Chương 21

Những mảnh vật chất nhỏ xíu

Nguyên tử đã từng mang tiếng rất xấu. Bạn có nhớ những người Hy Lạp cổ đại với ý niệm về nguyên tử như một phần của một Vũ Trụ hoàn toàn ngẫu nhiên và không có mục đích? Vậy làm thế nào mà ngày nay, đối với chúng ta, việc được tạo thành từ nguyên tử dường như tự nhiên đến vậy?

Lý thuyết hiện đại về “nguyên tử” là thành quả trí tuệ độc đáo của một thành viên của phái Giáo hữu, John Dalton (1766–1844). Là con của một thợ dệt vải, ông học ở một trường tốt gần nơi ông sinh ra, tại Lake District, Anh. Ông đặc biệt giỏi môn toán và khoa học, và một nhà toán học khiếm thị nổi tiếng đã khuyến khích tham vọng toán học của ông. Dalton định cư tại Manchester ở gần đó, một thị trấn đang trong thời kỳ hưng thịnh và phát triển nhanh vào thời kỳ đầu của Cách mạng Công nghiệp, khi những nhà máy bắt đầu thống trị hoạt động sản xuất tất cả các loại hàng hóa. Tại đây, ông làm giảng viên và giáo viên hướng dẫn riêng. Ông là người đầu tiên thuyết trình về chứng mù màu, dựa trên tình trạng này của chính ông. Trong nhiều năm, chứng mù màu đã được gọi là “Hội chứng Dalton”. Nếu bạn biết ai đó bị mù màu, đó có khả năng cao là một cậu bé, vì các cô bé hiếm khi mắc chứng này.

Dalton cảm thấy thoải mái như ở nhà khi tham gia vào Hội Văn học và Triết học Manchester. Những thành viên tích cực trong Hội đã trở thành một gia đình mở rộng của người đàn ông nhút nhát và không bao giờ lập gia đình này. Hội “Văn và Triết” ở Manchester là một trong nhiều hội tương tự được thành lập từ thế kỷ 18 ở các thị trấn và thành phố trên toàn châu Âu và Bắc Mỹ. Benjamin Franklin, một điện nhân, là một trong những người sáng lập ra Hội Triết học Mỹ ở Philadelphia. Tất nhiên, “triết học tự nhiên” chính là cái mà ngày nay chúng ta gọi là khoa học. Từ “Văn học” trong tên của Hội ở Manchester nhắc nhở chúng ta rằng vào thời đó khoa học vẫn chưa tách rời khỏi các lĩnh vực khác của hoạt động trí óc; các thành viên sẽ tụ tập để nghe diễn thuyết về bất cứ bộ môn nào, từ các vở kịch của Shakespeare đến khảo cổ học và hóa học. Thời đại của chuyên môn hóa, khi các nhà hóa học hầu như chỉ trao đổi với các nhà hóa học khác, hoặc các nhà vật lý học với các nhà vật lý học khác, nằm ở tương lai. Thật phấn khích khi chủ đề lại rộng đến vậy!

Dalton là tia sáng dẫn đường cho đời sống khoa học ở Manchester, và nghiên cứu của ông dần được đánh giá cao trên toàn châu Âu và Bắc Mỹ. Ông làm một vài nghiên cứu thực nghiệm quan trọng trong hóa học, nhưng danh tiếng của ông khi đó và cho đến ngày nay vẫn đến từ ý tưởng của ông về nguyên tử hóa học. Các nhà hóa học trước ông đã chứng minh rằng khi các chất hóa học phản ứng với nhau, chúng phản ứng theo những cách có thể dự đoán được. Khi hydro “cháy” trong không khí bình thường (mà một phần trong đó là oxy), sản phẩm thu được luôn là nước, và nếu bạn đo mọi thứ cẩn thận, bạn có thể thấy rằng tỉ lệ hai chất khí kết hợp với nhau để tạo thành nước là không đổi. (Đừng thử thí nghiệm này ở nhà, vì hydro rất dễ cháy, và nó có thể phát nổ.) Tính quy tắc này cũng xuất hiện trong các thí nghiệm hóa học khác với các chất khí, chất lỏng, và chất rắn. Tại sao lại như vậy?

Đối với Lavoisier, ở thế kỷ trước, việc này xảy ra vì các nguyên tố là các đơn vị vật chất cơ bản và không thể bị phân chia thành các phần nhỏ hơn. Dalton gọi đơn vị vật chất nhỏ nhất là “nguyên tử”. Ông nhấn mạnh rằng nguyên tử của cùng một nguyên tố luôn giống nhau, nhưng khác với nguyên tử của các nguyên tố khác. Ông tưởng tượng ra nguyên tử là một hạt vật chất rắn, siêu nhỏ, và được nhiệt bao quanh. Nhiệt lượng xung quanh các nguyên tử giúp ông giải thích được tại sao các nguyên tử của ông, và những hợp chất chúng tạo ra khi kết hợp với các nguyên tử khác, có thể tồn tại ở nhiều trạng thái. Ví dụ, nguyên tử của hydro và oxy có thể tồn tại dưới dạng nước đá cứng (khi chúng có ít nhiệt nhất), hoặc ở dạng nước lỏng, hoặc dạng hơi nước (khi chúng có nhiều nhiệt nhất).

Dalton làm các mô hình với các hình cắt giấy nhỏ để đại diện cho các nguyên tử của ông. Ông đánh dấu các miếng cắt bìa carton bằng các dấu hiệu, để tiết kiệm không gian (và thời gian) khi viết tên của các hợp chất và phản ứng của chúng (cứ như thể ông đang gửi một tin nhắn hiện đại). Lúc đầu, hệ thống này của ông quá kì cục khiến người ta không thể sử dụng dễ dàng, nhưng nó là ý tưởng đúng đắn, vì thế các nhà hóa học quyết định sử dụng những chữ cái đầu tiên trong tên các nguyên tố làm kí hiệu đại diện cho chúng (và vì thế cho cả các nguyên tử của Dalton). Như vậy, hydro trở thành “H”, oxy thành “O” và carbon thành “C”. Đôi khi người ta phải thêm một chữ cái nữa để tránh nhầm lẫn: ví dụ, khi sau đó người ta tìm ra nguyên tố heli, nó không thể mang kí hiệu H nên nó trở thành “He”.

