🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Chiếc Thìa Biến Mất - Sam Kean Ebooks Nhóm Zalo Những lời khen ngợi cho CHIẾC THÌA BIẾN MẤT của Sam Kean “Không thể cưỡng lại... Chiếc thìa biến mất vén bức màn của lịch sử, của sự đam mê điên dại và của những phút kịch tính cao trào trong cuộc sống của chúng ta... Kean tràn đầy sự dí dỏm, và tình yêu ông dành cho các nguyên tố cũng dễ dàng lây lan... Chắc chắn sẽ làm kinh ngạc bất kỳ độc giả nào. Kean tìm được những câu chuyện hay ho về mọi nguyên tố của bảng tuần hoàn... Ngòi bút của ông lấp lánh như những ánh sao... Ông thổi mãnh lực vào khoa học khiến bạn không ngừng háo hức lật mở những trang sách để xem những gì đang chờ đợi... Cuốn sách của Kean thật thú vị và tràn đầy năng lượng, bạn sẽ muốn chia sẻ với ai đó về các mẩu chuyện trong đó. Nhưng phép màu nằm ở cách mà Kean giúp bạn thấy, trải nghiệm và đánh giá thế giới một cách khác biệt, với một cảm giác kỳ diệu và niềm vui khám phá, mà từng nguyên tố ở đó đều vô cùng mãnh liệt.” — Caroline Leavitt, Boston Globe “Các cây viết khoa học giỏi nhất thường thổi nhiệt huyết vào tác phẩm, lay động cả những người không biết gì về photon... Kean đã mở ra một chiếc túi thần kỳ của bảng tuần hoàn với đầy rẫy sự tự tin háo hức, khiến những chất nặng như chì cũng biến thành vàng... Với cách lồng ghép giai thoại của Oliver Sacks và khả năng tiếp cận đại chúng của Malcolm Gladwell, Kean khiến ngay cả những khái niệm trừu tượng nhất cũng có thể đến được với các nhà khoa học nghiệp dư. Khiếu hài hước của ông mang đến sự thích thú đặc biệt... Kean thành công trong việc đưa ra những sự thật phũ phàng về cả con người và hóa học, đằng sau những hiện tượng đáng kinh ngạc mà không phải đánh đổi bằng ngòi bút diệu kỳ. Đây là đặc điểm quan trọng đối với bất kỳ cây viết khoa học nào được độc giả yêu thích.” — Keith Staskiewicz, Entertainment Weekly “Thực sự xuất sắc... Tôi không biết ca ngợi Chiếc thìa biến mất bao nhiêu cho đủ... Những câu chuyện liên quan đến các nguyên tố và thí nghiệm để kiểm tra các giả thuyết cực kỳ lôi cuốn... Mua đi.” — Jon Carroll, San Francisco Chronicle “Sam Kean khiến ngay cả những môn học tẻ nhạt nhất cũng trở nên sinh động bằng cách liên hệ các tư liệu đến cuộc sống hằng ngày bằng một thứ ngôn ngữ dễ hiểu, và là người khơi dậy những câu chuyện hậu trường hay ho về các thí nghiệm cùng người thực hiện... Chiếc thìa biến mất mang lại hiệu ứng khoa học mạnh mẽ khó mà cưỡng lại... Lượng thông tin đầy ắp trong các chương thấm đầy giọng điệu sôi nổi... Kean chuyển từ câu chuyện này sang câu chuyện khác một cách vui vẻ, tự tin gắn kết chính xác mọi chi tiết... Lối hành văn dung dị mang nhiều liên hệ với văn hóa đại chúng, và đưa ra các phép loại suy đáng kinh ngạc... Sự nhiệt tình lồ lộ của Kean và những câu chuyện ly kỳ về kiến thức và các phát minh mà cuốn sách đề cập có thể lôi cuốn kể cả những tâm hồn nghệ sĩ nhất.” — Christine Thomas, Miami Herald “Sam Kean miêu tả bảng tuần hoàn bằng một dàn nhân vật với các câu chuyện minh họa cho tương tác của con người với thế giới vật chất. Bằng cách đan xen các câu chuyện vào các chủ đề riêng ở mỗi chương, ông đã mô tả toàn bộ bảng tuần hoàn không chừa một góc nào. Độc giả nào cũng sẽ học được điều gì đó... Kean đã viết với tất cả năng lượng và tài năng.” — Philip Ball, Nature “Tràn đầy năng lượng... Kean biến Chiếc thìa biến mất thành cuộc diễu hành không ngừng nghỉ của những câu chuyện khoa học sống động... Một cuộc đối thoại vừa đúng lúc.” — Janet Maslin, The New York Times “Kean đã rất giỏi trong việc không dùng những thuật ngữ khó hiểu khi kể về sự kỳ diệu cũng như nỗi kinh hoàng của hóa học... Một cuốn sách đầy tham vọng nhưng thân thiện về thế giới kỳ lạ và tuyệt vời của các nguyên tố hóa học.” — Dan Falk, Associated Press “Một cái nhìn mới mẻ về các nguyên tố tạo nên thế giới... Cuốn sách có nhiều giai thoại về tính ứng dụng của các nguyên tố cũng như về các nhà khoa học đã khám phá và phát triển chúng. Đề cập đến mọi nguyên tố trong bảng tuần hoàn, Kean đã đem đến những sự thật thú vị và đôi khi là sửng sốt về các khối tạo nên vũ trụ.” — Daily Beast “Chúng ta đã phát hiện ra 112 nguyên tố chính thức được công nhận, và mỗi nguyên tố đều ẩn chứa một câu chuyện riêng: vui nhộn có, đáng sợ có. Chiếc thìa biến mất kể lại việc phát hiện và sử dụng từng nguyên tố, giới thiệu những đặc điểm khoa học đầy màu sắc và lập dị... Đây không chỉ là cái nhìn nhẹ nhàng hơn về bảng tuần hoàn; Kean cũng sử dụng những giai thoại này để giải thích tại sao các nguyên tố hành xử như vậy...” — Alasdair Wilkins, io9.com “Một cuốn sách cầu kỳ nhưng lý thú... Cuốn sách này dành cho hầu hết mọi người, dù là nhà khoa học, sử gia hay người thích buôn chuyện.” — Kate Quealy-Gainer, Minneapolis Star Tribune “Rất hấp dẫn... Cuốn sách này được viết theo cách mà người đọc không cần biết rõ về hóa học cũng hiểu được. Ngay cả những người còn nhớ những giờ hóa học trên lớp cũng sẽ không thấy chán nản vì cuốn sách đầy những câu chuyện đa dạng: từ lịch sử, chiến tranh, sinh học đến văn học.” — Sarah Zielinski, Smithsonian “Đây chính là biểu đồ bí ẩn của môn hóa học thời trung học đã được giải mã.” — Los Angeles Times “Một cuốn sách tuyệt vời, một bộ sưu tập công phu về những câu chuyện bi hài và kỳ lạ về các thành viên của bảng tuần hoàn.” — Samantha Nelson, The Onion’s A.V. Club “Sam Kean đã làm được một điều đáng chú ý: biến môn khoa học đầy tính kỹ thuật trở nên gần gũi, đặt những khám phá nổi tiếng cũng như ít được biết đến vào bối cảnh lịch sử, khiến việc đọc về cuộc sống của những người trong phòng thí nghiệm trở nên thú vị... Những câu chuyện thật hấp dẫn... Kean là một người kể chuyện tuyệt vời.” — Andy Alford, Austin American-Statesman “Giống như tất cả các cây viết khoa học giỏi, Kean có sự tò mò vô tận và thích thú với những điều kỳ lạ, không chỉ ở vũ trụ hữu hình mà cả những nỗ lực không mệt mỏi của con người để tìm hiểu nó.” — Alison Gillmor, Winnipeg Free Press “Một chuyến tham quan hấp dẫn... Kean say sưa trong sự kỳ lạ tuyệt vời của chính các nguyên tố.” — Jennifer Schuessler, New York Times Book Review “Một cuộc diễu hành của những giai thoại lý thú về các nhà khoa học (dù điên rồ hay không)... Như một dòng chảy xuyên suốt của những sự thật thú vị, Kean viết với sự dí dỏm, tinh tế và uy tín.” — Publishers Weekly “Dị thường, sâu sắc và kỹ lưỡng... Nếu lần gần nhất bạn liếc đến bảng tuần hoàn là từ thời trung học thì đừng sợ, những tình tiết trong cuốn sách này giống tiểu thuyết tình cảm hay phim kinh dị hơn là sách hóa học. Sự nhiệt tình và hóm hỉnh của Kean đưa người đọc đi qua những pha khó khăn. Ngay cả các nhà hóa học kỳ cựu cũng sẽ học được điều gì đó.” — Rachel Ehrenberg, ScienceNews “Hiếm ai trong chúng ta có thể liên hệ bảng tuần hoàn với một thứ đầy bí ẩn. Nhưng như Sam Kean đã mô tả chi tiết, đằng sau những ô đó ẩn chứa cả một quá khứ tồi tệ.” — Fenella Saunders, American Scientist “Hấp dẫn... Cách viết của Kean rất dễ đọc... Rất phù hợp cho các thư viện công cộng và các nhà khoa học nghiệp dư, trung học và đại học muốn vừa học vừa giải trí.” — Ian D. Gordon, Library Journal “Ai mà biết bảng tuần hoàn lại mê hoặc, gây sốc và thậm chí là buồn cười đến vậy? Có rất nhiều chi tiết hấp dẫn trong Chiếc thìa biến mất.” — Rebecca Sodergren, Pittsburgh Post-Gazett “Tiêu đề đã thể hiện giọng văn của cuốn sách dí dỏm và đầy lý thú này về vai trò của các nguyên tố trong khoa học, nghệ thuật, chiến tranh, thương mại, y học, văn học và các lĩnh vực khác... Chiếc thìa biến mất là loại sách khoa học yêu thích của tôi: nó tiết lộ một vũ trụ ẩn giấu bằng một câu chuyện ly kỳ.” — Mark Frauenfelder, boingboing.net “Kỳ diệu thay... Thứ khoa học này thật hấp dẫn; những câu chuyện trong sách thật tuyệt vời, đáng kinh ngạc và xen lẫn bi thảm. Sự nhiệt tình của Kean thông suốt cuốn sách. Nếu bạn cho rằng mình không hứng thú với sách khoa học, hãy nghĩ lại. Chiếc thìa biến mất sẽ thay đổi suy nghĩ của bạn.” — Marilyn Dahl, Shelf Awareness “Một cái nhìn đầy thông tin và dí dỏm về lịch sử bảng tuần hoàn... Kean mang đến những niềm vui và khai sáng cho chúng ta.” — Tim O’Connell, Florida Times-Union “Đầy hấp dẫn... Kean có khiếu hài hước của Bill Bryson... Một lịch sử sống động về các nguyên tố và những nhân vật khám phá ra chúng.” — Clint Witchalls, New Scientist “Một trò chơi vui vẻ mang phong cách riêng... Tác giả là một người kể chuyện cừ khôi với rất nhiều câu chuyện... Kean đề cập đến gần 150 năm khoa học trên phạm vi rộng, giúp tất cả trở nên thú vị. Thật thú vị và bổ ích.” — Kirkus Reviews “Cuốn sách đầy những thông tin hấp dẫn, cho thấy mạnh mẽ rằng bảng tuần hoàn có thể là điểm khởi đầu cho những câu chuyện về lịch sử, chính trị, văn học, nghệ thuật cũng như đam mê, mạo hiểm, điên rồ và phản bội của con người... Kean viết theo phong cách hoạt bát, vui nhộn và thường sử dụng các phép loại suy từ cuộc sống hằng ngày.” — Science “Đúng như tiêu đề, Chiếc thìa biến mất đầy các sự kiện và câu chuyện tuyệt vời liên quan đến bảng tuần hoàn... Cuốn sách này chắc chắn là dành cho phòng thí nghiệm hóa học của bậc trung học. Dù sao thì tất cả mọi người có vẻ đều thích một câu chuyện hay.” — Poornima Apte, Mostly Fiction Book Reviews “Chiếc thìa biến mất thổi sự sống vào bảng tuần hoàn. Nó đầy những giai thoại hấp dẫn về từng nguyên tố, tin đồn liên quan đến giải Nobel và mưu mô chính trị để thu hút sự quan tâm của cả những người không ưa thích các nguyên tố. Với 117 nguyên tố hiện có, nhiệm vụ ghi lại những khám phá và ứng dụng của chúng không phải chuyện nhỏ, nhưng Kean không chỉ hoàn thành công việc một cách đáng ngưỡng mộ, mà còn cấu trúc nó như một cuộc hành trình đầy niềm vui... Kean để lại cho độc giả một cảm giác thỏa mãn về bảng tuần hoàn cũng như tương lai của nó.” — Michael Paul Mason, Galleycat Lời giới thiệu Đầu những năm 1980, khi còn nhỏ, tôi có thói quen nói chuyện khi vẫn còn ngậm các thứ trong miệng: đồ ăn, ống nha khoa, bóng bay… Tôi vẫn tự nói một mình ngay cả khi không có ai xung quanh. Thói quen này đã dẫn đến niềm đam mê với bảng tuần hoàn trong lần đầu tiên tôi bị bỏ lại một mình khi đang ngậm nhiệt kế. Tôi bị viêm họng liên cầu khuẩn đến cả chục lần khi học lớp hai và lớp ba, và trong nhiều ngày liền, tôi luôn cảm thấy đau khi nuốt. Tôi không ngại ở nhà và tự chữa cho mình bằng kem vani và sốt sô cô la. Bị ốm luôn tạo ra cơ hội để tôi làm hỏng thêm một chiếc nhiệt kế thủy ngân kiểu cũ. Tôi nằm đó với chiếc nhiệt kế dưới lưỡi, trả lời thật to một câu hỏi tưởng tượng, chiếc nhiệt kế tuột khỏi miệng và vỡ tan trên sàn. Thủy ngân lỏng trong nhiệt kế rơi vãi khắp nơi như bi xe đạp. Một phút sau, mẹ tôi ngồi thụp xuống sàn (dù bà bị đau khớp hông) và bắt đầu thu dọn đống “bi”. Bà dùng một cái tăm như một chiếc gậy của môn khúc côn cầu để đẩy những “viên bi” thủy ngân lại thật sát nhau. Đột nhiên, một viên nuốt chửng viên kia chỉ bằng một cú gảy. Một viên mới tinh không tỳ vết xuất hiện ngay ở chỗ hai viên cũ. Bà lặp lại trò ảo thuật này cho đến khi toàn bộ thủy ngân được gom lại thành một hạt đậu màu bạc. Sau khi gom được hết thủy ngân, mẹ tôi lấy chai thuốc bằng nhựa có nhãn xanh lục trên kệ đựng đồ lặt vặt nằm giữa một con gấu bông cầm cần câu và một chiếc cốc sứ xanh còn lại từ cuộc họp mặt gia đình năm 1985. Sau khi hớt viên thủy ngân lên một tấm bìa, bà cẩn thận đổ nó lên một quả cầu thủy ngân to bằng quả óc chó có sẵn trong chai. Thỉnh thoảng, trước khi cất cái chai đi, bà rót thủy ngân vào nắp và cho anh chị em chúng tôi xem thứ kim loại của tương lai lăn qua lăn lại: nó luôn tách ra rồi gắn lại một cách hoàn hảo. Tôi thương cảm cho những đứa trẻ có các bà mẹ sợ thủy ngân đến nỗi không cho con mình ăn cá ngừ. Bất chấp sự thèm muốn vàng của mình, các nhà giả kim thuật Trung đại coi thủy ngân là chất mạnh nhất và thi vị nhất trong vũ trụ. Khi còn nhỏ, tôi đã đồng ý với họ. Giống như họ, tôi còn tin rằng nó vượt qua ranh giới giữa chất lỏng và chất rắn, kim loại và nước, thiên đường và địa ngục; rằng nó chứa đựng các linh hồn của một thế giới khác. Sau này, tôi phát hiện ra thủy ngân có tính chất như vậy vì nó là một nguyên tố hóa học. Không giống như nước (H2O), cacbon dioxit (CO2) hay hầu hết mọi thứ xung quanh, bạn không thể tự nhiên tách thủy ngân thành các đơn vị nhỏ hơn. Thủy ngân là một trong những nguyên tố có tính “bè phái”: các nguyên tử thủy ngân chỉ muốn liên kết với nhau, và giảm tiếp xúc với thế giới bên ngoài bằng cách thu mình vào một quả cầu. Hầu hết chất lỏng tôi làm đổ khi còn nhỏ đều không như thế. Nước đổ khắp nơi, dầu, giấm và thạch rau câu Jell O chưa đông cũng vậy. Thủy ngân không bao giờ để lại dấu vết. Bố mẹ luôn nhắc tôi phải đi giày mỗi khi làm rơi nhiệt kế để ngăn những mảnh thủy tinh đâm vào chân. Nhưng tôi nhớ là chưa từng có cảnh báo về thủy ngân rơi vãi. Tôi đã để mắt đến nguyên tố 80 ở trường và trong sách suốt một thời gian dài, giống như tìm tên một người bạn thời thơ ấu trên báo. Tôi đến từ Đại Bình Nguyên và được học trong lớp lịch sử rằng Lewis và Clark đã đi qua Nam Dakota và phần còn lại của Lãnh thổ Louisiana với kính hiển vi, la bàn, kính lục phân, ba cái nhiệt kế thủy ngân và các dụng cụ khác. Điều mà lúc đó tôi không biết là họ cũng mang theo 600 viên thuốc nhuận tràng chứa thủy ngân, mỗi viên lớn gấp bốn lần viên aspirin. Thuốc có tên là “Dr. Rush’s Bilious Pills” – được đặt theo tên Benjamin Rush, một trong số những người đã ký Tuyên ngôn Độc lập Mỹ và là một bác sĩ anh hùng đã dũng cảm ở lại Philadelphia trong dịch sốt vàng da năm 1793. Cách điều trị của ông với mọi căn bệnh đều là uống HgCl2. Mặc dù y học đã tiến bộ nhiều trong khoảng từ năm 1400 đến năm 1800, các bác sĩ thời đó vẫn giống thầy lang hơn là bác sĩ. Với một niềm tin lệch lạc, họ cho rằng thủy ngân đẹp đẽ và quyến rũ có thể chữa khỏi cho người bệnh bằng cách lấy độc trị độc. Bác sĩ Rush đã cho bệnh nhân uống dung dịch này cho đến khi họ chảy nước dãi. Răng và tóc của họ thường bị rụng sau nhiều tuần hoặc nhiều tháng điều trị liên tục. Phương pháp “chữa bệnh” này chắc chắn đã đầu độc và khiến rất nhiều người qua đời sau khi biết đâu đã may mắn khỏi bệnh sốt vàng da. Sau khi hoàn thiện phương pháp điều trị ở Philadelphia, mười năm sau, ông tiễn hai nhà thám hiểm Meriwether và William lên đường cùng một số mẫu thuốc đóng gói sẵn. Như một tác dụng phụ hữu ích, các mẫu thuốc đó cho phép các nhà khảo cổ học hiện đại lần theo dấu vết cắm trại của đoàn thám hiểm. Với thức ăn lạ và nguồn nước đáng ngờ trong môi trường hoang dã, một số người trong nhóm thám hiểm luôn thấy buồn nôn. Cho đến ngày nay, thủy ngân vẫn nằm rải rác trong lòng đất ở những chỗ mà các nhà thám hiểm đã đào nhà xí – có lẽ do thuốc nhuận tràng của Rush hoạt động quá hiệu quả. Thủy ngân cũng xuất hiện trong lớp khoa học. Khi lần đầu tiên được học về mớ bòng bong của bảng tuần hoàn, tôi đã tìm thủy ngân nhưng không thấy. Nó nằm giữa vàng (cũng đặc và mềm) và tali (cũng độc). Ký hiệu hóa học của thủy ngân là Hg – hai chữ cái thậm chí không hề có trong tên của nó. Ký hiệu này xuất phát từ “hydragyrum” – tiếng Latin nghĩa là “bạc lỏng”. Điều bí ẩn này đã giúp tôi hiểu các ngôn ngữ và thần thoại cổ ảnh hưởng nhiều đến bảng tuần hoàn như thế nào. Bạn có thể bắt gặp điều tương tự trong tên Latin của các nguyên tố mới siêu nặng ở hàng dưới cùng. Tôi cũng đã “diện kiến” thủy ngân trong lớp văn học. Các nhà sản xuất mũ từng dùng một thứ nước rửa màu cam chứa thủy ngân để tách lông khỏi những tấm da, và thợ làm mũ làm việc xung quanh các thùng hơi dần rụng tóc và mất trí, giống như thợ mũ trong Alice in Wonderland (Alice ở xứ sở thần tiên). Cuối cùng tôi cũng nhận ra thủy ngân độc như thế nào. Điều đó giải thích tại sao thuốc “Dr. Rush’s Bilious Pills” nhuận tràng tốt đến vậy: cơ thể sẽ tự đào thải mọi chất độc, bao gồm cả thủy ngân. Hít phải hơi thủy ngân thậm chí còn độc hơn là nuốt phải. Chúng phá hủy các “sợi dây” trong hệ thần kinh trung ương và tạo ra các lỗ trên não, giống như bệnh Alzheimer ở giai đoạn nặng. Nhưng càng biết nhiều hơn về sự nguy hiểm của thủy ngân thì vẻ đẹp chết chóc của nó càng thu hút tôi, như câu thơ của William Blake “Tyger! Tyger! Bừng lên nào”. Nhiều năm sau, bố mẹ tôi trang trí lại nhà bếp và bỏ cái kệ có chiếc cốc và chú gấu bông đi, nhưng vẫn cất các đồ lặt vặt trong một cái hộp. Trong lần về thăm nhà gần đây, tôi đã bới tìm cái chai có nhãn xanh lục và mở ra. Nghiêng nó qua lại, tôi cảm thấy sức nặng bên trong trượt theo vòng tròn. Khi hé nhìn qua miệng chai, mắt tôi dính chặt vào những giọt nhỏ li ti ở hai bên thành chai. Chúng lấp lánh như những hạt nước, hoàn hảo đến mức chỉ có trong tưởng tượng. Thời thơ ấu của tôi gắn liền với thủy ngân và những cơn sốt. Lần này, tôi bỗng rùng mình khi nghĩ về sự đáng sợ của những “viên bi” nhỏ xíu đó. Từ nguyên tố hóa học đó, tôi đã học được lịch sử, từ nguyên học, giả kim thuật, thần thoại, văn học, giám định độc chất và tâm lý học*1. Và những câu chuyện về nguyên tố mà tôi có được không chỉ dừng lại ở đó, đặc biệt là sau khi đắm mình vào nghiên cứu khoa học ở trường đại học và gặp một số giáo sư sẵn sàng tạm ngừng nghiên cứu để đàm luận khoa học với tôi. 1. Những nơi có dấu * này dẫn về phần “Chú giải” ở cuối sách. Với chuyên ngành vật lý (và hy vọng thoát khỏi phòng thí nghiệm để được viết lách), tôi luôn cảm thấy khổ sở giữa các nhà khoa học trẻ nghiêm túc và tài năng trong lớp, những người yêu thích các thí nghiệm thử và sai theo cách mà tôi không bao giờ có thể. Tôi đã trải qua năm năm ở Minnesota và kết thúc với tấm bằng danh dự (honors) về vật lý, nhưng dù đã dành hàng trăm giờ trong phòng thí nghiệm, ghi nhớ hàng ngàn phương trình, vẽ hàng chục ngàn sơ đồ với ròng rọc không ma sát và đường dốc, những điều tôi thực sự được học lại nằm trong các câu chuyện khi đàm luận với các giáo sư. Đó là những câu chuyện về Gandhi, Godzilla và nhà ưu sinh học đã dùng gecmani để kiếm cho mình giải Nobel, việc ném những khối natri sẽ nổ tung khi gặp nước ra sông để giết cá, những người ngạt thở do khí nitơ trong tàu con thoi, hay một cựu giáo sư sẵn sàng thử nghiệm máy tạo nhịp tim chạy bằng plutoni trong ngực của chính mình, tăng tốc và làm chậm nó bằng cách đứng cạnh và nghịch ngợm cuộn dây từ khổng lồ. Tôi đã theo dõi những câu chuyện đó; và khi hồi tưởng về thủy ngân trong bữa sáng gần đây, tôi đã nhận ra rằng luôn có một câu chuyện hài hước, kỳ quặc hoặc ớn lạnh gắn liền với mỗi nguyên tố. Bảng tuần hoàn là một trong những thành tựu trí tuệ vĩ đại của loài người. Nó vừa là một thành tựu khoa học vừa là một cuốn truyện. Tôi viết cuốn sách này để bóc tách từng lớp một, giống như những trang giấy xuyên thấu trong một cuốn sách giáo