Song thành tựu lớn nhất của ông lại đến từ hàng giờ đồng hồ tẻ nhạt ngồi đếm hạt alpha trên màn hình, công việc mà ngày nay không ai còn làm nữa. Ông là một trong số những người đầu tiên – hoặc chính là người đầu tiên – nhận thấy rằng năng lượng vốn có trong nguyên tử, nếu được sử dụng, có thể “khiến cả thế giới tan thành mây khói.”
Về mặt thể chất, ông là một người cao lớn, có giọng nói “đủ khiến những kẻ nhát gan run sợ”. Một lần, khi nghe tin Rutherford sắp thực hiện một chương trình phát thanh xuyên Đại Tây Dương, một đồng nghiệp của ông hài hước hỏi, “cần gì phải dùng đến phát thanh cơ chứ?” Ông cũng là người tự tin. Khi được nhận xét là người luôn đứng mũi chịu sào, ông đã trả lời rằng, “thì chính tôi là người đã tạo ra những cơn sóng mà.” C. P. Snow kể rằng, trong một tiệm may ở Cambridge, ông đã nghe thấy Rutherford nói với người thợ may: “Tôi lớn lên từng ngày, cả về thể chất lẫn tâm hồn.”
Tuy nhiên, cơ thể cũng như danh tiếng của ông đã không phát triển nữa khi ông dừng bước trước phòng thí nghiệm Cavendish.1 Đó là một giai đoạn khoa học sôi sục. Khi Rutherford đến Cambridge, Wilhelm Roentgen đã phát hiện tia X tại Đại học Würzburg ở Đức; năm sau, Henri Becquerel phát hiện phóng xạ. Cavendish chính thức bước vào một giai đoạn lịch sử vĩ đại. Năm 1897, J. J. Thomson và các đồng nghiệp đã tìm ra electron, năm 1911, C. T. R. Wilson sản xuất máy dò hạt (như chúng ta sắp nói đến) và năm 1932, James Chadwick khám phá được neutron. Trong khoảng thời gian sau, chính xác là vào năm 1953, James Watson và Francis Crick khám phá ra cấu trúc của DNA, cũng tại phòng thí nghiệm trứ danh này.
1. Cái tên Cavendish bắt nguồn từ dòng họ Henry Cavendish. William Cavendish, công tước thứ bảy của xứ Devonshire, là một tài năng toán học và là ông trùm thép ở Anh thời Victoria. Năm 1870, ông đã đóng góp cho Đại học Cambridge 6.300 bảng Anh để xây dựng một phòng thí nghiệm thực nghiệm mang tên mình.
Ban đầu Rutherford nghiên cứu về sóng vô tuyến, và đã thành công trong việc truyền tín hiệu rõ nét trong phạm vi hơn một dặm, một thành tích đáng kể tại thời điểm đó. Nhưng sau đó, ông đã bỏ cuộc vì một cấp trên nói rằng sóng vô tuyến sẽ không có tương lai. Nhìn chung, Cavendish không phải là miền đất hứa cho Rutherford và sau ba năm, cảm thấy không đi đến đâu, ông đã chuyển đến Đại học McGill ở Montreal, nơi ông bắt đầu cho thấy sự vĩ đại của mình. Trước khi nhận giải Nobel (cho “các nghiên cứu về sự phân hủy của các nguyên tố và tính chất hóa học của các chất phóng xạ,” theo trích dẫn chính thức), ông đã chuyển sang Đại học Manchester, nơi ông thực hiện sự nghiệp quan trọng nhất của mình là xác định cấu trúc và tính chất của nguyên tử.
Vào những năm đầu thế kỷ XX, người ta cho rằng các nguyên tử được cấu thành từ các bộ phận nhỏ, nhờ phát hiện electron của Thomson. Song người ta chưa hình dung ra được việc chúng được sắp xếp như thế nào và có hình dạng ra sao. Một số nhà vật lý cho rằng nguyên tử có hình lập phương và nhờ đó được sắp xếp theo cách tiết kiệm không gian nhất. Tuy nhiên, một cách tổng quát hơn, người khác lại cho rằng nó sắp xếp giống như một chiếc bánh nho, trong đó, các hạt mang điện tích âm nằm rải rác trong khối điện tích dương như những hạt nho trong một chiếc bánh.