Thuyết nguyên tử của Dalton tuyệt vời ở chỗ nó cho phép các nhà hóa học biết nhiều điều về những hạt vật chất nhỏ này, mà trên thực tế họ không bao giờ có thể thực sự nhìn thấy. Nếu mọi nguyên tử của một nguyên tố đều giống nhau, thì chúng phải nặng như nhau, nên các nhà hóa học có thể đo một nguyên tố nặng thế nào trong tương quan với nguyên tố khác. Trong một hợp chất được tạo thành từ nhiều nguyên tố khác nhau, họ có thể đo được có bao nhiêu nguyên tử mỗi loại trong hợp chất đó, bằng khối lượng tương đối. (Dalton không thể thực sự đo được một hạt nguyên tử nặng bao nhiêu, nên nguyên tử khối chỉ được so với khối lượng của các nguyên tử khác.) Dalton là người tiên phong trong việc này, và không phải lúc nào ông cũng có được kết quả đúng. Ví dụ, khi hydro và oxy kết hợp để tạo thành nước, ông giả thiết rằng một nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy tham gia vào phản ứng này. Bằng việc cân đo cẩn thận, ông gán cho nguyên tử hydro khối lượng là một (hydro là nguyên tố nhẹ nhất con người từng biết đến), và nguyên tử khối của oxy là 7, nên ông phát biểu rằng chúng có tỉ lệ khối lượng là 1 so với 7, hoặc 1:7. Ông luôn làm tròn nguyên tử khối thành số nguyên và những khối lượng tương đối mà ông đang nghiên cứu gợi ý rằng ông đã đúng. Trên thực tế, tỉ lệ khối lượng trong nước gần với 1:8 hơn. Chúng ta cũng biết rằng có tới hai nguyên tử hydro trong mỗi phân tử nước, nên tỉ lệ khối lượng thực ra là 1:16 – một của hydro so với mười sáu của oxy. Nguyên tử khối hiện tại của oxy là 16. Hydro vẫn luôn giữ được nguyên tử khối kì diệu của nó, là giá trị 1 mà Dalton gán đã cho nó. Hydro không chỉ là nguyên tử nhẹ nhất, nó còn là nguyên tử phổ biến nhất trong Vũ Trụ.

Thuyết nguyên tử của Dalton giải nghĩa được các phản ứng hóa học, bằng cách cho thấy những nguyên tố hoặc nguyên tử kết hợp với nhau theo những tỉ lệ cố định như thế nào. Tức là, hydro và oxy hoạt động như vậy khi chúng hình thành nước, carbon và oxy cũng như vậy khi chúng tạo ra carbonic, nitro và hydro cũng như vậy khi tạo ra amoniac. Tính quy tắc và bất biến như vậy, cùng với những dụng cụ đo lường càng ngày càng chính xác, đưa hóa học trở thành một ngành khoa học tiên tiến nhất vào đầu thế kỷ 19. Thuyết nguyên tử của Dalton đã đặt nền móng cho nó.

Humphry Davy (1778–1829) là nhân vật trung tâm của bộ môn hóa học này. Trong khi Dalton lặng lẽ, thì Davy lại khoa trương và có tham vọng lớn về địa vị xã hội. Giống Dalton, ông xuất thân từ tầng lớp lao động và đi học tại một trường tốt ở Cornwall. Ông cũng gặp may mắn. Ông được làm học trò của một bác sĩ sống ở gần đó, người muốn đào tạo Davy thành một bác sĩ gia đình. Thay vào đó, Davy đã sử dụng những cuốn sách mà thầy ông sở hữu để tự học hóa học (và các ngoại ngữ). Ông chuyển đến Bristol, trở thành trợ lý trong một y viện đặc biệt chuyên sử dụng các loại khí để chữa trị cho bệnh nhân. Trong thời gian ở đây, Davy thí nghiệm với nitro oxide, còn gọi là “khí cười” vì khi bạn hít khí này vào, nó sẽ làm bạn cảm thấy muốn cười. Cuốn sách về khí của Davy, xuất bản năm 1800, đã gây xôn xao dư luận, vì cho đến thời điểm đó nitro oxide đã trở thành một loại “chất kích thích giải trí” và các bữa tiệc với nitro oxide rất được ưa chuộng vào thời đó. Davy cũng lưu ý rằng, sau khi hít loại khí này vào, bạn không cảm thấy đau, và đề xuất rằng nó có thể có ích trong y học. Cần tới 40 năm để các bác sĩ nghe theo đề xuất của ông, và khí này cho đến nay vẫn thỉnh thoảng được sử dụng như thuốc giảm đau trong y học và nha khoa hiện đại.

Chỉ có thành phố London vĩ đại mới có thể thỏa mãn tham vọng của Davy. Ông có được cơ hội trở thành giảng viên môn hóa học tại Viện Hoàng gia, một tổ chức đưa khoa học đến với tầng lớp trung lưu. Davy, người đàn ông của những buổi biểu diễn, rất thành công ở đây. Những buổi diễn thuyết về hóa học của ông thu hút những đám đông lớn – người ta thường đến những buổi giảng bài này để giải trí đồng thời học hỏi. Davy trở thành giáo sư ở Viện Hoàng gia, và những nghiên cứu của ông phát triển phong phú. Cùng với những nhà hóa học khác, ông phát hiện ra tác dụng hóa học của pin Volta, pin đầu tiên trên thế giới. Ông hòa tan hợp chất vào chất lỏng để tạo thành dung dịch và rồi dùng pin Volta để đưa một dòng điện qua dung dịch, và phân tích những gì xảy ra. Điều ông nhìn thấy là ở nhiều dung dịch, nguyên tố và hợp chất bị thu hút về một đầu (cực), hoặc âm, hoặc dương, của pin. Davy xác định được một vài nguyên tố mới bằng cách này, ví dụ như natri và kali, hai nguyên tố đều tập trung xung quanh cực âm. Natri là một phần của hợp chất natri clorua, chất khiến cho nước biển có vị mặn, và cũng là thứ chúng ta vẫn cho vào thức ăn. Khi những nguyên tố mới được tìm ra, Davy có thể thí nghiệm với chúng và tìm ra nguyên tử khối tương đối của chúng.

Pin Volta, với cực âm và cực dương của nó, đã thay đổi cách các nhà khoa học tư duy về nguyên tử và hợp chất hóa học. Những thứ tích điện dương đi về phía cực âm, và những thứ tích điện âm đi về phía cực dương. Điều này giải thích tại sao các nguyên tố có xu hướng tự nhiên là kết hợp với nhau. Nhà hóa học người Thụy Điển, Jöns Jacob Berzelius (1779–1848) đã đưa kiến thức này thành phần cốt lõi trong học thuyết nổi tiếng của ông về kết hợp hóa học. Berzelius đã phải vượt qua một tuổi thơ khó khăn. Cha mẹ ông đều mất khi ông còn nhỏ, và ông được nhiều người họ hàng nuôi nấng. Nhưng khi trưởng thành, ông trở thành một trong những nhà hóa học có ảnh hưởng lớn nhất châu Âu. Ông khám phá ra niềm vui của nghiên cứu khi ông đang được đào tạo để trở thành một bác sĩ, và có đủ điều kiện để làm việc với tư cách một nhà hóa học tại thủ đô của Thụy Điển, Stockholm, nơi ông sinh sống. Ông cũng đi rất nhiều, đặc biệt là đến Paris và London – những nơi đầy hứng thú cho một nhà hóa học.

