Nguyên tử

Tôi không nhớ lần đầu tiên mình nhìn thấy một nguyên tử, nhưng tôi vẫn nhớ lần đầu tiên chúng tôi học về chúng trong giờ khoa học, và chúng đã cuốn hút tôi. Sự phức tạp trong những hình vẽ mà chúng tôi được xem, và cách chúng có thể kết hợp với nhau để tạo thành các chất, khiến tôi muốn tìm hiểu thêm: tôi đọc rất nhiều về chúng, về vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn, các hạt của chúng, và thậm chí cả cách chúng được dùng để tạo ra năng lượng trong nhà chúng ta.

Rất lâu sau đó tôi học lập trình, và tôi muốn phản ánh những gì mình đã học được trong lớp học và sách vở. Tôi muốn tạo ra một nguyên tử, xem nó chuyển động, làm cho từng phần của nó trông như thật; kết hợp chúng lại và, có lẽ, xây dựng một thứ gì đó lớn hơn trong một trình mô phỏng. Nhưng có điều gì đó bất ngờ đã xảy ra: tôi không còn là một thanh niên tò mò nữa, mà là một người trưởng thành với một cách suy nghĩ khác. Vì vậy tôi bắt đầu nghiên cứu lại từ đầu. Và kết quả thật đáng ngạc nhiên: sau nhiều năm đọc sách về chủ đề này, chỉ vài giờ suy nghĩ phản biện đã đủ để hé lộ những chi tiết mà trước đây tôi chưa từng thấy.

Dù các câu chuyện kể lại rất khác nhau, nhưng gần như tất cả đều bắt nguồn từ thời cổ đại và khá giống với câu chuyện sau:

"Người ta kể rằng những nghiên cứu đầu tiên về nguyên tử bắt nguồn từ thời cổ đại, khi những người ham học hỏi nhất tự hỏi mọi thứ có thể bị chia thành bao nhiêu phần. Sau một thời gian dài nghiên cứu, họ kết luận rằng mọi vật chỉ có thể bị chia đến một giới hạn nhất định, để cuối cùng còn lại những mảnh nhỏ đến mức không thể nhận biết được, mà họ gọi là nguyên tử."

Để hiểu rõ ý tưởng này, hãy tưởng tượng bạn đang cực kỳ chán và bạn cầm lấy bất cứ thứ gì có thể chia được — một cây tăm, một chiếc lá, một miếng trái cây — rồi bẻ đôi nó. Rồi lại bẻ tiếp. Rồi lại bẻ tiếp nữa… cho đến khi bạn không thể làm được nữa. Và thế là xong: bạn đã có một nguyên tử! …ít nhất thì ý tưởng là như vậy.

Nếu chúng ta có thể dừng thời gian lại và giữ nguyên câu chuyện này, tôi có thể xây dựng trình mô phỏng của mình mà không gặp khó khăn gì: tôi chỉ cần cho một quả táo tách thành hai, thành ba…, đặt ra một giới hạn, và xong. Nhưng đây mới chỉ là khởi đầu của câu chuyện.

Những gì tiếp theo đây là sản phẩm phụ của một nghiên cứu sâu về các sự kiện lịch sử và những khám phá đã dần dần định hình nên thứ mà ngày nay chúng ta gọi là nguyên tử.

Vào đầu thế kỷ 19, một nhà hóa học người Anh tên là John Dalton, trong bối cảnh chưa có bảng tuần hoàn và ký hiệu để biểu diễn các nguyên tố hóa học, đã tạo ra hệ thống biểu diễn đồ họa của riêng mình. Về cơ bản, ông lập một danh sách các nguyên tố đã biết — vàng, bạc, carbon, oxy... — và vẽ một vòng tròn bên cạnh mỗi nguyên tố với một hình vẽ khác nhau bên trong để phân biệt chúng.

