Chương 2
Nguyên tử
Sự ra đời của khoa học phương Tây có thể truy nguyên đến các triết gia Hi Lạp thời xưa. Vào khoảng năm 500 trước Công nguyên (tCN), Thales xứ Miletus đã sáng lập một trường phái tìm cách giải thích thế giới bằng cách vận dụng logic và lí giải cho sự quan sát tự nhiên. Ông đề xuất rằng toàn bộ vật chất được cấu thành bởi một chất sơ cấp duy nhất, và ông tin rằng đó là nước. Điều quan trọng không phải là ông đã sai lầm với nhận định này, mà là ông đã khởi xướng một phương pháp tư duy dựa trên việc quan sát thế giới như nó vốn thế. Cách tiếp cận này đã dẫn tới ý tưởng mang tính tiên tri rằng những viên gạch cấu trúc của vật chất là nguyên tử, một giả thuyết được người ta quy cho Leucippus và Democritus vào khoảng năm 450 tCN.
Lấy một quả táo và xẻ nó ra thành các mảnh nhỏ dần và nhỏ dần. Cuối cùng xẻ tới một mức không còn xẻ được nữa, làm bộc lộ tính hạt tối hậu của vật chất, tức là các nguyên tử. Từ nguyên tử (atom) có xuất từ tiếng Hi Lạp atomos, nghĩa là không thể phân chia. Các hạt tối hậu này được xem là không thể phá hủy, chỉ khác nhau về hình dạng, kích cỡ, vị trí, và cách sắp xếp. Người Hi Lạp hình dung một không gian trong đó các nguyên tử chuyển động không ngớt, gọi là khoảng không. Cái nhìn đơn giản mà thật đẹp của nhà nguyên tử luận đó là vũ trụ được cấu thành chỉ bởi hai nguyên tố: các nguyên tử và khoảng không.
Vào khoảng năm 350 tCN, Aristotle chấp thuận niềm tin cho rằng các kết hợp khác nhau của chỉ bốn nguyên tố, đất, lửa, không khí, và nước, có thể giải thích được vật chất thường ngày. Chính nhờ vị thế triết lí của Aristotle mà quan điểm này tồn tại dai dẳng không gì thách thức nổi cho đến thời trung cổ, và đã truyền cảm hứng cho các nhà giả kim thuật tìm kiếm trong vô vọng hòng có cách biến đổi vật chất cơ bản như chì thành vàng. Chính vì không hề nghi ngờ niềm tin về một thế giới được làm bằng bốn nguyên tố, nên các nhà giả kim đã tiến rất gần đến một phương pháp khoa học hiệu quả vốn là hình thức cơ bản của hóa học thực nghiệm. Họ mài, trộn, đun nóng, và chưng cất các chất thông dụng như nước, dầu, thủy ngân, đất, lưu huỳnh, muối, và không khí. Kỉ nguyên tăm tối ở châu Âu kéo dài từ thế kỉ 6 đến thế kỉ 14, đó là thời kì mà sự phát triển khoa học hầu như ngừng trệ.
Viết hồi mở đầu thế kỉ 17, triết gia Pháp René Descartes coi cái chất cơ bản của vật chất là sự mở rộng, đó là cái chiếm giữ chiều dài, chiều rộng, và chiều cao trong không gian, hay như chúng ta sẽ nói, là thể tích. Thời kì này đánh dấu sự ra đời của kỉ nguyên khai sáng khi nền khoa học định lượng thật sự bắt đầu cất cánh. Từ khoảng thời gian này, giả thuyết nguyên tử bắt đầu xuất hiện trở lại theo yêu cầu của các lí thuyết lúc bấy giờ, thế nhưng vẫn chưa có bằng chứng cho sự tồn tại của các nguyên tử.