khoa về giải phẫu, để kể cùng một câu chuyện ở nhiều tầng bậc khác nhau. Ở cấp độ đơn giản nhất, bảng tuần hoàn liệt kê tất cả các chất trong vũ trụ – hơn trăm ký tự với các cá tính cứng đầu tạo nên mọi thứ chúng ta thấy và chạm vào. Hình dạng của bảng tuần hoàn cũng cho chúng ta manh mối về cách những cá tính đó hòa nhập với nhau. Ở mức độ phức tạp hơn một chút, bảng tuần hoàn mã hóa tất cả thông tin về nguồn gốc của mọi loại nguyên tử: nguyên tử nào có thể phân hạch hoặc biến đổi thành các nguyên tử khác. Các nguyên tử này cũng tự kết hợp một cách sống động thành các sinh vật sống, và bảng tuần hoàn dự đoán chúng được tạo ra như thế nào. Nó thậm chí còn dự đoán dãy nguyên tố nguy hiểm có thể gây hại cho các sinh vật sống. Cuối cùng, bảng tuần hoàn là một điều kỳ diệu về nhân học: một tạo tác phản ánh tất cả các khía cạnh đẹp đẽ, khéo léo cũng như sự xấu xí của loài người và cách chúng ta tương tác với thế giới vật chất – lịch sử loài người viết trong một bảng biểu gọn gàng và thanh lịch. Nó xứng đáng được nghiên cứu trên từng cấp độ: bắt đầu từ mức độ cơ bản nhất đến các mức độ phức tạp tăng dần. Ngoài tính giải trí, những câu chuyện về bảng tuần hoàn còn mang đến một cách hiểu không bao giờ xuất hiện trong sách giáo khoa hay hướng dẫn sử dụng của phòng thí nghiệm. Chúng ta ăn và thở với bảng tuần hoàn; người ta đánh cược rồi thua những khoản tiền lớn vào nó; các nhà triết học sử dụng nó để thăm dò ý nghĩa của khoa học; nó đầu độc con người; nó khởi nguồn chiến tranh. Bạn có thể tìm thấy bong bóng, bom, tiền, giả kim thuật, chính trị, lịch sử, độc dược, tội ác, tình yêu, thậm chí cả khoa học đang nằm giữa nguyên tử hydro trên cùng bên trái và những nguyên tố nhân tạo không tưởng ở phía dưới cùng. PHẦN I CÁCH ĐỌC: HÀNG NỐI HÀNG, CỘT TIẾP CỘT Chương 1 Vị trí định đoạt số mệnh Ấn tượng của hầu hết mọi người về bảng tuần hoàn là một bảng biểu được treo trên tường của lớp hóa thời trung học, một tập hợp bất đối xứng của các cột và hàng lấp ló qua vai thầy cô giáo. Biểu đồ thường rất lớn, ít nhất cũng cỡ 1,2 × 1,8 m – kích thước tuy đáng sợ nhưng lại xứng đáng với tầm quan trọng của nó trong hóa học. Nó được giới thiệu tại lớp học vào đầu tháng chín và vẫn được nhắc tới cho đến cuối tháng năm; và không như vở ghi bài hay sách giáo khoa, bạn được khuyến khích đem tài liệu khoa học này vào phòng thi. Đương nhiên, phần nào của sự ức chế mà các bạn cảm thấy khi nhớ về bảng tuần hoàn đến từ sự thật rằng dù được sử dụng tùy ý như một bộ phao thi khổng lồ hoàn toàn hợp lệ, nhưng thật ra nó không giúp ích được gì mấy. Một mặt, bảng tuần hoàn dường như được tổ chức dựa trên cách bố trí kiểu Đức: sắp xếp và tinh chỉnh để đạt được tiện ích khoa học lớn nhất. Mặt khác, khó mà không rối bời khi nó là mớ bòng bong của những con số dài ngoằng, từ viết tắt và những dòng như ([Xe]6s24f15d1), giống hệt thông báo máy tính bị lỗi trong mắt mọi người. Và dù bảng tuần hoàn hiển nhiên có liên quan đến các ngành khoa học khác như sinh học và vật lý, nhưng sự liên quan này lại không thực sự rõ ràng. Có lẽ nhiều sinh viên sẽ thấy ức chế tột độ khi thấy những người hiểu được bảng tuần hoàn và cơ chế hoạt động của nó có thể khai thác được vô số chân lý mà vẫn tỏ ra thờ ơ như vậy. Cũng giống sự khó chịu của người mù màu khi người có thị lực bình thường nhìn được những số bảy và số chín lẩn khuất giữa các chấm nhiều màu – những thông tin quan trọng mà không bao giờ tự hiển thị rõ ràng. Mọi người nhớ đến bảng tuần hoàn với cảm xúc yêu ghét lẫn lộn cùng cảm giác bất lực. Trước khi giới thiệu bảng tuần hoàn, giáo viên nên loại bỏ mọi ký tự lộn xộn để học sinh chỉ chú ý vào dạng trống trơn của nó. Bảng tuần hoàn trông như thế nào? Nó giống như một tòa lâu đài với bức tường chính không cân xứng như thể công tượng hoàng gia vẫn chưa xây xong mạn trái và ở hai đầu là các tháp canh nhô cao. Nó có mười tám cột lởm chởm và bảy hàng ngang, với một “đường băng” gồm hai hàng phụ ở bên dưới. Lâu đài được xây bằng “gạch” và điều kỳ lạ đầu tiên về nó là những viên gạch không thể đổi chỗ cho nhau. Mỗi viên gạch là một nguyên tố, hay một chất (bảng tuần hoàn có 112 nguyên tố đã được IUPAC công nhận và đặt tên chính thức vào thời điểm cuốn sách này được viết, ngoài ra còn vài nguyên tố khác đang “xếp hàng” chờ duyệt – BTV) và cả lâu đài sẽ sụp đổ nếu có bất kỳ viên gạch nào nằm sai vị trí. Nếu các nhà khoa học xác định được một nguyên tố phù hợp với một ô khác hoặc hai nguyên tố có thể hoán đổi cho nhau, tất cả sẽ sụp đổ. Nhận định này không hề ngoa chút nào. Một điều gây tò mò khác về mặt kiến trúc là mỗi khu vực của lâu đài được tạo thành từ một vật liệu khác nhau, nghĩa là không phải mọi viên gạch đều làm từ cùng một chất và tính chất của chúng cũng không giống nhau. Bảy mươi lăm phần trăm gạch là kim loại, tức hầu hết các nguyên tố là chất rắn lạnh, xám – ít nhất là ở nhiệt độ quen thuộc với con người. Vài cột ở phía đông là các nguyên tố khí. Chỉ có hai nguyên tố thủy ngân và brom là chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Giữa kim loại và khí (gần giống như vị trí của bang Kentucky trên bản đồ nước Mỹ) là nơi trú ngụ của một số nguyên tố khó-định nghĩa: bản chất vô định hình mang lại cho chúng những đặc tính thú vị, như khả năng tạo ra axit mạnh hơn hàng tỷ lần bất cứ thứ gì trong phòng cung cấp hóa chất. Nói chung, nếu xây bằng những viên gạch được làm từ chính nguyên tố mà nó đại diện, thì tòa lâu đài này sẽ trông giống như một con quái vật Chimera với cánh và đủ thứ đầu thừa đuôi thẹo từ các thời đại khác. Hoặc bạn cũng có thể hình dung nó như một cách trực quan hơn như tòa nhà kiểu Daniel Libeskin: một kiến trúc thanh nhã nhưng lại được xây từ những thứ vật liệu mà thoạt nhìn chẳng khác gì một mớ tạp nham. Nấn ná với bản vẽ của tòa lâu đài này là vì tọa độ của một nguyên tố sẽ quyết định hầu như tất cả tính chất khoa học kỳ thú của nó. Số phận mỗi nguyên tố được định đoạt bởi vị trí của nó. Chắc hẳn đến đây bạn đã có được cái nhìn sơ lược về bảng tuần hoàn. Vậy thì tôi sẽ dùng một ẩn dụ hữu ích hơn: nó như một bản đồ. Và để phác họa rõ thêm một chút, tôi sẽ vẽ bản đồ này từ đông sang tây, thảo luận chi tiết cả về các nguyên tố phổ biến lẫn đặc biệt. Đầu tiên, cột mười tám ở ngoài cùng bên phải là tập hợp các nguyên tố được gọi là khí quý (còn có tên khác là khí hiếm hay khí trơ – BTV). Quý là một từ cổ nghe có vẻ buồn cười, mang tính đạo đức hay triết học hơn là hóa học. Và thuật ngữ “khí quý” quả thật bắt nguồn từ Hy Lạp cổ đại, cái nôi của triết học phương Tây. Sau khi các nhà triết học Hy Lạp Leucippus và Democritus phát minh ra ý tưởng về nguyên tử, Plato đã đưa ra từ “nguyên tố” (stoicheia trong tiếng Hy Lạp) như thuật ngữ chung cho các hạt vật chất nhỏ. Sau cái chết của người thầy Socrates, Plato đã rời Athens để tự bảo vệ mình (khoảng năm 400 TCN) và lang thang viết về triết học trong nhiều năm (tất nhiên là ông không biết về khái niệm nguyên tố trong hóa học). Nhưng nếu biết, chắc chắn ông sẽ thích các nguyên tố ở rìa phía đông của bảng tuần hoàn, đặc biệt là heli. Đàm luận về tình ái trong tác phẩm The Symposium (Yến hội)1, Plato cho rằng mọi loài đều khao khát tìm thấy một nửa còn thiếu để hoàn thiện chính mình. Đối với con người, điều này ám chỉ đam mê, tình dục và tất cả những rắc rối đi kèm. Trong suốt các cuộc đàm luận ấy, Plato còn nhấn mạnh rằng những thứ trừu tượng và có bản chất bất biến thì cao quý hơn những thứ luôn kiếm tìm vật chất hữu hình xung quanh mình để tương tác với chúng. Điều này giải thích tại sao ông yêu thích hình học với các vòng tròn và hình khối được lý tưởng hóa mà chúng ta chỉ cảm nhận được bằng lý trí. Với các đối tượng phi toán học, Plato đã phát triển học thuyết về các “dạng”, trong đó ông cho rằng mọi vật đều là bóng của một hình thái lý tưởng (ideal type). Chẳng hạn: toàn bộ cây cối là bản sao không hoàn thiện của một cây lý tưởng có “tính cây” hoàn hảo mà chúng cố gắng vươn tới. Tương tự với cá và “tính cá”, thậm chí cả cốc và “tính cốc”. Plato tin rằng những dạng này thực sự tồn tại chứ không phải chỉ là lý thuyết, ngay cả khi chúng chỉ hiện diện trong một cõi xa xăm mà con người không nhận biết được. Hẳn ông cũng sẽ sửng sốt như ai nếu biết các nhà khoa học đã bắt đầu lập nên các dạng lý tưởng trên Trái Đất bằng heli. 1. Đã được Omega Plus xuất bản tại Việt Nam trong cuốn “Yến hội và Phaedrus” năm 2019 (BTV) Năm 1911, nhà khoa học Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes đã phát hiện ra rằng: khi làm lạnh thủy ngân xuống dưới -269°C bằng heli lỏng, thủy ngân sẽ mất toàn bộ điện trở và trở thành vật dẫn lý tưởng. Điều này giống như làm lạnh một chiếc iPod xuống tới âm hàng trăm độ và thấy pin mãi mãi đầy dù có nghe nhạc bao lâu và bật to thế nào đi nữa, miễn là còn heli giữ cho mạch lạnh. Năm 1937, một nhóm các nhà khoa học Nga-Canada đã thực hiện một thủ thuật còn thú vị hơn bằng heli tinh khiết. Khi được làm lạnh xuống -271°C, heli biến thành chất siêu lỏng: độ nhớt chính xác là bằng không và khả năng chống chảy cũng bằng không – một chất lỏng hoàn hảo. Heli siêu lỏng thách thức lực hấp dẫn, chảy ngược lên dốc và trên các bức tường. Đây quả là những phát hiện đáng kinh ngạc vào thời điểm đó. Các nhà khoa học thường né tránh và vờ coi đây là các hiệu ứng như ma sát bằng không, nhưng cũng chỉ để đơn giản hóa các tính toán. Ngay cả Plato hẳn cũng không ngờ được rằng sẽ có người thực sự tìm ra một trong những dạng lý tưởng của mình. Heli cũng là ví dụ điển hình nhất về “tính nguyên tố” – một chất không thể bị phá hủy hay thay đổi bằng các phương tiện hóa học thông thường. Phải mất 2.200 năm (từ Hy Lạp năm 400 TCN đến châu Âu năm 1800), giới khoa học mới thực sự hiểu được các nguyên tố, bởi hầu hết chúng quá dễ thay đổi. Thật khó để nhận ra điều gì đã khiến cacbon là cacbon khi nó xuất hiện trong hàng ngàn hợp chất, mà mỗi hợp chất đều có tính chất khác nhau. Ngày nay, chúng ta nói cacbon dioxit không phải là nguyên tố, vì phân tử này gồm cacbon và oxy. Nhưng cacbon và oxy là các nguyên tố vì bạn không thể phân chia chúng nhỏ hơn nữa mà không phá hủy chúng. Quay lại chủ đề trong Yến hội và học thuyết khao khát tình ái của Plato về nửa còn thiếu, ta thấy hầu hết nguyên tử của mọi nguyên tố đều tìm kiếm các nguyên tử khác để hình thành liên kết, nhằm che giấu bản chất thực của mình. Ngay cả các nguyên tố “tinh khiết” nhất cũng luôn xuất hiện dưới dạng phân tử trong tự nhiên, như phân tử oxy trong không khí (O2). Nếu biết về heli – vốn chỉ tồn tại dưới dạng tinh khiết*, chưa bao giờ phản ứng với chất khác – có lẽ các nhà khoa học đã hiểu về nguyên tố sớm hơn. Heli “hành xử” như vậy là có lý do của nó. Tất cả các nguyên tử đều chứa electron mang điện âm tại các lớp (hay mức năng lượng) khác nhau trong nguyên tử. Các mức năng lượng được lồng đồng tâm, và mỗi mức cần một lượng electron nhất định để tự lấp đầy và trở nên bền vững. Ở mức trong cùng, con số này là hai electron. Các mức năng lượng khác thường có tám electron. Các nguyên tố thường có số electron mang điện âm bằng số proton mang điện dương, nên chúng trung hòa về điện. Tuy nhiên, electron có thể được trao đổi tự do giữa các nguyên tử: khi nguyên tử bị mất hoặc nhận thêm electron, chúng tạo thành các nguyên tử tích điện gọi là ion. Điều quan trọng là nguyên tử tự lấp đầy hết cỡ các mức năng lượng thấp bên trong bằng electron của mình rồi mới phóng ra, chia sẻ hoặc đánh cắp electron để có đủ số ở mức ngoài cùng. Một số nguyên tố chọn cách hành xử lịch thiệp là chia sẻ hoặc trao đổi electron, còn số khác lại hành xử cực kỳ lỗ mãng. Một nửa kiến thức hóa học có thể gói gọn trong một câu: các nguyên tử chưa có đủ electron ở mức năng lượng ngoài cùng sẽ đấu đá, trao đổi, cầu xin, thiết lập và phá vỡ liên minh hoặc bất cứ điều gì để có đủ số electron cần thiết. Heli – nguyên tố thứ hai – có vừa đủ số electron cần thiết để lấp đầy mức năng lượng duy nhất của chính nó. Cấu hình “đóng” này cung cấp sự độc lập rất lớn cho heli, bởi nó không cần tương tác với các nguyên tử khác, chia sẻ hoặc đánh cắp electron để đạt cấu hình bền. Heli đã tìm thấy một nửa ái tình còn thiếu trong chính nó. Hơn nữa, cấu hình tương tự xuất hiện ở toàn bộ cột thứ mười tám bên dưới heli: neon, agon, krypton, xenon và radon. Tất cả đều có cấu hình đóng kín lấp đầy electron, nên không nguyên tố nào phản ứng với bất cứ chất gì ở điều kiện thường. Vì lý do này mà trước năm 1895 không ai phân lập được một loại khí nào từ cột mười tám, bất chấp mọi nỗ lực nhằm định danh và gắn nhãn các nguyên tố trong thế kỷ 19 (bao gồm cả sự phát triển của bảng tuần hoàn). Sự “kiêu kỳ” theo quan điểm thường nhật này hẳn sẽ thu hút Plato, cũng giống như những hình cầu và tam giác lý tưởng của ông vậy. Do đó, các nhà khoa học phát hiện ra heli và anh em của nó trên Trái Đất đã nghĩ đến cái tên “khí quý”1. Hay theo cách nói của Plato là “Những người ưa hoàn mỹ bất biến và khinh ghét sự hủ bại hèn mọn sẽ sủng ái khí quý hơn những nguyên tố khác. Chúng không bao giờ thay đổi, dao động hay chiều lòng các nguyên tố khác như những kẻ bình dân bán thứ hàng hóa rẻ tiền ngoài chợ. Đó là những nguyên tố ‘liêm khiết’ và lý tưởng.” 1. Từ đây trở đi sẽ dùng từ “khí trơ”. (BTV) Tuy nhiên, trạng thái bất hoạt hóa học như khí trơ là rất hiếm. Liền sát bên trái của cột này là cột chứa nhiều khí hoạt động hóa học mạnh nhất trong bảng tuần hoàn: các halogen. Và nếu bạn cuộn bảng tuần hoàn lại như phép chiếu bản đồ Mercator2 để cột mười tám gặp cột một, đông gặp tây thì rìa phía tây thậm chí còn xuất hiện các nguyên tố hoạt động hóa học mạnh hơn nữa: các kim loại kiềm. Khí trơ ôn hòa giống như một khu vực phi quân sự lọt thỏm giữa các nước láng giềng đầy bất ổn. 2. Được đặt theo tên Gerardus Mercator (5/3/1512 - 2/12/1594) là nhà vẽ bản đồ, nhà địa lý học người Vlaanderen (nay thuộc Bỉ). Ông có công lớn trong vẽ nên tấm bản đồ đầu tiên sử dụng phép chiếu mang tên mình. (BTV) Mặc dù cũng là kim loại nhưng thay vì bị gỉ sét hoặc ăn mòn, kim loại kiềm lại có thể tự bốc cháy trong không khí hoặc nước. Chúng cũng tạo thành mối quan hệ cộng sinh với halogen. Các halogen có bảy electron ở lớp ngoài cùng, thiếu một electron để tạo thành cấu hình bát tử bền vững; còn kim loại kiềm có một electron ở lớp ngoài cùng và lớp dưới đã có đủ electron. Vì vậy, việc kim loại kiềm chia sẻ electron dư với halogen để tạo ra ion dương và âm rồi hình thành các liên kết mạnh là điều hoàn toàn dễ hiểu. Kiểu liên kết này luôn xảy ra nên electron là phần quan trọng nhất của nguyên tử. Chúng chiếm hầu hết không gian của nguyên tử, giống như đám mây xoáy quanh một lõi đặc (là hạt nhân nguyên tử). Dù các thành phần của hạt nhân – proton và neutron – lớn hơn các electron riêng lẻ rất nhiều, nhưng điều này vẫn đúng. Nếu nguyên tử được phóng to bằng một sân vận động, hạt nhân giàu proton sẽ là một quả bóng tennis ở vạch giữa sân. Các electron sẽ là những hạt rất nhỏ bay cực nhanh quanh nó, chúng sẽ va vào bạn rất nhiều lần mỗi giây đến mức bạn không tài nào vào trong sân được – giống như một bức tường vững chắc vậy. Cho nên hạt nhân khuất sâu bên trong không tham gia vào sự tương tác giữa các nguyên tử; chỉ các electron mới đóng vai trò quan trọng.* Cảnh báo ngắn: đừng quá gắn electron với hình ảnh những hạt nhỏ rời rạc quay quanh một lõi rắn. Hoặc theo ẩn dụ quen thuộc hơn là coi electron như các hành tinh quay quanh mặt trời hạt nhân. Tuy dễ hiểu nhưng cũng như bất kỳ phép so sánh nào, mô hình hành tinh này rất dễ đi quá xa, như một số nhà khoa học nổi tiếng đã chán nản nhận thấy. Liên kết ion giải thích tại sao sự kết hợp giữa halogen và kim loại kiềm (như natri clorua – muối ăn) lại phổ biến. Tương tự, các nguyên tố từ cột dư hai electron (như canxi) và các nguyên tố từ cột thiếu hai electron (như oxy) thường tự liên kết với nhau. Đó là cách dễ nhất để chúng tự đáp ứng nhu cầu của nhau. Các nguyên tố ở những cột không thuận nghịch cũng liên kết theo cách tương tự. Hai ion natri (Na+) kết hợp với một oxy (O-2) để tạo thành natri oxit (Na2O). Sự hình thành của canxi clorua (CaCl2) cũng vậy. Nhìn chung, bạn có thể nắm được cách các nguyên tố kết hợp với nhau chỉ bằng một cái liếc mắt: hãy lưu ý số cột và tìm ra điện tích của chúng. Mô thức này hoàn toàn nằm ngoài tính đối xứng trái-phải đẹp mắt của bảng tuần hoàn. Tiếc thay, không phải mọi nguyên tố trong bảng tuần hoàn đều gọn gàng và dễ hiểu như vậy. Nhưng chính sự mất trật tự của một số nguyên tố lại khiến chúng trở thành điểm đến thú vị. Có câu chuyện vui rằng: vào buổi sáng nọ, một trợ lý phòng thí nghiệm đã lao vào văn phòng của nhà khoa học với vẻ vui sướng tột độ, bất chấp một đêm làm việc không nghỉ. Người trợ lý cầm một chai đựng chất lỏng màu xanh lá cây đang kêu xèo xèo và thốt lên rằng mình đã phát hiện ra một dung môi vạn năng. Nhà khoa học hồ hởi nhìn cái chai và hỏi: “Dung môi vạn năng là gì vậy?”. Người trợ lý vồn vã đáp: “Là một axit có khả năng hòa tan mọi thứ”. Sau khi cân nhắc tin tức gây chấn động này – một axit vạn năng không những là phép màu khoa học, mà còn có thể giúp cả hai trở thành tỷ phú – nhà khoa học tiếp lời: “Vậy làm sao anh giữ được nó trong chai thủy tinh?”. Đây là một “đòn nốc ao” thực sự, và hẳn không khó hình dung Gilbert Lewis đang mỉm cười đầy chua chát. Các electron điều khiển bảng tuần hoàn, và không ai dành nhiều thời gian cùng công sức để làm sáng tỏ hành vi và cách hình thành liên kết của chúng trong nguyên tử hơn Lewis. Nghiên cứu về electron của ông thể hiện đặc biệt rõ trong axit và bazơ, nên ông hẳn sẽ trân trọng tuyên bố có phần vô lý của người trợ lý. Cá nhân hơn, câu chốt này có lẽ đã nhắc nhở Lewis rằng vinh quang khoa học phù du đến mức nào. Lewis là người nay đây mai đó. Ông lớn lên ở Nebraska, học đại học và sau đại học ở Massachusetts vào khoảng đầu năm 1900 rồi nghiên cứu tại Đức trong nhóm của nhà hóa học Walther Nernst. Thời gian làm việc dưới quyền Nernst thực sự quá tệ hại – cả về mặt khách quan và chủ quan – nên chỉ sau vài tháng Lewis đã quay lại Massachusetts giảng dạy. Vì cũng không hài lòng với công việc này, nên ông lại sang Philippines (bấy giờ vừa mới trở thành thuộc địa của Mỹ) để làm việc cho chính phủ Mỹ. Lewis chỉ mang theo người một cuốn sách duy nhất là Theoretical Chemistry (Hóa học Lý thuyết) của Nernst, chuyên tâm đào xới suốt nhiều năm rồi viết một loạt bài báo về mọi lỗi vặt vãnh trong đó.