Đo lường vạn vật

Bạn đã nghe đến phương pháp đo khoang cách bằng cách lập lưới tam giác? Đó đơn giản là việc ứng dụng lượng giác, khi chúng ta biết độ dài một cạnh và hai góc, ta có thể tính độ dài các cạnh còn lại. Các nhà khoa học đã áp dụng cách này để đo khoảng cách từ Earth đến Mặt trăng.

Tại sao phải đến tận Nam Mỹ để lập lưới tam giác? câu chuyện bắt nguồn từ cuốn sách nổi tiếng nhất TG của Newton: The Principa với trung tâm là 3 Định luật Newton. Vì những đóng góp của chúng giúp giải thích rất nhiều thứ xuống của thủy triều, chuyển động hành tinh, quỹ đạo của đạn đại bác… Cũng theo Newton, Trái đất hơi dẹt (phẳng ở hai cực và phình ở xích đạo), nên nhiều đoàn thám hiểm đi kiểm chứng.

Newton còn dự đoán con lắc sẽ nghiêng khi ở gần ngọn núi lớn –> gợi ý cách đo hằng số G của định luật hấp dẫn, dẫn đến thí nghiệm đo hắng số hấp dẫn nổi tiếng của Cavendish, gồm 17 phép đo liên kết với nhau (chỉ sai lệch 1% so với kết quả chính xác ngày nay). Từ đó con người có thể tính được chính xác khối lượng của cả Mặt trời, mặt trang, các thiên thể khác… Vậy còn tuổi của Trái đất thì sao?

Những người phá đá 

Nhà khoa học người Scotland, Hutton đã thắc mắc: Vì sao có vỏ sỏ dính trong đá ở trên các dãy núi cao? Ông khám phá ra các dãy núi và vỏ sò được nâng lên cùng với nhau. Hoạt động địa chất trong lòng Trái đất nỏng chảy đã nâng chúng lên và tạo ra các dãy núi. Đây là cơ sở của thuyết kiến tạo mạng.  

Sau khi John Playfair diễn giải những ý tưởng của ông thành sách năm 1802: cuốn sách đã được đón nhận nồng nhiệt và tạo ra phong trào nghiên cứu địa chất học. Nhiều người có xu hướng bắt chước phong cách Hutton, họ được gọi là những người “phá đá”, còn Hutton được xem như cha đẻ của ngành Địa chất học.

Việc có xuất sử từ Vương quốc Anh của ngành này đã phần nào ảnh hưởng đến việc đặt tên các giai đoạn địa chất, theo tên địa danh của nước Anh: kỷ Devon đặt theo tên quận Devon, kỷ Cambria đặt theo tên của xứ Wales trong tiếng Latin,… Sau này khi nghiên cứu địa chất mở rộng hơn thì mới có các tên xuất xứ từ nơi khác: kỷ Jura (theo tên dãy núi Jura ở biên giới Pháp và Thụy Sỹ), kỷ Permion (từ tên tỉnh Perm, thuộc nước Nga)…

Về cơ bản, lịch sử địa chất chia làm 4 giai đoạn (hay gọi là các đại): Đại Tiền Cambria, Đại cổ sinh, Đại trung sinh, Đại tân sinh. Trong đó, tùy theo cách chia lại phân ra thành 12 đến 20 kỷ, trong đó lại chia thành 60 Thế … tên của chúng thường đặt theo các địa danh và thường vô nghĩa, rất khó nhớ với người ngoại đạo. “May mắn thay, trừ khi bạn chọn địa chất là nghề nghiệp của mình, nhiều khả năng bạn sẽ không phải nghe chúng thêm một lần nào nữa”

Dù thời ấy không có cách nào để xác định tuổi hóa thạch, các nhà khoa học, trong đó có Darwin vĩ đại, vẫn tin rằng tuổi trái đất rất xưa. Năm 1715, Ed Halley đề xuất một công thức thú vị để tính tuổi trái đất: tuổi trái đất = tổng lượng muối trên trái đất/lượng muối có thêm mỗi năm. Nhưng để tính chính xác tuổi Trái đất, con người chúng ta phải đợi đến thế kỷ 20, khi kỷ nguyên của khoa học nguyên tử bắt đầu. Bạn có thể đọc ở bài Lược Sử Vạn Vật – Trái Đất

Khoa học nhuốm máu nơi nanh vuốt

Bây giờ, tôi xin kể với các bạn câu chuyện về một ngành khoa học khác có liên quan đến ngành địa chất, đó chính là khảo cổ học. Theo ghi chếp thì TS người Mỹ Caspar Wistar là người đầu tiên tìm thấy một hóa thạch khủng long vào năm 1787. Rất tiếc, thời đó chưa có khái niệm tuyệt chủng nên ông không nhận ra tầm quan trọng của mẫu hóa thạch và để nó trôi vào quên lãng.