Năm 1910, cùng với học trò của mình là Hans Geiger – người sẽ phát minh ra máy dò bức xạ sau này – Rutherford đã thực hiện thí nghiệm bắn phá các nguyên tử hêli bị ion hóa, hay còn gọi là các hạt alpha, vào một lá vàng. Trước sự ngạc nhiên của ông, một số hạt đã bay ngược trở lại. Theo ông miêu tả, việc này cũng tương tự việc bạn bắn đạn 15in vào một tờ giấy và thấy viên đạn bay ngược trở lại. Đó thật sự là một điều khó tin. Sau khi xem xét kỹ sự dội ngược đó, ông đưa ra lý giải khả thi duy nhất: các hạt dội ngược là do bị cản bởi một vật chất nhỏ và rắn ở trung tâm nguyên tử, trong khi những hạt khác có thể xuyên qua nó một cách dễ dàng. Theo Rutherford, một nguyên tử là một không gian có một hạt nhân rắn ở trung tâm. Phát hiện này mang rất nhiều ý nghĩa với ông, nhưng nó ngay lập tức làm dấy lên một vấn đề khoa học khác. Theo kết luận của vật lý truyền thống, nguyên tử không hề tồn tại.
Xin hãy dừng lại đôi chút để xem xét cấu tạo của nguyên tử như chúng ta đã biết. Mỗi nguyên tử đều gồm ba loại hạt cơ bản, proton mang điện tích dương, electron mang điện tích âm và neutron không mang điện tích. Proton và neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử, trong khi electron quay xung quanh. Số proton sẽ quyết định tính chất hóa học của nguyên tử đó. Nguyên tử gồm 1 proton là hiđro, 2 proton là hêli và 3 proton là liti, như vậy cứ thêm một proton ta lại có một nguyên tố mới. (Vì số proton trong nguyên tử luôn bằng với số electron tương ứng, nên trong một số tài liệu, bạn cũng có thể đọc được rằng số electron sẽ quyết định tính chất của nguyên tố đó. Theo tôi, chúng không khác gì nhau, nếu số proton quyết định tên gọi của nguyên tử thì số electron quyết định tính chất của nó).
Neutron không ảnh hưởng đến nhận dạng nguyên tử, nhưng lại quyết định khối lượng. Số neutron gần bằng số proton hoặc hơn hay kém một chút. Thêm hoặc bớt một vài neutron bạn sẽ có một đồng vị nguyên tử. Bạn có thể đã được nghe thuật ngữ này trong phương pháp xác định niên đại của khảo cổ học, đồng vị cácbon-14 chẳng hạn, là một nguyên tử cácbon với hạt nhân gồm 6 proton và 8 neutron (14 là tổng số hai loại hạt).
Neutron và proton cấu thành hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân này rất nhỏ, chỉ có kích cỡ bằng một phần triệu của một phần tỷ của nguyên tử, nhưng nó cực kỳ đặc và chiếm hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử đó. Theo Copper, nếu một nguyên tử được phóng to tương đương kích cỡ của một thánh đường thì hạt nhân cũng chỉ như một con ruồi, nhưng là một con ruồi nặng gấp hàng nghìn lần thánh đường. Kết cấu với không gian đáng kinh ngạc này của nguyên tử đã khiến Rutherford phải đau đầu trong suốt năm 1910.
Ngày nay, việc nhìn nhận nguyên tử như là một vật chất gần như rỗng vẫn là một ý tưởng kì lạ với nhiều người, và quan điểm cũ cho rằng không gian quanh chúng ta đặc quánh chỉ là ảo tưởng. Khi hai vật lăn đến gần nhau, hai quả bóng bi-a chẳng hạn, thì thực ra chúng không hề chạm vào nhau. Timothy Ferris đã giải thích, “thực tế, những mảng điện tích âm của chúng đã đẩy nhau ra... Nếu không phải do điện tích thì chúng, cũng giống như các thiên hà, đã đi xuyên qua nhau rồi.” Khi ngồi, thật ra cơ thể bạn không hề chạm vào chiếc ghế, mà đang lơ lửng trên nó với khoảng cách 1 angstrom (1/100.000.000 của 1cm), do lực đẩy electron của bạn và của chiếc ghế.
