Ý tưởng nguyên tử, rằng mọi vật được làm từ những hạt cực nhỏ không chia được, đã có từ Hy Lạp cổ, nhưng suốt hơn hai nghìn năm nó chỉ là suy đoán. Nó được dùng như một công cụ tính toán trong hoá học thế kỷ mười chín, vẫn bị nhiều nhà khoa học lớn nghi ngờ, và chỉ được chứng minh là có thật vào đầu thế kỷ hai mươi qua những hạt phấn nhảy múa trong nước.
Chào bạn, đây là Nhà Tư Tưởng. Tập này kể một ý tưởng sống lâu nhất mà cũng lận đận nhất: nó từng gần như biến mất, được cứu lại nhờ một bài thơ tìm thấy trong tu viện, và mãi tới khi Einstein còn là một nhân viên văn phòng cấp bằng sáng chế mới có lời giải cuối cùng.
Hạt không chia được của người Hy Lạp
Khoảng thế kỷ thứ năm trước Công nguyên, các triết gia Hy Lạp như Leucippus và học trò là Democritus đặt câu hỏi: nếu cứ chia một miếng đá ra mãi thì sao. Họ cho rằng đến một lúc phải gặp những hạt không chia được nữa, và gọi chúng bằng chữ có nghĩa là không thể cắt, gốc của chữ nguyên tử.
Theo họ, thế giới chỉ gồm những hạt ấy và khoảng trống. Sự khác nhau của sắt, nước, gỗ là do hạt khác hình dạng, sắp xếp khác nhau. Đó là một suy đoán táo bạo, hoàn toàn bằng suy luận, không có thí nghiệm nào.
Aristotle, người có ảnh hưởng lớn hơn nhiều, không chấp nhận ý tưởng này. Ông cho rằng vật chất liên tục, chia mãi được, và không có khoảng trống thật sự. Vì uy tín của Aristotle, nguyên tử bị đẩy ra lề tư tưởng châu Âu rất lâu.
Ở Ấn Độ cổ cũng có những trường phái triết học nói về các hạt vật chất nhỏ nhất. Ý tưởng hạt nhỏ dường như là một câu hỏi mà nhiều nền văn minh tự đi tới.
Bài thơ được tìm thấy trong tu viện
Ý tưởng nguyên tử được nhà thơ La Mã Lucretius giữ lại trong một bài thơ dài, Về bản chất của vạn vật. Ông trình bày quan điểm của trường phái Epicurus bằng những câu thơ đẹp, tả các hạt nhỏ va vào nhau như bụi bay trong tia nắng.
Qua thời Trung cổ, bài thơ gần như biến mất. Năm một nghìn bốn trăm mười bảy, một học giả người Ý săn sách cổ tên là Poggio Bracciolini tìm thấy một bản chép tay trong một tu viện và cho chép lại. Bài thơ lại được lưu hành.
Từ đó, ý tưởng nguyên tử len lại vào tư tưởng châu Âu, được các nhà khoa học thế kỷ mười bảy như Gassendi, Boyle, Newton bàn tới. Một ý tưởng sống sót được có khi chỉ nhờ một bản chép tay may mắn còn sót lại.
Cái hình ảnh bụi bay trong nắng của Lucretius, mà bạn có thể thấy trong bất cứ căn nhà nào buổi chiều, về sau lại trở thành chìa khoá của câu chuyện.
Dalton dùng nguyên tử để tính toán
Đầu thế kỷ mười chín, nhà khoa học người Anh John Dalton đưa nguyên tử vào hoá học một cách cụ thể. Ông nhận thấy các chất kết hợp với nhau theo những tỉ lệ khối lượng cố định, và giải thích bằng giả định mỗi nguyên tố gồm những nguyên tử giống nhau có khối lượng riêng.
Từ đây, nguyên tử không còn là suy đoán triết học mà là một công cụ làm việc. Các nhà hoá học lập bảng khối lượng nguyên tử, tính toán phản ứng, và về sau dựng nên bảng tuần hoàn.
Thế nhưng nhiều nhà khoa học vẫn coi nguyên tử chỉ là cách nói tiện lợi, như một ký hiệu kế toán, chứ không phải vật có thật. Cuối thế kỷ mười chín, một số nhà khoa học có tiếng như Ernst Mach còn phản đối việc tin vào thứ không thể nhìn thấy.