* Cuối cùng, Lewis nhớ nhà và quay về Đại học California ở Berkeley. Trong hơn bốn mươi năm ở đó, ông đã xây dựng Trường hóa học Berkeley thành nơi hàng đầu thế giới. Tưởng như đây đã là kết thúc có hậu cho Lewis, nhưng không. Đặc biệt nhất, Lewis có lẽ là nhà khoa học giỏi nhất chưa từng nhận được giải Nobel và bản thân ông biết rõ điều đó. Chưa có ai từng nhận được nhiều đề cử hơn ông, nhưng tham vọng lộ liễu và hàng loạt tranh chấp của Lewis trên toàn thế giới đã khiến ông không có đủ phiếu bầu. Lewis sớm từ chức (hoặc bị buộc phải làm vậy) khỏi các vị trí uy tín để phản đối và trở thành một ẩn sĩ cay đắng. Ngoài lý do cá nhân, Lewis không đoạt được giải Nobel là vì các lĩnh vực nghiên cứu của ông chỉ rộng nhưng chưa đủ sâu. Ông chưa từng phát hiện ra điều gì đáng kinh ngạc đến mức bạn có thể chỉ vào và thốt lên “Ồ!”. Ông dành cả đời để tinh chỉnh cách thức các electron trong nguyên tử hoạt động tại nhiều cấu hình, đặc biệt là ở các phân tử axit và bazơ. Về cơ bản, bất cứ khi nào các nguyên tử trao đổi electron để phá vỡ hoặc hình thành liên kết mới, các nhà hóa học nói rằng chúng đã “phản ứng”. Các phản ứng axit-bazơ là ví dụ rõ ràng và thường là mãnh liệt nhất về sự trao đổi electron, và công trình nghiên cứu của Lewis về axit và bazơ đã chỉ ra bản chất của trao đổi electron ở mức độ siêu hiển vi rõ ràng hơn ai hết. Khoảng trước năm 1890, các nhà khoa học nếm hoặc nhúng ngón tay vào axit và bazơ để phân biệt chúng, dù đây không hẳn là phương pháp an toàn hay đáng tin cậy nhất. Sau vài thập kỷ, các nhà khoa học nhận ra rằng bản chất của axit là chất tặng proton. Nhiều axit chứa hydro – nguyên tố chỉ gồm một electron quay quanh một proton (vì hạt nhân hydro chỉ có thế). Khi một axit như axit clohydric (HCl) hòa vào nước, nó sẽ phân ly thành H+ và Cl−. Sau khi nguyên tử hydro tách đi một electron âm, nó sẽ chỉ còn lại một proton H+ và proton này sẽ tự tìm liên kết mới. Các axit yếu như giấm1 chỉ phân ly được vài proton, còn các axit mạnh như axit sunfuric sẽ khiến dung dịch tràn ngập proton. 1. Axit axetic CH3COOH khi pha vào nước ở nồng độ loãng (dưới 5%) được sử dụng làm giấm ăn. (BTV) Lewis cho rằng định nghĩa axit theo cách này đã hạn chế các nhà khoa học quá nhiều, vì một số chất vẫn có tính axit dù không hề chứa hydro. Vì vậy, Lewis đã thay đổi mô hình. Thay vì nói H+ phân ly, ông nhấn mạnh rằng Cl− bỏ trốn với electron của H+. Axit là một tên trộm electron, thay vì chất tặng proton. Ngược lại, các bazơ (chất đối lập của axit) như thuốc tẩy hoặc dung dịch kiềm có thể được gọi là chất tặng electron. Định nghĩa này không chỉ khái quát hơn mà còn nhấn mạnh đến hành vi của electron, phù hợp hơn với quan điểm hóa học-phụ thuộc-electron của bảng tuần hoàn. Tuy Lewis đã đưa ra lý thuyết này từ những năm 1920 và 1930, giới khoa học hiện nay vẫn đang dựa vào đó để không ngừng tạo ra axit mạnh hơn. Độ mạnh của axit được đo bằng thang pH: chỉ số pH càng thấp thì axit càng mạnh. Năm 2005, một nhà hóa học từ New Zealand đã phát minh ra một loại axit chứa bo là cacboran với pH là -18. Để dễ hình dung, nước có pH là 7 và HCl đậm đặc trong dạ dày chúng ta có pH là 1. Theo cách tính bất thường của thang đo pH, giảm một đơn vị (ví dụ: từ 4 xuống 3) lại làm độ mạnh của axit tăng gấp mười lần. Vì vậy, theo thang này, cacboran (pH là -18) mạnh hơn mười tỷ tỷ lần HCl trong dạ dày (pH là 1). Nếu quy đổi con số này thành số lượng nguyên tử, thì ta có thể xếp chồng chúng lên nhau để chạm tới Mặt Trăng. Thậm chí vẫn còn axit chứa antimon mạnh hơn nữa. Antimon có lẽ là nguyên tố có lịch sử đa sắc màu nhất trên bảng tuần hoàn.* Nebuchadnezzar – nhà vua xây dựng Vườn treo Babylon vào thế kỷ 6 TCN – đã dùng hỗn hợp chì pha antimon độc hại để sơn vàng các bức tường cung điện. Có lẽ không phải ngẫu nhiên mà ông ta đã phát điên, ngủ ngoài cánh đồng và ăn cỏ như bò. Cũng cùng thời đó, phụ nữ Ai Cập đã dùng một loại chất chứa antimon khác làm mascara: vừa để trang điểm, vừa ban cho bản thân sức mạnh pháp thuật để nguyền rủa kẻ thù. Sau đó, giới tăng lữ thời Trung đại (và cả Isaac Newton) bị ám ảnh bởi các đặc tính liên quan tới tình dục của antimon và quyết định chất nửa kim loại nửa phi kim này là chất lưỡng tính (không hoàn toàn là thứ này hay thứ kia). Antimon cũng được dùng làm thuốc nhuận tràng. Không giống viên thuốc ngày nay, những viên thuốc antimon này rắn và không tan trong ruột. Chúng quý giá đến nỗi nhiều người bới cả phân để lấy và tái sử dụng chúng. Một số gia đình may mắn thậm chí còn truyền lại thuốc nhuận tràng của cha cho con trai. Hẳn vì lý do này mà antimon được sử dụng rộng rãi để làm thuốc, dù thực tế nó rất độc. Mozart có lẽ đã qua đời vì dùng quá liều để chống lại một cơn sốt nặng. Các nhà khoa học cuối cùng cũng tìm ra cách sử dụng antimon tốt hơn. Đến thập niên 1970, họ nhận ra rằng khả năng mang các nguyên tố háo electron giúp antimon trở thành ứng viên tuyệt vời để tạo ra các axit tùy chỉnh. Kết quả cũng đáng kinh ngạc hệt như heli siêu lỏng vậy. Trộn antimon pentaflorua (SbF5) với axit flohydric (HF) sẽ tạo ra một chất có độ pH là -31. Siêu axit này mạnh hơn 100.000 tỷ tỷ tỷ lần HCl trong dạ dày và và có thể ăn xuyên qua thủy tinh dễ như nước thấm qua giấy. Bạn không thể cầm chai đựng axit này trên tay bởi axit sẽ hòa tan luôn cả bàn tay đó sau khi “ngấu nghiến” xong cái chai. Để trả lời câu hỏi của Lewis trong câu chuyện vui kể trên, axit này được đựng trong thùng chứa đặc biệt tráng teflon. Nhưng thành thật mà nói, gọi hỗn hợp trên là axit mạnh nhất thế giới thì có phần gian dối. Bản thân SbF5 (một chất nhận electron) và HF (một chất tặng proton) đều đã là axit. Hơn thế nữa, hai axit trên chỉ có thể tạo thành siêu axit sau khi bạn trộn chúng vào nhau để tăng cường độ mạnh. Chúng chỉ mạnh nhất trong những điều kiện cố định. Thực tế, axit đơn mạnh nhất vẫn là cacboran chứa bo (HCB11Cl11). Đây là axit thú vị nhất: nó là axit mạnh nhất và cũng yếu nhất thế giới. Để lý giải điều này, bạn hãy nhớ rằng các axit đều có phần mang điện dương và phần mang điện âm. Trong trường hợp cacboran là H+ và một cấu trúc lồng phức tạp tạo bởi các nguyên tố còn lại (CB11Cl11 ). Với hầu hết axit, phần mang điện âm mới ăn mòn, ăn da và thẩm thấu qua da. Nhưng cấu trúc lồng bo lại là một trong những cấu hình phân tử bền nhất từng được phát minh. Các nguyên tử bo chia sẻ electron hào phóng đến mức nó thực sự đạt được cấu hình của heli và không cần cướp electron từ nguyên tử khác nữa (vốn là nguyên nhân gây ăn mòn thường gặp của axit). Vậy ngoài hòa tan thủy tinh hay ăn mòn két sắt thì cacboran có ứng dụng gì? Hai trong số đó là tăng chỉ số octan trong xăng và giúp tiêu hóa vitamin. Một ứng dụng quan trọng hơn của cacboran là làm “nôi” hóa chất. Nhiều phản ứng hóa học liên quan đến proton xảy ra không hoàn toàn và đảo chiều nhanh chóng. Chúng đòi hỏi nhiều bước, và các proton được hấp thụ và tách ra trong một phần triệu tỷ giây – quá nhanh để các nhà khoa học biết được chuyện gì đã thực sự xảy ra. Vì cacboran rất bền và trơ về mặt hóa học nên sẽ làm dung dịch tràn ngập proton, rồi đóng băng các phân tử tại các điểm trung gian quan trọng. Cacboran giữ các phân tử trung gian được an toàn trên một chiếc gối mềm. Ngược lại, các siêu axit antimon tạo ra những cái nôi tệ hại, bởi chúng phá hủy các phân tử mà giới khoa học muốn xem xét nhất. Lewis hẳn sẽ rất thích thú nếu thấy được điều này cùng các ứng dụng khác trong công trình về electron và axit của mình, và những năm tháng đen tối cuối đời ông sẽ trở nên tươi sáng hơn. Dù đã phục vụ chính phủ Mỹ trong Thế Chiến I và có những đóng góp quý giá cho hóa học mãi tới ngoài sáu mươi tuổi, ông vẫn không được mời tham gia Dự án Manhattan trong Thế Chiến II. Điều này khiến Lewis khó chịu, vì nhiều nhà hóa học mà ông tuyển dụng tại Berkeley đã đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo trái bom nguyên tử đầu tiên và trở thành người hùng dân tộc. Ông thì ngược lại: làm mấy chuyện vặt vãnh trong thời chiến, rồi hồi tưởng và viết một cuốn tiểu thuyết hư cấu giật gân về một người lính. Ông qua đời trong cô độc tại phòng thí nghiệm vào năm 1946. Phần đông cho rằng Lewis qua đời sau một cơn đau tim vì hút hơn hai mươi điếu xì gà mỗi ngày trong suốt bốn mươi mấy năm ròng. Nhưng khó mà bỏ qua mùi hạnh nhân đắng – một dấu hiệu của khí xyanua – trong phòng thí nghiệm vào buổi chiều ông qua đời. Lewis sử dụng xyanua để nghiên cứu, và có thể đã làm rơi một hộp đựng chất này khi lên cơn đau tim. Ngoài ra, trước đó Lewis đã ăn trưa – bữa ăn mà lúc đầu ông từ chối tham dự – cùng một nhà hóa học đối thủ trẻ hơn, có sức hút hơn, đã đoạt giải Nobel và là cố vấn đặc biệt cho Dự án Manhattan. Một số người cho rằng chính cuộc gặp gỡ với người đồng nghiệp thành công ấy đã khiến Lewis quẫn trí. Nếu thật vậy, thì tài năng hóa học vừa mang đến điềm may và vừa mang lại vận rủi cho ông. Ngoài các kim loại hoạt động hóa học mạnh ở bờ phía tây cùng các halogen, khí trơ ở bờ phía đông, bảng tuần hoàn còn có một “đại bình nguyên” ở chính giữa, trải dài từ cột thứ ba đến cột thứ mười hai: các kim loại chuyển tiếp. Thành thật mà nói, kim loại chuyển tiếp có tính chất hóa học rất khó chịu, khó mà khái quát bất cứ điều gì về chúng, trừ việc bạn phải cẩn thận. Cách lưu trữ electron của các nguyên tử kim loại chuyển tiếp linh hoạt hơn các nguyên tử nhẹ hơn chúng. Giống như nguyên tử khác, chúng có nhiều mức năng lượng (được gọi là mức một, hai, ba…): mức năng lượng thấp được chôn dưới các mức cao hơn. Và chúng cũng chiến đấu với nguyên tử khác để mức năng lượng ngoài cùng được lấp đầy tám electron. Tuy nhiên, cách xác định mức năng lượng ngoài cùng của kim loại chuyển tiếp lại khá rắc rối. Khi di chuyển theo chiều ngang của bảng tuần hoàn, mỗi nguyên tố nhiều hơn hàng xóm bên trái của nó một electron. Natri (nguyên tố thứ 11) thường có mười một electron; magie (nguyên tố thứ 12) có mười hai electron... Khi kích thước nguyên tử của các nguyên tố lớn dần, chúng không chỉ sắp xếp electron thành các mức năng lượng, mà còn lưu trữ electron trong các không gian có hình dạng khác nhau được gọi là “phân lớp”. Nhưng với bản chất khô khan và cứng nhắc, các nguyên tử lại lấp đầy các phân lớp và mức năng lượng theo cùng thứ tự khi ta đi ngang qua bảng tuần hoàn. Các nguyên tố ở ngoài cùng bên trái của bảng tuần hoàn sắp xếp electron đầu tiên vào phân lớp s có hình cầu. Phân lớp này có kích thước nhỏ và chỉ chứa hai electron, nên ta có hai cột cao hơn ở bên trái. Sau hai electron đầu tiên này, nguyên tử tìm kiếm một nơi rộng rãi hơn. Nhảy tới phía bên kia của khoảng trống trên bảng, những nguyên tố trong các cột bên phải bắt đầu gói từng electron mới vào phân lớp p (trông như lá phổi bị biến dạng). Các phân lớp p có thể chứa sáu electron, nên ta có sáu cột cao hơn ở bên phải. Cần lưu ý rằng tại hàng ngang thứ hai và ba (tính từ trên xuống của bảng tuần hoàn), hai electron ở phân lớp s cộng với sáu electron ở phân lớp p tạo thành tám electron – chính là số lượng electron mà hầu hết các nguyên tử muốn có ở lớp ngoài cùng. Ngoài các khí trơ đã tự lấp đầy, mọi electron ở lớp ngoài cùng của các nguyên tử nguyên tố này luôn sẵn sàng gia nhập hoặc phản ứng với nguyên tử khác. Các nguyên tố này hoạt động khá logic: hành vi của nguyên tử sẽ thay đổi khi có thêm electron, vì nó có nhiều electron hơn để tham gia phản ứng. Giờ hãy bàn đến phần khó chịu. Kim loại chuyển tiếp xuất hiện trong các cột từ ba đến mười hai của hàng thứ tư đến thứ bảy, và chúng bắt đầu tập hợp electron vào phân lớp d (trông chẳng khác gì quả bóng bay hình động vật bị biến dạng) chứa 10 electron. Tương tự cách sắp xếp electron của các nguyên tố trước, bạn hẳn sẽ trông đợi kim loại chuyển tiếp đặt electron thừa ở phân lớp d ra ngoài cùng để chúng sẵn sàng tham gia phản ứng. Nhưng không, kim loại chuyển tiếp giữ lại các electron thừa và thích giấu chúng dưới các lớp khác hơn. Quyết định vi phạm quy ước khi chôn giấu các electron phân lớp d ở dưới các lớp khác của kim loại chuyển tiếp có vẻ vô lý và trái khoáy – Plato hẳn sẽ không thích điều này. Nhưng đó là cách thiên nhiên hành xử và ta chẳng thể làm gì khác. Hiểu được quá trình này đáng được tưởng thưởng. Thông thường, khi di chuyển từ trái sang phải trên mỗi hàng ngang của bảng tuần hoàn, các kim loại chuyển tiếp sẽ thay đổi hành vi khi có thêm một electron (cũng giống như những nguyên tố thuộc các phần khác của bảng vậy). Nhưng vì kim loại chuyển tiếp chôn electron phân lớp d trong không gian giống như đáy giả của ngăn kéo nên những electron này bị che khuất. Các nguyên tử cố gắng phản ứng với kim loại chuyển tiếp không đến được với những electron đó, nên kết quả là nhiều kim loại chuyển tiếp cùng hàng có cùng số electron ở lớp ngoài cùng. Vì thế, chúng hoạt động hóa học theo cùng một cách. Đó là lý do tại sao – về mặt khoa học mà nói – nhiều kim loại chuyển tiếp có bề ngoài (và chúng cũng hoạt động hóa học) hoàn toàn giống nhau. Đó đều là những cục xám, lạnh vì các electron lớp ngoài cùng không cho chúng lựa chọn nào khác. (Tất nhiên đôi khi các electron bị chôn vùi sẽ nổi lên và phản ứng, nhưng chỉ để tung hỏa mù. Điều này gây ra khác biệt nhỏ giữa một số kim loại chuyển tiếp, và giải thích vì sao tính chất hóa học của chúng lại khó chịu đến vậy.) Các nguyên tố thuộc phân lớp f cũng chẳng hề kém cạnh. Phân lớp f bắt đầu xuất hiện ở hàng đầu tiên trong số hai hàng lơ lửng ở dưới cùng của bảng tuần hoàn: nhóm lantan. (Còn được gọi là đất hiếm, và với số hiệu nguyên tử từ 57 đến 71 thì thực ra chúng thuộc hàng thứ sáu. Chúng bị xếp xuống đáy để giúp bảng tuần hoàn gọn gàng và dễ dùng hơn.) Nguyên tố họ lantan thường chôn electron mới sâu hơn hai mức, tức là còn sâu hơn cả kim loại chuyển tiếp. Nghĩa là chúng thậm chí còn giống nhau hơn so với các kim loại chuyển tiếp, và hầu như không thể phân biệt được. Di chuyển dọc hàng này cũng như lái xe từ Nebraska đến Nam Dakota mà không hề nhận ra bạn đã vượt qua ranh giới bang. Tìm được một mẫu nguyên tố họ lantan tinh khiết trong tự nhiên là điều không thể vì nó luôn lẫn với các nguyên tố anh em của mình. Trường hợp nổi tiếng là một nhà hóa học ở New Hampshire cố gắng phân lập tuli, nguyên tố thứ 69. Ông bắt đầu với những khối quặng giàu tuli khổng lồ, liên tục xử lý quặng bằng hóa chất và đun sôi. Quá trình này chỉ tinh chế được một phần nhỏ tuli mỗi lần. Việc tinh chế mất rất nhiều thời gian, đến nỗi lúc đầu ông chỉ thực hiện được một tới hai chu trình mỗi ngày. Nhưng ông vẫn lặp lại quá trình tẻ nhạt này 15.000 lần bằng tay không và tinh lọc từ hàng trăm kilogram quặng xuống chỉ còn vài gram, đến khi đạt được độ tinh khiết vừa ý. Cho dù vậy, vẫn còn một chút tạp chất từ các nguyên tố họ lantan khác vì những electron phân lớp f bị chôn vùi quá sâu, không phương pháp hóa học nào có thể tách chúng ra khỏi nhau được. Hành vi của electron điều khiển bảng tuần hoàn. Nhưng để thực sự hiểu các nguyên tố, bạn không thể bỏ qua phần chiếm tới hơn 99% khối lượng của chúng: hạt nhân. Trong khi electron tuân theo các định luật của nhà khoa học vĩ đại nhất nhưng chưa từng đoạt giải Nobel, thì hạt nhân lại tuân theo mệnh lệnh của người khó tin được là sẽ đoạt giải Nobel nhất từ trước đến nay. Sự nghiệp của người phụ nữ này còn long đong hơn cả Lewis. Maria Goeppert sinh năm 1906 tại Đức. Mặc dù cha ruột là giáo sư đời thứ sáu của gia đình, Maria vẫn gặp phải khó khăn khi xin theo học một chương trình tiến sĩ vì là nữ. Vì thế, bà chỉ còn cách đi nghe giảng ở nhiều trường khác nhau bất cứ đâu có thể. Sau khi bảo vệ luận án trước các giáo sư mà mình chưa từng gặp, bà cuối cùng cũng lấy được bằng tiến sĩ tại Đại học Hannover. Không có gì ngạc nhiên khi không trường đại học nào tuyển Maria sau khi tốt nghiệp, đơn giản vì bà không có lời giới thiệu hay mối quan hệ nào cả. Bà chỉ có thể thầm lặng tham gia vào khoa học qua chồng mình là Joseph Mayer, giáo sư hóa học người Mỹ đến Đức làm việc. Năm 1930, bà trở lại Baltimore cùng chồng và dùng tên mới là Goeppert Mayer, cùng Mayer làm việc và tham gia hội thảo. Không may là Mayer mất việc nhiều lần trong Đại Khủng hoảng, và gia đình bà phải chuyển tới nhiều trường đại học ở New York rồi tới Chicago. Hầu hết các trường chấp nhận sự có mặt của Goeppert-Mayer trong những buổi thảo luận khoa học. Một số nơi thậm chí đã chiếu cố giao việc cho bà nhưng từ chối trả lương. Bà được giao những công việc đặc trưng cho phái nữ, như tìm hiểu nguyên nhân tạo nên màu sắc. Sau khi Đại Khủng hoảng qua đi, hàng trăm đồng nghiệp của bà đã tập trung cho Dự án Manhattan – được coi là dự án khoa học quan trọng nhất từ trước đến nay. Goeppert-Mayer cũng được mời tham gia nhưng chỉ là một dự án phụ vô dụng nhằm tách urani bằng đèn nháy. Dù chắc chắn có bực bội trong lòng, nhưng bà khao khát làm khoa học đến mức sẵn sàng tiếp tục làm việc trong điều kiện như vậy. Sau Thế Chiến II, Đại học Chicago cuối cùng đã nghiêm túc thừa nhận và bổ nhiệm Goeppert-Mayer làm giáo sư vật lý. Dù đã có văn phòng riêng nhưng bà vẫn không được trả lương. Tuy nhiên, việc bổ nhiệm này vẫn khiến bà mạnh dạn bắt đầu việc nghiên cứu hạt nhân – cốt lõi và bản chất của nguyên tử – từ năm 1948. Số lượng proton tích điện dương (số hiệu nguyên tử) trong hạt nhân quyết định tính chất của nguyên tử. Nói cách khác, nếu một nguyên tử nhận thêm hoặc mất đi proton thì nó sẽ trở thành nguyên tử của nguyên tố khác. Nguyên tử cũng không thường mất neutron, nhưng các nguyên tử của cùng một nguyên tố có thể có số neutron khác nhau: chúng được gọi là “đồng vị”. Đồng vị Pb-204 và Pb-206 có số hiệu nguyên tử giống nhau (82) nhưng lượng neutron khác nhau (122 và 124). Số hiệu nguyên tử cộng với số neutron tạo thành nguyên tử khối. Các nhà khoa học phải mất nhiều năm để tìm ra mối quan hệ giữa số hiệu nguyên tử và nguyên tử khối; bù lại, khi tìm được thì bảng tuần hoàn rõ ràng hơn rất nhiều. Những điều này tất nhiên Goeppert-Mayer đều biết, nhưng các nghiên cứu của bà đã chạm đến một lĩnh vực bí ẩn khó nắm bắt hơn, một vấn đề tưởng chừng đơn giản. Hydro (nguyên tố đơn giản nhất) là nguyên tố dồi dào nhất vũ trụ. Heli (nguyên tố đơn giản thứ hai) cũng nhiều thứ hai. Trong một vũ trụ ngăn nắp gọn gàng, liti (nguyên tố đơn giản thứ ba) hẳn sẽ nhiều thứ ba, và cứ tiếp tục như thế. Nhưng vũ trụ của chúng ta lại không đơn giản như vậy. Nguyên tố phổ biến thứ ba lại là oxy ở vị trí số tám. Nhưng tại sao? Các nhà khoa học có thể trả lời rằng oxy có hạt nhân rất bền, nên nó không tan rã hay “phân rã”. Nhưng câu hỏi lại quay về chỗ cũ: tại sao một số nguyên tố như oxy lại có hạt nhân nguyên tử bền tới vậy? Không như hầu hết đồng nghiệp đương thời, Goeppert-Mayer đã nhìn ra điểm tương đồng trong tính bền đáng kinh ngạc của các loại khí trơ. Bà cho rằng các proton và neutron cũng nằm tại các lớp trong hạt nhân (tương tự electron), và nguyên tử sẽ bền khi các lớp trong hạt nhân được lấp đầy. Với người ngoại đạo, điều này dường như hợp lý, một sự tương đồng hoàn hảo. Nhưng giải Nobel không dành cho những phỏng đoán, mà đặc