Dalton hình dung nguyên tử như những quả cầu nhỏ, đặc và không thể phân chia, mà ông thường gọi là "hạt tối hậu", giống như giới hạn cuối cùng của vật chất, nơi nó không thể bị chia nhỏ hơn nữa. Công trình của ông đã gắn kết, một lần và mãi mãi, khái niệm trừu tượng về nguyên tử với thực nghiệm hóa học, đó là lý do ông được công nhận trong lịch sử là cha đẻ của thuyết nguyên tử.

Gần một thế kỷ sau, một nhà khoa học người Anh khác tên là Joseph John Thomson, khi cố gắng giải thích bản chất của tia âm cực, đã lập luận rằng chúng được tạo thành từ những tiểu thể nhỏ mang điện. Để giải thích những hạt đó đến từ đâu, ông cho rằng chúng nằm bên trong nguyên tử, giống như những hạt nho khô trong một chiếc bánh pudding, và thậm chí còn xây dựng một thuyết nguyên tử dựa trên chiếc bánh pudding mận đó.

Cần lưu ý rằng Thomson chưa bao giờ cho thế giới thấy dù chỉ một trong những tiểu thể đó: ông suy luận ra chúng từ các thí nghiệm của mình, chứ không hề nhìn thấy chúng. Dù vậy, ý tưởng này vẫn được trao giải Nobel năm 1906 và được khắc ghi như một sự thật. Kể từ đó, nguyên tử không còn là một giả thuyết khiêm tốn nữa mà trở thành thứ mà không ai dám nghi ngờ. Những sự kiện này đã hoàn toàn thay đổi luật chơi đối với các nhà khoa học thời bấy giờ, biến nguyên tử và các lý thuyết của nó thành một bàn đạp chắc chắn dẫn đến thành công.

Nhiều năm sau, một nhà khoa học người New Zealand tên là Ernest Rutherford cũng đã kết nối các nghiên cứu của ông về tính phóng xạ với nguyên tử, và lập luận rằng chúng không tĩnh tại như chiếc bánh pudding của Thomson, mà giống một hệ mặt trời thu nhỏ hơn nhiều. Ông cũng bổ sung thêm một thành phần mới — một hạt nhân cực nhỏ nơi gần như toàn bộ khối lượng tập trung — và xây dựng một thuyết nguyên tử mới dựa trên đó.

Mô hình nguyên tử hành tinh mới này giống như một hạt nhân rất nhỏ, tích điện dương, xung quanh đó các hạt tích điện âm (electron) quay quanh, tạo thành một dạng hệ quỹ đạo. Thành phần thứ ba, neutron, vẫn chưa xuất hiện: nó sẽ không xuất hiện cho đến năm 1932. Nhờ các nghiên cứu về các chất phóng xạ, Rutherford đã giành giải Nobel năm 1908.

Gần như cùng thời với thành công của Rutherford, một chàng trai trẻ người Đan Mạch tên là Niels Bohr, khi cố gắng sửa chữa những sai sót trong mô hình nguyên tử hành tinh, đã bổ sung vào đó các mức quỹ đạo, mức năng lượng, các bước nhảy giữa các quỹ đạo, và thậm chí cả sự phát xạ và hấp thụ ánh sáng, mà ông cho là các sóng điện từ. Với công trình của mình, Bohr đã biến thứ từng chỉ là một tấm bản đồ lý thuyết để giải thích một số hiện tượng thành thứ đòi hỏi phải lấp đầy cả bảng đen mới có thể hiểu được. Nhờ đóng góp của ông cho cấu trúc nguyên tử, Niels Bohr đã giành giải Nobel năm 1922.

Những gì tiếp nối sau Bohr là một danh sách gần như bất tận những bộ óc xuất chúng. Tất cả bọn họ đều bổ sung thêm những lý thuyết ngày càng táo bạo về nguyên tử — chưa từng thấy trước đó —, khiến bộ máy toán học của nó phát triển đến những mức độ thiên văn. Thành thật mà nói, sau nhiều giờ đọc về chủ đề này, việc nhìn vào từng mô hình nguyên tử cũng giống như nhìn vào cỗ xe trượt tuyết của ông già Noel: một thứ được quảng bá rầm rộ đến mức khó tin mà chưa ai từng thực sự nhìn thấy.