Khái niệm tuyệt chủng lần đầu được đề xuất bởi nhà khảo cổ người Pháp Cuvier, thiên tài trong việc sắp xếp các mẩu xương hóa thạch. Loài tuyệt chủng đầu tiên được tìm ra là voi răng mấu (mastodon), một họ hàng của voi mamut. (Câu chuyện ly kỳ về tài năng và kỳ công của Cuvier các bạn có thể tìm đọc trong cuốn sách “Đợt tuyệt chủng thứ 6”). Cuvier đã đặt nền móng cho lý thuyết tuyệt chủng, và sau đó có nhiều nhà sinh vật đã tìm thấy hóa thạch của nhiều loài mới, tiêu biểu như bà Anning, người có câu nói líu lưỡi nổi tiếng: “She sales sea-shells on the seashore”

Tuy nhiên, không phải ai trong ngành khảo cổ cũng thành công. Câu chuyện về cuộc đời bác sĩ Mantell thực sự rất thương tâm. Tuy ông là người đầu tiên tìm ra chiếc răng hóa thạch của một loài khủng long khổng lồ năm 1822, tên tuổi của ông không được ghi nhận. Sau đó, ông còn bị nhà khoa học Owen chơi xấu và nhiều lần cướp công, khiến cho ông thất nghiệp, sống tàn tật vào cuối đời. Còn Owen trở nên nổi tiếng với việc đặt cho loài khủng long cái tên như chúng ta đã biết: dinosaurs, vào năm 1841. Tuy nhiên, về cuối đời, Owen bị thất sủng và bị buộc phải rời khỏi ngành.

Thế nhưng, cuộc ganh đua ác liệt nhất trong khoa học thuộc về hai nhà khoa học Cope và Marsh ở bờ kia của Đại tây dương. Tuy ban đầu họ là bạn tốt, nhưng đã trở thành kẻ thù và căm ghét nhau suốt 3 thập kỷ. Câu chuyên bắt đầu vào năm 1877, khi một giáo viên ở Colorado gửi mẩu xương hóa thạch của một loài “thằn lằn khổng lồ” cho cả Marsh và Cope. Cope đã gửi anh ta 100 đô và đề nghị anh đừng tiết lộ với ai, kể cả Marsh. Người giáo viên sau đó đã yêu cầu Marsh chuyển mẩu xương của mình cho Cope, và đối với Marsh đó là một sự sỉ nhục không thể nào quên. Họ trở thành kẻ thù không đội trời chung. Thế nhưng, sự đố kỵ lẫn nhau của họ tình cờ lại thúc đẩy khảo cổ học phát triển nhanh không ngờ. Suốt vài năm sau, hai người đã làm gia tăng số lượng loài khủng long ở Mỹ được phát hiện từ 9 lên gần 150 loài. Gần như tất cả các loài khủng long phổ biến – thằn lằn sấm (brontosaurus), khủng long ba sừng (triceratops)…- đều do một trong hai ông phát hiện (chỉ trừ loài khủng long bạo chúa (T-rex) huyền thoai, được phát hiện bởi Brown năm 1902).

Cuộc săn tìm khủng long không dừng lại mà tiếp tục phát triển sau khi các “thợ săn” vĩ đại của thế kỷ XIX qua đời. Đến đầu thế kỷ XX, các nhà cổ sinh vật đã có hàng tấn, theo đúng nghĩa đen, kho xương hóa thạch để nghiên cứu. Điều này càng chứng tỏ tuổi Trái đất không chỉ vài mươi triệu năm, bởi như vậy nghĩa là tất cả các loài cổ sinh vật đó phải xuất hiên và bị tuyệt chủng trong cùng một niên đại địa chất. Trái đất phải già hơn thế rất nhiều. Thế nhưng già đến bao nhiêu, thì phải đợi đến Erthest Rutherford đưa ra bằng chứng không thể chối cãi, Bằng chứng đó, dù rất tự nhiện, lại bắt nguồn từ chính thuật giả kim…

Các nguyên tố cơ bản

Công trình đầu tiên phân biệt giả kim thuật với hóa học hiện đại, cuốn “Những nhà hóa học đa nghi” của Boyle năm 1661, đây được xem như năm khai sinh của hóa học. Tuy nhiên, đến thế kỷ XVIII thì các nhà khoa học vẫn đứng về cả hai phe: giả kim và hóa học.