Chúng ta thường hình dung về nguyên tử với hình ảnh một vài electron quay quanh hạt nhân như các hành tinh quay quanh mặt trời. Hình ảnh này được nhà vật lý người Nhật Hantaro Nagaoka tạo ra năm 1904. Nó tuy sai lầm nhưng tồn tại rất lâu. Nó tạo cảm hứng cho nhiều thế hệ nhà văn khoa học viễn tưởng viết nên những câu chuyện về các thế giới chồng chéo, trong đó nguyên tử trở thành các hệ mặt trời thu nhỏ và hệ mặt trời lại giống một hạt bụi trong một hệ thống lớn hơn. Đến tận ngày nay, CERN, Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu, vẫn sử dụng hình ảnh của Nagaoka làm logo trên trang web của mình. Thực tế các nhà vật lý học đã sớm nhận ra rằng các electron không giống như các hành tinh quay quanh mặt trời, mà giống cánh của một chiếc quạt cùng lúc lấp đầy mọi khoảng trống trong bề mặt quay của mình (nhưng cánh quạt đang quay chỉ có vẻ cùng lúc lấp đầy mọi khoảng trống, còn electron thì thật sự là như vậy).
Không có gì đáng ngạc nhiên khi rất ít người nhận thức được điều này vào năm 1910 và nhiều năm sau đó. Phát hiện của Rutherford đặt ra những vấn đề tức thời, ít nhất là tại sao electron có thể quay quanh hạt nhân mà không bị rơi xuống. Lý thuyết điện động lực học thông thường cho rằng một electron chuyển động liên tục sẽ phải cạn năng lượng trong chốc lát, bị xoắn vào trong hạt nhân, và hủy diệt cho cả hai. Ngoài ra còn những vấn đề khác như tại sao các proton mang điện tích dương có thể cùng tồn tại trong hạt nhân mà không thổi bay chính mình và những bộ phận còn lại của nguyên tử. Rõ ràng, những chuyện diễn ra trong thế giới cực vi mô này không bị quyết định bởi những quy luật trong thế giới vĩ mô như chúng ta tưởng.
Khi các nhà vật lý bắt đầu đi sâu vào lĩnh vực hạt nguyên tử, họ nhận ra rằng nó không chỉ khác xa những gì chúng ta đã biết mà còn vượt xa những gì ta có thể tưởng tượng. Richard Feynman nhận xét, “rất khó để có thể tìm ra quy luật trong lĩnh vực này, nguyên tử quá kỳ lạ và bí ẩn cả với những người bình thường lẫn những nhà vật lý lão luyện.” Khi Feynman đưa ra nhận xét đó, các nhà vật lý đã có cả nửa thế kỷ để nghiên cứu vận động kỳ lạ của nguyên tử. Vì vậy, ta hoàn toàn có thể hiểu Rutherford và các đồng nghiệp của mình bỡ ngỡ như thế nào với khái niệm hoàn toàn mới này vào đầu những năm 1910.
Một trong các đồng nghiệp của Rutherford là Niels Bohr, một chàng trai trẻ hòa nhã. Năm 1913, trong khi tìm hiểu về cấu trúc nguyên tử, Bohr đã nảy ra một ý tưởng thú vị đến nỗi phải hoãn kỳ trăng mật của mình và cho ra đời một nghiên cứu mang tính bước ngoặt.
Bởi các nhà vật lý không thể nhìn thấy các nguyên tử, nên họ đã cố gắng suy luận về cấu trúc của nó từ những phản ứng của nguyên tử trước những tác động bên ngoài, giống như khi Rutherford bắn các hạt alpha vào lá vàng. Đôi khi, chẳng có gì đáng ngạc nhiên khi họ thu được các kết quả khó hiểu, một trong số đó là cách đọc quang phổ các bước sóng của hiđro. Cách này chỉ ra rằng nguyên tử hiđro chỉ phát ra năng lượng ở một số bước sóng nhất định. Điều này cũng giống như việc một người đang bị quản giáo lại xuất hiện tại những địa điểm khác nhau mà không hề phải di chuyển. Không ai lý giải được điều này.
