Những con số làm nên vũ trụ - Phần 25

Chương 5

Số Avogadro

Vật lí học có thể khẳng định là ngành cơ bản nhất trong các ngành khoa học, nhưng hóa học là ngành khoa học có ảnh hưởng nhất lên cuộc sống của chúng ta – và quan trọng hơn, lên chất lượng cuộc sống của chúng ta. Đây là một quyển sách viết về khoa học cơ bản, nên tôi muốn dừng lại một chút để nói về nền kinh tế. Biết rằng chúng ta tiêu tốn bao nhiêu thời gian tham gia vào nền kinh tế - trong khâu sản xuất, phân phối, và tiêu thụ “hàng hóa và dịch vụ” – bạn có thể nghĩ kinh tế học là ngành khoa học quan trọng hơn hết thảy. Nói chung, nó mô tả việc làm của chúng ta, và thuế má, và đa số mọi thứ làm tiêu tốn quá nhiều thời gian của chúng ta. Nhưng bạn không thể có nền kinh tế không có hàng hóa và dịch vụ, và những hàng hóa và dịch vụ này từ đâu mà có? Hơn nữa, dịch vụ rõ ràng giữ vai trò chủ đạo thứ hai trong bộ đôi đó, biết rằng nếu không có hàng hóa sẽ chẳng có cái gì cho dịch vụ làm cả. Nói chung, bạn không bao giờ nghe ai đó nói, “Anh ta phân phối các dịch vụ”. Và khi nói tới sự phân phối hàng hóa, bạn không thể qua mặt hóa học nổi đâu. Tôi từng thấy có những ước tính rằng có hơn 10 tỉ sản phẩm khác nhau cho thị trường tiêu thụ ở riêng London thôi, và một phần nhỏ của những hàng hóa mới phát triển dựa nhiều vào kiến thức hóa học của chúng ta cho sự tồn tại của chúng. Cái cơ bản với kiến thức đó là mục tiêu của chúng ta trong chương này: số Avogadro, con số cho chúng ta biết số hạt tồn tại trong một lượng chất nhất định. Không có nó, có lẽ hóa học sẽ vẫn ở bên bờ hoạt động kiểu hú họa khi mà các nhà giả kim thuật pha trộn các chất ma thuật trong hi vọng có cái gì đó lí thú sẽ xảy ra, và đa số sản phẩm hàng hóa làm cho cuộc sống hiện đại tiện nghi như thế sẽ không bao giờ xuất hiện.

Những cái tốt hơn cho cuộc sống tốt hơn

Tôi chào đời không bao lâu sau Hội chợ Quốc tế năm 1939 diễn ra vào mùa xuân và mùa hè ngay trước khi Đức tiến đánh Ba Lan, khai màn Thế chiến thứ hai. Giờ ngồi nhớ lại, chúng ta có thể nhìn với chút khát khao tại hội chợ và triển vọng của nó: chúng ta đang nhìn vào “Thế giới của ngày mai”, con đường thế giới có thể sẽ đi qua. Tuy nhiên, đây chẳng phải là nói mọi thứ tại hội chợ đó hóa ra không là gì cả mà chỉ là ngày mai mơ ước. Một góc của hội chợ là Khu Sản xuất và Phân phối, và một trong những nhà trưng bày chính là Công ti Du Pont, một trong những công ti hóa chất tiên phong của thế giới. Hai trong những sản phẩm tổng hợp của Du Pont, neoprene và nylon, là hai mũi chọn trong cái cuối cùng sẽ trở thành sự thống trị plastic của thế giới. Hai chất này đã được tổng hợp bởi một đội khoa học đứng đầu là Wallace Carothers, một nhà hóa học đã được chiêu dụ chuyển từ Harvard về Du Pont vì đây là nơi có những cơ sở nghiên cứu tiên tiến trong công nghiệp.