biệt là từ nữ giáo sư không được trả lương. Hơn nữa, ý tưởng này đã đụng chạm tới các nhà khoa học hạt nhân vì phản ứng hạt nhân vốn độc lập với phản ứng hóa học. Chẳng có lý do gì để neutron và proton đáng tin cậy, thích sống trong nhà lại hành xử giống electron nhỏ bé, thất thường, sẵn sàng bỏ nhà ra đi để sà vào vòng tay của những hàng xóm hấp dẫn. Và đúng là proton và neutron thường không như vậy. Nhưng Goeppert-Mayer vẫn một mực theo đuổi linh cảm của mình. Bằng cách chắp nối một số thí nghiệm không liên quan lại với nhau, bà chứng minh được hạt nhân thực sự có chia thành lớp và tạo thành thứ được gọi là hạt nhân kỳ diệu. Vì những lý do toán học phức tạp, hạt nhân kỳ diệu không tái xuất hiện định kỳ như các tính chất của nguyên tố. Sự kỳ diệu xảy ra ở nguyên tố thứ 2; 8; 20; 28; 50; 82... Ở những nguyên tố đó, công trình của Goeppert-Mayer đã chứng minh proton và neutron tự sắp xếp thành những quả cầu có tính đối xứng cao rất bền. Cần lưu ý rằng oxy có tám proton và tám neutron nên nó còn kỳ diệu gấp đôi, nhờ đó bền vĩnh viễn. Điều này giải thích sự dồi dào quá mức của nó. Mô hình này cũng giải thích tại sao những nguyên tố như canxi (nguyên tố thứ 20) lại nhiều tới như vậy, và không phải vô tình mà cơ thể người lại sử dụng những nguyên tố này. Lý thuyết của Goeppert-Mayer gợi cho ta nhớ về ý niệm của Plato rằng các dạng đẹp đẽ thì hoàn hảo hơn. Và mô hình hạt nhân hình cầu kỳ diệu của bà đã trở thành dạng để đánh giá mọi hạt nhân khác. Ngược lại, các nguyên tố nằm giữa hai số kỳ diệu kém phong phú hơn vì chúng tạo thành hạt nhân thuôn dài xấu xí. Giới khoa học còn phát hiện ra các dạng khuyết thiếu neutron của honmi (nguyên tố thứ 67) sinh ra “hạt nhân hình bóng bầu dục” biến dạng, lắc lư. Từ mô hình của Goeppert-Mayer (hay khi xem một cầu thủ vụng về), bạn có thể đoán rằng “quả bóng” honmi không bền. Và không như nguyên tử có lớp electron mất cân bằng, nguyên tử có hạt nhân biến dạng không thể lấy neutron và proton từ nguyên tử khác để tự cân bằng. Vì vậy, nguyên tử có hạt nhân biến dạng (như honmi) hầu như không bao giờ hình thành (nếu có thì sẽ lập tức tan rã). Mô hình hạt nhân phân lớp thực sự xuất sắc về mặt vật lý. Vậy nên không có gì đáng ngạc nhiên khi Goeppert-Mayer (vốn có địa vị khoa học bấp bênh) đã suy sụp khi biết mô hình này bị các nhà vật lý nam ở quê nhà sao chép. Bà đứng trước nguy cơ mất trắng công lao. Sự thật là hai bên đã đưa ra ý tưởng một cách độc lập. Khi nhóm khoa học người Đức tốt bụng thừa nhận nghiên cứu của bà và đề nghị hợp tác, sự nghiệp của Goeppert-Mayer đã cất cánh. Bà giành được danh tiếng của riêng mình. Năm 1959, vợ chồng bà đã chuyển nhà lần cuối tới San Diego. Bà đã lần đầu tiên nhận được một công việc có lương tại cơ sở mới của Đại học California. Tuy nhiên, bà vẫn không thể rũ bỏ được cái tiếng nghiệp dư. Năm 1963, khi Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển tuyên bố bà đã giành được vinh dự cao nhất trong sự nghiệp, tờ báo San Diego đã chào đón ngày trọng đại ấy với tít “Một bà mẹ ở S.D đoạt giải Nobel”. Nhưng có lẽ đó chỉ là vấn đề quan điểm. Nếu báo chí có thể chạy một cái tít tương tự về Gilbert Lewis, hẳn ông sẽ mừng vui khôn xiết. Đọc bảng tuần hoàn theo hàng tiết lộ rất nhiều về các nguyên tố nhưng đó chỉ là một phần câu chuyện, mà thậm chí còn không phải phần hay nhất. Các nguyên tố trên cùng một cột có liên quan mật thiết hơn nhiều so với các nguyên tố nằm cùng một hàng. Trong hầu hết mọi ngôn ngữ, chúng ta thường quen đọc từ trái sang phải hoặc ngược lại. Tuy nhiên, việc đọc bảng tuần hoàn theo cột như kiểu tiếng Nhật sẽ có ý nghĩa hơn. Cách này giúp bạn thấy được mối quan hệ phong phú giữa các nguyên tố, gồm cả sự cạnh tranh và đối lập không ngờ tới. Bảng tuần hoàn có ngữ pháp riêng, và đọc theo từng cột hé lộ những câu chuyện hoàn toàn mới. Chương 2 Cặp song sinh và kẻ lạc loài: Gia phả của các nguyên tố Shakespeare đã thử với từ “honorificabilitudinitatibus” mà với từng người có thể mang nghĩa là “trạng thái được vinh danh”, hoặc được viết ngược thành tuyên bố rằng Francis Bacon đã viết những vở kịch đó chứ không phải Shakespeare.* Nhưng từ có 27 chữ cái này vẫn chưa đủ dài để trở thành từ tiếng Anh dài nhất. Tất nhiên, xác định từ dài nhất cũng như cố gắng vượt qua một cơn sóng dữ. Chẳng mấy mà bạn sẽ mất kiểm soát, vì dòng chảy ngôn ngữ liên tục đổi hướng. Tùy ngữ cảnh mà một từ có được xem là tiếng Anh hay không. Từ của Shakespeare do một chàng hề nói trong vở kịch Love’s Labour’s Lost (tạm dịch: Uổng sức yêu đương), và rõ ràng là bắt nguồn từ tiếng Latin. Nhưng những từ tiếng nước ngoài – ngay cả trong câu tiếng Anh – không nên được tính đến. Ngoài ra, nếu tính cả những từ chỉ gồm hậu tố và tiền tố ghép lại (“antidisestablishmentarianism”: 28 chữ cái) hoặc vô nghĩa (“supercalifragilisticexpialidocious”: 34 chữ cái) thì các nhà văn có thể dắt mũi độc giả cho đến khi tay họ mỏi nhừ. Nhưng nếu áp dụng một định nghĩa hợp lý thì từ dài nhất trong tài liệu tiếng Anh – không nhằm mục đích lập kỷ lục – đã tồn tại từ năm 1964 trong Chemical Abstracts (tạm dịch: Toát yếu Hóa học), một nguồn tham khảo dạng từ điển cho các nhà hóa học. Từ này mô tả một protein quan trọng mà giới sử học thường coi là virus đầu tiên được phát hiện (virus khảm thuốc lá, phát hiện năm 1892). Hít thật sâu vào nhé. acetylseryltyrosylserylisoleucylthreonylserylprolylserylgluta minylphenylalanylvalylphenylalanylleucylserylserylvalyltryp tophylalanylaspartylprolylisoleucylglutamylleucylleucylaspa raginylvalylcysteinylthreonylserylserylleucylglycylasparagi nylglutaminylphenylalanylglutaminylthreonylglutaminylglu taminylalanylarginylthreonylthreonylglutaminylvalylgluta minylglutaminylphenylalanylserylglutaminylvalyltryptophyl lysylprolylphenylalanylprolylglutaminylserylthreonylvalyl arginylphenylalanylprolylglycylaspartylvalyltyrosyllysylvalyl tyrosylarginyltyrosylasparaginylalanylvalylleucylaspartylp rolylleucylisoleucylthreonylalanylleucylleucylglycylthreonyl phenylalanylaspartylthreonylarginylasparaginylarginyliso leucylisoleucylglutamylvalylglutamylasparaginylglutaminyl glutaminylserylprolylthreonylthreonylalanylglutamylthreo nylleucylaspartylalanylthreonylarginylarginylvalylaspartylas partylalanylthreonylvalylalanylisoleucylarginylserylalanylas paraginylisoleucylasparaginylleucylvalylasparaginylglutamyl leucylvalylarginylglycylthreonylglycylleucyltyrosylasparagi nylglutaminylasparaginylthreonylphenylalanylglutamylseryl methionylserylglycylleucylvalyltryptophylthreonylserylalany lprolylalanylserine “Con trăn khổng lồ” này dài 1.185 chữ cái.* Hẳn là ai cũng sẽ chỉ lướt mắt qua từ này thôi, nên ta cùng quay lại và nhìn lần nữa. Bạn sẽ thấy việc phân phối các chữ cái khá buồn cười. Chữ “e” phổ biến nhất trong tiếng Anh xuất hiện 65 lần, “y” kém phổ biến xuất hiện 183 lần, còn chữ “l” chiếm 22% (255 lần). Ngoài ra, “y” và “l” không xuất hiện ngẫu nhiên mà thường nằm cạnh nhau (166 cặp, sau mỗi sáu chữ cái). Đây không phải là sự trùng hợp. Từ này mô tả một protein, và các protein được tạo nên từ nguyên tố thứ sáu (cũng là nguyên tố linh hoạt nhất) trên bảng tuần hoàn: cacbon. Cụ thể, cacbon tạo thành xương sống của amino axit. Các amino axit nối chuỗi với nhau để tạo nên protein. (Protein của virus khảm thuốc lá gồm 159 amino axit.) Do thường phải đếm rất nhiều amino axit, nên các nhà hóa sinh phân loại chúng với một quy tắc ngôn ngữ đơn giản. Họ xén “ine” (như “serine” hoặc “isoleucine”) của amino axit trong tiếng Anh và đổi thành “yl” để phù hợp với cách đọc thông thường (“seryl” hoặc “isoleucyl”). Đọc theo đúng thứ tự, đuôi “yl” sẽ mô tả chính xác cấu trúc của protein. Cũng như người bình thường đoán được ý nghĩa của từ ghép “hộp diêm”, các nhà hóa sinh trong những năm 1950 và đầu những năm 1960 đã dùng cách mới này làm danh pháp chính thức cho các phân tử như “acetyl… serine” để tái tạo được toàn bộ chỉ nhờ cái tên. Hệ thống này rất chính xác, chỉ là nghe mắc mệt. Trong lịch sử, xu hướng ghép từ phản ánh ảnh hưởng mạnh mẽ của nước Đức và thói cuồng ghép từ của tiếng Đức trong hóa học. Nhưng tại sao các amino axit lại xâu chuỗi được với nhau? Đó là do vị trí của cacbon trên bảng tuần hoàn, và nhu cầu cần lấp đầy tám electron ở mức năng lượng ngoài cùng (quy tắc bát tử) của nó. Trong thang đo cường độ liên kết, các amino axit liên kết không quá chặt chẽ. Một đầu của amino axit có các nguyên tử oxy, đầu kia là nitơ, còn phần thân chính ở giữa chứa hai nguyên tử cacbon. (Chúng cũng chứa hydro và một nhánh phụ có thể chứa tới 20 phân tử khác nhau, nhưng ta không cần quan tâm.) Cacbon, nitơ và oxy đều muốn có tám electron ở lớp ngoài cùng, nhưng oxy lại dễ đạt được điều này hơn hai nguyên tố còn lại. Oxy (nguyên tố thứ tám) có tổng cộng tám electron. Hai electron thuộc mức năng lượng thấp nhất được lấp đầy đầu tiên. Vì còn sáu electron ở mức ngoài nên oxy luôn tìm thêm hai electron nữa. Hai electron không quá khó tìm: oxy hung hăng có thể đề ra luật chơi và bắt nạt các nguyên tử khác. Nhưng bài toán tương tự cho thấy cacbon tội nghiệp (nguyên tố thứ sáu) còn bốn electron sau khi lấp đầy mức năng lượng đầu tiên, nên nó cần thêm bốn electron để có đủ tám. Điều này khó hơn, khiến cacbon có tiêu chuẩn liên kết rất thấp. Nó bám vào hầu hết mọi thứ. Sự lăng nhăng đó là đặc tính của cacbon. Không giống oxy, cacbon phải liên kết với các nguyên tử khác theo bất kỳ hướng nào có thể. Trên thực tế, cacbon chia sẻ electron với tối đa bốn nguyên tử khác cùng lúc, giúp nó xây dựng các chuỗi phức tạp và thậm chí là cả mạng phân tử ba chiều. Vì chia sẻ nhưng không thể đánh cắp electron, nên liên kết của cacbon bền và ổn định. Dù hoàn cảnh của nitơ không đến mức lâm ly bi đát như cacbon, nó cũng phải tạo ra nhiều liên kết để duy trì sự bền vững của mình. Các protein dài như con trăn ở trên chỉ tận dụng các quy tắc cơ bản này. Một nguyên tử cacbon trong thân amino axit chia sẻ một electron với nitơ ở đuôi một amino axit khác, và khi các nguyên tử cacbon và nitơ được xâu chuỗi tới gần như vô tận (như các chữ cái trong một từ rất, rất dài), protein sẽ hình thành. Các nhà khoa học ngày nay đã có thể giải mã những phân tử dài hơn “acetyl…serine” rất nhiều. Kỷ lục hiện tại thuộc về một protein khổng lồ mà tên đầy đủ của nó gồm 189.819 chữ cái. Nhưng khi một số công cụ giải nhanh trình tự amino axit ra đời trong những năm 1960, giới khoa học nhận ra rằng họ sẽ sớm có được những danh pháp hóa học dài bằng chính cuốn sách này (và việc kiểm tra chính tả sẽ là một cơn ác mộng). Vì vậy, họ đã bỏ hệ thống danh pháp cồng kềnh kiểu Đức để quay lại với những cái tên ngắn và ít đao to búa lớn hơn, ngay cả trong văn bản chính thức. Ngày nay, protein dài 189.819 chữ cái kia thật may đã có tên là titin.* Nói chung, sẽ chẳng có ai buồn viết (thậm chí là chỉ thử viết) tên đầy đủ của virus khảm thuốc lá dài ngoằng đó lên giấy cả. Điều này không có nghĩa là những nhà từ điển học nên dừng nghiên cứu về hóa sinh. Y học luôn là mảnh đất màu mỡ cho những từ dài lố bịch sinh sôi: từ không chuyên ngành dài nhất trong Từ điển tiếng Anh Oxford có liên quan tới họ hàng gần nhất của cacbon về phương diện hóa học. Nguyên tố này thường được coi là ứng viên sẽ thế chỗ cacbon để tạo nên sự sống ở các thiên hà khác: silic – nguyên tố thứ 14. Trong phả hệ, các bậc cha mẹ thường sinh ra con cái giống mình. Tương tự, cacbon cũng có nhiều điểm chung với silic (nguyên tố ngay bên dưới nó) hơn là với bo và nitơ (hai nguyên tố nằm cạnh cacbon trên cùng hàng ngang). Nguyên do thì đã rõ. Cacbon là nguyên tố thứ sáu, silic là nguyên tố thứ mười bốn và khoảng cách bằng tám (lại là bát tử) không phải ngẫu nhiên. Với silic, hai electron lấp đầy mức năng lượng đầu tiên và tám electron lấp đầy mức thứ hai. Bốn electron còn dư khiến silic lâm vào tình trạng tương tự cacbon. Tuy nhiên, cũng nhờ đó mà nó có tính linh hoạt như cacbon. Do tính linh hoạt của cacbon liên quan trực tiếp đến khả năng hình thành sự sống của nó, nên khả năng bắt chước cacbon đã biến silic thành nơi gửi gắm giấc mơ của nhiều thế hệ người hâm mộ khoa học viễn tưởng thích thú với các dạng sống khác (ngoài vũ trụ) không tuân theo quy tắc trên Trái Đất. Đồng thời, phả hệ cũng không phải là định mệnh vì con trẻ không bao giờ giống hệt cha mẹ mình. Tuy có liên hệ mật thiết nhưng cacbon và silic vẫn là các nguyên tố riêng biệt và tạo thành các hợp chất riêng biệt. Và không may cho những người hâm mộ khoa học viễn tưởng, silic không thể làm được những điều kỳ diệu như cacbon. Thật kỳ lạ, ta có thể tìm hiểu về các hạn chế của silic nhờ phân tích một từ dài kỷ lục khác, cũng dài lố bịch y như protein cấu thành từ cacbon gồm 1.185 chữ cái ở trên. Thực ra, protein đó có một cái tên khá “khuôn mẫu”, chỉ thú vị vì nó lạ mà thôi (như cách tính số π đến hàng ngàn tỷ chữ số sau dấu phẩy). Ngược lại, từ không chuyên ngành dài nhất trong Từ điển tiếng Anh Oxford là “pneumonoultramicroscopicsilicovolcanoconiosis” dài 45 chữ cái – là tên một căn bệnh có từ “silic” ở lõi. Các nhà ngôn ngữ học chơi chữ gọi pneumonoultramicroscopicsilicovolcanoconiosis là “p45”, nhưng giới y khoa vẫn hoài nghi về việc p45 có phải một căn bệnh thực sự hay không, vì nó chỉ là một biến thể của bệnh phổi nan y pneumonoconiosis (p16). Bệnh p16 có biểu hiện giống viêm phổi và nguyên nhân là do hít phải amiăng. Hít phải silic dioxit (thành phần chính của cát và thủy tinh) cũng có thể bị p16. Công nhân xây dựng phun cát cả ngày và công nhân làm việc ở xưởng chất cách nhiệt hít phải bụi thủy tinh thường bị bệnh p16. Nhưng vì silic dioxit (SiO2) là khoáng chất phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất nên còn một nhóm khác cũng dễ bị ảnh hưởng: những người sống gần núi lửa đang hoạt động. Các núi lửa mạnh nhất nghiền mịn silic dioxit và phun hàng triệu tấn vào không khí. Bụi này luồn lách vào phế nang. Do phổi của con người thường xuyên tiếp xúc với CO2, nên chúng cũng thấy thoải mái khi hấp thụ người họ hàng SiO2 (có thể gây tử vong) của nó. Nhiều loài khủng long có thể đã vì thế mà chết khi một tiểu hành tinh (hoặc sao chổi) to bằng cả thành phố va vào Trái Đất cách đây 65 triệu năm. Những điều này sẽ giúp việc phân tích các tiền tố và hậu tố của p45 dễ dàng hơn rất nhiều. Bệnh phổi p45 do hít phải bột silic dioxit mịn từ núi lửa khi mọi người hổn hển bỏ chạy khỏi hiện trường có tên pneumono-ultra-microscopic-silico-volcano-coniosis1. Tuy nhiên, trước khi xài từ này, bạn nên biết rằng nhiều người theo chủ nghĩa từ ngữ thuần túy ghét nó. Năm 1935, có người đã nêu ra p45 trong cuộc họp của Hội giải ô chữ Mỹ và một số vẫn chế nhạo rằng đó chỉ là một “từ để trưng”. Ngay cả các biên tập viên nghiêm cẩn của Từ điển tiếng Anh Oxfordcũng hạ thấp từ này khi định nghĩa nó là “một từ khó chịu”, chỉ “sinh ra để mang nghĩa đó”. Nguồn cơn của sự ghét bỏ này là do p45 được mở rộng từ một từ “đúng nghĩa”. P45 đã được sửa đổi (như một dạng sống nhân tạo) thay vì sinh ra tự nhiên từ ngôn ngữ hằng ngày. 1. pneumono-ultra-microscopic-silico-volcano-coniosis bao gồm: pneumono (liên quan đến viêm phổi), ultra-microscopic-silico (silic dioxit siêu hiển vi), volcano (núi lửa) và coniosis (tình trạng bệnh do hít phải bụi). (BTV) Đào sâu hơn về silic, ta có thể khám phá liệu những tuyên bố về sự sống từ silic có khả dĩ hay không. Mặc dù xuất hiện nhan nhản trong khoa học viễn tưởng (cũng như súng bắn tia năng lượng vậy) nhưng sự sống từ silic thực sự là một ý tưởng quan trọng, vì nó mở rộng khái niệm sự sống xoay-quanh-cacbon. Dân cuồng silic thậm chí còn viện dẫn một số loài động vật trên Trái Đất có silic trong cơ thể như nhím biển (với gai silic) và trùng tia nguyên sinh (sinh vật đơn bào dùng silic để tạo ra khung xương ngoài). Những tiến bộ về điện toán và trí tuệ nhân tạo cũng cho thấy silic có thể hình thành nên những “bộ não” phức tạp không kém bất kỳ dạng sống dựa trên cacbon nào. Về lý thuyết, không gì có thể ngăn bạn thay thế mọi tế bào thần kinh trong não bằng transistor silic. Tuy nhiên, bài học về hóa học thực nghiệm rút ra từ p45 đã đập tan mọi hy vọng cho dạng sống silic. Rõ ràng dạng sống silic sẽ phải luân chuyển silic ra vào cơ thể để sửa chữa các mô hoặc bất cứ thứ gì (giống như sinh vật trên Trái Đất vận chuyển cacbon đi khắp nơi). Trên Trái Đất, các sinh vật ở tầng thấp nhất của chuỗi thức ăn (trong nhiều trường hợp, đây là dạng sống quan trọng nhất) làm điều đó thông qua khí cacbon dioxit. Silic hầu như cũng luôn liên kết với oxy trong tự nhiên, thường dưới dạng SiO2. Nhưng không giống cacbon dioxit (chất khí), silic dioxit (dù có là bụi núi lửa mịn) là chất rắn, và dù ở bất kỳ nhiệt độ nào thì nó đều không thân thiện với sự sống. (Nó chỉ chuyển thành dạng khí ở 2.204°C!) Ở cấp độ hô hấp tế bào, chất rắn không thể giúp ích gì vì bị gắn vào nhau. Chúng không lưu thông và rất khó tách thành từng phân tử mà tế bào cần. Ngay cả sự sống silic dạng thô sơ (tương đương váng tảo) cũng sẽ khó mà thở được, và các dạng sống lớn hơn với cấu trúc tế bào đa lớp còn tệ hơn rất nhiều. Nếu không trao đổi khí được với môi trường, sự sống silic dạng thực vật sẽ chết đói và sự sống silic dạng động vật sẽ nghẹt thở vì khí thải, như p45 làm nghẹt phổi dùng cacbon của con người vậy. Nhưng liệu vi sinh vật silic có thể hít thở silic dioxit theo những cách khác không? Có lẽ có, nhưng silic dioxit không tan trong nước – chất lỏng dồi dào nhất vũ trụ tính đến hiện giờ. Vì vậy, chúng phải từ bỏ những lợi thế tiến hóa của máu hay bất kỳ chất lỏng nào dùng để vận chuyển dưỡng chất và chất thải. Các dạng sống silic sẽ phải dựa vào chất rắn (không thể trộn lẫn dễ dàng), nên ta không thể tưởng tượng ra chúng sẽ làm được những gì. Hơn nữa, vì chứa nhiều electron hơn cacbon nên silic cồng kềnh hơn. Đôi khi đó không phải là vấn đề lớn. Silic có thể thay thế cacbon trong các dạng tương tự chất béo hoặc protein trên Sao Hỏa. Nhưng cacbon còn có khả năng tự uốn thành các phân tử đường dạng mạch vòng (trạng thái có sức căng lớn, nghĩa là trữ được rất nhiều năng lượng), còn silic không đủ mềm để uốn cong thành vòng. Một vấn đề tương tự là: nguyên tử silic không thể dồn ép các electron vào một không gian chật hẹp để hình thành liên kết đôi – điều xuất hiện trong hầu hết phân tử sinh hóa phức tạp. (Hai nguyên tử chia sẻ hai electron để tạo ra một liên kết đơn, bốn electron là một liên kết đôi.) Do đó, số lượng phương án lưu trữ năng lượng hóa học và tạo ra hormone hóa học của dạng sống silic sẽ ít hơn dạng sống cacbon rất nhiều. Nhìn chung, chỉ có mô hình sinh hóa đột phá mới có thể giúp dạng sống silic phát triển, phản ứng, sinh sản và chiến đấu được. (Nhím biển và trùng tia chỉ sử dụng silic dioxit hỗ trợ cấu trúc, chứ không phải hô hấp hay lưu trữ năng lượng.) Và sự sống từ cacbon phát triển rực rỡ trên Trái Đất đã chứng thực điều này, dù cacbon ít phổ biến hơn silic rất nhiều.