Giống Davy, Berzelius sử dụng pin Volta để quan sát các hợp chất trong dung dịch. Ông khám phá ra một vài nguyên tố mới bằng cách này, và ông đã xuất bản một danh sách của chúng cùng với nguyên tử khối chính xác nhất tới thời điểm đó. Ông tìm ra nguyên tử khối này bằng cách phân tích cẩn thận khối lượng tương đối của những chất kết hợp với nhau để tạo ra hợp chất, hoặc bằng cách chiết tách hợp chất rồi cẩn thận đo những sản phẩm thu được sau đó. Bảng hóa học xuất bản năm 1818 của ông liệt kê nguyên tử khối của 45 nguyên tố, với nguyên tử khối của hydro vẫn là 1. Nó cũng đưa ra công thức thành phần của hơn 2.000 hợp chất. Chính Berzelius đã là người phổ biến phương pháp định danh nguyên tố của Dalton bằng một hoặc hai chữ cái đầu tiên trong tên của chúng: C cho carbon, Ca cho canxi, và cứ như vậy. Điều này khiến cho ngôn ngữ của các phản ứng hoá học trở nên dễ đọc hơn nhiều. Khi các hợp chất chứa nhiều hơn một nguyên tử của một nguyên tố, ông biểu thị điều này bằng một số phía sau chữ. Berzelius đặt con số đó phía trên chữ, nhưng các nhà khoa học ngày nay đặt nó ở phía dưới: O2 nghĩa là có hai nguyên tử oxy. Ngoại trừ điểm đó, Berzelius viết các công thức hóa học rất giống cách chúng ta viết hiện nay.

Berzelius hiểu về các hợp chất vô cơ nhiều hơn các hợp chất hữu cơ. Các hợp chất “hữu cơ” là những hợp chất chứa carbon và gắn liền với những vật sống: đường và protein là hai ví dụ. Các hợp chất hữu cơ thường có cấu tạo hóa học phức tạp hơn các hợp chất vô cơ, và chúng có xu hướng phản ứng theo những cách khác với cách phản ứng của acid, muối, và chất khoáng, những đối tượng nghiên cứu chủ yếu của Berzelius. Berzelius nghĩ rằng không thể giải thích những phản ứng xảy ra trong cơ thể chúng ta (hoặc trong cơ thể của những vật sống khác như cây cối hay những con bò) theo cách chúng ta giải thích những phản ứng trong phòng thí nghiệm. Vào thời ông sống, hóa học hữu cơ đang được phát triển tại Pháp và Đức, và mặc dù ông tách mình khỏi những nhà hóa học này, ông thực ra đã đóng góp vào những nghiên cứu của họ. Đầu tiên, ông nghĩ ra cái tên “protein” để mô tả một trong những loại hợp chất hữu cơ quan trọng nhất. Thứ hai, ông nhận ra rằng nhiều phản ứng hóa học không xảy ra trừ khi có sự xuất hiện của một chất thứ ba. Ông gọi chất thứ ba này là “chất xúc tác”. Nó giúp cho phản ứng diễn ra, thường là đẩy nhanh phản ứng, nhưng nó không thực sự thay đổi trong phản ứng, không như những hóa chất khác kết hợp với nhau hoặc tách ra. Các chất xúc tác được tìm thấy ở khắp nơi trong tự nhiên, và cố gắng hiểu cách chúng hoạt động vẫn là mục tiêu của nhiều nhà hóa học từ thời của Berzelius.

Ở một nơi khác ở châu Âu, “nguyên tử” giúp các nhà hóa học hiểu được nghiên cứu của họ. Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều câu hỏi. Năm 1811, ở Ý, nhà vật lý học Amedeo Avogadro (1776–1856) đã có một phát biểu táo bạo. Phát biểu đó táo bạo đến mức nó bị các nhà hóa học phớt lờ trong gần 40 năm. Ông tuyên bố rằng số lượng phân tử của bất cứ chất khí nào, trong một thể tích xác định và ở nhiệt độ không đổi, là một con số không đổi. “Giả thuyết của Avogadro”, như sau này người ta đặt tên cho nó, có những hệ quả quan trọng. Nó có nghĩa là người ta có thể tính toán trực tiếp phân tử khối của các chất khí, sử dụng một công thức mà ông đã nghĩ ra. Ý tưởng, hay có thể gọi là giả thuyết, của ông cũng hỗ trợ người ta chỉnh sửa học thuyết nguyên tử của Dalton, vì nó giúp giải thích một đặc tính kì thú của một trong những chất khí được nghiên cứu nhiều nhất, hơi nước. Các nhà hóa học từ lâu đã luôn thắc mắc tại sao thể tích của hydro và oxy trong một lượng hơi nước nhất định lại không đúng như họ nghĩ nếu giả thiết rằng một nguyên tử hydro kết hợp với một nguyên tử oxy tạo ra một phân tử nước. Thì ra, có tới hai nguyên tử hydro cho mỗi nguyên tử oxy trong hơi nước. Các nhà hóa học đã phát hiện ra nhiều chất khí, bao gồm cả khí hydro và khí oxy, tồn tại trong tự nhiên không ở dạng những nguyên tử đơn lẻ mà ở dạng những phân tử: hai hoặc nhiều hơn hai nguyên tử kết hợp với nhau: H2 và O2 như chúng ta gọi chúng.

Ý tưởng của Avogadro dường như không có lý, nếu bạn tin vào thuyết nguyên tử của Dalton, và giả thuyết của Berzelius về nguyên tử của nguyên tố có đặc tính âm hoặc dưỡng định sẵn. Làm thế nào mà hai nguyên tử oxy đều mang điện tích âm lại liên kết với nhau? Những vấn đề này khiến cho nghiên cứu của Avogadro đã bị phớt lờ trong một gian dài. Tuy nhiên, rất lâu sau đó, nó giải thích được rất nhiều câu hỏi hóa học và giờ đây là một phần cơ bản quan trọng trong những hiểu biết của chúng ta về nguyên tử trong hóa học. Khoa học thường như vậy: tất cả những mảnh ghép chỉ khớp với nhau sau một thời gian dài và sau đó mọi thứ bắt đầu trở nên có lý.