Vì các mô hình nguyên tử chỉ là một tấm bản đồ tưởng tượng, một câu hỏi trung thực hơn được đặt ra: đã từng có ai nhìn thấy thứ gì đó giống như một nguyên tử chưa? Câu trả lời ngắn gọn thật khó chịu: nó phụ thuộc vào việc chúng ta hiểu thế nào là nhìn thấy.

Để giải thích rõ hơn, hãy tưởng tượng chúng ta nhìn vào một quả táo: ánh sáng phản chiếu trên bề mặt của nó, đến mắt chúng ta và tạo thành hình ảnh trong mắt ta. Nhưng dưới khoảng 200 nanomet, chiêu trò đó không còn hiệu quả nữa: ánh sáng thông thường không còn trả lại một bức chân dung của những gì tồn tại; nó dường như đi vòng quanh mà không vẽ nên nó và tiếp tục hành trình của mình, như thể vật đó trong suốt. Chỉ một loại ánh sáng rất đặc biệt — cực kỳ mạnh, như loại được tạo ra trong các máy gia tốc hạt lớn — mới có thể tiến gần đến quy mô đó, và ngay cả vậy những gì nó mang lại không phải là những bức ảnh, mà là các mẫu hình: những bóng và hình dạng mờ nhạt.

Khoa học, sử dụng mọi công nghệ sẵn có, đã tiến rất xa một cách đáng kinh ngạc: nó có thể định vị những hình bóng mờ nhạt, đếm chúng, sắp xếp chúng từng cái một, đo trường điện ở những quy mô nhỏ đến khó tin. Nhưng mỗi kỳ tích đó là một phép đo được khoác lên hình dạng của một bức ảnh, chứ không phải một cái nhìn trực tiếp. Những gì ngày nay chúng ta gọi là "một bức ảnh của nguyên tử" vẫn chỉ là một tấm bản đồ — tốt hơn rất nhiều so với bản đồ của Thomson hay Bohr, nhưng dù sao vẫn chỉ là một tấm bản đồ. Và cần phải nói điều này một cách bình thản, không cường điệu: chúng ta đã đo được dấu vết của chúng với độ chính xác phi thường; nhìn thấy chúng, theo nghĩa đơn giản như khi ta nhìn thấy một quả táo, thì vẫn chưa. Và điều tương tự cũng đúng với gần như mọi thứ quá nhỏ hoặc quá xa.

Một giả thuyết gần như hoang đường, nhưng lại có tính then chốt: điều gì sẽ xảy ra nếu, trước sự khó tin của nó, chúng ta quyết định xóa bỏ nguyên tử chỉ trong một nét bút, xóa từng mô hình của nó khỏi các lớp học và khỏi mọi nhánh tri thức?

Điều đầu tiên xảy ra sẽ là sự hỗn loạn hoàn toàn trong các lớp học và nền giáo dục. Sách giáo khoa sẽ phải được viết lại, xóa bỏ hơn 200 năm lịch sử. Hàng triệu trang sách sẽ đầy những "lỗ hổng" khái niệm, những từ bị gạch bỏ hay những thuật ngữ bị cấm khiến các văn bản trở nên hoàn toàn không thể đọc được. Các phương trình của Schrödinger, cấu trúc Lewis và sơ đồ liên kết phân tử sẽ thiếu đi một tiền đề cơ bản, biến thành những nét nguệch ngoạc vô nghĩa. Toàn bộ các luận án dành cho công nghệ nano, vật lý hạt nhân hay hóa sinh sẽ trở nên vô hiệu ngay lập tức.