* Tôi không dại dột đến mức dự đoán sự sống từ silic là bất khả nhưng nguyên tố này hẳn chưa thể tạo nên sự sống, trừ khi những sinh vật ấy thải ra cát và sống trên các hành tinh với núi lửa liên tục phun ra silic dioxit siêu nhỏ. May mắn thay, silic đã đảm bảo sự bất tử của mình theo cách khác. Giống như virus (thực thể gần như một dạng sống), nó luồn lách trong ngách tiến hóa và sống sót nhờ ký sinh trên nguyên tố ngay dưới mình. * * * Cột của cacbon và silic trong bảng tuần hoàn không chỉ chứa đựng một bài học về phả hệ. Dưới silic là gecmani. Ngay dưới gecmani, ta bất ngờ thấy thiếc. Dưới nữa là chì. Dọc theo cột này từ trên xuống, ta đi từ cacbon (nguyên tố tạo nên sự sống); silic và gecmani (tạo nên thiết bị điện tử hiện đại); thiếc (kim loại xám xỉn dùng làm vỏ đồ hộp) đến chì (ít nhiều bất lợi với sự sống). Mỗi bước dù nhỏ, nhưng vẫn đủ để nhắc ta rằng đột biến đang tích tụ, dù ngoài mặt các nguyên tố vẫn tương đồng. Một bài học khác là mỗi gia đình đều có một kẻ lạc loài ít nhiều bị ruồng bỏ. Ở cột thứ mười bốn của bảng tuần hoàn, gecmani là kẻ đáng thương, đen đủi ấy. Chúng ta sử dụng silic trong máy tính, vi mạch, ô tô và máy tính bỏ túi. Chất bán dẫn silic đưa con người lên Mặt Trăng và lướt Internet. Nhưng nếu mọi chuyện khác đi vào 60 năm trước, hẳn tất cả chúng ta ngày nay đều đang nói về Thung lũng Gecmani ở miền bắc California rồi. Ngành công nghiệp bán dẫn hiện đại khởi đầu vào năm 1945 tại Phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey, chỉ cách nơi Thomas Alva Edison thành lập nhà máy phát minh 70 năm trước đó vài cây số. Kỹ sư điện kiêm nhà vật lý William Shockley đã thử chế tạo một bộ khuếch đại silic nhỏ để thay thế ống chân không trong những máy tính lớn. Các kỹ sư chán ghét ống chân không vì lớp vỏ thủy tinh dài (giống bóng đèn) rất cồng kềnh, dễ vỡ và dễ quá tải nhiệt. Dù ghét, họ vẫn cần những ống này bởi không còn thứ gì thực hiện được nhiệm vụ kép: vừa khuếch đại tín hiệu điện yếu để chúng không mất đi, vừa hoạt động như cổng dòng điện một chiều để electron trong mạch không thể chảy ngược. (Nếu ống thoát nước nhà bạn chảy cả hai chiều, bạn sẽ hiểu vấn đề ngay.) Shockley bắt đầu cải tiến ống chân không giống những gì Edison đã làm với nến, và ông biết các nguyên tố bán dẫn chính là câu trả lời. Chỉ chúng mới có thể đạt được sự cân bằng mà các kỹ sư mong muốn: cho đủ số electron đi qua để tạo ra mạch điện (phần “dẫn”), nhưng không nhiều electron đến mức không điều khiển được (phần “bán”). Mặc dù Shockley có tầm nhìn xa hơn kỹ sư nhưng bộ khuếch đại silic của ông chẳng khuếch đại được bất cứ thứ gì. Thất vọng sau hai năm không thành công, ông đã giao nhiệm vụ cho hai nhân viên John Bardeen và Walter Brattain. Theo một nhà viết tiểu sử, Bardeen và Brattain “có tình bạn khăng khít tột bậc… như thể Bardeen là bộ óc còn Brattain là tay chân trong cùng một cơ thể”.* Mối quan hệ cộng sinh này rất thuận tiện, vì Bardeen (có lẽ là hình mẫu cho cụm từ “mọt sách”) không khéo tay cho lắm. Họ sớm xác định silic quá giòn và khó tinh chế để làm bộ khuyếch đại. Thêm nữa, họ biết rằng các electron lớp ngoài cùng của gecmani nằm ở mức năng lượng cao hơn các electron lớp ngoài cùng của silic, nên các electron đó của gecmani liên kết lỏng lẻo hơn và dẫn điện dễ hơn. Bardeen và Brattain đã dùng gecmani chế tạo ra bộ khuếch đại dạng rắn đầu tiên của thế giới (trái ngược với chân không) vào tháng 12 năm 1947. Họ gọi đó là transistor. Shockley đáng ra phải vui mừng, nhưng bấy giờ ông đang ở Paris vào dịp Giáng sinh nên khó lòng tuyên bố mình đã góp sức cho phát minh này (chưa kể ông còn dùng sai nguyên tố). Vì vậy, Shockley bắt đầu bày trò nhằm “ăn chặn” công lao của Bardeen và Brattain. Shockley không phải người xấu, nhưng khi tin là mình đúng thì không nể nang ai và ông cho rằng mình đáng được nhận phần lớn công lao cho phát minh transistor. (Niềm tin này lần nữa xuất hiện trong những năm cuối đời của Shockley, sau khi ông từ bỏ vật lý chất rắn và chuyển sang “khoa học” ưu sinh – nghiên cứu chọn giống người thượng đẳng. Ông tin vào tư tưởng giai cấp tri thức của Bà La Môn và bắt đầu cống hiến cho “ngân hàng tinh trùng thiên tài”*, chủ trương trợ cấp cho người nghèo và những nhóm dân tộc thiểu số đi đình sản để họ ngừng làm giảm chỉ số IQ chung của loài người.) Shockley vội vã quay về từ Paris để “hòa mình” vào bức tranh transistor, thường là theo đúng nghĩa đen. Trong các bức ảnh truyền thông của Phòng thí nghiệm Bell chụp ba người đang có vẻ làm việc, Shockley luôn chen vào giữa bộ đôi Bardeen và Brattain, đặt tay mình lên thiết bị, buộc hai người còn lại ngước nhìn qua vai ông như trợ lý. Những hình ảnh đó đã thay đổi sự thật và cộng đồng khoa học ghi nhận công lao cho cả ba người. Hành xử như một lãnh chúa nhỏ mọn, Shockley trục xuất đối thủ chính (Bardeen) đến một phòng thí nghiệm không liên quan khác thuộc hệ thống của Phòng thí nghiệm Bell để tự mình phát triển một thế hệ transistor gecmani thân thiện hơn về mặt thương mại. Không có gì đáng ngạc nhiên khi Bardeen sớm rời Phòng thí nghiệm Bell để giảng dạy ở Illinois. Thực ra, ông đã căm phẫn đến mức quyết định từ bỏ việc nghiên cứu chất bán dẫn. Mọi thứ với gecmani rồi cũng trở nên chua chát. Đến năm 1954, ngành công nghiệp transistor đã mọc lên như nấm sau mưa. Tốc độ xử lý của máy vi tính tăng lên rất nhiều lần và các dòng sản phẩm hoàn toàn mới đã ra đời (như radio bỏ túi). Nhưng trong suốt thời kỳ này, các kỹ sư vẫn tiếp tục tơ tưởng về silic. Họ làm vậy một phần vì gecmani rất thất thường. Dẫn điện rất tốt cũng kèm theo nhiệt lượng không mong muốn, khiến transistor gecmani bị ngưng trệ ở nhiệt độ cao. Quan trọng hơn, silic (thành phần chính của cát) có lẽ còn rẻ hơn cả đất. Dẫu vẫn trung thành với gecmani nhưng các nhà khoa học đã dành rất nhiều thời gian mộng mơ về silic. Đột nhiên, tại một cuộc họp về ngành bán dẫn cùng năm, một kỹ sư táo bạo đến từ Texas đã đứng dậy sau bài phát biểu chán ngắt về sự bất khả thi của transistor silic và tuyên bố rằng mình thực sự có một transistor silic trong túi. Liệu đám đông có thích thú thử nghiệm chăng? Anh chàng ra vẻ P. T. Barnum1 này (tên thật là Gordon Teal) đã nối một máy nghe nhạc chạy bằng gecmani với loa ngoài và nhúng thẳng bộ phận bên trong vào thùng dầu sôi. Đúng như dự đoán, nó ngắc ngứ rồi tịt ngóm. Teal nhấc máy nghe nhạc khỏi dầu, lấy transistor gecmani ra và lắp transistor bằng silic vào. Anh thả nó vào dầu một lần nữa. Tiếng nhạc vẫn vang lên. Khi đám đông nhân viên bán hàng đang chen lấn đến được các bốt điện thoại sau hội trường thì gecmani đã thành phế liệu. 1. Phineas Taylor Barnum (1810-1891) là chủ rạp xiếc, chính khách và thương nhân người Mỹ. Tên ông được đặt cho Hiệu ứng Barnum. (BTV) May mắn cho Bardeen, câu chuyện về transistor của ông đã kết thúc có hậu, dù có vụng về. Công trình về chất bán dẫn gecmani quan trọng đến mức ông, Brattain và cả (hầyyy) Shockley đều đoạt giải Nobel Vật lý năm 1956. Bardeen biết tin này qua radio (lúc đó hẳn chạy bằng silic) khi đang chuẩn bị bữa sáng. Quá bối rối, ông đã đánh rơi món trứng bác của gia đình xuống sàn. Đó không phải khoảnh khắc hậu đậu duy nhất xung quanh giải Nobel của ông. Vài ngày trước lễ trao giải ở Thụy Điển, ông giặt nơ và áo vest trắng với quần áo màu khiến chúng bị nhuộm thành màu xanh lá cây (giống trang phục của sinh viên). Vào ngày diễn ra buổi lễ, ông và Brattain căng thẳng trước việc diện kiến đức vua Thụy Điển Gustaf VI Adolf đến mức phải dùng thuốc ký ninh để ổn định bụng dạ. Nhưng cũng chẳng ích gì khi nhà vua trách Bardeen vì đã bắt các con trai ở lại Harvard học thay vì đến Thụy Điển cùng ông (Bardeen sợ con mình bỏ lỡ một bài kiểm tra). Trước lời quở trách này, Bardeen cười gượng và đùa rằng ông sẽ mang họ theo vào lần nhận giải Nobel tới. Gạt những câu chuyện hài hước sang một bên, buổi lễ đã đánh dấu một tầm cao mới cho chất bán dẫn nhưng chỉ trong một thời gian ngắn ngủi. Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển (nơi trao giải Nobel Hóa học và Vật lý) có xu hướng tôn vinh nghiên cứu thuần túy hơn là kỹ thuật, và chiến thắng cho transistor là một sự công nhận hiếm hoi với khoa học ứng dụng. Tuy nhiên đến năm 1958, ngành công nghiệp transistor lại phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng khác. Do Bardeen đã rời khỏi lĩnh vực này, nên cánh cửa đã mở ra để chào đón một người hùng khác. Jack Kilby nhanh chóng bước qua “cánh cửa” này dù có thể phải khom lưng đôi chút (ông cao đến 2 m). Là một người Kansas có khuôn mặt sần sùi và nói năng chậm rãi, Kilby đã làm việc suốt một thập kỷ ở vùng Milwaukee nghèo công nghệ trước khi tìm được việc tại công ty Texas Instruments (TI) năm 1958. Tuy được đào tạo về kỹ thuật điện nhưng Kilby lại được nhận để giải quyết một vấn đề phần cứng máy tính: tính chuyên chế số lượng (tyranny of numbers). Về cơ bản, dù transistor silic giá rẻ hoạt động tốt nhưng các mạch máy tính cao cấp cần rất nhiều transistor. Do đó, các công ty như TI phải sử dụng nhiều nhà xưởng toàn những kỹ thuật viên nữ với mức lương bèo bọt, cả ngày chỉ biết cắm mặt vào kính hiển vi, lầm bầm chửi bới và đổ mồ hôi trong bộ đồ bảo hộ khi hàn các mảnh silic với nhau. Quy trình này không chỉ đắt đỏ mà còn không hiệu quả. Không thể tránh khỏi việc một dây dẫn mỏng manh trong mỗi mạch bị đứt hoặc bung ra khi vận hành, và khi đó toàn bộ mạch sẽ chết. Tuy nhiên, các kỹ sư lại không thể tránh được việc phải dùng rất nhiều transistor. Điều này gây ra tính chuyên chế số lượng. Kilby đến TI vào một ngày tháng sáu ngột ngạt. Nhân viên mới không có thời gian nghỉ phép, nên ông chỉ còn lại một mình sau khi hàng ngàn đồng nghiệp đã nghỉ phép bắt buộc vào tháng bảy. Chính sự vắng lặng này đã thuyết phục ông rằng thuê hàng ngàn người để nối transistor là điều ngớ ngẩn, và sự vắng mặt của cấp trên đã cho ông khoảng thời gian tự do để theo đuổi ý tưởng mới: mạch tích hợp. Transistor silic không phải bộ phận duy nhất của mạch điện cần được hàn thủ công. Các điện trở cacbon và tụ điện sứ cũng phải được nối với nhau bằng dây đồng. Kilby đã loại bỏ việc lắp các bộ phận riêng biệt và khắc mọi thứ – điện trở, transistor, tụ điện – vào một khối bán dẫn vững chắc. Một ý tưởng tuyệt vời, là sự khác biệt cả về mặt cấu trúc và nghệ thuật – giống như tạc một bức tượng từ đá cẩm thạch nguyên khối thay vì chạm khắc từng chi tiết rồi cố ghép nối bằng dây. Không tin tưởng vào độ tinh khiết của silic được dùng để chế tạo điện trở và tụ điện, ông đã chuyển sang dùng gecmani cho nguyên mẫu. Cuối cùng, mạch tích hợp này đã giải phóng các kỹ sư khỏi sự chuyên chế số lượng do lắp ráp thủ công gây ra. Do mọi bộ phận đều được làm từ cùng một khối nên không cần hàn chúng với nhau nữa. Trên thực tế, chẳng còn ai làm được điều này, vì mạch tích hợp cũng cho phép kỹ sư tự động hóa quá trình khắc và tạo ra các bộ transistor siêu nhỏ – các chip máy tính thực sự đầu tiên. Kilby chưa từng được ghi công đầy đủ cho phát minh của mình (vài tháng sau, một học trò của Shockley nộp bằng sáng chế cạnh tranh chi tiết hơn chút và đã cướp trắng quyền sở hữu trí tuệ từ tay công ty của Kilby), nhưng những người đam mê kỹ thuật ngày nay vẫn dành tặng cho ông những lời tri ân sâu sắc nhất. Trong một lĩnh vực mà vòng đời sản phẩm được đo bằng tháng này, mãi 50 năm sau, các con chip vẫn được sản xuất dựa trên thiết kế cơ bản của Kilby. Và năm 2000, ông mới được nhận giải Nobel muộn màng cho mạch tích hợp của mình.* Mặc dù vậy, đáng buồn là không gì có thể phục hồi danh tiếng của gecmani. Mạch gecmani nguyên gốc của Kilby được đặt ở Viện Smithsonian, nhưng gecmani không thể trụ được trước silic (quá rẻ và sẵn có) trong một thị trường cạnh tranh khốc liệt. Isaac Newton có câu nói nổi tiếng rằng ông đạt được mọi thứ nhờ đứng trên vai những người khổng lồ – các tiền bối khoa học với các phát minh làm nền tảng cho những công trình của Newton. Ta có thể nói điều tương tự về silic. Silic trở thành một biểu tượng sau khi gecmani làm mọi việc (và bị lu mờ trên bảng tuần hoàn). Thực ra, đó là số phận chung của những gì liên quan đến bảng tuần hoàn. Hầu hết nguyên tố đều chịu kiếp vô danh mà chúng không đáng phải nhận. Thậm chí, tên các nhà khoa học phát hiện ra nhiều nguyên tố và những người sắp xếp chúng vào các bảng tuần hoàn đầu tiên cũng bị lãng quên từ lâu. Nhưng cũng giống như silic, vài cái tên đã lưu danh sử sách dù không phải luôn nhờ ý tốt. Những nhà khoa học nghiên cứu các bảng tuần hoàn sơ khai đều nhận ra sự giống nhau giữa một số nguyên tố nhất định. “Bộ ba hóa học” (như ví dụ thời nay về cacbon, silic và gecmani) là đầu mối đầu tiên gợi mở về sự tồn tại của bảng tuần hoàn. Tuy nhiên, một số nhà khoa học đã nhanh nhạy hơn khi nhận ra những đặc điểm tinh tế – “tính trạng” trong các nhóm của bảng tuần hoàn (tương tự lúm đồng tiền hay mũi vẹo ở người). Do biết cách truy tìm và dự đoán những điểm tương đồng như vậy mà chẳng bao lâu sau, nhà khoa học Dmitri Mendeleev đã ghi tên mình vào lịch sử với tư cách cha đẻ của bảng tuần hoàn. Chương 3 Đảo Galápagos của bảng tuần hoàn Có thể nói lịch sử của bảng tuần hoàn là lịch sử của hàng loạt người định hình ra nó. Người đầu tiên giống kiểu tên xuất hiện trong sách lịch sử (như tiến sĩ Guillotin, Charles Ponzi, Jules Léotard hoặc Étienne de Silhouette) sẽ khiến bạn mỉm cười khi vẫn có người nhớ tới. Người tiên phong về bảng tuần hoàn này xứng đáng được ca ngợi đặc biệt, vì đèn đốt mang tên ông đã tiếp tay cho những trò quậy phá của sinh viên năm hai nhiều hơn bất kỳ dụng cụ thí nghiệm nào trong lịch sử. Thất vọng thay, nhà hóa học người Đức Robert Bunsen không thực sự phát minh ra đèn đốt “mang tên mình”, mà chỉ cải tiến thiết kế và phổ biến nó vào giữa thế kỷ 19. Nhưng cho dù không có đèn đốt Bunsen đi nữa, cuộc đời ông cũng đã có quá nhiều trắc trở rồi. “Tình đầu” của Bunsen là asen. Mặc dù nguyên tố thứ 33 này đã vang danh ngay từ thời cổ đại (những thích khách La Mã thường bôi nó lên quần áo), nhưng lại không nhiều nhà hóa học tuân thủ luật pháp biết về asen trước khi Bunsen bắt đầu khuấy tung nó lên trong ống nghiệm. Ông chủ yếu làm việc với cacodyl1 (xuất phát từ một từ nghĩa là “hôi” trong tiếng Hy Lạp) chứa asen. Bunsen từng nói cacodyl rất hôi và đã khiến ông bị ảo giác, “lập tức ngứa ran tay chân, thậm chí choáng váng và mất cảm giác”. Lưỡi ông “bị phủ một lớp màu đen”. Có lẽ bắt nguồn từ chính nhu cầu của bản thân, ông đã sớm phát triển “thuốc giải” độc asen tốt nhất: sắt oxit hydrat2 (chất liên quan đến gỉ sắt này sẽ bám vào asen trong máu và kéo nó ra). Tuy nhiên, ông vẫn không thể bảo vệ mình khỏi mọi nguy hiểm. Một cốc thủy tinh chứa asen đã bất ngờ phát nổ và gần như đã thổi bay nhãn cầu phải của Bunsen, khiến ông mù một mắt trong 60 năm cuối đời. 1. Chất hữu cơ chứa asen có công thức hóa học là (CH3)2As– As(CH3)2. (BTV) 2. Công thức hóa học là Fe2O3.H2O. (BTV) Sau tai nạn, Bunsen đã gạt asen sang một bên và theo đuổi niềm đam mê với những vụ nổ tự nhiên. Bunsen yêu thích bất cứ thứ gì phun ra từ mặt đất. Trong nhiều năm, ông nghiên cứu các mạch nước phun và núi lửa bằng cách thu thập thủ công hơi và chất lỏng sôi của chúng. Ông cũng dựng lên một mạch nước phun Old Faithful giả trong phòng thí nghiệm và phát hiện ra cách các mạch nước này tích áp và phun trào. Bunsen quay lại với hóa học tại Đại học Heidelberg vào những năm 1850 và sớm ghi danh vào lịch sử khoa học nhờ phát minh máy quang phổ (quang phổ kế): thiết bị nghiên cứu các nguyên tố hóa học bằng ánh sáng. Mỗi nguyên tố trên bảng tuần hoàn tạo ra các dải sáng hẹp và sắc nét khi được nung nóng. Chẳng hạn: hydro luôn phát ra một vạch đỏ, một vạch xanh lục vàng, một vạch xanh lam nhạt và một vạch chàm. Nếu đốt nóng một chất bí ẩn và thu được những vạch đặc trưng đó, bạn có thể cá rằng nó chứa hydro. Đây là một bước đột phá mạnh mẽ, phương pháp đầu tiên quan sát được bên trong các hợp chất kỳ lạ mà không cần đun sôi hoặc phân hủy chúng bằng axit. Để chế tạo máy quang phổ đầu tiên, Bunsen và một sinh viên gắn một lăng kính vào trong hộp xì gà rỗng để tránh ánh sáng bên ngoài chiếu vào, rồi gắn hai thị kính gỡ từ kính viễn vọng để nhìn vào bên trong (giống như một mô hình ba chiều). Điều duy nhất hạn chế quang phổ học tại thời điểm đó là tạo ra lửa đủ nóng để kích thích các nguyên tố. Vì vậy, Bunsen đã phát minh ra một thiết bị giúp ông trở thành anh hùng đối với những người chưa từng đốt thước kẻ hay hơ bút chì trên lửa. Ông lấy một đèn đốt khí thô sơ của kỹ thuật viên địa phương và thêm một van để điều chỉnh lưu lượng oxy. (Nếu bạn từng nghịch cái núm ở đế của đèn đốt Bunsen thì chính là nó đó.) Kết quả là lửa đã được cải thiện từ màu cam nổ lốp đốp và không đủ nóng sang xanh lam gọn gàng thường thấy trên những cái bếp ngày nay. Công trình của Bunsen đã giúp bảng tuần hoàn phát triển nhanh chóng. Mặc dù ông phản đối ý tưởng phân loại các nguyên tố theo quang phổ nhưng các nhà khoa học khác lại không lo được nhiều tới vậy, và máy quang phổ lập tức xác định được các nguyên tố mới. Quan trọng không kém, nó giúp sàng lọc mạo nhận nhờ tìm ra nguyên tố cũ ngụy trang trong những chất chưa biết. Cách nhận dạng nguyên tố đáng tin cậy này đã giúp các nhà hóa học tiến được một bước dài trên chặng đường hướng tới mục tiêu tối thượng là hiểu rõ các chất hơn. Tuy nhiên, ngoài việc tìm kiếm nguyên tố mới, các nhà khoa học cần sắp xếp chúng thành một loại cây phả hệ. Ở đây, chúng ta sẽ đến với một đóng góp to lớn khác của Bunsen cho bảng tuần hoàn: góp công kiến tạo một triều đại khoa học tại Heidelberg, nơi ông hướng dẫn một số nhà khoa học đã tiến hành những nghiên cứu đầu tiên về định luật tuần hoàn. Trong số đó có cả nhân vật thứ hai của câu chuyện này: Dmitri Mendeleev, người thường được ca ngợi vì tạo ra bảng tuần hoàn đầu tiên. Thật ra, cũng như Bunsen và đèn đốt mang tên ông, Mendeleev không tự tạo ra bảng tuần hoàn đầu tiên. Đã có sáu người độc lập phát minh ra nó, và tất cả đều dựa trên “sự tương đồng hóa học” mà các nhà hóa học đi trước ghi lại. Mendeleev bắt đầu với một ý tưởng sơ bộ về cách tổ chức các nguyên tố có tính chất tương tự thành từng nhóm nhỏ, rồi rút ra định luật khoa học từ những nhóm trong hệ thống tuần hoàn này (như cách Homer biến những mẩu chuyện rời rạc trong thần thoại Hy Lạp thành sử thi Odyssey). Khoa học cũng cần những vị anh hùng như bất kỳ lĩnh vực nào khác, và Mendeleev trở thành nhân vật chính trong câu chuyện về bảng tuần hoàn nhờ một số lý do sau đây. Thứ nhất là ông có một tiểu sử u buồn. Sinh ra ở Siberi và là con út trong gia đình có mười bốn anh chị em, Mendeleev mồ côi cha năm 1847 khi mới mười ba tuổi. Lúc ấy, để có tiền trang trải cho gia đình, mẹ ông đã dũng cảm tiếp quản một nhà máy thủy tinh địa phương và quản lý các thợ thủ công nam. Rồi nhà máy bị thiêu rụi. Gửi gắm toàn bộ hy vọng vào cậu con trai thông tuệ, bà kèm Dmitri trên lưng ngựa và băng qua gần 2.000 km thảo nguyên rồi tới những sườn dốc trắng xóa tuyết phủ của dãy Ural để đến một trường đại học danh giá tại Moscow. Nhưng ngôi trường ấy đã từ chối Dmitri vì cậu không phải người địa phương. Không nản lòng, bà lại đưa con lên ngựa và đi thêm 600 km để đến ngôi trường cũ của chồng ở St. Petersburg. Ngay sau khi thấy con trai nhập học, bà đã từ giã cõi đời. Mendeleev đã chứng tỏ mình là một học sinh xuất sắc. Sau khi tốt nghiệp, ông nghiên cứu tại Paris và Heidelberg và được Bunsen lừng danh hướng dẫn một thời gian (hai người có mẫu thuẫn cá nhân, một phần vì tính khí thất thường của Mendeleev và phần khác là vì phòng thí nghiệm của Bunsen nổi tiếng là ồn ào và độc hại). Mendeleev trở lại St. Petersburg với tư cách là giáo sư vào những năm 1860 và bắt đầu suy nghĩ về bản chất các nguyên tố, mà thành quả đỉnh cao là bảng tuần hoàn nổi tiếng năm 1869 của ông. Nhiều người đã nghiên cứu cách sắp xếp các nguyên tố (một số thậm chí đã giải quyết được nhưng lại không trọn vẹn) với cách tiếp cận tương tự Mendeleev. Nhà hóa học người Anh John Newlands tầm 30 tuổi đã trình bày bảng tạm thời của mình trước Hội hóa học London vào năm 1865. Tuy nhiên, ông đã bị chính cách ví von sai lầm của mình làm hại. Vào thời điểm đó, vì không ai biết về khí trơ (từ heli đến radon) nên các hàng trên cùng trong bảng tuần hoàn của ông chỉ có bảy ô. Newlands hóm hỉnh so sánh bảy ô ấy với các nốt nhạc đồ-rê-mi-fa-son-la-si-đố. Thật không may, Hội hóa học London không phải là khán giả hóm hỉnh và họ đã chế giễu công trình “trẻ con” của Newlands. Đối thủ nặng ký hơn của Mendeleev là Julius Lothar Meyer, một nhà hóa học người Đức với bộ râu trắng xồm xoàm và mái tóc đen bóng mượt. Meyer cũng từng làm việc dưới quyền Bunsen tại Heidelberg và có uy tín chuyên môn cao. Ông đã phát hiện ra rằng các tế bào hồng cầu đính oxy vào huyết sắc tố để vận chuyển. Meyer công bố bảng tuần hoàn của mình gần như cùng lúc với Mendeleev, và họ đã cùng nhận Huân chương Davy vì đồng phát hiện ra “định luật tuần hoàn”. (Đây là giải thưởng uy tín của nước Anh trước khi có giải Nobel, nhưng Newlands đã không được cân nhắc trao giải và mãi tới năm 1887 mới giành được Huân chương Davy.) Trong khi những công trình tuyệt vời liên tục gia tăng danh tiếng cho Meyer – ông giúp phổ biến một số lý thuyết đột phá đã được chứng minh là đúng – Mendeleev lại trở nên quái gở đến mức khó tin, hoàn toàn từ chối tin vào sự thật về nguyên tử.