Chương 22

Lực, trường và từ

Thuyết nguyên tử của Dalton góp phần tạo ra hóa học hiện đại, nhưng có những cách khác để xem xét các nguyên tử. Đầu tiên, chúng không đơn thuần chỉ kết hợp với nhau để tạo ra hợp chất mà còn làm được hơn thế rất nhiều. Các nguyên tử không đơn thuần đi vào các phản ứng hóa học. Cả Davy và Berzelius đã khéo léo vận dụng hiện tượng các nguyên tử trong một dung dịch có thể bị thu hút về cực âm hoặc cực dương nếu một dòng điện chạy qua dung dịch: các nguyên tử cũng là một phần của “điện”. Trong một dung dịch nước biển, tại sao natri lại tụ vào cực âm, và clo lại tụ vào cực dương?

Những câu hỏi tương tự đã được bàn luận sôi nổi vào thế kỷ 19. Một trong những nhà nghiên cứu chính là Michael Faraday (1791–1867). Faraday là một người đàn ông phi thường. Sinh ra trong một gia đình bình dân, ông chỉ có được giáo dục cơ bản. Ông dành thời trẻ học cách đóng sách, nhưng ông khám phá ra khoa học và dành thời gian rảnh để đọc bất cứ thứ gì ông có thể tìm được liên quan đến khoa học. Một cuốn sách thiếu nhi về hóa học được nhiều người ưa thích thời đó đã thổi bùng lên trí tưởng tượng của ông, và một khách hàng của hiệu đóng sách nơi ông làm việc đã cho ông một vé đến nghe buổi diễn thuyết của Humphry Davy ở Viện Hoàng gia. Faraday sung sướng lắng nghe và ghi chép cẩn thận bằng lối viết tay rõ ràng, sạch gọn của mình. Luôn luôn hào hứng, ông trình những ghi chép của mình cho Davy, người ngay lập tức đã ấn tượng với sự chính xác của những ghi chép này, nhưng ông khuyên Faraday rằng không có công ăn việc làm nào trong khoa học, và đóng sách là một nghề tốt hơn đối với một người cần kiếm sống.

Tuy nhiên, không lâu sau, một trợ lý phòng thí nghiệm tại Viện Hoàng gia bị sa thải, và Davy đề xuất Faraday nhận công việc này. Faraday đã làm việc tại đó trong toàn bộ phần đời còn lại của ông, góp phần biến nó thành một nơi sinh ra lợi nhuận cùng danh tiếng lớn. Những ngày đầu tiên của Faraday ở Viện được dành để giải các phương trình hóa học cho Davy. Faraday làm việc đặc biệt xuất sắc trong phòng thí nghiệm, nhưng ông tiếp tục đọc về các vấn đề khoa học tổng quát hơn. Ông là một thành viên mộ đạo của một nhóm Tân giáo đặc biệt; ông dành nhiều thời gian cho Giáo Hội của mình, và niềm tin tôn giáo của ông đã cũng dẫn đường cho những câu hỏi khoa học của ông. Rất đơn giản, ông cho rằng Chúa Trời đã sáng tạo ra Vũ Trụ như nó vẫn vậy, nhưng chính con người có khả năng hiểu được cách cả Vũ Trụ này khép lại.

Không lâu sau khi Faraday vào Viện Hoàng gia, Davy và vợ mới cưới của ông đi du ngoạn châu Âu, và họ đưa Faraday đi cùng. Người vợ thuộc tầng lớp thượng lưu của Davy đối xử với Faraday như với một người hầu, nhưng chuyến đi kéo dài 18 tháng đã cho phép Faraday gặp nhiều nhân vật trong giới khoa học hàng đầu châu Âu. Trở về London, Faraday và Davy tiếp tục nghiên cứu nhiều vấn đề có tính thực tiễn: điều gì gây ra các vụ nổ trong hầm mỏ; các đáy tàu làm bằng đồng có thể được cải tiến như thế nào, những đặc tính quang học của thủy tinh là gì? Trong khi Davy ngày càng quan tâm đến lý thuyết chính trị khoa học, Faraday ngày càng tự chủ hơn, và ông chuyển hướng chú ý đến mối liên hệ giữa điện và từ trường.

Năm 1820, nhà vật lý học người Đan Mạch, Hans Christian Oersted (1777–1851) khám phá ra điện từ: sự thao túng một dòng điện để nó tạo ra một từ “trường”. Từ tính đã được biết đến trước đó rất lâu, và la bàn với kim sắt của nó luôn chỉ về hướng Bắc vẫn còn hữu dụng đến ngày nay. Những người làm hoa tiêu đã sử dụng la bàn từ rất lâu trước khi Columbus tìm ra châu Mỹ, và các triết gia tự nhiên đã luôn đặt câu hỏi tại sao chỉ một vài chất (ví dụ như sắt) có thể được từ hóa. Đa số những vật khác không thể. Thực tế rằng các la bàn luôn chỉ về cùng một hướng có nghĩa là Trái Đất chính là một nam châm khổng lồ.

Điện từ của Oersted đã tạo ra một làn sóng hứng thú trong giới khoa học, và Faraday đã đảm nhận thử thách. Vào tháng Chín năm 1821, ông thiết kế ra một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất trong lịch sử khoa học. Khi làm việc với một kim từ tính nhỏ, ông phát hiện ra rằng cây kim sẽ liên tục quay tròn nếu bao quanh nó là các dây có dòng điện chạy qua. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra một từ trường, cây kim luôn bị hút vào đó và quay tròn hết vòng này tới vòng khác. Đây là kết quả của một hiện tượng mà Faraday gọi là các “đường sức”, và ông nhận ra tầm quan trọng của nó. Việc mà ông đã làm là, lần đầu tiên trong lịch sử, chuyển năng lượng điện (điện) thành năng lượng cơ học (chuyển động hoặc công suất của cây kim xoay). Ông đã phát minh ra nguyên lý của tất cả các động cơ điện của chúng ta. Những động cơ này cũng chuyển điện thành công suất, trong máy giặt, máy chạy đĩa CD, hoặc máy hút bụi.

Faraday tiếp tục nghiên cứu điện và từ tính trong 30 năm tiếp theo. Ông là một trong những nhà thí nghiệm tài năng nhất từng sống trên đời: suy nghĩ kĩ càng khi lên kế hoạch làm việc và cẩn trọng khi thực hiện nó. Quá trình tự học của ông không bao gồm toán học, nên các bài nghiên cứu khoa học của ông đọc rất giống những ghi chép trong cuốn sổ tay phòng thí nghiệm: những mô tả tỉ mỉ về các thiết bị của ông, những gì ông làm và những gì ông quan sát được. Nghiên cứu của ông giúp những nhà khoa học hiểu được vai trò của điện tích trong các phản ứng hóa học. Vào đầu những năm 30 của thế kỷ 19, ông đã thêm máy phát điện và máy biến thế vào danh sách các phát minh của mình. Ông tạo ra máy phát điện bằng cách cho một nam châm vĩnh cửu chuyển động ra ngoài và vào trong một cuộn dây, và điều này tạo ra một dòng điện. Để tạo ra máy biến thế, ông cho một dòng điện chạy qua một sợi dây được cuộn quanh một phần của vòng sắt, điều này tạo ra một dòng điện chớp nhoáng trong một dây khác được cuộn quanh phần còn lại của vòng sắt. Faraday biết những thí nghiệm này còn thô sơ, nhưng ông cũng biết rằng mình đang tiến đến một thứ gì đó rất quan trọng. Mối liên hệ giữa điện, từ và sự chuyển đổi từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học đã truyền động lực cho thế giới hiện đại ngày nay của chúng ta, theo nghĩa đen.