Tính chất khối lượng là trọng tâm đối với khái niệm vật chất. Khối lượng lần đầu tiên xuất hiện trong các định luật Newton về chuyển động, lí thuyết tạo nền tảng cho cơ học cổ điển hiện đại. Newton đặt vấn đề có quy tắc đơn giản nào để tính ra chuyển động của các hành tinh hay không, nếu cho trước trạng thái chuyển động của chúng. Về vấn đề này, ông đã phát triển giải tích toán học cần thiết để giải các phương trình mô tả sự biến đổi trạng thái chuyển động của một chất điểm trong một thời gian nhỏ vô hạn, dưới tác dụng của một lực ngoài. Ông kết nối khái niệm về lực, đã được biết rõ từ nghiên cứu tĩnh học, với gia tốc, và khi làm thế ông đưa ra khái niệm khối lượng. Ý nghĩa của khối lượng trong định luật thứ hai của Newton (lực = khối lượng ´ gia tốc) là khối lượng quán tính, sức cản của một vật trước sự biến đổi chuyển động của nó.
Bước đột phá vĩ đại của Newton là liên hệ các định luật về chuyển động với định luật vạn vật hấp dẫn. Lực tác dụng lên một vật được xác định bởi vị trí và khối lượng của các vật thể kề bên. Định luật hấp dẫn của Newton nói rằng lực hấp dẫn giữa hai vật bằng một hằng số (hằng số hấp dẫn Newton, G) nhân với khối lượng mỗi vật và nghịch đảo của bình phương khoảng cách giữa chúng. Lực hấp dẫn là một lực phổ quát tầm xa (tức là, toàn bộ các vật đều hút nhau). Định luật về chuyển động kết hợp với định luật hấp dẫn đã cho phép ông tính ra các trạng thái quá khứ và tương lai của các vật đang chịu tác dụng của lực hấp dẫn. Với kết hợp này, ông đã thành công trong việc giải thích chuyển động của Mặt Trăng, các hành tinh, các sao chổi, và cả thủy triều với độ chính xác cao.
Thế quan điểm của Newton về vật chất thì sao? Trong quyển Optiks năm 1704 của ông, Newton viết vật chất được hình thành bởi “các hạt rắn, nặng, không thể xuyên thủng, linh động… vì thế rất cứng, không bao giờ mòn hay vỡ thành mảnh…”, một quan niệm về nguyên tử rất khác với quan niệm của Democritus. Cái mới mẻ là kiểu tất định luận trong đó ‘các hạt nặng’ chuyển động dưới tác dụng của các lực.
Trọng lượng và khối lượng dễ bị nhầm lẫn, nhưng có một khác biệt quan trọng giữa chúng. Khi chúng ta cân một vật, cái chúng ta thật sự đang làm là đo xem vật đó bị hút bởi lực hấp dẫn mạnh bao nhiêu. Nếu chúng ta treo một kilogram táo vào một cái cân lò xo, thì một khối lượng lớn (Trái Đất) hút lấy các quả táo (một khối lượng nhỏ) xuống dưới chống lại lực hút của lò xo. Đối xứng lại, khối lượng nhỏ cũng hút khối lượng lớn; lực hút giữa chúng với nhau là bằng nhau và ngược chiều, dù chúng ta nghĩ Trái Đất đang hút các quả táo, hay các quả táo đang hút Trái Đất cũng được. Điều này thể hiện định luật thứ ba của Newton. Tuy nhiên, Mặt Trời tác dụng một lực hấp dẫn lên Trái Đất lớn gấp 1022 lần lực hấp dẫn của các quả táo, bởi thế các quả táo có tác dụng không đáng kể đối với Trái Đất. Đây là lí do quỹ đạo của Trái Đất bị kiểm soát bởi Mặt Trời chứ không phải bởi mấy quả táo. (Theo đối xứng, Trái Đất cũng tác dụng một lực lên Mặt Trời. Tuy nhiên, do khối lượng của Trái Đất chỉ bằng ba phần triệu khối lượng của Mặt Trời, nên tác dụng này là nhỏ. Hai vật thể chuyển động xung quanh khối tâm chung của chúng, khối tâm này nằm bên trong Mặt Trời.) Nếu chúng ta mang một kilogram táo của mình lên Mặt Trăng, nơi chỉ có một phần sáu khối lượng Trái Đất, thì cái cân sẽ chỉ một phần sáu kilogram thôi. Mang chúng ra ngoài không gian, ở xa bất kì vật chất tác dụng hấp dẫn nào hoặc đưa vào quỹ đạo vòng quanh Trái Đất trên một trạm vũ trụ thì chúng tồn tại ở trạng thái rơi tự do và không trọng lượng. Bởi thế, khối lượng là một tính chất bản chất của một vật; còn trọng lượng của vật đó sẽ không giống nhau nếu vật ở trên Trái Đất, Mặt Trăng, hoặc trên sao Hỏa.