* (Sau này, ông cũng từ chối những thứ mà mắt thường không thể thấy như electron và phóng xạ.) Nếu phải cân đo đong đếm để chọn ra nhà hóa học lý thuyết vĩ đại hơn trong hai người họ tại thời điểm năm 1880, bạn hẳn sẽ chọn Meyer. Vậy điều gì đã tách Mendeleev khỏi Meyer và bốn nhà hóa học khác (đã công bố các bảng tuần hoàn của họ trước đó), ít nhất là theo phán xét của lịch sử?* Đầu tiên, hơn bất kỳ nhà hóa học nào khác, Mendeleev hiểu rằng một số đặc điểm nhất định về các nguyên tố vẫn tồn tại, ngay cả khi những đặc điểm khác thì không. Ông nhận ra rằng hợp chất như thủy ngân oxit (một chất rắn màu cam) không “chứa” một chất khí (oxy) và một kim loại lỏng (thủy ngân) như những người khác vẫn tin. Thay vào đó, hai nguyên tố kết hợp thành thủy ngân oxit sẽ tạo ra khí và kim loại khi tồn tại độc lập. Chỉ có nguyên tử khối của mỗi nguyên tố là không đổi. Mendeleev coi đây là đặc điểm định danh của mỗi nguyên tố, và ý tưởng đó của ông đã rất gần với quan điểm hiện đại. Thứ hai, không như những người sắp xếp các nguyên tố thành cột và hàng khác, Mendeleev đã làm việc cả đời trong phòng thí nghiệm và có được kiến thức rất, rất sâu sắc về tính chất, mùi và cách thức phản ứng của các nguyên tố (đặc biệt là kim loại, vốn là các nguyên tố mơ hồ và khó hiểu nhất để đặt vào bảng tuần hoàn). Điều này giúp ông sắp xếp toàn bộ 62 nguyên tố đã biết lúc bấy giờ vào các cột và hàng trong bảng của mình. Mendeleev cũng sửa đổi bảng tuần hoàn của ông rất nhiều lần, có lúc còn viết các nguyên tố lên thẻ học và chơi trò xếp lá bài phiên bản hóa học trong văn phòng. Hơn hết, dù cả hai đều để trống một số ô trên bảng tuần hoàn của mình vì không có nguyên tố đã biết nào phù hợp, nhưng không như Meyer vốn cẩn trọng, Mendeleev lại táo bạo dự đoán rằng các nguyên tố mới sẽ được tìm ra. Ông dường như muốn nói: hãy nhìn kỹ đi, các nhà hóa học và địa chất học, rồi các ngài sẽ thấy chúng.Lần theo đặc điểm của các nguyên tố đã biết tại từng cột, Mendeleev thậm chí còn dự đoán khối lượng riêng cùng nguyên tử khối của các nguyên tố chưa biết. Và khi một số dự đoán đó được chứng thực, hết thảy đều bị mê hoặc. Hơn nữa, khi các nhà khoa học phát hiện ra khí trơ vào những năm 1890, bảng tuần hoàn Mendeleev đã vượt qua một thử thách quan trọng, vì nó chỉ cần thêm một cột nữa là đã dễ dàng bổ sung các nguyên tố mới này. (Mendeleev ban đầu phủ nhận sự tồn tại của khí trơ, nhưng đến lúc ấy thì bảng tuần hoàn không còn là của riêng ông nữa.) Tiếp theo là sự phi thường của Mendeleev. Giống như nhà văn Nga Dostoevsky cùng thời (người đã viết toàn bộ cuốn tiểu thuyết Con bạc trong ba tuần để trả hết nợ cờ bạc), Mendeleev tạo ra bảng tuần hoàn đầu tiên của ông để trả đúng hạn cho nhà xuất bản sách giáo khoa. Tập một của bộ sách giáo khoa ấy dày tới 500 trang, nhưng ông mới chỉ viết đủ cho tám nguyên tố. Điều đó có nghĩa ông phải nhét tất cả phần còn lại vào tập hai. Sau sáu tuần chần chừ, trong một khoảnh khắc xuất thần, ông quyết định rằng cách trình bày ngắn gọn nhất là trong một bảng. Quá phấn khích, ông đã bỏ công việc tay trái – cố vấn hóa học cho các nhà máy phô mai địa phương – để biên soạn bảng tuần hoàn. Khi cuốn sách được in, Mendeleev không chỉ dự đoán rằng các nguyên tố mới phù hợp với ô trống bên dưới các nguyên tố như silic và bo sẽ xuất hiện, mà còn đặt tên tạm thời cho chúng. Hẳn danh tiếng của ông cũng chẳng suy suyển thêm là mấy (vì con người thường tìm đến các bậc thầy khi do dự) vì lối dùng từ “eka” (nghĩa là “sau”) kỳ lạ, huyền bí bắt nguồn từ tiếng Phạn để tạo ra những cái tên eka-silic, eka-bo… Vài năm sau, Mendeleev (đã nổi tiếng) ly dị vợ và muốn tái hôn. Mặc dù nhà thờ địa phương bảo thủ nói rằng phải đợi bảy năm, nhưng ông đã hối lộ một linh mục và cứ thế làm lễ cưới. Về lý thuyết, Mendeleev lúc này có tới hai người vợ, nhưng không ai dám bắt ông. Khi một quan chức địa phương phàn nàn với Sa Hoàng về tiêu chuẩn kép trong trường hợp này (linh mục nhận hối lộ đã bị cách chức, còn Mendeleev lại chẳng hề hấn gì), Sa Hoàng nghiêm nghị trả lời: “Ta thừa nhận Mendeleev có hai vợ, nhưng ta chỉ có một Mendeleev mà thôi”. Tuy vậy, sự kiên nhẫn của Sa Hoàng cũng có giới hạn. Năm 1890, Mendeleev (vốn theo chủ nghĩa vô chính phủ) đã bị phế học hàm vì đồng tình với các nhóm sinh viên cánh tả bạo lực. Thật dễ hiểu tại sao giới sử học và khoa học lại quan tâm tới đời tư của Mendeleev. Tất nhiên ngày nay sẽ chẳng ai nhớ đến tiểu sử của ông nếu ông không phải là người tạo nên bảng tuần hoàn. Công trình của Mendeleev có thể sánh ngang Thuyết Tiến hóa của Darwin và Thuyết Tương đối của Einstein. Tuy không ai trong ba người tự làm tất cả, nhưng họ đã làm hầu hết mọi việc và làm xuất sắc hơn bất kỳ ai. Họ nhận ra tầm ảnh hưởng lớn lao của những hệ quả này và đã tìm ra hàng loạt bằng chứng hỗ trợ cho phát hiện của mình. Tương tự Darwin, công trình của Mendeleev cũng khiến nhiều người bất mãn. Việc Mendeleev tự ý đặt tên trước cho các nguyên tố mà ông chưa bao giờ tìm ra bị cho là quá mức tự phụ. Điều đó khiến người phát hiện ra “eka-nhôm” (cũng là học trò của Robert Bunsen) phẫn nộ; ông cảm thấy chính mình mới xứng đáng được vinh danh và có quyền đặt tên, chứ không phải một gã người Nga ngớ ngẩn. Việc phát hiện eka-nhôm (nguyên tố gali ngày nay) đặt ra câu hỏi điều gì thực sự thúc đẩy khoa học phát triển: lý thuyết (định hình cách con người nhìn nhận thế giới) hay thực nghiệm (khi mà một thí nghiệm đơn giản nhất cũng có thể phá hủy các lý thuyết thanh tao). Sau khi gây lộn với nhà lý thuyết Mendeleev, nhà hóa học thực nghiệm tìm ra gali đã có câu trả lời chắc chắn. Paul-Emile François Lecoq de Boisbaudran sinh năm 1838 trong một gia đình có truyền thống làm rượu ở vùng Cognac nước Pháp. Sau khi trưởng thành, người đàn ông điển trai với mái tóc bồng bềnh, bộ ria uốn quăn và thích diện những chiếc cà vạt kiểu cách này đã chuyển đến Paris; ông sử dụng máy quang phổ của Bunsen rất lão luyện và trở thành người phân tích quang phổ xuất sắc nhất thế giới. Lecoq de Boisbaudran xuất sắc đến mức sau khi phát hiện các dải màu chưa từng thấy trong một mẫu khoáng vật năm 1875, ông lập tức kết luận rằng mình đã phát hiện ra một nguyên tố mới (quả thật là vậy). Ông đặt tên nó là gali (theo từ Gallia – tên Latin của nước Pháp). Nhiều kẻ đa nghi cáo buộc rằng ông đã láu cá lấy tên mình đặt cho nguyên tố này, vì Lecoq (gà trống) là gallus trong tiếng Latin. Vì muốn tận tay cầm và cảm nhận chiến lợi phẩm mới của mình, Lecoq de Boisbaudran bắt đầu tinh chế một mẫu vật. Sau vài năm mày mò, nhà khoa học người Pháp cuối cùng đã có một khối gali đẹp và tinh khiết vào năm 1878. Dù ở thể rắn tại nhiệt độ phòng nhưng gali lại tan chảy ở 29°C, nghĩa là nó sẽ tan chảy thành một chất lỏng sánh giống thủy ngân nếu đặt trong lòng bàn tay (nhiệt độ cơ thể khoảng 37°C). Nó là một trong số ít kim loại lỏng bạn có thể chạm vào mà các ngón tay không bị bỏng đến tận xương. Từ đó, gali trở thành chủ đề chính của những câu đùa cợt trong giới hóa học uyên bác – một bước tiến rõ ràng so với những câu chuyện hài hước về đèn đốt Bunsen. Do gali dễ đúc và trông giống nhôm, một trò đùa khá phổ biến là tạo ra thìa bằng gali, đem lên cùng với trà và xem thực khách giật mình khi thấy trà Earl Grey “ăn” chiếc thìa.* Tự hào về thứ kim loại biến hóa của mình, Lecoq de Boisbaudran đã công bố những phát hiện về nó trên các tạp chí khoa học. Gali là nguyên tố mới đầu tiên được phát hiện kể từ khi bảng tuần hoàn Mendeleev ra đời năm 1869; và khi đọc về công trình của Lecoq de Boisbaudran, nhà hóa học lý thuyết Mendeleev đã chen vào tranh công và tuyên bố gali được phát hiện ra dựa trên dự đoán của ông về eka- nhôm. Lecoq de Boisbaudran đáp gọn lỏn rằng chính ông mới là người phát hiện. Mendeleev không đồng tình và họ bắt đầu tranh luận về vấn đề này trên các tạp chí khoa học, hệt như một câu chuyện dài kỳ mà mỗi nhân vật lại dẫn một chương. Chẳng bao lâu, cuộc thảo luận trở nên gay gắt. Bực mình với Mendeleev, Lecoq de Boisbaudran tuyên bố rằng một người Pháp ít được biết đến đã phát triển bảng tuần hoàn trước và Mendeleev ăn cắp ý tưởng này – một tội lỗi khoa học chỉ đứng sau giả mạo dữ liệu. (Mendeleev chưa bao giờ dễ chịu trong việc chia sẻ công lao. Ngược lại, Meyer đã trích dẫn bảng tuần hoàn Mendeleev trong công trình của mình vào những năm 1870, có thể khiến các thế hệ sau nghĩ rằng công trình của Meyer là phái sinh.) Về phần mình, Mendeleev đã xem xét số liệu của Lecoq de Boisbaudran về gali và nói với nhà hóa học thực nghiệm này (dù không hề có bằng chứng) rằng ông đã đo sai, bởi khối lượng riêng và nguyên tử khối của gali khác với dự đoán của Mendeleev. Điều này thể hiện một sự ngạo mạn đến khó tin, nhưng như triết gia-sử gia khoa học Eric Scerri đã nói: Mendeleev luôn luôn “sẵn sàng bẻ cong tạo hóa để phù hợp với triết lý vĩ đại của mình”. Sự khác biệt duy nhất giữa Mendeleev và kẻ điên là Mendeleev đã đúng: Lecoq de Boisbaudran sớm rút lại số liệu của mình và công bố các kết quả chứng thực dự đoán của Mendeleev. Theo Scerri: “Cộng đồng khoa học kinh ngạc vì nhà hóa học lý thuyết Mendeleev lại thấy rõ các tính chất của một nguyên tố mới hơn cả nhà hóa học thực nghiệm phát hiện ra nó”. Một giáo viên dạy văn từng nói với tôi rằng thứ tạo nên một câu chuyện tuyệt vời chính là đoạn cao trào “đầy ngạc nhiên mà lại tất yếu”, và bảng tuần hoàn Mendeleev là một câu chuyện tuyệt vời. Tôi ngờ rằng khi phát hiện ra sơ đồ lớn của mình về bảng tuần hoàn, chính Mendeleev cũng thấy kinh ngạc nhưng vẫn bị thuyết phục bởi sự tinh tế, đơn giản không thể chối cãi ấy. Chẳng có gì đáng ngạc nhiên khi đôi lúc ông say sưa với sức mạnh của nó. Bỏ qua vấn đề về lòng tự tôn khoa học, cuộc tranh luận thực sự ở đây xoay quanh lý thuyết và thực nghiệm. Phải chăng chính lý thuyết dẫn dắt các giác quan của Lecoq de Boisbaudran nhìn thấy một nguyên tố mới? Hay chính thực nghiệm cung cấp bằng chứng thực sự, còn lý thuyết của Mendeleev chỉ tình cờ phù hợp? Hẳn nếu Mendeleev dự đoán về sự tồn tại của phô mai trên Sao Hỏa trước khi Lecoq de Boisbaudran tìm thấy bằng chứng về gali trong bảng tuần hoàn thì nhà khoa học người Pháp cũng phải rút lại số liệu của mình và đưa ra kết quả hợp với những gì Mendeleev đã đoán. Dù Lecoq de Boisbaudran phủ nhận việc từng nhìn thấy bảng tuần hoàn Mendeleev nhưng có thể ông đã nghe về nó từ đâu đó, hoặc chính các bảng tuần hoàn đã khuấy động cộng đồng khoa học và gián tiếp chỉ dẫn giới khoa học tìm kiếm các nguyên tố mới. Như thiên tài Albert Einstein từng nói: “Chính lý thuyết quyết định những gì chúng ta quan sát được”. Cuối cùng, giới khoa học vẫn không thể kết luận được phần nào – lý thuyết hay thực nghiệm – đã thúc đẩy khoa học nhiều hơn. Điều này đặc biệt đúng khi xét tới việc Mendeleev đã nhiều lần dự đoán sai. Ông thực sự rất may mắn khi một nhà khoa học giỏi như Lecoq de Boisbaudran đã phát hiện ra eka-nhôm trước. Nếu ai đó bới móc một trong những dự đoán sai ấy – Mendeleev dự đoán có rất nhiều nguyên tố đứng trước hydro và thề rằng hào quang Mặt Trời chứa một nguyên tố độc đáo là coroni – nhà bác học Nga có thể đã chìm vào quên lãng. Nhưng cũng như những pha bói mò của giới chiêm tinh cổ đại được hào quang rực rỡ của một ngôi sao chổi mà họ đoán chính xác che lấp đi, mọi người thường chỉ nhớ đến những khúc khải hoàn của Mendeleev. Lịch sử đã hào phóng ghi nhận cho Mendeleev – cùng Meyer và nhiều nhà bác học khác – quá nhiều công lao. Họ có những đóng góp quan trọng trong việc xây dựng “tấm lưới” treo nguyên tố này; nhưng đến năm 1869, chỉ có 2/3 các nguyên tố được phát hiện và một số ngồi sai cột và hàng trong nhiều năm (ngay cả ở các bảng tuần hoàn chuẩn nhất). Hàng loạt công trình đã khiến sách vở sẽ ngày càng xa rời Mendeleev, đặc biệt là về họ lantan – mớ hỗn độn hiện đang nằm ở đáy bảng tuần hoàn. Họ lantan bắt đầu với lantan (nguyên tố thứ 57), và vị trí thích hợp cho chúng trên bảng tuần hoàn đã khiến các nhà hóa học bối rối đến tận thế kỷ 20. Các electron lớp f của các nguyên tố này khiến họ lantan dính vào nhau một cách rất khó chịu; tách chúng ra để đặt vào vị trí thích hợp chẳng khác nào gỡ một mớ bòng bong. Máy quang phổ cũng gặp khó khăn với họ lantan vì khi các nhà khoa học phát hiện ra hàng tá dải màu mới, họ không biết chúng ứng với bao nhiêu nguyên tố mới. Ngay cả Mendeleev vốn không ngại dự đoán cũng cho rằng các lantan hóc búa đến mức khó mà dự đoán nổi. Một số nguyên tố sau ceri (lantan thứ hai) được biết đến vào năm 1869. Nhưng thay vì dự đoán thêm nhiều “eka” khác, Mendeleev thừa nhận sự bất lực của mình. Sau ceri, ông để trống nhiều hàng trong bảng tuần hoàn. Sau đó, ông thường điền lộn xộn các lantan mới sau ceri, một phần vì nhiều nguyên tố “mới” hóa ra lại là sự kết hợp của những nguyên tố đã biết. Như thể ceri là nơi tận cùng của thế giới hóa học mà Mendeleev và những nhà khoa học khác đã biết (như Gibraltar với dân đi biển cổ đại), họ có nguy cơ rơi vào một xoáy nước hoặc rơi ra khỏi rìa thế giới ấy sau ceri. Thật ra, Mendeleev đã có thể hóa giải tất cả nỗi thất vọng của mình nếu đi thêm vài trăm kilomet về phía tây St. Petersburg. Tại nơi gần điểm phát hiện ra ceri lần đầu tiên này (thuộc Thụy Điển), ông sẽ bắt gặp một mỏ nguyên liệu sứ mà không mấy ai quan tâm trong một ấp có cái tên ngộ nghĩnh: Ytterby. Bảng tuần hoàn sơ khai do Dmitri Mendeleev xây dựng năm 1869. Khoảng cách lớn sau ceri (Ce) cho thấy Mendeleev và các nhà khoa học đương thời biết rõ về sự phức tạp về mặt hóa học của các kim loại đất hiếm. Vào năm 1701, thiếu niên huênh hoang Johann Friedrich Böttger – đang ngây ngất trước đám đông mình tập hợp được bằng vài lời nói dối vô hại – đã rút ra hai đồng bạc để trình diễn ảo thuật. Sau khi anh ta khoát tay và thực hiện phép thuật hóa học, những mảnh bạc đã “biến mất”, và một mảnh vàng duy nhất hiện lên đúng vị trí đó. Đó là màn trình diễn thuyết phục nhất về thuật giả kim mà người dân địa phương từng thấy. Böttger đinh ninh danh tiếng của mình sẽ nổi như cồn và quả thật là vậy, chỉ tiếc rằng nó lại đem đến vận rủi. Tin đồn về Böttger rất nhanh đến tai vua Augustus II của Ba Lan. Ông đã bắt nhốt Böttger trong một lâu đài và bắt tạo ra vàng cho vương quốc (tương tự truyện cổ tích Rumpelstiltskin trong Truyện cổ Grim). Böttger không thể làm được và sau vài thí nghiệm vô ích, kẻ nói dối vô hại này sắp phải bước lên giá treo cổ khi vẫn còn rất trẻ. Trong cơn bĩ cực, Böttger đã cầu xin nhà vua tha mạng. Dù không biết thuật giả kim nhưng anh ta lại nói rằng mình biết làm đồ sứ. Vào thời điểm đó, tuyên bố này càng khó tin hơn nữa. Kể từ khi Marco Polo trở về từ Trung Quốc vào cuối thế kỷ 13, giới thượng lưu châu Âu luôn bị ám ảnh bởi sứ trắng từ Trung Quốc: đủ cứng để không bị dũa móng tay làm trầy xước nhưng vẫn hơi trong như vỏ trứng một cách kỳ diệu. Các đế quốc được đánh giá qua bộ tách trà mình sở hữu, và những lời đồn đại về sức mạnh của sứ lan khắp hang cùng ngõ hẻm. Có tin đồn rằng uống nước trong ly sứ sẽ không thể trúng độc. Tin khác lại nói đồ sứ ở Trung Quốc nhiều đến nỗi họ đã dựng lên một tòa tháp chín tầng bằng sứ chỉ để khoe mẽ. (Điều này hóa ra là thật1.) Trong nhiều thế kỷ, những gia tộc châu Âu đầy quyền lực (như nhà Medici ở Florence) đã tài trợ cho nghiên cứu về sứ nhưng chỉ tạo ra được những hàng nhái loại C. 1. Năm 1412, Minh Thành Tổ Chu Đệ cho xây dựng Lưu Ly Tháp (nằm trong tổ hợp Đại Báo Ân Tự ở Nam Kinh). Đây là một tòa tháp chín tầng làm bằng sứ. (BTV) May mắn cho Böttger, vua Augustus có sẵn một nhân tài đang nghiên cứu đồ sứ: Ehrenfried Walther von Tschirnhaus. Tschirnhaus – người từng đi thử nghiệm mẫu đất ở Ba Lan để tìm ngọc quý – vừa phát minh ra một lò nung đặc biệt đạt tới 1.650°C. Nhờ đó, anh có thể nung chảy được sứ để phân tích, và khi nhà vua ra lệnh cho Böttger làm trợ lý cho Tschirnhaus, nghiên cứu đã bắt đầu tiến triển. Bộ đôi này đã phát hiện ra thành phần bí mật trong đồ sứ Trung Quốc là một loại đất sét trắng gọi là cao lanh và đá fenspat được nung thành thủy tinh ở nhiệt độ cao. Quan trọng không kém, họ nhận ra phải nấu men sứ và đất sét cùng lúc chứ không phải trong các bước riêng biệt (như hầu hết đồ sành sứ). Chính sự pha trộn ở nhiệt độ cao này giúp sứ trở nên cứng và sáng. Sau khi hoàn thiện quá trình chế tác, họ hồ hởi quay về trình diễn cho đức vua xem. Augustus bày tỏ sự cảm kích với họ và mơ rằng đồ sứ sẽ lập tức biến ông thành vị quân chủ quyền lực nhất châu Âu (ít nhất là về mặt xã hội). Sau bước đột phá lớn như vậy, Böttger mong chờ được thả tự do. Nhưng đen đủi thay, nhà vua cho rằng giờ anh quá đáng giá nên đã nhốt lại và canh phòng cẩn mật hơn. Bí mật về đồ sứ bị rò rỉ và công thức của Böttger cùng Tschirnhaus đã lan khắp châu Âu như một điều khó tránh. Sẵn có nền tảng cơ bản về hóa học, các thợ thủ công đã mày mò cải tiến quy trình trong nửa thế kỷ tiếp theo. Chẳng mấy chốc, người ta đã khai thác fenspat ở bất cứ nơi nào tìm thấy, kể cả vùng Scandinavi băng giá (nơi bếp lò bằng sứ trở nên đáng giá vì nhiệt độ cao và giữ nhiệt lâu hơn bếp sắt). Để phục vụ ngành công nghiệp đang phát triển ở châu Âu, một mỏ fenspat trên đảo Ytterby (cách Stockholm hàng chục kilomet) đã được khai thác năm 1780. Ytterby (phát âm là “itt-er-bee”, nghĩa là “ngôi làng bên ngoài”) mang đặc trưng của một ngôi làng Thụy Điển ven biển: những ngôi nhà mái đỏ ngay trên mặt nước, cửa chớp lớn màu trắng và rất nhiều cây thông trong những mảnh sân rộng. Mọi người di chuyển quanh quần đảo bằng phà. Đường phố được đặt tên theo tên các khoáng sản và nguyên tố.