Faraday tiếp tục duy trì những mối quan tâm khoa học rộng khắp của ông, và dành nhiều thời gian tham gia vào các hội đồng khoa học và điều hành Viện Hoàng gia. Ông khởi đầu những Bài giảng Giáng Sinh của Viện, mà cho đến ngày nay vẫn được nhiều người ưa thích (bạn có thể đã theo dõi một bài giảng này trên truyền hình). Nhưng điện và từ vẫn là tình yêu chính của ông. Đam mê của ông để lại cho chúng ta nhiều từ vựng mới và những ứng dụng có ích. Ông thậm chí đùa bỡn về các phát minh của mình. Khi ông được một chính trị gia hỏi về giá trị thực tiễn của điện, người ta cho rằng ông đã đáp: “Ôi, thưa ngài, rất có khả năng là ngài sẽ sớm có thể đánh thuế nó!”

Bên kia Đại Tây Dương, một hệ quả thay đổi cả thế giới nữa xuất phát từ những mối quan tâm đến điện và từ đã xuất hiện: điện tín. Gửi tín hiệu qua dây điện đã bắt đầu vào những năm đầu thế kỷ 19, nhưng Samuel Morse (1792–1872), người Mỹ, đã phát triển ra điện tín tầm xa đầu tiên. Năm 1844, ông gửi một thông điệp đi xa 61 kilomet (sử dụng mã Morse mang tên ông) từ Washington DC. đến Baltimore. Trao đổi thông tin bằng điện tín nhanh chóng phát triển trên toàn thế giới và người Anh đã sử dụng nó để kết nối với những tiền đồn của đế chế vươn rộng của họ. Giờ đây, người ta có thể giao tiếp với nhau nhanh chóng và các tin tức có thể được báo cáo không lâu sau khi sự kiện diễn ra.

Faraday nảy ra một ý tưởng về một “trường” hoạt động để giải thích tại sao điện và từ lại có những tính chất đáng ngạc nhiên của chúng. Trường (vùng ảnh hưởng) đã được các nhà khoa học trước đó sử dụng, khi họ cố gắng giải thích những bí ẩn của các phản ứng hóa học, điện, từ, ánh sáng và lực hấp dẫn. Họ cho rằng, những đối tượng này vận động trong một không gian hoặc vùng đặc biệt, giống như những trò chơi khác nhau được chơi trên những mặt sân, thao trường, hoặc bãi riêng của trò chơi đó. Faraday coi đây là ý tưởng cốt lõi trong cách giải thích của ông về điện và từ, lý luận rằng điều quan trọng là đo được trường vận động, thay vì suy nghĩ quá nhiều về việc điện, ánh sáng, và từ thực chất là gì. Nhưng người ta có thể biểu diễn sự tồn tại của lực của một điện trường trong các thí nghiệm.

Faraday đã không thể tin rằng một thứ như lực hấp dẫn lại có thể lan truyền qua chân không. Faraday giải quyết vấn đề này bằng cách giả thiết rằng không tồn tại thứ gọi là sự trống rỗng tuyệt đối. Thay vào đó, ông lý luận, không gian chứa đầy một chất rất tinh vi được gọi là “aether”. Aether này (không liên quan gì đến ether, khí gây tê và gây mê) giúp cho các nhà vật lý học và hóa học có thể giải thích rất nhiều điều dựa trên nguyên lý ảnh hưởng trực tiếp. Như thế, “trường” của Faraday xung quanh các dòng điện hoặc nam châm có thể là kết quả của việc dòng điện hoặc nam châm đó kích thích thứ vật chất hết sức tinh khiết tạo thành aether. Lực hấp dẫn cũng trở nên dễ giải thích hơn theo cách này: nếu thuyết này không đúng, dường như phải có một lực huyền bí kì lạ nào đó như quyền năng ma thuật của các nhà giả kim thuật thời xưa, một thứ gì đó mà những người thời hiện đại như Faraday không tin vào. Aether không phải là thứ gì đó mà bạn có thể nhìn thấy hoặc cảm thấy, nhưng các nhà vật lý học nghĩ rằng nó lý giải cho những kết quả thí nghiệm của họ. Ở Vương quốc Anh, người ta tiếp tục sử dụng thuyết aether cho đến đầu thế kỷ 20, khi những thí nghiệm chứng minh rằng nó thật sự không tồn tại.

Nhiều nghiên cứu của Faraday về lực tỏ ra hữu ích hơn thế. Những nhà vật lý học sau ông mở rộng chúng và đưa ra những mô tả toán học tốt hơn về điện, từ và nhiều hiện tượng khác mà thế giới vật lý để lộ ra trong quá trình học khám phá nó. Faraday là nhà vật lý học vĩ đại cuối cùng không sử dụng toán học.