Sau những thành tựu sáng giá của Newton, câu chuyện vật chất và các nguyên tử chuyển sang tay của các nhà hóa học tiên phong. Vào cuối thế kỉ 18, đã có những tiến bộ quan trọng trong hóa học định lượng, phần lớn là do sự phát triển những cái cân chính xác để đo trọng lượng của các chất đang phản ứng. Các nhà hóa học cũng bắt đầu quen dùng thường xuyên hơn từ ‘nguyên tố’, khi ấy người ta được biết có khoảng ba mươi nguyên tố. Những thí nghiệm hóa học định lượng đầu tiên của Joseph Priestley, người khám phá oxygen, và Antoine Lavoisier cho thấy rằng các chất quen thuộc thường là kết hợp của các nguyên tố như hydrogen, oxygen, carbon, sắt, và lưu huỳnh. Vào năm 1789, Lavoisier khám phá định luật bảo toàn khối lượng; cụ thể là, khi các chất kết hợp, khối lượng của các hóa chất đang phản ứng luôn bằng khối lượng của các sản phẩm. Ví dụ, khối lượng hydrogen cộng với khối lượng oxygen luôn bằng khối lượng nước được tạo ra. Một số phận bi thảm đã xảy ra với Lavoisier. Ông là một nhân viên thuế quan và một quý tộc sinh sống vào thời Cách mạng Pháp; ông bị phán là kẻ phản bội và bị chém đầu vào năm 1794. Nhà toán học Joseph Lagrange đã tỏ lòng thành kính với ông như sau: ‘họ chỉ mất một giây để chặt đầu ông, và [nước Pháp] phải mất một trăm năm mới có lại một người con như thế.’
Thuyết nguyên tử giành được sự củng cố mạnh hơn vào đầu thế kỉ 19 với các thí nghiệm của nhà hóa học Anh John Dalton. Dalton đề xuất rằng mỗi nguyên tố hóa học là một loại nguyên tử độc nhất, khác với các nguyên tử khác bởi trọng lượng của nó. Dalton đã khám phá các tỉ số đơn giản về trọng lượng của các nguyên tố khi chúng kết hợp hóa học với nhau. Định luật Dalton về các tỉ lệ không đổi nói rằng khi các nguyên tố hình thành hợp chất, trọng lượng của chúng luôn kết hợp theo những tỉ số nguyên đơn giản. Ví dụ, trọng lượng oxygen cần thiết để kết hợp với một trọng lượng hydrogen cho trước để tạo ra nước luôn lớn gấp tám lần. Dalton đã lập bảng xếp trật tự trọng lượng tương đối của các nguyên tố: hydrogen, nitrogen, carbon, oxygen, phosphorus, lưu huỳnh, đồng, chì, bạc, vàng, bạch kim, và thủy ngân. Bảng này là một nguồn cảm hứng đối với Mendeleev và những người khác, và là một tiền thân đối với bảng tuần hoàn hiện đại.