Câu hỏi này thôi thúc Bohr cho ra đời lý thuyết “Cấu trúc của nguyên tử và phân tử”, trong đó giải thích rằng các electron có thể liên tục tách khỏi hạt nhân, và chúng chỉ xuất hiện trong một số quỹ đạo nhất định. Theo ông, một electron có thể biến mất khỏi quỹ đạo này và ngay lập tức xuất hiện tại một quỹ đạo khác mà không còn phải di chuyển giữa chúng. Các “bước nhảy lượng tử” trứ danh này tuy khó tin nhưng lại có thật. Nó không chỉ giữ cho các electron không bị xoắn vào hạt nhân, mà còn góp phần giải thích bước sóng khó hiểu của hiđro vừa nêu ở trên. Electron chỉ xuất hiện trên một số quỹ đạo nhất định bởi chúng chỉ tồn tại ở những quỹ đạo đó. Nghiên cứu bước ngoặt này mang đến cho Bohr giải Nobel Vật lý vào năm 1922, chỉ sau Einstein vài năm.
Lúc này, Rutherford, nhà khoa học không biết mệt mỏi, đã kế nhiệm J. J. Thomson làm giám đốc Phòng thí nghiệm Cavendish. Ông đưa ra một mô hình giải thích tại sao các thành phần hạt nhân không bị thổi bay. Ông thấy rằng điện tích dương của các proton được bù đắp bởi các hạt trung hòa điện tích mà ông gọi là neutron. Ý tưởng hấp dẫn này nghe đơn giản nhưng lại khó chứng minh vô cùng. Cộng sự của Rutherford, James Chadwick, đã dành mười năm chuyên sâu mới tìm ra được neutron vào năm 1932. Ông cũng được trao giải Nobel Vật lý vào năm 1935. Như Boorse và các cộng sự ghi nhận rằng trong lịch sử phát triển của vấn đề nguyên tử, việc neutron được phát hiện chậm trễ hóa ra lại hay, vì thao túng được nó sẽ là bước đệm để tạo ra bom nguyên tử. (Vì neutron không mang điện tích, nên chúng sẽ không bị đẩy bởi các trường điện từ trong trung tâm nguyên tử, do đó, neutron có thể được bắn như các ngư lôi nhỏ vào hạt nhân và gây ra một quá trình phá hủy gọi là phản ứng phân hạch). Nếu phân lập được neutron từ những năm 1920, họ viết, “thì có thể quả bom nguyên tử đầu tiên đã được tạo ra ở châu Âu, và hiển nhiên là do người Đức”.
Như vậy, châu Âu đã không ngừng tìm cách lý giải vận động kỳ lạ của electron, nhưng họ gặp rắc rối với câu hỏi phải xem electron là hạt hay là sóng. Tính hai mặt của chúng khiến các nhà vật lý phát điên, và suốt thập kỷ tiếp theo ở khắp châu Âu, giới khoa học đau đầu suy nghĩ và vội vã đưa ra nhiều giả thuyết cạnh tranh với nhau. Tại Pháp, Louis-Victor de Broglie, thuộc dòng dõi công tước, đã phát hiện rằng nếu ta xem electron là dạng sóng, mọi sự bất thường của chúng sẽ biến mất. Phát hiện này đã thu hút được sự chú ý của nhà khoa học người Áo, Erwin Schrödinger, người đã đề xuất một số thay đổi cần thiết nhằm đưa ra một quỹ đạo electron dễ hiểu hơn được gọi là cơ học sóng. Cũng tại thời điểm này, nhà vật lý người Đức, Werner Heisenberg, đã đưa ra một lý thuyết mang tên cơ học ma trận. Đây là một vấn đề toán học phức tạp mà gần như không ai thật sự hiểu được, kể cả Heisenberg. (“Tôi thậm chí còn không hiểu ma trận là gì”, ông đã từng tuyệt vọng thú nhận với một người bạn). Tuy nhiên, nó đã giải quyết được vấn đề mà cơ học sóng của Schrödinger không thể giải thích.