Người đàn ông thực sự kế thừa được di sản của Faraday là James Clerk Maxwell (1831–1879), một người thuộc nhóm những nhà vật lý toán học mới, Maxwell thường được nhắc đến cùng với Newton và Einstein. Ông chắc chắn là một trong những nhà vật lý học sáng tạo nhất mọi thời đại. Ông sinh ra Edinburgh và được đào tạo tại đây cho đến khi ông chuyển tới Đại học Cambridge. Ông trở về Scotland để giảng dạy trong thời gian ngắn, nhưng vào năm 1860 ông đến trường King’s College, London. Tại đó, ông đã có vài năm làm việc hiệu quả nhất đời mình. Trước đó, ông đã mô tả những vành đai của Sao Thổ, nhưng ở London ông đã xây dựng một lý thuyết về màu và chụp được bức ảnh màu đầu tiên. Ông luôn luôn quan tâm đến điện và từ, và đã gắn chặt chúng với nhau: sau Maxwell, các nhà vật lý học đã có thể sử dụng toán học để mô tả điện từ. Maxwell đã cung cấp những công cụ và phương trình toán học để mô tả những ý tưởng của Faraday về trường. Những phương trình của ông chứng minh rằng các trường điện từ có những đặc tính giống như sóng, một phát hiện rất quan trọng trong vật lý học. Sóng này di chuyển với tốc độ của ánh sáng, và chúng ta ngày nay biết rằng ánh sáng và năng lượng từ Mặt Trời đến với chúng ta ở dạng các sóng điện từ. Thật vậy, Maxwell đã dự đoán được toàn bộ dải sóng mà chúng ta biết: sóng radio cho phép phát đi các buổi phát thanh radio, vi sóng trong căn bếp của chúng ta, tia cực tím và hồng ngoại ở phía trên và phía dưới các màu trong dải màu cầu vồng§, cũng như tia X và sóng gamma hay còn gọi là tia gamma. Những sóng này ngày nay là một phần của cuộc sống hằng ngày. Nhưng đa số những dạng năng lượng này vẫn còn chưa được khám phá khi Maxwell dự đoán ra chúng, do đó không có gì ngạc nhiên khi người ta cần thời gian để hiểu và trân trọng thiên tài của ông. Cuốn sách Bài luận chuyên sâu về điện và từ (Treatise on Electricity and Magnetism, 1873) của ông có lẽ là cuốn sách về vật lý học quan trọng nhất, ra đời giữa cuốn Principia của Newton và những cuốn sách quan trọng khác của thế kỷ 20.

Trước thời điểm ông viết cuốn sách này, Maxwell đã đến Cambridge để lập ra Phòng thí nghiệm Cavendish, nơi nhiều nghiên cứu vật lý học quan trọng của những thập kỷ sau đó được thực hiện, Maxwell qua đời khi còn trẻ, chỉ mới 48 tuổi, nhưng trước đó ông đã kịp tiến hành nghiên cứu có tính nền tảng quan trọng về cách các chất khí vận động, sử dụng những kỹ thuật thống kê toán học đặc biệt. Điều này cho phép ông mô tả cách rất nhiều nguyên tử trong một chất khí, trong đó mỗi hạt di chuyển với những tốc độ hơi khác nhau và theo những hướng khác nhau, sẽ tạo ra những hiệu ứng mà chúng vẫn tạo ra ở những điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Ông cung cấp các công cụ toán học để giải thích những gì Robert Boyle và Robert Hooke đã quan sát được từ nhiều năm trước đó. Maxwell cũng phát triển khái niệm cơ bản về các “cơ chế điều chỉnh phản hồi”: những quá trình diễn ra theo vòng lặp, mà ông gọi là “bộ điều chỉnh”. Những cơ chế này rất quan trọng trong công nghệ, trong những bước phát triển trí tuệ nhân tạo của thế kỷ 20 và trong máy tính. Chúng cũng diễn ra trong chính cơ thể chúng ta. Ví dụ, khi chúng ta quá nóng, cơ thể cảm nhận được điều này và chúng ta toát mồ hôi. Mồ hôi làm mát cơ thể chúng ta khi nó bay hơi. Hoặc, nếu chúng ta lạnh, chúng ta run, và sự co cơ trong cơn run ấy tạo ra nhiệt sưởi ấm cơ thế. Những cơ chế điều chỉnh phản hồi này giúp cho chúng ta duy trì được một thân nhiệt không đổi.

Maxwell có khiếu hài hước nhẹ nhàng, rất sùng đạo và thân thiết với vợ, người luôn kiểm soát ông chặt chẽ. Sau những bữa dạ tiệc, bà thường sẽ nói, “James, anh đang bắt đầu cho phép mình tận hưởng quá mức rồi đấy, đến lúc về nhà rồi.” May mắn thay, bà không ngăn cản niềm vui của ông trong phòng thí nghiệm.

Ánh sáng mà con người nhìn thấy được đều có màu thuộc dải màu từ đỏ đến tím của cầu vồng. Áng sáng màu đỏ có tần số thấp nhất trong các ánh sáng màu này, và ánh sáng màu tím có tần số cao nhất. Ở đây, tác giả nói tia cực tím “ở phía trên”, có nghĩa là tần số của tia này còn cao hơn tần số của ánh sáng màu tím. Ngược lại, tia hồng ngoại ở “phía dưới”, có nghĩa là tần số của tia này thấp hơn tần số của ánh sáng màu đỏ.

Chương 23

Khai quật khủng long

Khi tôi còn nhỏ, tôi thường gặp khó khăn khi phân biệt khủng long và rồng. Trong những bức tranh, trông chúng thường giống nhau, với răng to, bộ hàm cực khỏe, da có vảy và đôi mắt ác, và đôi khi chúng được vẽ trong tình huống tấn công một sinh vật khác gần chúng. Cả hai loại sinh vật này rõ ràng đều là loài mà tốt hơn hết chúng ta nên tránh xa.

Tuy nhiên, có một điểm khác biệt quan trọng giữa khủng long và rồng. Rồng xuất hiện trong các thần thoại của người Hy Lạp, truyền thuyết về Vua Arthur của nước Anh, những cuộc diễu hành mừng năm mới của dân Trung Quốc, và trong rất nhiều câu chuyện ly kỳ khác trong suốt lịch sử loài người. Nhưng ngay cả khi chúng quyền năng đến mức vẫn xuất hiện trong các câu chuyện được sáng tác ngày nay, chúng vẫn luôn là sản phẩm của trí tưởng tượng của con người. Rồng chưa bao giờ tồn tại.

Tuy nhiên, khủng long đã từng tồn tại. Chúng từng ở trên Trái Đất trong một khoảng thời gian rất dài, ngay cả khi con người chưa bao giờ nhìn thấy chúng. Thời hưng thịnh của khủng long là vào khoảng 200 triệu năm trước, và chúng ta biết về chúng vì xương của chúng vẫn được bảo tồn ở dạng hóa thạch. Việc tìm ra những xương khủng long vào đầu thế kỷ 19 là một bước tiến quan trọng của khoa học. Những nhà địa chất học đầu tiên, và sau đó những người dân bình thường, bắt đầu nhận ra rằng Trái Đất có từ xa xưa hơn rất nhiều so với những gì họ từng nghĩ.

Từ “cổ sinh học” ra đời ở Pháp, năm 1822, để cho giới khoa học một cái tên chỉ bộ môn nghiên cứu hóa thạch. Hóa thạch là những nét sơ phác về các phần của động vật và thực vật đã từng sống, nhưng đã dần hóa thành đá (hóa cứng) sau khi chúng chết, ở những điều kiện thích hợp. Các hóa thạch có thể được người ta trầm trồ chiêm ngưỡng trong các bảo tàng, và thu thập chúng cũng đem lại niềm vui. Ngày nay, việc thu thập hóa thạch khó hơn, vì nhiều hóa thạch dễ lấy đã được thu thập để phục vụ nghiên cứu và trưng bày rồi. Nhưng ở một số nơi, như Lyme Regis ở bờ biển phía Nam nước Anh, các vách đá vẫn đang bị sóng biển bào mòn, và tại đây những hóa thạch thường lộ ra.