* Mỏ tại Ytterby nằm trên đỉnh một ngọn đồi ở đông nam hòn đảo, khoáng vật của nó cung cấp nguyên liệu thô chất lượng cao để làm sứ và các mục đích khác. Đá của nó cũng tạo ra các màu sắc và men lạ khi chế biến, và đây là điều hấp dẫn các nhà khoa học. Ngày nay, ta biết rằng màu sắc tươi sáng là bằng chứng rõ nét cho thấy sự có mặt của các nguyên tố họ lantan, và mỏ ở Ytterby chứa nhiều nguyên tố họ này tới bất thường vì một số lý do địa chất. Các nguyên tố đất hiếm từng được trộn đều trong vỏ Trái Đất, như thể ai đó đổ cả một tá gia vị vào bát và khuấy đều. Nhưng các nguyên tố kim loại (đặc biệt là họ lantan) có xu hướng di chuyển cùng nhau và co cụm lại khi hòa vào dòng dung nham. Các túi họ lantan tình cờ tập kết gần Thụy Điển (thực tế là ở dưới); và do vùng Scandinavi nằm gần một đường đứt gãy, nên các hoạt động kiến tạo địa chất trong quá khứ đã xới những tảng đá giàu nguyên tố họ lantan lên từ sâu dưới lòng đất – một quá trình được hỗ trợ bởi các miệng phun thủy nhiệt yêu thích của Bunsen. Trong kỷ băng hà gần nhất, các sông băng rộng lớn đã cuốn phăng lớp đất mặt của vùng Scandinavi. Sự kiện địa chất cuối cùng này đã làm lộ ra những tảng đá giàu lantan có thể khai thác dễ dàng gần Ytterby. Nhưng dù Ytterby có đặc điểm địa chất giá trị về mặt khoa học cùng điều kiện kinh tế thích hợp để thu lợi nhuận từ khai thác mỏ thì nó vẫn cần môi trường xã hội thích hợp. Vào cuối thế kỷ 17 – thế kỷ mà ngay cả các tổ chức hàn lâm cũng săn lùng phù thủy quy mô lớn đến mức biến sự kiện Salem thành trò cười – Scandinavi chỉ vừa mới thoát khỏi tư duy kiểu Viking. Nhưng thế kỷ 18, sau khi Thụy Điển thống nhất bán đảo Scandinavi về mặt chính trị còn Phong trào Khai sáng ở Thụy Điển đã chinh phục nền văn hóa nơi này, người Scandinavi cuối cùng cũng nhất tề chấp nhận chủ nghĩa duy lý. Các nhà khoa học vĩ đại bắt đầu xuất hiện dù khu vực này rất ít dân. Trong đó có Johan Gadolin, một nhà hóa học sinh năm 1760 trong gia đình có truyền thống khoa học. (Cha là giáo sư vật lý và thần học, ông nội thậm chí còn giữ chức giáo sư vật lý và giám mục.) Sau chuyến du lịch khắp châu Âu khi còn trẻ (ông tới cả Anh, kết bạn và đi thăm các mỏ đất sét của nhà sản xuất sứ Josiah Wedgwood), Gadolin định cư ở Turku (hiện là Phần Lan) đối diện Stockholm qua biển Baltic. Ở đó, ông đã trở thành một nhà địa hóa học danh tiếng. Các nhà địa chất nghiệp dư bắt đầu chuyển những tảng đá khác thường từ Ytterby đến cho ông để xin ý kiến. Và qua các ấn phẩm của Gadolin, giới khoa học bắt đầu biết đến mỏ đá nhỏ đáng chú ý này. Mặc dù không có các công cụ hóa học (hay lý thuyết) để tách riêng 14 nguyên tố họ lantan, Gadolin đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc cô lập các cụm nguyên tố. Với ông, đi tìm nguyên tố chỉ là trò tiêu khiển để giải khuây. Tới khi Mendeleev đã già và các nhà hóa học với công cụ tốt hơn nhìn lại công trình của Gadolin trên đá Ytterby, các nguyên tố mới bắt đầu “rụng ra như sung”. Gadolin đã khởi xướng một trào lưu bằng cách đặt tên cho một nguyên tố giả định là yttria; và để ghi nhớ nguồn gốc chung của họ lantan, các nhà hóa học đã lưu danh Ytterby trên bảng tuần hoàn. Ytterby là nơi khởi thủy của bảy nguyên tố họ lantan, nhiều hơn bất kỳ người, địa điểm hay sự vật nào khác, là nguồn gốc cho các tên gọi ytecbi, ytri, tecbi và ecbi. Với ba nguyên tố chưa được đặt tên, trước khi “hết chữ” (“Rbi” nghe không xuôi cho lắm), các nhà hóa học đã dùng honmi (trong Stockholm); tuli (tên Scandinavi trong thần thoại Bắc Âu) và gadolini (để ghi công Gadolin – theo nguyện vọng của Lecoq de Boisbaudran). Nhìn chung, có tới sáu trong bảy nguyên tố được phát hiện ở Ytterby thuộc về họ lantan còn thiếu trên bảng tuần hoàn Mendeleev. Lịch sử hẳn đã rất khác – Mendeleev có thể tự mình lấp đầy toàn bộ hàng dưới của bảng tuần hoàn (sau nguyên tố ceri) – nếu ông đi về phía tây qua vịnh Phần Lan và biển Baltic đến Ytterby, nơi có thể được ví như quần đảo Galápagos của bảng tuần hoàn1. 1. Quần đảo Galápagos là nơi Darwin đã phát hiện ra nhiều loài đặc hữu. Ytterby được so sánh như quần đảo này bởi lẽ đây là nơi phát hiện ra nhiều nguyên tố họ lantan nhất. (BTV) PHẦN II TẠO RA NGUYÊN TỬ, PHÁ VỠ NGUYÊN TỬ Chương 4 Khởi nguồn của các nguyên tử: “Chúng ta đều sinh ra từ bụi sao” Các nguyên tố đến từ đâu? Trong suốt nhiều thế kỷ, các nhà khoa học vẫn luôn cho rằng chúng chẳng đến từ đâu cả. Có rất nhiều lý thuyết siêu hình tranh cãi về việc ai (hoặc Đấng Sáng Tạo nào) tạo ra vũ trụ và tại sao, nhưng tất cả đều đồng thuận rằng mọi nguyên tố đã tồn tại kể từ khi vũ trụ sinh ra. Chúng vô thủy vô chung, trường tồn cùng thời gian và thi gan cùng tuế nguyệt. Các lý thuyết mới hơn (như thuyết Vụ nổ Lớn vào những năm 1930) đã áp dụng quan điểm này. Điểm cực nhỏ ấy tồn tại từ 14 tỷ năm trước, chứa đựng tất cả vật chất trong vũ trụ và mọi thứ ta thấy ngày nay đều xuất phát từ đó. Chúng chưa mang hình dạng của vương miện kim cương, lon thiếc hay lá nhôm mà tồn tại dưới dạng các nguyên tử. (Một nhà khoa học tính toán rằng phải mất mười phút để Vụ nổ Lớn tạo ra toàn bộ vật chất đã biết, rồi dí dỏm nói: “Nấu các nguyên tố còn nhanh hơn là nấu thịt vịt và khoai tây nướng.”) Đó lại là một quan điểm theo lẽ thường: lịch sử thiên văn bền vững của các nguyên tố. Vài thập kỷ sau, lý thuyết đó bắt đầu gây tranh cãi. Năm 1939*, các nhà khoa học Đức và Mỹ đã chứng minh rằng Mặt Trời và các ngôi sao khác tự gia nhiệt bằng cách hợp hạch1 hydro thành heli, giải phóng nguồn năng lượng khổng lồ bất chấp kích thước cực nhỏ của nguyên tử. Một số nhà khoa học đồng ý rằng số lượng hydro và heli có thay đổi (dù rất ít), nhưng không có bằng chứng nào cho thấy số lượng của các nguyên tố khác thay đổi cả. Khi kính thiên văn ngày càng được cải thiện, nhiều khúc mắc cũng xuất hiện theo. Về lý thuyết, Vụ nổ Lớn phải giải phóng các nguyên tố đồng đều theo mọi hướng. Nhưng dữ liệu đã chứng minh rằng hầu hết các ngôi sao trẻ chỉ chứa hydro và heli, còn các ngôi sao già hơn lại chứa hàng tá nguyên tố. Thêm vào đó, các nguyên tố cực kỳ kém bền như tecneti không xuất hiện trên Trái Đất nhưng lại tồn tại trong một số “ngôi sao đặc biệt về mặt hóa học”.* Phải có thứ gì đó đang liên tục tạo ra các nguyên tố mỗi ngày. 1. Phản ứng xảy ra dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất rất cao để tổng hợp (hợp) hạt nhân (hạch) nguyên tử nhẹ thành nguyên tử của các nguyên tố nặng hơn. (BTV) Vào giữa những năm 1950, một số nhà thiên văn học nhạy bén đã nhận ra rằng mỗi ngôi sao đều có thể được coi là một vị thần thợ rèn Vulcan. Năm 1957, Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge, William Fowler và Fred Hoyle (dù không phải những người duy nhất) đã góp công lớn trong việc giải thích lý thuyết về sự tổng hợp hạt nhân ở lõi sao trong bài báo nổi tiếng mà giới chuyên môn thường gọi là B2FH. Khác với các bài viết học thuật thông thường, B2FH mở đầu bằng hai câu trích dẫn kỳ lạ và mâu thuẫn của Shakespeare về việc các ngôi sao có chi phối số phận nhân loại hay không.* Tiếp đó, bài báo khẳng định là có. Đầu tiên, B2FH cho rằng vũ trụ từng là một hỗn hợp nguyên thủy của hydro cùng với một ít heli và liti. Cuối cùng, hydro tụ lại thành các ngôi sao và lực hấp dẫn cực lớn tại lõi sao bắt đầu hợp hạch hydro thành heli, cấp năng lượng cho mọi ngôi sao phát sáng. Mặc cho sự thiết yếu của nó đối với vũ trụ, quá trình này lại rất vô vị về mặt khoa học vì việc duy nhất mà mọi ngôi sao làm trong suốt hàng tỷ năm chỉ là tạo ra heli mà thôi. Chỉ khi cạn kiệt hydro, mọi thứ mới bắt đầu thay đổi và B2FH cho rằng đây mới là đóng góp thực sự của ngôi sao. Lúc này, những ngôi sao vốn chỉ biết hợp hạch hydro bắt đầu biến đổi, vượt xa tất cả những tưởng tượng hoang đường nhất của giới giả kim. Trong cơn bĩ cực nhằm duy trì nhiệt độ cao, ngôi sao thiếu hydro bắt đầu hợp hạch heli trong lõi. Đôi khi các nguyên tử heli kết hợp hoàn toàn và tạo thành các nguyên tố có số khối chẵn; đôi khi proton và neutron tách ra để tạo ra các nguyên tố có số khối lẻ. Không lâu sau, một lượng đáng kể liti, bo, beri và đặc biệt là cacbon sẽ tích tụ trong lõi sao (và chỉ ở lớp trong – lớp ngoài nguội hơn chủ yếu vẫn là hydro trong suốt vòng đời). Thật không may, hợp hạch heli giải phóng ít năng lượng hơn hợp hạch hydro, nên sau nhiều nhất là vài trăm triệu năm thì ngôi sao sẽ cạn kiệt heli. Một số ngôi sao nhỏ thậm chí có thể “chết” ngay tại thời điểm này và tạo ra các khối cacbon nóng chảy được gọi là sao lùn trắng. Những ngôi sao nặng hơn (ít nhất là gấp tám lần Mặt Trời của chúng ta) tiếp tục chiến đấu, hợp hạch cacbon thành sáu nguyên tố nặng hơn (cho đến magie) để tồn tại thêm vài trăm năm. Vài ngôi sao nữa bị diệt vong, nhưng những ngôi sao lớn nhất và nóng nhất (nhiệt độ lõi đạt tới năm tỷ độ) lại tiếp tục hợp hạch các nguyên tố đó để sống thêm vài triệu năm nữa. B2FH dõi theo các phản ứng hợp hạch khác nhau này và giải thích công thức tạo ra mọi thứ cho đến nguyên tố sắt: nó không khác gì quá trình tiến hóa của các nguyên tố. Nhờ B2FH mà các nhà thiên văn học ngày nay có thể coi mọi nguyên tố từ liti tới sắt là “các kim loại sao”. Và khi tìm thấy sắt ở một ngôi sao, các nhà khoa học không cần tìm thêm các nguyên tố nhỏ hơn nữa – bởi khi sắt được phát hiện, họ hoàn toàn có quyền khẳng định rằng phần đầu của bảng tuần hoàn (cho đến nguyên tố sắt) cũng tồn tại. Theo lẽ thường thì các nguyên tử sắt sẽ tiếp tục hợp hạch trong các ngôi sao lớn nhất, và những nguyên tử mới sinh ra sẽ tiếp tục hợp hạch thành mọi nguyên tố còn lại trong bảng tuần hoàn. Nhưng lẽ thường một lần nữa lại sai. Khi tính toán và kiểm tra lượng năng lượng do mỗi nguyên tử sắt (26 proton) được hợp hạch mà thành phát ra, bạn sẽ thấy phản ứng hợp hạch này tiêu thụ chứ không sản sinh năng lượng. Điều đó nghĩa là phản ứng hợp hạch để tạo thành các nguyên tố nặng hơn sắt* chẳng ích gì cho một ngôi sao đang đói năng lượng. Sắt là hồi chuông báo tử trong cuộc đời của một ngôi sao. Vậy các nguyên tố nặng nhất: số hiệu nguyên tử từ 27 (coban) đến 92 (urani) tới từ đâu? Trớ trêu thay, B2FH cho biết chúng được khai sinh trong các vụ nổ siêu tân tinh. Sau khi cạn kiệt các nguyên tố như magie và silic, các ngôi sao cực lớn (nặng gấp 12 lần Mặt Trời của chúng ta) sẽ hợp hạch lõi sắt trong khoảng thời gian tương đương một ngày trên Trái Đất. Trước khi diệt vong, nó phát ra một tiếng gào thảm khốc để báo hiệu cái chết của mình. Không thể duy trì khối lượng lâu hơn được nữa, các ngôi sao cạn kiệt năng lượng sẽ sụp đổ dưới lực hấp dẫn khổng lồ của chính mình, co lại hàng ngàn kilomet chỉ trong vài giây. Các proton và electron tại lõi tự hút lẫn nhau để tạo thành neutron, mãi cho đến khi hầu như chỉ còn lại neutron (lúc này proton và electron chỉ còn lại rất ít). Sau khi co lại tới cực hạn, chúng bùng nổ ngược ra ngoài. Phải, bùng nổ theo đúng nghĩa đen của từ này. Trong khoảnh khắc huy hoàng cuối cùng của cuộc đời mình (kéo dài trong thời gian bằng khoảng một tháng trên Trái Đất), chúng tạo ra vụ nổ siêu tân tinh trải dài hàng triệu kilomet và sáng hơn một tỷ ngôi sao gộp lại. Chính trong vụ nổ siêu tân tinh này, vô số hạt với động lượng rất lớn va vào nhau với tần suất lớn đến mức nhảy qua cả hàng rào năng lượng bình thường và hợp hạch cùng với những nguyên tử sắt trước đó. Nhiều hạt nhân sắt được bao phủ bởi neutron, một số neutron trong đó phân rã trở lại thành proton và tạo ra các nguyên tố mới. Trận bão hạt này tạo ra mọi nguyên tố cùng các đồng vị của chúng. Chỉ riêng thiên hà của chúng ta đã có hàng trăm triệu vụ nổ siêu tân tinh trải qua vòng luân hồi này. Một vụ nổ như vậy đã tạo nên Hệ Mặt Trời ngày nay. Khoảng 4,6 tỷ năm trước, một vụ nổ siêu tân tinh đã gây ra tiếng nổ siêu âm và thổi bay đám bụi không gian rộng khoảng 24 tỷ kilomet (tàn tích của ít nhất hai ngôi sao). Đám bụi hòa lẫn với bọt từ vụ nổ siêu tân tinh, và toàn bộ mớ hỗn độn bắt đầu cuộn xoáy như mặt ao khổng lồ bị khuấy động. Nhiệt độ phần lõi đặc của đám mây gia tăng nhanh chóng và tạo thành Mặt Trời (ngôi sao này là thành phẩm của các ngôi sao trước đó), các thiên thể khác bắt đầu kết tụ lại. Các hành tinh ấn tượng nhất (hành tính khí khổng lồ) hình thành khi một cơn gió mặt trời – dòng vật chất phun từ Mặt Trời – thổi các nguyên tố nhẹ hơn ra rìa. Trong đó, Sao Mộc chứa nhiều khí nhất; do nhiều nguyên nhân mà nó trở thành nơi trú ngụ tuyệt vời cho các nguyên tố vì chúng có thể tồn tại dưới những dạng không bao giờ tưởng tượng được trên Trái Đất. Từ thời cổ đại, những truyền thuyết về Sao Kim rực rỡ, Sao Thổ có vành và Sao Hỏa đầy sự sống đã chắp cánh cho trí tưởng tượng của con người bay xa. Các thiên thể là nguồn tên của nhiều nguyên tố. Sao Thiên Vương được phát hiện năm 1781 đã khiến cộng đồng khoa học vô cùng phấn khích, và một nhà khoa học đã đặt tên cho urani theo tên Sao Thiên Vương (Uranus) vào năm 1789 dù hành tinh này chẳng chứa một gram urani nào. Neptuni và plutoni cũng được đặt tên theo cách này. Nhưng trong tất cả các hành tinh, Sao Mộc mới là nơi có nhiều phát hiện ngoạn mục nhất trong những thập kỷ gần đây. Năm 1994, sao chổi Shoemaker-Levy 9 đã đâm vào nó, vụ va chạm đầu tiên của hai thiên thể mà con người từng chứng kiến. Sự kiện này vô cùng ngoạn mục: 21 mảnh vỡ của sao chổi này đâm vào Sao Mộc và tạo thành các quả cầu lửa bay cao đến 3.000 km. Cảnh tượng này đã gây xôn xao dư luận, và các nhà khoa học của NASA phải đối mặt với nhiều câu hỏi đáng chú ý trong các phiên hỏi đáp trực tuyến. Một người hỏi liệu lõi Sao Mộc có thể là một viên kim cương lớn hơn Trái Đất không. Một người khác hỏi rằng điểm đỏ khổng lồ của Sao Mộc có liên quan gì đến “vật lý siêu chiều [mà ông ta có thể] từng được nghe nói tới” – một mô hình vật lý có thể khiến du hành thời gian trở nên khả thi. Vài năm sau vụ va chạm của Shoemaker-Levy 9, khi lực hấp dẫn của Sao Mộc bẻ cong quỹ đạo sao chổi Hale-Bopp về phía Trái Đất, 39 người cuồng tín đi giày Nike ở San Diego đã tự sát vì tin rằng sao chổi bị Sao Mộc bẻ hướng một cách thần kỳ chứa một UFO có thể đưa họ đến cõi thiêng. Ngày nay không có chỗ cho niềm tin lạ nữa. (Mặc cho uy tín của mình, Fred Hoyle của nhóm B2FH vẫn không tin vào sự tiến hóa hay Vụ nổ Lớn – cụm từ mà ông đưa ra một cách chế nhạo trên một chương trình phát thanh của BBC để phủ nhận ý tưởng này.) Nhưng câu hỏi về kim cương trong đoạn trước ít nhất cũng có nền tảng thực tế. Một số nhà khoa học từng lập luận nghiêm túc (hoặc đã thầm hy vọng) rằng khối lượng đồ sộ của Sao Mộc có thể tạo ra một viên đá quý khổng lồ như thế. Một số vẫn nuôi hy vọng về sự tồn tại của kim cương lỏng và những viên kim cương rắn to cỡ chiếc xe Cadillac ở đó. Và nếu bạn đang tìm kiếm các vật liệu thực sự kỳ lạ, thì giới thiên văn học tin rằng từ trường thất thường của Sao Mộc chỉ có thể giải thích được bằng các đại dương lỏng có màu đen của “hydro dạng kim loại”1. Các nhà khoa học đã tạo ra loại điều kiện cực đoan nhất mà họ có thể trên Trái Đất và thấy hydro dạng kim loại tồn tại trong vài nano giây. Tuy nhiên, nhiều người tin rằng Sao Mộc đã tạo ra một hồ chứa hydro dạng kim loại dày tới 43.000 km. 1. Hydro ở trạng thái này dẫn điện được. Năm 1935, Eugene Wigner và Hillard Bell Huntington dự đoán nó có tồn tại và có thể ở trong lõi Sao Mộc, Sao Thổ và một số ngoại hành tinh khác. (BTV) Lý do các nguyên tố tồn tại một cách kỳ lạ như vậy trên Sao Mộc (và trên Sao Thổ – hành tinh khí lớn thứ hai – với mức độ thấp hơn) là vì Sao Mộc là một kẻ nửa nạc nửa mỡ: khối lượng của nó không đủ lớn để trở thành một ngôi sao thực sự. Nếu hút được lượng vật chất nhiều gấp mười lần trong quá trình hình thành, Sao Mộc có thể sẽ biến thành một sao lùn nâu có khối lượng vừa đủ để hợp hạch một số nguyên tử và phát ra ánh sáng nâu mờ.