Đây là một tình huống thú vị: một ý tưởng hữu ích, dùng hằng ngày, mà vẫn chưa chắc có thật. Khoa học có nhiều lúc làm việc với những công cụ như vậy.
Hạt phấn nhảy múa và lời giải năm một nghìn chín trăm lẻ năm
Năm một nghìn tám trăm hai mươi bảy, nhà thực vật học Robert Brown nhìn dưới kính hiển vi những hạt rất nhỏ từ hạt phấn hoa trong nước, và thấy chúng run rẩy, nhảy múa không ngừng. Ông kiểm tra cả hạt bụi không có sự sống và chúng cũng nhảy. Không ai giải thích được.
Năm một nghìn chín trăm lẻ năm, Albert Einstein, khi đó còn làm ở văn phòng cấp bằng sáng chế ở Thuỵ Sĩ, công bố một bài báo giải thích: các hạt nhỏ nhảy múa vì bị vô số phân tử nước va đập từ mọi phía một cách ngẫu nhiên. Ông còn đưa ra công thức dự đoán hạt sẽ trôi xa bao nhiêu.
Vài năm sau, nhà vật lý người Pháp Jean Perrin làm những thí nghiệm tỉ mỉ kiểm tra dự đoán đó và thấy khớp. Từ kết quả, ông còn tính được kích thước của phân tử. Những người hoài nghi lớn nhất cũng dần thừa nhận nguyên tử có thật. Perrin được trao giải Nobel vật lý vì công trình này.
Vậy là hình ảnh bụi bay trong nắng của Lucretius, sau gần hai nghìn năm, đã có một lời giải thích bằng toán học và thí nghiệm.
Ý tưởng đi trước bằng chứng
Giờ mình nói sang bài học. Nguyên tử là ví dụ đẹp nhất về một ý tưởng đi trước bằng chứng rất lâu. Người Hy Lạp đoán đúng hướng nhưng không có cách kiểm. Điều đó không có nghĩa họ làm khoa học tốt hơn Aristotle, họ chỉ may mắn đoán trúng.
Cũng cần nói rằng nguyên tử hiện đại khác xa hạt không chia được của Democritus. Thế kỷ hai mươi cho thấy nguyên tử có hạt nhân, có electron, và chia được. Cái tên giữ nguyên, còn nội dung đã đổi hẳn.
Câu chuyện còn cho thấy giá trị của những người hoài nghi. Mach sai về nguyên tử, nhưng chính sự đòi hỏi bằng chứng của những người như ông đã buộc Einstein và Perrin phải làm cho thật chặt.
Câu hỏi cho bạn: có ý tưởng nào bạn đang dùng hằng ngày rất hiệu quả mà thật ra chưa bao giờ kiểm xem nó có đúng không?
Câu hỏi thường gặp
Chữ nguyên tử trong tiếng Hy Lạp nghĩa là gì?
Chữ gốc mang nghĩa không thể cắt, không thể chia. Người Hy Lạp dùng nó để chỉ những hạt nhỏ nhất của vật chất mà họ hình dung là không chia được nữa.
Ngày nay nguyên tử có chia được không?
Có. Nguyên tử gồm hạt nhân và các electron, hạt nhân lại gồm những hạt nhỏ hơn. Cái tên được giữ lại vì lý do lịch sử.
Chuyển động Brown là gì?
Đó là chuyển động run rẩy, ngẫu nhiên của những hạt rất nhỏ lơ lửng trong chất lỏng hay không khí, do bị các phân tử xung quanh va đập liên tục.
Vì sao có nhà khoa học không tin nguyên tử dù hoá học dùng nó?
Vì thời đó chưa ai nhìn hay đo trực tiếp được nguyên tử, nên một số người coi nó chỉ là cách tính toán tiện lợi. Họ đòi bằng chứng trực tiếp hơn, và bằng chứng ấy đến vào đầu thế kỷ hai mươi.
Lucretius là ai?
Ông là nhà thơ La Mã sống vào thế kỷ thứ nhất trước Công nguyên, tác giả bài thơ triết học Về bản chất của vạn vật, trình bày tư tưởng của trường phái Epicurus về nguyên tử.