Ngành vật lý vẫn phát triển theo hai học thuyết khác nhau, dựa trên hai nền tảng đối lập, nhưng lại cho ra cùng một kết quả. Đây là một điều không tưởng.
Cuối cùng, vào năm 1926, Heisenberg đã đưa ra một thỏa hiệp nổi tiếng, lập ra một trật tự mới. Đó chính là Nguyên lí Bất định của Heisenberg, trong đó cho rằng electron là một hạt song cũng có thể được mô tả dưới dạng sóng. Thuyết này được xây dựng xung quanh một sự bất định, rằng người ta có thể biết vận tốc của electron khi chúng di chuyển hoặc vị trí của nó tại một thời điểm nhất định, nhưng không thể biết cả hai.1 Mọi cố gắng đo lường chính xác một đại lượng sẽ khiến đại lượng đó càng kém chính xác, dù với những công cụ hiện đại đến đâu. Đó là một thuộc tính bất biến của vũ trụ.
1. Việc sử dụng từ Uncertainty (Bất định) cho nguyên lý của Heisenberg vẫn gây tranh cãi. Trong lời bạt cho vở kịch Copenhagen của mình, Michael Frayn đã lưu ý rằng một số từ tiếng Đức − Unsicherheit, Unschärfe, Ungenauigkeit và Unbestimmtheit − đã được sử dụng bởi các dịch giả khác nhau, song không có từ nào hoàn toàn tương đồng với từ Uncertainty trong tiếng Anh. Frayn cho rằng từ Indeterminacy (Bất định) sẽ phù hợp hơn với nguyên lý này, bản thân Heisenberg thường dùng từ Unbestimmtheit.
Trong thực tế, điều này có nghĩa là bạn không bao giờ biết chính xác, mà chỉ có thể dự đoán vị trí của electron tại một thời điểm. Như Dennis Overbye từng nói, một electron không hề tồn tại cho đến khi người ta quan sát được nó. Hoặc nói khác đi một chút thì cho đến khi người ta quan sát được nó, electron cần được xem là “cùng một lúc có mặt khắp mọi nơi và chẳng nơi nào cả”.
Nếu thấy điều này có vẻ khó hiểu, bạn có thể sẽ cảm thấy thoải mái hơn khi biết rằng đến các nhà vật lý cũng không thể hiểu nó. Overbye lưu ý, “chính Bohr có lần đã nói rằng nếu có người không cảm thấy bị xúc phạm khi nghe về thuyết lượng tử này, thì lý do duy nhất là vì họ chẳng hiểu gì cả”. Heisenberg, khi được hỏi làm thế nào để người ta có thể hình dung ra một nguyên tử, đã trả lời rằng: “Đừng cố làm gì.”
Tóm lại, các nguyên tử hóa ra hoàn toàn khác với hình ảnh trong tâm trí hầu hết mọi người. Electron không bay vòng quanh hạt nhân như các hành tinh quay quanh Mặt Trời, mà nó tạo thành một đám mây điện tích mờ. “Lớp vỏ” của nguyên tử không cứng và sáng bóng như những minh họa mà người ta vẫn khuyến khích chúng ta sử dụng, mà nó chỉ đơn giản là một lớp electron mờ. Các đám mây này về cơ bản là một vùng xác suất thống kê đánh dấu khu vực mà các electron rất hiếm khi vượt qua. Vì vậy, nếu có thể nhìn được bằng mắt thường, nguyên tử sẽ giống một quả bóng tennis có lông xù chứ không phải là một quả cầu kim loại cứng (nhưng cũng không hoàn toàn giống cả hai vật đó hoặc bất cứ thứ gì mà bạn từng thấy. Vì rốt cuộc chúng ta đang ở đây để bàn về một thế giới hoàn toàn khác lạ).