Về phần mình, khoa học sẽ không dừng lại: nó sẽ tìm những con đường khác — toán học, triết học — để giải thích những gì nguyên tử từng giải thích. Bởi vì thế giới vẫn sẽ được tạo nên từ cùng một thứ. Chúng ta chỉ xóa đi tấm bản đồ, chứ không xóa đi lãnh thổ.

Dù có vẻ khó tin, đằng sau tất cả nỗ lực này — và hàng ngàn người dành cả cuộc đời để vẽ nên nguyên tử tốt hơn — có một canh bạc: tìm hiểu vật chất được tạo thành từ gì ở mức độ sâu hơn hứa hẹn một vũ trụ đầy khả năng.

Việc chuyển hóa các nguyên tố hóa học có thể trở nên khả thi. Ngày nay các lò phản ứng hạt nhân đã biến các nguyên tố như urani thành plutoni và xêzi. Bắn phá các nguyên tố nhẹ hơn bằng các hạt cũng có thể biến chúng thành các nguyên tố nặng hơn. Tuy nhiên, mỗi sự chuyển hóa đó đều cực kỳ tốn kém và không thực tế, và ngoài ra còn cho ra lượng sản phẩm vô cùng nhỏ. Tất cả điều đó là thứ có thể thay đổi nếu chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình này và có thể kiểm soát nó ở mức độ thấp hơn.

Nói đùa một chút, chúng ta có thể biến đá thành vàng hoặc kim cương, làm đầy các ngân hàng, rồi lại biến chúng trở lại thành đá; và thậm chí còn có thể đi xa hơn nữa, tạo ra các nguyên tố hóa học mới với những tính chất mới: những vật liệu thách thức trọng lực, chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao… một câu chuyện không có hồi kết.

Phần thưởng thứ hai đã được bật lên rồi, và không phải trong phòng thí nghiệm mà ngay trong nhà bạn: phần lớn lượng điện của thế giới đến từ một nỗ lực khổng lồ giúp tất cả chúng ta có thể tận hưởng nó. Hiểu rõ hơn về vật chất có thể mở ra những cách tạo ra năng lượng mà chúng ta vẫn chưa biết đến, tốt hơn và hiệu quả hơn nhiều so với hiện nay. Đó là chưa kể đến khả năng sử dụng nó cho các mục đích phi hòa bình, điều đã mang lại những kết quả bi thảm trong suốt lịch sử.

Nhưng không phải mọi thứ đều mang lại bi kịch. Đằng sau những nghiên cứu này là hy vọng cải thiện các công nghệ như chụp cộng hưởng từ hạt nhân, không thể thiếu trong việc chẩn đoán bệnh; hay tìm ra những cách mới để xử lý thông tin, có thể đưa các máy tính trong tương lai đến những giới hạn chưa từng mơ tới. Và, chắc chắn là tham vọng và mơ mộng nhất trong tất cả, một mục tiêu xưa cũ vẫn còn đó: hiểu được thời gian là gì và, có lẽ, kiểm soát được nó.

Tất cả những điều này giải thích tại sao rất nhiều người không bao giờ đặt bút xuống và vẫn tiếp tục nghiên cứu. Nếu một tấm bản đồ mờ nhạt và tưởng tượng như nguyên tử đã đưa chúng ta đi xa đến thế, thì chúng ta sẽ đi xa đến đâu nếu có thể hiểu và kiểm soát được vật chất ở mức độ thấp nhất của nó?

Cuối cùng, trình mô phỏng của tôi chỉ dừng lại ở một nỗ lực đơn thuần. Như bạn có thể đã hình dung, việc mô phỏng một nguyên tử trên máy tính giống như cố gắng bắt bướm trong khi bịt mắt. Dù vậy, tất cả điều đó không chỉ khiến tôi quan tâm đến nguyên tử và những mô hình tưởng tượng của nó, mà còn khiến tôi dấn thân vào cả một vũ trụ tri thức từng khiến chúng ta say mê và mà, sâu thẳm bên trong, rất ít người trong chúng ta thực sự hiểu rõ.