Thí nghiệm của Brand năm 1675, chưng cất vàng từ nước tiểu, cho thấy bản chất kỳ lạ và ngẫu nhiên của hóa học trong những ngày đầu. Dĩ nhiên ông thất bại, nhưng ông đã giúp tìm ra phốt pho (trong tiếng Hy Lạp phosphorus nghĩa là “mang lửa”). Đến năm 1750, Carl Scheel (Thụy Điển) đã tìm ra sản xuất phốt pho hàng loạt không phải chịu mùi hôi. Scheel có thói quen đòi nếm tất cả các chất, bất chấp nguy hiểm. Thói quen kỳ quặc này đã khiến ông mất sớm khi chỉ 43 tuổi. Ông phát hiện ra oxy năm 1772 nhưng ko kịp công bố. Và vinh quang đó thuộc về Joseph Pristley chỉ 2 năm sau. Scheel cũng không được công nhận là người khám phá ra clo, dù sự thật thì Ngài Davy tìm ra nó sau ông đến 36 năm.

Phải đợi đến khi Lavoisier với tầm nhìn tuyệt vời đã thúc đẩy hóa học bước sang thời hiện đai. Dù Lavoisier không phát hiện ra nguyên tố nào, nhưng ông đem lại phương pháp tính toán chặt chẽ, tường minh cho hóa học. Ông nhận dạng chính xác đặt tính của oxy và nito rồi đặt cho chúng những cái tên hiện đại như ngày nay vẫn dùng. Đáng tiếc, Lavoiser sinh ra trong thời kỳ rất bất ổn (Cách mạng Pháp). Ông bị tố bởi Marat (một người mà ông đã vô tình nhận xét thờ ờ công trình khoa học của ông ta trước đây). Ông bị treo cổ năm 1973.

Sau đó, Hóa học dường như bị mất đà, không có nhiều khám phá đáng kể trong suốt thế kỷ XVIII. Phải nhờ đến sự xuất hiện của một nhân vật phi thường – Bá tước Rumfold – được biết đến với cái tên bình thường Benjamin Thompson. Ông từng ủng hộ hoàng gia trong chiến tranh giành độc lập (Mỹ) và phải lưu vong sang Anh và Đức. Ông đã đóng góp nhiều cho chính quyền Bavaria thuộc Đế quốc La Mã thần thánh, và được phong Bá tước. Ông đã cưới bà vợ góa của chính Lousevier (bà này có lẽ là người phụ nữ duy nhất trong lịch sử cưới cả hai nhà khoa học nổi tiếng). Thompson trở thành chuyên gia nhiệt động lực học hàng đầu thế giới và đã làm sáng tỏ các nguyên lý về tính đối lưu của chất lỏng và sự vận động của các dòng hải lưu. Ông thành lập Học viên Hoàng gia năm 1799 trong chuyến đi ngắn tới London.  Đây có lẽ là nơi duy nhất nhiệt tình ủng hộ ngành hóa học non trẻ. Công lao lớn thuộc về chàng trai trẻ sáng dạ Humphry Davy, một giáo sư học viện khi nó vừa ra đời. Davy lần lượt phát hiện ra 12 nguyên tố trong đó có K, Na, Mg, Ca, Sr, Al… Sự khác biệt trong cách viết aluminum/aluminium cũng bắt nguồn từ Davy. Ban đầu ông đặt tên là alumium, nhưng 4 năm sau đó không hiểu sao ông đổi lại thành aluminum. Người Mỹ tôn trọng sự thay đổi này trong khi người Anh không thích phá vỡ truyền thống đặt tên nguyên tố có đuôi -ium, nên họ thêm i vào và thành aluminium.

1811, một người Ý với cái tên rất dài đậm chất Opera là Lorenzo Romano Amando Carlo Avogadro, đã phát hiện thấy hai khối lượng khí bất kỳ, nếu được giữ trong cùng áp suất nhiệt độ, sẽ chứa số phân tử như nhau. Sử dụng thuật toán Avogadro, các nhà hóa học đã tính được đường kính nguyên tử 0.00000008 cm. Điều thú vị là hầu như không ai biết đến hằng số Avogadro trong gần 50 năm, 1811-1860 (nó được đặt theo tên ông, rất lâu sau khi ông qua đời). Hằng số này thường kí hiệu là N, xấp xỉ bằng 6.022 x 10^23, một con số cực kỳ lớn. Nếu tưởng tượng mỗi phân tử to bằng một hạt bỏng ngô, thì N phân tử này có thể phủ kín toàn bộ diện tích nước Mỹ, nhân thêm một bề dày là 9 dặm. 