Có vẻ những điều kỳ lạ chưa bao giờ kết thúc. Như James Trefil đã viết, các nhà khoa học đã bước tới “một khu vực của vũ trụ mà não của chúng ta không đủ khả năng hiểu”. Hoặc, như Feynman đã diễn tả, “mọi thứ ở cấp độ vi mô đều không giống những thứ ở cấp độ lớn hơn, chúng hoạt động theo một cách rất khác.” Khi các nhà vật lý nghiên cứu sâu hơn, họ thấy rằng mình đã tìm ra một thế giới không chỉ là nơi các electron có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác mà không cần phải di chuyển. Mà ở đó, vô số hiện tượng đột ngột xuất hiện từ số 0, để rồi lại vụt biến mất với sự hối hả không kém, theo lời của Alan Lightman ở MIT.
Có lẽ sự thêu dệt hoang đường nhất về thuyết lượng tử là ý tưởng được phát biểu trong Nguyên lý Loại trừ của Wolfgang Pauli năm 1925, rằng các cặp hạ nguyên tử nhất định, ngay cả khi bị ngăn cách bởi một khoảng cách đáng kể, có thể ngay lập tức “biết” được hạt còn lại đang làm gì. Các hạt này có tính chất quay tròn, theo lý thuyết lượng tử, thời điểm một hạt đang quay thì hạt song sinh của nó, dù ở xa đến đâu, cũng sẽ quay theo chiều ngược lại với vận tốc tương tự.
Nhà văn khoa học Lawrence Joseph đã so sánh điều này với việc bạn có hai quả bóng giống hệt nhau, một ở Ohio và một ở Fiji, khi bạn quay một quả thì ngay lập tức quả kia cũng sẽ quay theo chiều ngược lại với tốc độ tương tự. Đáng nói là, hiện tượng này đã được chứng minh vào năm 1997 bởi các nhà vật lý của Đại học Geneva khi họ phóng một cặp photon cách xa nhau bảy dặm theo hai hướng khác nhau, việc tác động đến một photon ngay lập tức cũng gây phản ứng ở photon còn lại.
Tranh luận này lên đến đỉnh điểm trong một hội thảo khi Bohr nhận xét về một lý thuyết mới rằng vấn đề không phải là nó có điên rồ hay không, mà là nó quá điên rồ. Để miêu tả bản chất không giải thích được bằng trực giác của thế giới lượng tử, Schrödinger đã đưa ra thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng như sau: một con mèo được đặt trong chiếc hộp với một mẫu vật chất phóng xạ và một lọ thuốc độc axít hiđroxianic. Nếu phóng xạ bị phân hủy trong vòng một giờ, nó sẽ kích hoạt cơ chế phá vỡ chiếc lọ và đầu độc con mèo. Nếu không, con mèo sẽ sống. Song chúng ta không thể biết trường hợp nào sẽ xảy ra, vì vậy theo khoa học, ta không thể thực sự khẳng định con mèo sẽ sống hay chết. Điều này có nghĩa rằng, như Stephen Hawking đã phấn kích phát biểu, không ai có thể “dự đoán các sự kiện trong tương lai một cách chính xác nếu không đo lường được chính xác trạng thái hiện tại của vũ trụ.”
Vì bản chất kỳ lạ đó mà hầu hết các nhà vật lý không hề thích thuyết lượng tử, hoặc ít nhất là vài khía cạnh của nó, nhưng không ai ghét nó hơn Einstein. Điều này nghe có vẻ mỉa mai vì chính ông, trong tài liệu annus mirabilis1 của mình năm 1905, đã giải thích một cách rất thuyết phục khái niệm trọng tâm của vật lý học hiện đại rằng các photon ánh sáng vừa là hạt vừa là sóng. “Lý thuyết lượng tử rất đáng nghiên cứu”, ông nhận xét một cách lịch sự, “nhưng Chúa Trời không gieo xúc xắc.”2
1. Có nghĩa là Năm Kỳ diệu [Year of Miracles], đây là cách những nhà khoa học gọi năm 1905 của Einstein, bởi trong vòng vài tháng, ông đã viết một loạt bài viết làm thay đổi cách nhìn của chúng ta về vũ trụ. (ND)
2. Đây là câu nói người ta thường nhớ đến. Đúng ra, Einstein đã nói: “Ta không thể nhìn lén cỗ bài của Chúa, song rõ ràng việc Ngài gieo xúc xắc và sử dụng phương pháp thần giao cách cảm là điều tôi không thể tin dù chỉ trong một giây.”