Tác động của Carothers – và của Du Pont – là hết sức lớn. Tôi ngồi làm việc tại bàn, cái bàn được chế tạo từ một loại plastic nào đó, tôi đánh máy trên bàn phím chủ yếu làm bằng plastic, và tôi nhìn các từ tôi gõ trên màn hình cũng chủ yếu là plastic. Tôi làm ngay một bản kiêm kê hàng trên desktop của mình: ít nhất có hai mươi thiết bị có bộ phận phần lớn là plastic. Giày của tôi chủ yếu là plastic, và các vành kính mắt của tôi cũng vậy. Đủ để nói rằng toàn bộ căn phòng thật ra là một kho trưng bày những lợi ích của ngành hóa học hữu cơ tổng hợp, khiến tôi cảm thấy có chút mỉa mai rằng Wallace Carothers đã ra đời quá sớm để hưởng thụ một thành tựu sau này của sự tổng hợp hóa học. Carothers đã bị mắc chứng cuồng trí và rồi đã tự tử hai thập kỉ trước khi thuốc chống suy nhược được giới thiệu rộng rãi để hỗ trợ nhiều người phải khổ sở trước căn bệnh này.

Bước tiến vĩ đại đầu tiên trên con đường sáng tạo Thế giới của ngày mai – và thế giới ngày mai trước đây bây giờ là thế giới ngày nay – được thực hiện bởi John Dalton, người chúng ta đã gặp ở phần trước. Trong chương nói về chất khí khí lí tưởng, chúng ta đã xét một trong những thất bại của Dalton – niềm tin của ông rằng các chất khí giãn nở tỉ lệ với thể tích trước đó của chúng. Nhiều nhà khoa học lớn cũng có thất bại đáng chú ý trong đời họ - Linus Pauling từng đề xuất một cấu trúc xoắn ba cho ADN – nhưng chính sự thành công của họ đã tô điểm cho sự nghiệp của họ, và sự trình bày của Dalton về thuyết nguyên tử là một trong những cột mốc quan trọng của khoa học. Không có thuyết nguyên tử, ngành hóa học về cơ bản sẽ là một bộ sưu tập những công thức chế biến được chăng hay chớ. Không có thuyết nguyên tử, đơn giản là chẳng có cách nào phân phối những hàng hóa đa dạng mà ngày nay chúng ta yêu thích.

Nguyên lí cơ bản của thuyết nguyên tử của Dalton là, trước tiên và trước hết, toàn bộ vật chất có cấu tạo gồm những hạt cực kì nhỏ, gọi là các nguyên tử. Lí thuyết này biến hóa học thành nghiên cứu cách các nguyên tử của các chất kết hợp và phân li để tạo ra những chất khác. Theo lí thuyết của Dalton, mỗi nguyên tố có nguyên tử đặc trưng riêng của nó và mỗi hợp chất có phân tử đặc trưng riêng của nó (Dalton gọi chúng là “những hạt tối hậu”), và tất cả các mẫu của một hạt nhất định nào đó là giống hệt nhau. Cuối cùng, khi các nguyên tố kết hợp tạo thành hợp chất, các phân tử của hợp chất đó gồm những số nguyên nhỏ nguyên tử của những nguyên tố thành phần. Mặc dù khoa học hiện đại đã làm sáng tỏ và đã tạo ra những ngoại lệ cho những giả thuyết cơ bản này, nhưng chúng vẫn được tôn vinh mang tính kỉ niệm hơn là sư phạm. Thật vậy, như Richard Feynman trình bày trong phần giới thiệu bài giảng ở Caltech năm 1961, “Nếu, trong một biến cố nào đó, toàn bộ kiến thức khoa học bị mất hết, và chỉ duy nhất một câu được truyền lại cho thế hệ sinh vật tiếp theo, thì câu phát biểu nào chứa nhiều thông tin nhất trong ít ngôn từ nhất? Tôi tin đó là giả thuyết nguyên tử… rằng mọi thứ được cấu tạo gồm các nguyên tử - những hạt nhỏ bé chuyển động không ngừng trong sự chuyển động vĩnh cửu…”

Nhưng từ Dalton và thuyết nguyên tử của ông đến nylon, Prozac, và sự chuyển biến Thế giới ngày mai của kì Hội chợ Quốc tế 1939 thành thế giới ngày hôm nay, đó là chặng đường dài và đầy chông gai. Thuyết nguyên tử là bước tiến quan trọng đầu tiên, nhưng chỉ biết bản chất của những viên gạch không bảo đảm bạn có thể xây nên một tòa nhà. Cần hoàn thành rất nhiều thứ nữa trước khi Công ti Du Pont có thể đưa ra câu khẩu hiệu của họ “Những cái tốt hơn cho cuộc sống tốt hơn – Nhờ hóa học”.