Hóa học nửa sau thể kỷ XIX vẫn là một mớ lộn xộn, bởi các nhà hóa học làm việc quá biệt lập và có ít sự đồng thuận. Hầu như không có quy tắc trình bày thống nhất về phân tử. Sau đó, Berzelius mới đề xuất biện pháp viết tắt các nguyên tố dựa trên tên tiếng Hy Lạp hoặc Latinh, vd sắt là Fe (ferrum trong tiếng Latin). Các nguyên tố như O, N, H,… có chữ cái đầu trùng tên tiếng Anh, bởi các từ này có nguồn gốc Latin, chứ hông phải do vị trí cao quý của tiếng Anh. Tuy vậy, sự sắp xếp các nguyên tố chỉ thật sự tường minh nhờ có Mendeleev. Trước ông, Newlands đã thử sắp xếp các nguyên tố theo nhóm tám, gọi nó là Luật quãng tám và so sánh với quãng tám trên phím dương cầm. Ý tưởng này bị cho là lố bịch và ông từng bị giễu cợt: “ông có thể bảo các nguyên tố chơi một đoạn nhạc không?”. Mendeleev đã nhạy bén hơn, ông xếp các nguyên tố theo nhóm bảy vào một bảng (mà ngày này chúng ta đều biết là bảng tuần hoàn hóa học), thế rồi đặc tính các nguyên tố lặp lại một cách có chu kỳ rất tường minh (nguyên tố theo hàng ngang là cùng chu kỳ, theo hàng dọc là cùng nhóm, cùng nhóm thì tính chất giống nhau như Cu và Ag. Thời của Mendeleev mới chỉ có 63 nguyên tố được phát hiện, nhưng ông dự đoán các nguyên tố mới sẽ chiếm chỗ khi chúng được tìm ra (để tri ân ông, nguyên tố 101 đặt theo tên ông). Các nguyên tố được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của số hiệu nguyên tử (số proton có trong hạt nhân), nếu lớn hơn 168 thì bị xem là “suy diễn thuần túy”.

Năm 1896, Becquerel vô tình phát hiện gói muối urani để quên trên tấm kính ảnh đã cháy hết và làm tấm kính như bị phơi sáng. Các hạt muối đã tạo ra một loại tia nào đó. Ông giao cho học viên cao học Marie Curie tìm hiểu, và đây là tiền đề để bà cùng chồng là Piere nghiên cứu về tia phóng xạ và chiết tác thành công poloni (đặt theo tên Ba Lan, quê hương bà), và radi, những cống hiến đã giúp ông bà nhận giải Nobel vật lý 1904. Bà tiếp tục nhân giải Nobel hóa học 1911 (đến nay vẫn là người duy nhất nhận giải Nobel trên 2 lĩnh vực)

Tại Montreal, chàng trai trẻ Rutherford nhận thấy sự phân rã phóng xạ là nguyên nhân chính cho sự ấm áp của Trái đất. Nguyên tố phóng xạ phân rã để trở thành nguyên tố khác – chính là giả kim thuật, diễn ra một cách tự nhiện và tự phát. Như vậy, hóa học đã đi một chặng đường vòng rất dài gần 3 thế kỷ, từ Boyle đến Rutherford, để trở về chính xuất phát điểm của nó, nhưng lần này với một sự am hiểu tường minh và sâu sắc hơn nhiều.

Bằng cách sử dụng chu kỳ bán rã, là khoảng thời gian một chất phóng xạ bị phân rã và chỉ còn lại một nửa số nguyên tử so với ban đầu, Rutherford đã tính được tuổi của quặng urani là 700 triệu năm, một con số rất lớn so với độ tuổi của Trái đất theo tính toán thời bấy giờ. Ngay cả khi phương pháp đo lường phân rã này đã trở nên nổi tiếng, vẫn cần thêm vài thập kỷ sau đó để con người tính được tuổi thật của Trái đất. 

Suốt thời gian dài người ta cho rằng bất cứ thứ gì có năng lượng khổng lồ như phóng xạ đều có lợi. Nhiều năm liền các nhà sx cho thori vào thuốc đánh răng và thuốc nhuận tràng… mãi tới 1938 nó mới bị cấm sử dụng trong các sản phẩm tiêu dùng. Song đã quá muộn với Marie Curie, bà mất vì bệnh máu trắng năm 1934.

Nhờ cống hiến và khả năng chịu rủi ro vô thức của những nhà khoa học nguyên tử đầu tiên, vào đầu thế kỷ XX, khoa học chuẩn bị bước sang kỷ nguyên mới – kỷ nguyên nguyên tử.
Mời các bạn đoc tiếp về Vũ Trụ ở bài Kỷ Nguyên Mới Bắt Đầu

(Tác giả: Sơn Nguyễn)