Con người vẫn tình cờ gặp hóa thạch trong suốt hàng nghìn năm. Ban đầu, từ “hóa thạch” chỉ có nghĩa là “bất cứ thứ gì được đào lên”, nên “hóa thạch” có thể là những đồng tiền cổ, các mảnh sành sứ, hoặc một viên đá thạch anh đẹp đẽ. Nhưng nhiều vật trong số những thứ được chôn sâu dưới đất này trông giống như vỏ (hoặc mai), răng hoặc xương của động vật, và dần dần từ “hóa thạch” có nghĩa hẹp lại thành những thứ trông giống bộ phận nào đó của sinh vật. Vỏ của các động vật biển đôi khi được tìm thấy ở những đỉnh núi, rất xa biển. Những khúc xương, răng, và vỏ hóa thạch thường không có vẻ giống những bộ phận của bất cứ loài động vật nào con người từng biết đến. Vào những năm 1600, khi các nhà tự nhiên học bắt đầu đặt câu hỏi về những thứ người ta tìm thấy, họ đã phát triển ra ba hướng giải thích. Đầu tiên, một số người cho rằng những khối này đã được tạo ra bởi một thế lực đặc biệt trong tự nhiên, vốn rất nỗ lực nhưng không thể tạo ra những sinh vật mới. Chúng gần giống những thực vật và động vật đang sống, nhưng không thực sự trở thành thế. Thứ hai, những người khác lý luận rằng hóa thạch là những phần cơ thể thật còn sót lại của những loài động vật hoặc thực vật chưa từng được khám phá. Quá nhiều phần của Trái Đất vẫn chưa được khám phá vào thời gian đó, và những sinh vật này cuối cùng cũng sẽ được tìm ra một phần hẻo lánh của thế giới, hoặc trong đại dương. Một nhóm học giả thứ ba dũng cảm đưa ra giả thuyết rằng những sinh thể này là những sinh vật đã từng sống nhưng đã hoàn toàn biến mất tại thời điểm phát hiện ra hóa thạch. Nếu điều này đúng, Trái Đất phải cổ xưa hơn rất nhiều so với những gì người ta tưởng.

Mãi đến tận thế kỷ 18, từ “hóa thạch” mới được mang nghĩa hiện đại của nó, tức là một bộ phận còn sót lại và hóa cứng của một loài cây hoặc con vật đã từng sống. Sự thấu hiểu ý nghĩa thật sự của hóa thạch bắt đầu thống trị tư duy trong giới khoa học. Nhà khoa học đã thuyết phục được cả thế giới rằng một số động vật đã tuyệt chủng là một người Pháp, Georges Cuvier (1769–1832). Cuvier rất giỏi môn giải phẫu học, đặc biệt là so sánh giải phẫu của các loài động vật khác nhau. Ông có mối quan tâm đặc biệt đối với cá, nhưng cũng có kiến thức rộng về toàn bộ giới động vật. Ông đã mổ hàng trăm động vật khác nhau, sau đó ông so sánh các bộ phận khác nhau của cơ thể chúng và tìm hiểu xem các cơ quan bên trong của chúng làm nhiệm vụ gì. Ông lý luận rằng động vật là những cỗ máy sống mà trong đó, mỗi bộ phận đều có một mục đích hợp lý. Ông cũng nhận thấy rằng tất cả các bộ phận trong cơ thể động vật đều làm việc cùng nhau. Ví dụ, những con vật ăn thịt có răng nanh (răng sắc), cho phép chúng có thể xé thịt sống của con mồi. Chúng có hệ tiêu hóa, cơ bắp, và tất cả những đặc tính khác cần thiết để săn bắt và sống nhờ thịt. Những loài sống nhờ thực vật, như bò và cừu, có răng phẳng, giúp chúng nghiền cỏ tươi và cỏ khô. Cấu trúc xương và cơ bắp của chúng phù hợp với việc đứng thảnh thơi, hơn là chạy và vồ mồi.

Niềm tin của Cuvier, rằng cơ thể động vật được cấu tạo tuyệt vời đến mức tất cả các bộ phận gắn kết với nhau một cách hài hoà, cho phép ông phát biểu được rất nhiều điều về cấu trúc cơ thể và chế độ sinh hoạt của một con vật chỉ bằng cách nhìn vào một bộ phận của nó. Tìm thấy một cái răng nanh và bạn tìm thấy một con vật ăn thịt, ông nói, và ông sẽ ứng dụng chính những nguyên lý này cho hóa thạch. Cùng với một nhà giải phẫu học khác, ông thực hiện một nghiên cứu bao quát và tỉ mỉ về những hóa thạch tìm được quanh Paris. Họ khám phá ra rằng các mẫu hóa thạch thường giống những bộ phận của các loài động vật đang sống và vẫn còn hiện diện trong vùng đó, nhưng trong nhiều trường hợp các mẫu răng và xương có những điểm khác biệt nhỏ, nhưng rất đáng chú ý. Tình cờ, một phần cơ thể bị đóng băng của một con voi lớn được tìm thấy ở Siberia. Cuvier xem xét con “mammoth rậm lông”, cái tên người ta dùng để gọi nó, và lập luận rằng nó không những không giống với bất cứ con voi nào đang sống mà được con người biết đến, mà một động vật với kích thước lớn như vậy chắc chắn phải được người ta để ý từ trước đây, nếu nó còn sống ở đâu đó. Cho nên nó hẳn phải tuyệt chủng rồi.