Các tỉ số nguyên đơn giản xuất hiện trong hóa học khiến nhiều người tin vào sự tồn tại của các nguyên tử, nhưng số khác thì vẫn hết sức hoài nghi. Các nhà hóa học đã làm rõ nhiều sự thật về các nguyên tử và phân tử, nhưng họ không thể đo kích cỡ và trọng lượng tuyệt đối của chúng. Quan sát quan trọng dẫn tới sự tồn tại chắc chắn của các nguyên tử rốt cuộc lại diễn ra từ thời xa xưa. Vào thế kỉ thứ nhất tCN, nhà thơ La Mã Lucretius đã đi theo vết chân của nhà nguyên tử luận Democritus khi ông sáng tác thiên sử thi De Rerum Natura (Về bản chất của vạn vật). Điều may mắn là Lucretius có biết được công trình trước đó, do phần lớn sách vở và bản thảo gốc của Democritus đã bị phá hủy trong trận đại hỏa hoạn thiêu trụi thư viện Alexandria ở Ai Cập vào khoảng năm 48 tCN. Trong bài thơ của ông, Lucretius mô tả một căn phòng tối, trên cánh cửa chớp có đục một lỗ nhỏ cho ánh sáng mặt trời xuyên vào. Ánh sáng rực rỡ làm nổi lên vô số hạt bụi li ti hiện ra trong chùm sáng đó. Chúng run rẩy liên hồi, có vẻ như đang xô đẩy ngẫu nhiên. Lucretius cho rằng chuyển động này là do các đám nguyên tử không nhìn thấy liên tục hích lên các hạt bụi.
Hiện tượng tương tự như vậy được chứng kiến vào năm 1827 bởi nhà thực vật học người Anh Robert Brown, ông đang nghiên cứu các hạt phấn hoa trong nước. Những hạt tí hon này nhảy múa lung tung (Hình 3), như thể chúng có một cuộc sống riêng vậy. Vào thời ấy nhiều người đang yêu thích thuyết sức sống – tìm kiếm một lực sống giả định mà người ta tin rằng chính nó đã truyền cho vật chất sống. Brown tự hỏi phải chăng ông đã tìm thấy lực sống, và ông đã tiến hành một thí nghiệm quan trọng. Ông thay các hạt phấn hoa bằng các hạt bột silica nghiền mịn, nhưng các hạt ấy vẫn cứ nhảy múa. Chuyển động Brown, như ngày nay chúng ta gọi, không phải là lực sống.
Hình 3. Chuyển động Brown: đường đi của một hạt phấn hoa trong nước. Hạt phấn hoa từ từ bị đánh bật ra khỏi vị trí ban đầu của nó vì các phân tử đập vào nó, và nó thực hiện một chuyển động ngẫu nhiên.
Cần đến sự thiên tài của Einstein mới thấy được chuyển động Brown đang nói lên điều gì, và ông đã sử dụng các quy luật xác suất để suy luận ra sự tồn tại của các phân tử, và kích cỡ của chúng. Mặc dù bản thân các nguyên tử quá nhỏ không thể nhìn thấy được, nhưng chúng có thể gây ra một chuyển động cảm nhận được ở những hạt rất nhỏ khác và chuyển động đó là nhìn thấy được. Một hạt bụi cỡ micron (10– 6 mét) trong không khí có thể xem là một phân tử khí siêu lớn nhận khoảng 10.000 cú hích phân tử lên một bề mặt tại một thời điểm bất kì. Một lượng cú hích tương đương như vậy đập lên phía bên kia, vì thế tính trung bình không có lực toàn phần tác dụng lên hạt. Tuy nhiên, số lượng cú hích như thế chịu các biến đổi thống kê. Các quy tắc xác suất cho chúng ta biết rằng số lượng cú hích phân tử thăng giáng theo căn bậc hai của số lượng phân tử. Số lượng cú hích nhận được bởi một hạt bụi biến thiên từ 9.900 đến 10.100, làm cho lực tác dụng lên nó thăng giáng khoảng 1 phần trăm, đó là nguyên nhân gây ra sự zig zag ngẫu nhiên của chuyển động Brown. Bài báo của Einstein được công bố trong năm thần kì 1905 của ông và nó có chứa ước tính đầu tiên về kích cỡ của một phân tử.