Einstein cực lực phản đối quan điểm Chúa tạo ra một vũ trụ mà ở đó có những điều mãi mãi là bí ẩn. Hơn nữa, luận điểm rằng với khoảng cách hàng tỉ dặm, một hạt có thể ngay lập tức gây ảnh hưởng đến một hạt khác, là sự bác bỏ trắng trợn thuyết tương đối của ông. Einstein cho rằng không gì có thể vượt qua được tốc độ ánh sáng, vậy mà thuyết lượng tử lại khẳng định ở cấp độ hạ nguyên tử, thông tin được truyền giữa các hạt còn đi nhanh hơn ánh sáng. (Nhưng cũng chưa ai chứng minh được điều đó. Theo nhà vật lý Yakir Aharanov, các nhà khoa học giải quyết vấn đề này chỉ bằng cách “không suy nghĩ gì về nó”).
Trên tất cả, thuyết lượng tử đã gây ra một tình trạng lộn xộn chưa từng có. Đột nhiên, bạn lại cần đến hai lý thuyết để giải thích cho hoạt động của vũ trụ – thuyết lượng tử cho các hạt cực vi mô và thuyết tương đối cho vũ trụ vĩ mô. Lực hấp dẫn của thuyết tương đối đã lý giải thành công vì sao các hành tinh quay quanh Mặt Trời hoặc vì sao các thiên hà có xu hướng tụ thành nhóm, nhưng cuối cùng lại chẳng có tác động nào ở cấp độ hạt. Người ta lại cần những lực khác để giải thích cho chất keo dính của các nguyên tử. Hai trong số đó được phát hiện vào năm 1930 là lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Lực mạnh liên kết các nguyên tử và sắp xếp các proton trong hạt nhân. Lực yếu tham gia vào những nhiệm vụ hỗn tạp khác, chủ yếu là kiểm soát tỷ lệ phân rã phóng xạ.
Dù được gọi là lực hạt nhân yếu, nhưng lực này vẫn mạnh gấp 10 tỷ tỷ tỷ lần trọng lực, và tất nhiên lực hạt nhân mạnh còn lớn hơn rất nhiều, nhưng tầm ảnh hưởng của chúng lại rất nhỏ. Miền tác dụng của lực hạt nhân mạnh chỉ dài bằng một phần trăm nghìn đường kính của một nguyên tử. Đó là nguyên nhân hạt nhân của nguyên tử được nén chặt và đặc đến vậy, và các nguyên tố với hạt nhân càng lớn và đặc lại càng không ổn định: vì lực hạt nhân mạnh không đủ để giữ tất cả các proton.
Vậy là ngành vật lý cuối cùng đã phát triển theo hai thuyết riêng biệt – một cho thế giới cực vi mô và một cho thế giới vĩ mô. Einstein tất nhiên không thích điều này. Ông dành cả phần đời còn lại để quy chúng về một mối bằng cách tìm ra một Lý thuyết Đại Thống nhất nhưng vô vọng. Thời gian cứ trôi qua và dường như Einstein rơi vào một cuộc kiếm tìm đơn độc, như Snow đã viết, “hầu hết các đồng nghiệp của ông đã và đang cho rằng ông uổng phí cả nửa đời còn lại của mình.”
Tuy nhiên, ở những nơi khác, sự tiến bộ vẫn đang được ghi nhận. Giữa những năm 1940, các nhà khoa học đã đạt đến mức độ thấu hiểu nguyên tử một cách sâu sắc, minh chứng hùng hồn là vào tháng 8 năm 1945 họ cho nổ hai quả bom nguyên tử trên nước Nhật.
Các nhà vật lý nên được tha thứ nếu tại thời điểm họ tin rằng khoa học đã chinh phục được nguyên tử. Tuy nhiên trên thực tế, vật lý nguyên tử chỉ sắp trở nên phức tạp hơn gấp bội lần. Trước khi kể câu chuyện hơi dài dòng đó, ta hãy hồi tưởng lịch sử bằng một câu chuyện về lòng tham, sự dối lừa, lương tâm khoa học, những cái chết không cần thiết và phán quyết cuối cùng về tuổi của Trái Đất.