* Nếu vậy, Hệ Mặt Trời có thể sẽ là một hệ sao đôi. (Như ta sẽ thấy ở phía sau, điều này không quá điên rồ.) Thay vào đó, Sao Mộc lại hạ nhiệt độ xuống dưới ngưỡng hợp hạch nhưng vẫn duy trì đủ nhiệt, khối lượng cũng như áp lực để ép các nguyên tử lại rất gần nhau, đến mức chúng ngừng hoạt động như các nguyên tử trên Trái Đất. Bên trong Sao Mộc, chúng bước vào trạng thái lấp lửng, nằm giữa ngưỡng xảy ra phản ứng hóa học và phản ứng hạt nhân. Lúc này, ta có thể có kim cương to bằng Trái Đất và hydro dạng kim loại lỏng. Khí hậu trên bề mặt Sao Mộc cũng tác động đáng kể tới các nguyên tố. Đây không phải là điều đáng ngạc nhiên trên một hành tinh có thể nuôi dưỡng Vết Đỏ Lớn (một cơn bão lớn gấp ba lần Trái Đất, vẫn tồn tại sau nhiều thế kỷ hình thành1). Khí tượng sâu bên trong Sao Mộc thậm chí còn ngoạn mục hơn thế nữa. Vì gió mặt trời chỉ thổi các nguyên tố nhẹ nhất và dồi dào nhất tới Sao Mộc, nên nó hẳn có thành phần nguyên tố khá giống các sao thực sự: 90% hydro, 10% heli và còn có lượng nhỏ các nguyên tố khác, gồm cả neon. Nhưng các quan sát vệ tinh gần đây cho thấy 25% lượng heli và 90% lượng neon đang biến mất khỏi khí quyển Sao Mộc. Không phải ngẫu nhiên khi một lượng rất lớn các nguyên tố đó tồn tại ở nơi sâu hơn của hành tinh này. Điều gì đó đã bơm khí heli và neon từ điểm này sang điểm khác, và các nhà khoa học sớm nhận ra rằng một bản đồ thời tiết của Sao Mộc có thể cho họ lời giải đáp. 1. Theo các quan sát gần đây của NASA thì Vết Đỏ Lớn đã co lại. Hiện đường kính của nó chỉ còn bằng khoảng 1,3 lần đường kính Trái Đất. (BTV) Xem tại: https://www.nasa.gov/image feature/jpl/pia21774/jupiter-s-great-red-spot-swallows- earth Ở một ngôi sao thực sự, năng lượng từ phản ứng hợp hạch trong lõi sẽ giúp chống lại lực hấp dẫn đang khiến nó co lại. Các điều kiện của Sao Mộc không đủ để khởi động “lò hợp hạch” trong lòng chính nó, nên khó mà ngăn được heli hay neon ở các lớp khí bên ngoài bị hút vào trong. Sau khi đi được khoảng một phần tư quãng đường từ bề mặt Sao Mộc tới lõi, những khí đó tiến gần lớp hydro dạng kim loại lỏng. Và dưới áp suất khí quyển cực mạnh, các khí này sẽ chuyển thành dạng lỏng. Chúng nhanh chóng tụ lại thành giọt. Ngày nay, mọi người đều thấy heli và neon phát ra ánh sáng nhiều màu trong các ống thủy tinh được gọi là đèn neon. Khi “nhảy dù” xuống bề mặt Sao Mộc, các giọt lỏng có thể được ma sát kích thích và tiếp năng lượng giống như cách hành tinh này đã làm với các thiên thạch. Nếu chúng đủ lớn để rơi đủ nhanh và đủ xa, một người trôi nổi ngay gần lớp hydro kim loại lỏng trong Sao Mộc có thể (chỉ là giả định) nhìn lên bầu trời màu kem pha cam và thưởng thức màn trình diễn ánh sáng ngoạn mục nhất: màn pháo hoa trên bầu trời Sao Mộc với hàng ngàn tỷ vệt màu đỏ thẫm rực rỡ mà giới khoa học gọi là mưa neon. Lịch sử các hành tinh đá trong Hệ Mặt Trời (Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa) thì khác và ít kịch tích hơn nhiều. Khi tinh hệ này bắt đầu hình thành, những hành tinh khí khổng lồ xuất hiện trước (chỉ trong một triệu năm), trong khi các nguyên tố nặng tập trung trong một vành đai thiên thể gần như nằm ở tâm quỹ đạo Trái Đất và bất động trong hàng triệu năm tiếp theo. Khi Trái Đất và các hành tinh lân cận cuối cùng cũng biến thành những quả cầu nóng chảy, các nguyên tố nặng được hòa trộn khá đồng đều trong thành phần của chúng. Mạn phép lấy ý thơ của William Blake, nắm đất trong tay bạn chứa toàn bộ vũ trụ và cả bảng tuần hoàn. Các nguyên tử bắt đầu kết hợp với những đồng vị và họ hàng về mặt hóa học của chúng, và mỗi nguyên tố tập trung tại một khu vực riêng với trữ lượng đáng kể sau quá trình gồm hàng tỷ lần hòa trộn. Chẳng hạn: sắt rắn chìm vào lõi mỗi hành tinh và ở đó đến tận ngày nay. (Không chịu thua kém Sao Mộc, lõi lỏng của Sao Thủy đôi khi cũng phun ra những “bông tuyết” sắt – không giống những bông tuyết sáu cạnh từ nước quen thuộc trên Trái Đất mà ở dạng những khối lập phương siêu nhỏ.*) Trái Đất hẳn đã chẳng có gì ngoài những tảng nhôm, urani và các nguyên tố khác nếu hành tinh này không nguội đi và rắn lại đến mức khiến quá trình hòa trộn ngừng lại. Vì vậy, các mỏ nguyên tố ngày nay phân tán đủ xa để không một quốc gia nào có thể độc quyền về nguồn cung, ngoại trừ vài trường hợp đặc biệt. So với các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác, bốn hành tinh đá của chúng ta có trữ lượng từng nguyên tố khác nhau. Hầu hết các hệ mặt trời có khả năng đều hình thành từ vụ nổ siêu tân tinh; và tỷ lệ chính xác các nguyên tố trong mỗi hệ phụ thuộc vào năng lượng của vụ nổ siêu tân tinh dùng để tổng hợp nguyên tố và cả những gì tồn tại (như bụi vũ trụ) để trộn với mảnh vụn. Kết quả là mỗi hệ mặt trời có kiểu đặc trưng nguyên tố riêng. Khi học hóa ở trường phổ thông, hẳn bạn đã thấy mỗi nguyên tố trên bảng tuần hoàn đều có nguyên tử khối (tổng số proton và neutron) tương ứng. Ví dụ: cacbon có nguyên tử khối là 12,011 đơn vị. Thực ra, đó chỉ là giá trị trung bình. Hầu hết nguyên tử cacbon có nguyên tử khối là 12 đơn vị và 0,011 được gắn vào khi tính đến các nguyên tử cacbon rải rác có nguyên tử khối là 13 hoặc 14. Nhưng ở một thiên hà khác, nguyên tử khối trung bình của cacbon có thể cao hoặc thấp hơn một chút. Hơn nữa, siêu tân tinh tạo ra nhiều nguyên tố phóng xạ và chúng bắt đầu phân rã ngay sau vụ nổ. Khả năng hai hệ có cùng tỷ lệ nguyên tố phóng xạ-không phóng xạ là rất nhỏ, trừ khi hai hệ được sinh ra cùng lúc. Với sự khác nhau giữa các hệ mặt trời cùng với việc chúng đã hình thành từ cách đây quá lâu, nhiều người lý trí sẽ hỏi tại sao giới khoa học có được ý tưởng về cách Trái Đất ra đời. Về cơ bản, các nhà khoa học đã phân tích số lượng và vị trí của các nguyên tố phổ biến, nguyên tố hiếm trong vỏ Trái Đất và suy luận xem chúng tồn tại ở đó bằng cách nào. Chẳng hạn: các nguyên tố phổ biến như chì và urani đã giúp xác định tuổi của hành tinh này thông qua một loạt thí nghiệm cực kỳ tỉ mỉ được một nghiên cứu sinh ở Chicago thực hiện vào những năm 1950. Các nguyên tố nặng nhất có tính phóng xạ và hầu hết chúng (đặc biệt là urani) phân rã thành chì ở trạng thái bền. Vì khởi đầu sự nghiệp với Dự án Manhattan nên Clair Patterson biết tỷ lệ chính xác của các nguyên tử khi urani phân rã. Ông cũng biết rằng có ba loại đồng vị chì tồn tại trên Trái Đất với nguyên tử khối là 204, 206 và 207. Một số nguyên tử chì tồn tại từ khi vụ nổ siêu tân tinh xảy ra, nhưng một số lại do urani phân rã mà thành. Điều đáng chú ý là urani chỉ phân rã thành hai đồng vị Pb-206 và Pb-207. Số lượng nguyên tử Pb-204 là cố định vì không có nguyên tố nào phân rã thành nó. Mấu chốt là tỷ lệ Pb-206 và Pb-207 so với số lượng cố định của Pb-204 đã tăng với một tốc độ có thể dự đoán được, bởi urani vẫn tiếp tục tạo ra hai loại chì này. Nếu biết tỷ lệ đó hiện nay cao hơn thời điểm Trái Đất hình thành bao nhiêu lần thì Patterson có thể dùng tốc độ phân rã urani để ngoại suy ngược về mốc thời gian ban đầu. Vấn đề là không có ai có mặt lúc Trái Đất hình thành để ghi lại tỷ lệ chì ban đầu, nên Patterson không biết khi nào nên dừng ngoại suy. Nhưng ông đã tìm ra một cách. Tất nhiên không phải tất cả bụi vũ trụ xung quanh Trái Đất đều bị các hành tinh hút vào mà chúng còn tạo thành các thiên thạch, tiểu hành tinh và sao chổi. Vì hình thành từ cùng một loại bụi và trôi nổi trong không gian suốt từ đó tới nay, nên chúng chính là những khối đất được bảo tồn theo thời gian của Trái Đất nguyên thủy. Hơn nữa, vì sắt nằm trên đỉnh của “kim tự tháp” hợp hạch trong lõi sao, nên lượng sắt trong vũ trụ sẽ nhiều hơn các nguyên tố khác. Thành phần của thiên thạch chủ yếu là sắt rắn. Urani và sắt không pha trộn với nhau về mặt hóa học, nhưng sắt và chì thì có. Đây là một tin tốt vì mật độ Pb-204 trong thiên thạch sẽ giống như Trái Đất thuở sơ khai (do trong thiên thạch không có urani để phân rã thành nguyên tử chì mới). Patterson hào hứng lấy về các mảnh thiên thạch từ Canyon Diablo ở Arizona để tiến hành nghiên cứu. Nhưng nghiên cứu của ông gặp khó khăn bởi một vấn đề lớn hơn, phổ biến hơn: công nghiệp hóa. Từ xa xưa, con người đã sử dụng chì cho các dự án như ống nước đô thị vì tính mềm dẻo của vật liệu này. (Pb – ký hiệu của chì trên bảng tuần hoàn và “plumber” – thợ sửa ống nước đều xuất phát từ “plumbum” trong tiếng Latin.) Và từ khi sơn pha chì và xăng pha chì chống kích nổ sớm ra đời cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, lượng phát thải chì đã tăng giống hệt như lượng phát thải cacbon dioxit ngày nay. Điều này hủy hoại những nỗ lực phân tích thiên thạch của Patterson, khiến ông phải dùng những biện pháp quyết liệt hơn bao giờ hết như đun sôi thiết bị thí nghiệm trong axit sunfuric đặc để ngăn hơi chì do con người tạo ra bám vào các khối đá vũ trụ nguyên sơ của mình. Ông từng trả lời phỏng vấn: “Khi bước vào phòng thí nghiệm siêu sạch như của tôi, chì từ tóc bạn sẽ làm ô nhiễm hết cả”. Sự cẩn trọng này sớm biến thành nỗi ám ảnh. Khi đọc bộ truyện tranh Peanuts, Patterson thấy nhân vật Pig-Pen lôi thôi chính là hình ảnh ví von về loài người (và đám bụi luôn bao quanh Pig-Pen chính là chì trong không khí). Nhưng việc cố định chì của Patterson đã dẫn đến hai hệ quả quan trọng. Đầu tiên, khi phòng thí nghiệm đủ sạch, ông đã đưa ra ước tính chính xác nhất (hiện vẫn đang được sử dụng) về tuổi Trái Đất: 4,55 tỷ năm. Thứ hai, nỗi kinh hoàng về ô nhiễm chì đã biến ông trở thành một nhà hoạt động xã hội. Chính nhờ ông mà trẻ em trong tương lai sẽ không bao giờ phải ăn khoai tây chiên nhiễm chì và các trạm xăng không cần quảng cáo về xăng “không chì” nữa. Nhờ cuộc vận động của Patterson, ngày nay mọi người đều đồng ý rằng sơn pha chì phải bị cấm còn xe cộ không nên phun hơi chì vào đầu tóc, mặt mũi chúng ta. Patterson đã tìm ra thời khắc Trái Đất chào đời nhưng đó không phải là tất cả. Sao Kim, Sao Thủy và Sao Hỏa được hình thành đồng thời nhưng chúng hầu như không giống Trái Đất (ngoại trừ vài chi tiết vặt vãnh). Để tìm hiểu tỉ mỉ về lịch sử loài người, các nhà khoa học đã phải khám phá một số khu vực hoang vắng của bảng tuần hoàn. Năm 1977, nhà vật lý Luis Walter Alvarez cùng con trai là nhà địa chất Walter Alvarez đang nghiên cứu các mỏ đá vôi ở Ý xuất hiện từ thời khủng long tuyệt chủng (khoảng 65 triệu năm trước). Giữa các lớp đá vôi đồng đều này là một lớp đất sét đỏ mịn khác biệt. Kỳ lạ thay, lớp đất sét này giàu iridi gấp 600 lần bình thường. Iridi là một nguyên tố ưa sắt*, nên phần lớn iridi đều nằm trong lõi sắt nóng chảy của Trái Đất. Nguồn iridi phổ biến duy nhất là các thiên thạch, tiểu hành tinh và sao chổi giàu sắt. Điều này khiến cha con Alvarez phải đắn đo suy nghĩ. Những miệng hố khổng lồ trên bề mặt các thiên thể như Mặt Trăng là do bị oanh tạc từ xa xưa mà thành, và không lý gì Trái Đất lại trở thành ngoại lệ. Nếu một thiên thể to cỡ thành phố va vào Trái Đất 65 triệu năm trước, nó sẽ tạo ra một lớp bụi giàu iridi phủ khắp thế giới (giống như đám bụi quanh Pig-Pen vậy). Đám mây này sẽ che khuất Mặt Trời và khiến thực vật chết đi. Đây dường như là lời giải thích ngắn gọn về nguyên nhân giết chết tới 75% số loài và 99% số sinh vật (chứ không chỉ là khủng long) đang tồn tại lúc bấy giờ. Một số nhà khoa học chỉ bị thuyết phục khi có số lượng nghiên cứu đồ sộ, nhưng cha con nhà Alvarez đã sớm xác định rằng lớp iridi đó xuất hiện trên khắp thế giới, và loại trừ khả năng chúng bắt nguồn từ bụi vũ trụ do một vụ nổ siêu tân tinh gần Trái Đất thổi tới. Khi các nhà địa chất khác (làm việc cho một công ty dầu mỏ) phát hiện ra một miệng hố rộng hơn 150 km, sâu 19 km (hình thành từ 65 triệu năm trước) trên bán đảo Yucatán ở Mexico, lý thuyết về vụ tuyệt chủng do tiểu hành tinh chứa iridi gây ra dường như đã được chứng minh. Nhưng lương tri khoa học của con người vẫn đôi chút hoài nghi. Tiểu hành tinh có thể đã tạo ra đám mây bụi che phủ bầu trời, mưa axit và sóng thần cao hàng kilomet nhưng Trái Đất rồi cũng sẽ ổn định lại, nhiều nhất là sau vài thập kỷ. Tuy nhiên, theo hồ sơ hóa thạch, sự tuyệt chủng của khủng long đã kéo dài suốt hàng trăm ngàn năm. Nhiều nhà địa chất ngày nay cho rằng những núi lửa khổng lồ ở Ấn Độ đã tình cờ phun trào ngay trước và sau vụ va chạm ở Yucatán, góp phần giết chết khủng long. Năm 1984, một số nhà cổ sinh vật học bắt đầu lập luận rằng khủng long tuyệt chủng nằm trong một quy luật lớn hơn: Trái Đất dường như sẽ trải qua một đợt tuyệt chủng hàng loạt sau mỗi 26 triệu năm. Có phải tiểu hành tinh kia chỉ tình cờ rơi xuống đúng vào lúc khủng long tuyệt chủng? Các nhà địa chất bắt đầu khai quật các lớp đất sét mỏng giàu iridi khác. Chúng dường như có đặc điểm địa chất trùng khớp với các địa điểm xảy ra tuyệt chủng khác. Theo sau nghiên cứu của cha con nhà Alvarez, vài người đã kết luận rằng các tiểu hành tinh hoặc sao chổi đã gây ra mọi vụ đại tuyệt chủng trong lịch sử Trái Đất. Luis Alvarez thấy ý tưởng này rất mơ hồ, đặc biệt là khi không ai giải thích được phần quan trọng nhất và khó tin nhất của thuyết này: nguyên nhân của sự trùng hợp. Thật trùng hợp, điều đảo ngược hoàn toàn quan niệm của Alvarez chính là một nguyên tố hóa học khó nhận biết khác: reni. Theo Richard Muller (đồng nghiệp của Luis Alvarez) thuật lại trong cuốn sách Nemesis thì vào thập niên 1980, Alvarez từng xông vào văn phòng ông, trên tay cầm một bài báo “lố bịch” và suy đoán về sự tuyệt chủng định kỳ mà mình phải bình duyệt. Alvarez lúc ấy đang giận tím mặt nhưng Muller lại quyết định đổ thêm dầu vào lửa. Họ tranh luận kịch liệt, không ai chịu nhường ai. Muller đã tóm tắt mấu chốt quan điểm của Alvarez trong cuộc cãi vã như sau: “Trái Đất chỉ là một hạt cát nhỏ bé trong vũ trụ bao la. Xác suất một tiểu hành tinh sượt qua Mặt Trời đâm vào Trái Đất chỉ lớn hơn một phần tỷ có chút xíu mà thôi. Vị trí các va chạm trong không gian là ngẫu nhiên, khoảng thời gian cũng không đều. Sao chúng có thể diễn ra theo chu kỳ chứ?”. Mặc dù không có manh mối, Muller vẫn bảo vệ khả năng tồn tại một thứ gây ra các vụ oanh tạc định kỳ. Alvarez rốt cuộc đã chán ngấy những phỏng đoán và muốn biết đó là gì. Muller mô tả rằng trong một khoảnh khắc xuất thần, ông đã thốt lên: có thể Mặt Trời có một ngôi sao đồng hành lang thang mà Trái Đất quay quá chậm quanh nó nên con người không nhận ra được; và... và... và khi tới gần chúng ta, lực hấp dẫn của ngôi sao đó hút các tiểu hành tinh về phía Trái Đất. Thế đó! Muller có thể không thực sự nghiêm túc khi nói đến ngôi sao đồng hành mà sau này được đặt tên là Nemesis* (theo tên nữ thần báo thù trong thần thoại Hy Lạp). Tuy nhiên, ý tưởng này đã làm Alvarez khựng lại, bởi nó giải thích một chi tiết trêu ngươi về reni. Hãy nhớ rằng mỗi hệ mặt trời đều có tỷ lệ đồng vị riêng và duy nhất. Dấu vết của reni đã được tìm thấy trong các lớp đất sét iridi. Và dựa trên tỷ lệ của hai loại reni (một loại có khả năng phóng xạ còn loại kia thì không), Alvarez biết rằng bất kỳ tiểu hành tinh nào có thể gây ra sự diệt vong trên Trái Đất đều phải xuất phát từ chính Hệ Mặt Trời vì tỷ lệ reni của nó giống như trên Trái Đất. Nếu Nemesis thực sự xuất hiện sau mỗi 26 triệu năm và ném vẫn thạch vào chúng ta thì các vẫn thạch ấy cũng sẽ có cùng tỷ lệ reni. Hơn hết, Nemesis có thể giải thích tại sao sự tuyệt chủng của khủng long lại kéo dài như vậy. Miệng hố ở Mexico có thể chỉ là vụ nổ lớn nhất trong cuộc oanh tạc dồn dập dài hàng ngàn năm khi Nemesis ở gần Trái Đất. Thứ đã chấm dứt thời đại nổi tiếng của loài thằn lằn khổng lồ hẳn không phải là một vết thương lớn mà là hàng ngàn hoặc hàng triệu vết đốt nhỏ. Ngày đó, trong văn phòng của Muller, cơn giận của Alvarez đã tan biến ngay khi nhận ra rằng các tiểu hành tinh định kỳ va vào Trái Đất thực sự là khả dĩ. Ông ra về sau khi có đáp án vừa ý. Nhưng Muller không từ bỏ ý tưởng tình cờ ấy; và càng suy ngẫm, ông càng bị thuyết phục. Tại sao Nemesis không thể tồn tại? Ông bắt đầu nói chuyện với các nhà thiên văn học khác và xuất bản các bài báo về Nemesis. Muller thu thập bằng chứng và động lực để viết sách về nó. Trong vài năm huy hoàng giữa thập niên 1980, dường như Mặt Trời cuối cùng cũng có một bạn đồng hành, dù Sao Mộc chưa có đủ khối lượng để trở thành sao. Thật không may, bằng chứng trực tiếp cho sự tồn tại của Nemesis không chỉ không đủ mạnh mà còn quá ít. Nếu thuyết về một vụ va chạm duy nhất ban đầu chỉ khiến các nhà phê bình nổ phát súng cảnh cáo, thì giả thuyết Nemesis lại khiến họ phản đối kịch liệt như lính áo đỏ xếp hàng khai hỏa trong cuộc Cách mạng Mỹ. Khó có chuyện giới thiên văn học bỏ lỡ một thiên thể trong suốt hàng ngàn năm quan sát bầu trời, ngay cả khi Nemesis ở điểm xa nhất đi nữa. Alpha Centauri (ngôi sao gần nhất đã biết) cách ta bốn năm ánh sáng, và nếu Nemesis muốn oanh tạc Trái Đất để “báo thù” thì sẽ phải nhích vào gần thêm nửa năm ánh sáng so với con số trên. Những kẻ bảo thủ và lãng mạn vẫn miệt mài lùng sục Nemesis trong vũ trụ, nhưng thời gian cứ trôi còn Nemesis vẫn bặt vô âm tín. Tuy nhiên, đừng bao giờ đánh giá thấp khát khao tri thức của con người. Với ba sự thật: sự tuyệt chủng dường như theo chu kỳ; iridi ngụ ý về các vụ va chạm; và reni liên quan đến các vẫn thạch từ Hệ Mặt Trời, giới khoa học đang tiến đến gần thứ gì đó, ngay cả khi đó không phải là Nemesis. Họ săn lùng các chu kỳ gây tàn phá, và sớm thấy một ứng cử viên trong chuyển động của Mặt Trời. Nhiều người cho rằng cuộc cách mạng thiên văn khởi nguồn từ Copernicus đã đặt Mặt Trời ở một vị trí cố định trong không-thời gian. Tuy nhiên, Hệ Mặt Trời lại bị kéo theo chuyển động của Dải Ngân Hà và nhấp nhô như đu quay ngựa trong công viên.* Một số nhà khoa học cho rằng sự nhấp nhô này đưa Hệ Mặt Trời lại đủ gần một đám mây sao chổi khổng lồ và các mảnh vụn không gian xung quanh: đám mây Oort. Toàn bộ thiên thể trong đám mây này đều bắt nguồn từ vụ nổ siêu tân tinh đã sinh ra chúng ta, và bất cứ khi nào Mặt Trời lên đỉnh hoặc xuống đáy (sau mỗi hai mươi mấy triệu năm), Mặt Trời có thể kéo những thiên thể nhỏ kém thân thiện lao ào ào xuống Trái Đất. Hầu hết chúng sẽ bị chệch hướng bởi lực hấp dẫn của Mặt Trời (hoặc của Sao Mộc như cách hành tinh này đã chịu cú đâm của sao chổi Shoemaker- Levy 9 thay cho chúng ta), nhưng vẫn đủ thiên thể vượt qua để oanh tạc liên hồi lên Trái Đất. Tuy chưa được chứng minh, nhưng nếu giả thuyết này đúng thì ta đang ở trong một trò đu quay chết chóc xuyên vũ trụ. Ít nhất nhân loại hãy hàm ơn iridi và reni vì đã cảnh báo rằng chúng ta tốt nhất là nên đi trốn (có lẽ sớm thôi). Theo một nghĩa nào đó, bảng tuần hoàn không liên quan đến việc nghiên cứu lịch sử thiên văn của các nguyên tố. Mỗi ngôi sao hầu như không có gì ngoài hydro và heli, các hành tinh khí khổng lồ cũng vậy. Dù quan trọng với vũ trụ nhưng thực ra chu trình hydro- heli không khơi gợi trí tưởng tượng cho lắm. Chúng ta cần bảng tuần hoàn để đào sâu nghiên cứu những điều thú vị của tạo hóa, như vụ nổ siêu tân tinh và sự sống từ cacbon. Như triết gia-sử gia Eric Scerri viết: “Ngoài hydro và heli, mọi nguyên tố khác chỉ chiếm 0,04% vũ trụ. Chiếu theo quan điểm này thì bảng tuần hoàn dường như chẳng có ý nghĩa gì đáng kể. Nhưng sự thật là chúng ta vẫn sống trên Trái Đất… nơi mà trữ lượng tương đối của các nguyên tố khá khác nhau.” Qủa đúng là vậy, dù nó không thi vị bằng cách nói của nhà vật lý thiên văn quá cố Carl Sagan. Nếu không có “lò hợp hạch” mà B2FH mô tả để “rèn” nên các nguyên tố như cacbon, oxy, nitơ và không có vụ nổ siêu tân tinh để gieo mầm những nơi hiếu khách như Trái Đất thì sự sống sẽ không bao giờ hình thành. Như Sagan đã nói một cách đầy trìu mến: “Chúng ta đều sinh ra từ bụi sao.” Thật không may, “bụi sao” của Sagan đã không phân bố đồng đều trên hành tinh chúng ta. Bất chấp rằng vật chất từ siêu tân tinh bắn ra theo mọi hướng và Trái Đất thời tiền sinh nỗ lực khuấy đều chúng, một số vùng vẫn có trữ lượng khoáng chất hiếm cao hơn. Cũng có lúc điều này truyền cảm hứng cho các thiên tài khoa học (như ở Ytterby, Thụy Điển). Nhưng thường thì chúng lại khơi dậy lòng tham – nhất là những nguyên tố quý hiếm đem lại lợi ích về mặt thương mại hay chiến tranh, hoặc tệ hơn là cả hai cùng lúc.