Người ta biết rõ rằng dầu và nước không pha lẫn nhau. Dầu phân tán thành một lớp mỏng dày hai phân tử trên mặt nước và các phân tử dầu sắp liền cạnh nhau, sát bên nhau. Nhà bác học Benjamin Franklin hứng thú với hiệu ứng rót dầu lên nước ‘nhấp nhô’ và tác dụng mà người ta cho rằng dầu gây ra trong việc làm dịu mặt nước. Vào năm 1774, ông rót một muỗng cà phê dầu lên mặt một cái hồ ở Clapham Common ở London và, khi nó phân tán ra trên một diện tích lớn, ông để ý thấy mặt hồ trở nên ‘phẳng như gương’. Về sau, nhà vật lí Anh Rayleigh đã sử dụng hiệu ứng này trong một thí nghiệm đẹp và đơn giản để đo kích cỡ của các phân tử. Diện tích dầu bao phủ dễ dàng nhìn thấy được nếu ban đầu nước có pha loãng một chất bột mịn, dầu sẽ đẩy chúng ra xa trong quá trình nó lan tỏa. Một giọt dầu thể tích một mili mét khối bao phủ diện tích khoảng một mét vuông. Kích cỡ phân tử (vào khoảng hai nano mét) đơn giản bằng thể tích giọt dầu chia cho diện tích màng dầu. Vì có xấp xỉ 12 nguyên tử trong mỗi phân tử dầu, nên kích cỡ của một nguyên tử được xác định vào cỡ 1,7 ´ 10– 10 mét.
Cho đến đây, chúng ta vừa thấy những ý tưởng xa xưa của các nhà nguyên tử luận Hi Lạp hồi 2.500 năm trước đã bị lãng quên như thế nào trong hàng thế kỉ cho đến khi xuất hiện trở lại vào đầu kỉ nguyên khai sáng. Vào thời của Newton, có ba ý tưởng cho định nghĩa vật chất: toàn bộ vật chất được làm bằng các nguyên tử, các nguyên tử chiếm không gian, và các nguyên tử có khối lượng. Khái niệm về nguyên tử trở nên bám rễ chắc chắn hơn vào thời Dalton, và khám phá của ông về các tỉ số đơn giản của khối lượng nguyên tử trong các phản ứng hóa học. Thế nhưng mãi đến cách giải thích của Einstein cho chuyển động Brown vào năm 1905 thì bất kì phản bác nào với giả thuyết nguyên tử mới bị đập tan hoàn toàn.
Ngày nay, người ta có thể hình dung từng nguyên tử. Trong Hình 4, một kĩ thuật gọi là Kính hiển vi quét chui hầm (STM) được sử dụng để tạo ảnh của từng nguyên tử carbon nằm trên bề mặt của một mẩu graphite. Phương pháp hoạt động dựa trên khả năng của các electron ‘chui hầm’ cơ lượng tử qua khe trống giữa mẩu vật và đầu dò nhọn bằng kim loại. Sự chui hầm cơ lượng tử được mô tả trong Chương 5.
Hình 4. Ảnh tạo bởi Kính hiển vi quét chui hầm (STM) của các đám mây electron của từng nguyên tử carbon trên một bề mặt graphite.
Giả thuyết nguyên tử cơ bản đến mức vào năm 1970 nó đã thúc nhà vật lí Mĩ Richard Feynman viết trong Tập 1 Các bài giảng Vật lí nổi tiếng của ông như sau:
Giả như, trong một thảm họa nào đó, toàn bộ tri thức khoa học bị phá hủy hết, và chỉ còn lại một câu truyền lại cho các thế hệ sinh vật tương lai, thì nói làm sao để câu đó chứa được nhiều thông tin nhất với số từ ít nhất? Tôi tin đó là thuyết nguyên tử (hay sự thật nguyên tử, hay bạn muốn gọi nó là gì cũng được), rằng vạn vật được làm bằng các nguyên tử - những hạt nhỏ bé chạy lung tung trong chuyển động vĩnh cửu, hút lấy nhau khi chúng ở hơi xa nhau một chút, nhưng lại đẩy nhau khi bị ép lại với nhau.
Trong Chương 3, tôi kể câu chuyện lực hút và lực đẩy giữa các nguyên tử tạo ra các trạng thái quen thuộc của vật chất như thế nào.
TÌM HIỂU NHANH VỀ VẬT CHẤT
Geoff Cottrell (Oxford University Press 2019)
Bản dịch của Thuvienvatly.com
MỤC LỤC
4 Năng lượng, khối lượng, và ánh sáng
5 Thế giới lượng tử của nguyên tử
9 Vật chất tối và năng lượng tối