Khi họ chấp nhận ý nghĩ rằng một vài loài động vật (và thực vật) đã tuyệt chủng, những nhà tự nhiên học dễ dàng giải mã ý nghĩa của những lượng lớn hóa thạch đang được khai quật vào thời kỳ đó. Những khám phá của hai nhân vật dường như không liên quan lắm ở nước Anh đã góp phần tạo ra ý niệm về một thế giới tiền sử. Người đầu tiên là Mary Anning (1799–1847). Bà là con gái của một thợ mộc nghèo ở Lyme Regis, địa danh ở miền Nam nước Anh cho đến giờ vẫn bị nước biển bào mòn. Đây là một nơi tuyệt vời cho Mary săn hóa thạch. Khi còn là một cô bé, bà đã đi săn hóa thạch, vì những mẫu hóa thạch tốt có thể được bán cho các nhà khoa học và các nhà sưu tập. Mary và anh trai của bà, Joseph, đã sử dụng những hiểu biết về địa phương của mình để gây dựng một mô hình kinh doanh từ việc thu thập và bán hóa thạch. Năm 1811, họ tìm thấy xương sọ, và sau đó nhiều khúc xương khác của một sinh vật kỳ lạ. Được ước lượng dài tới 5 mét, nó không giống bất cứ một thứ gì đã được tìm thấy trước đó. Nó được trưng bày ở Oxford và không lâu sau được đặt tên là Ichthyosaurus, nghĩa đen là “thằn lằn cá”, vì nó có vây và do đó bơi được trong nước. Mary tiếp tục tìm thấy một số hóa thạch đáng chú ý khác, bao gồm một mẫu có hình dạng giống một con rùa khổng lồ, nhưng không có bằng chứng nào là nó đã từng có một cái mai. Mẫu hóa thạch này được đặt tên Plesiosaurus, nghĩa là “gần như một con bò sát”. Những khám phá này đem lại cho bà danh tiếng và một chút tiền bạc. Nhưng khi nghề săn hóa thạch trở nên phổ biến, bà thấy sự cạnh tranh quá khắc nghiệt và đã gặp nhiều khó khăn trong việc nuôi sống bản thân và gia đình bằng việc kinh doanh của bà.

Mary Anning không được học hành mấy và bà mất quyền kiểm soát những mẫu hóa thạch bà tìm thấy một khi bà đã bán chúng. Gideon Mantell (1790–1852) lại gặp những vấn đề khác. Ông là một bác sĩ gia đình ở Lewes, Sussex, cũng ở miền Nam nước Anh, và có thể tiếp cận rất nhiều mẫu hóa thạch ở mỏ đá vôi gần đó. Là một bác sĩ, ông có kiến thức tốt về giải phẫu học và có khả năng giải mã các hóa thạch. Nhưng ông cần điều chỉnh lịch nghiên cứu hóa thạch của mình cho phù hợp với việc hành nghề y bận rộn và việc dành thời gian cho một gia đình ngày càng đông người. Ông biến nhà mình thành một dạng bảo tàng hóa thạch, điều này khiến vợ ông không vừa lòng. Đến London để thuyết trình về những khám phá của mình với những nhà khoa học ở đó là một công việc chậm chạp và tốn kém.

Bất chấp những vấn đề này, Mantell vẫn kiên trì, và phần thưởng ông nhận được là việc khai quật ra một vài con thú kì lạ. Vào những năm 20 của thế kỷ 19, ông tìm thấy vài chiếc răng của một loài chưa bao giờ được nhìn thấy, và chủ ban đầu của những chiếc răng này được đặt tên là Iguanodon, nghĩa là “có răng như một con cự đà” (một loài thằn lằn nhiệt đới). Một số người hâm mộ gửi ông một bộ xương hoàn chỉnh hơn của con Iguanodon mà họ đã tìm được. Mantell cũng tìm ra một loài khủng long có giáp, Hylaeosaurus, bằng chứng khẳng định rằng những sinh vật khổng lồ này đã từng bước đi trên Trái Đất. Những mẫu được khai quật khác có đặc điểm của loài chim, có nghĩa là thế giới kì lạ này có những sinh vật sống dưới biển, trên đất liền, và trên bầu trời.

Khi thấy những sinh vật khổng lồ, kì diệu này được phục dựng trong bảo tàng, ta khó có thể hiểu được những người đầu tiên khai quật chúng đã phải vất vả như thế nào. Những chiếc xương đã hóa thạch thường nằm rải rác và các bộ xương thường có một vài mảnh thất lạc. Họ chỉ có một số lượng hạn chế những mẫu động vật còn sống hoặc đã hóa thạch để so sánh với những thứ họ tìm được, và họ không có những kỹ thuật hiện đại để xác định niên đại của những vật này. Họ chỉ có thể ước lượng kích thước của con vật ban đầu bằng cách so sánh những chiếc xương họ đã khai quật được, ví dụ như một chiếc xương đùi, với những sinh vật lớn còn tồn tại, như voi hoặc tê giác. Những kích thước họ ước lượng được khiến cho chúng ta phải choáng váng. Họ sử dụng nguyên lý của Cuvier để dựng lại cả bộ xương từ những bộ phận và đoán xem con vật đó đã ăn gì, di chuyển bằng cách nào, và sống trên đất liền, dưới nước, trên bầu trời, hay kết hợp nhiều môi trường sống. Họ phải đính chính nhiều giả thuyết khi người ta khai quật được nhiều mẫu khủng long hơn và hiểu biết nhiều hơn về lịch sử sự sống trên Trái Đất thủa sơ khai. Nhưng những khám phá của họ đã thay đổi vĩnh viễn cách chúng ta suy nghĩ về thế giới mà chúng ta sống.

Những “thợ săn khủng long” khiến công chúng nhận ra Trái Đất đã già cỗi thế nào, và có những sinh vật phức tạp sống trên Trái Đất từ rất lâu trước khi con người xuất hiện như thế nào. Thế giới cổ đại này thu hút trí tưởng tượng của họ, và những bức tranh về những thứ không thật xuất hiện trên nhiều tạp chí được nhiều người ưa chuộng. Những nhà văn như Charles Dickens có thể nhắc đến những con bò sát khổng lồ này, và hiểu rằng độc giả của họ sẽ hiểu họ đang nói về cái gì. Cái tên “khủng long” được sử dụng lần đầu vào năm 1842: nó có nghĩa thô là “thằn lằn to lớn một cách đáng sợ”. Những loài khủng long mới tiếp tục được tìm thấy, không chỉ tại nước Anh mà còn ở những nơi khác. Chúng nhanh chóng được tích hợp thành một phần lịch sử bao quát của sự sống trên Trái Đất, và giai đoạn chúng sống trên Trái Đất cũng được tính xấp xỉ theo tuổi của những viên đá mà trong đó hóa thạch của chúng được tìm thấy.

RichardOwen (1804–1892), người đã đặt cho chúng cái tên “khủng long”, sử dụng nghiên cứu của chính ông về những sinh vật này để tiến thân trong sự nghiệp khoa học. Ông là người đóng vai trò chủ chốt trong quá trình hình thành của tòa nhà mà ngày nay là Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên ở London. Đó là một bảo tàng tuyệt vời, và những con khủng long vẫn có vị trí nổi bật trong đó. Nhiều mẫu vật đang được trưng bày là những mẫu gốc, được những người như Mary Anning tìm thấy.

Năm 1851, London đăng cai tổ chức triển lãm đầu tiên trong chuỗi Triển lãm Thế giới. Được gọi là Đại Triển lãm, nó tập hợp những trưng bày khoa học, công nghệ, nghệ thuật, giao thông, và văn hóa từ khắp nơi trên thế giới. Triển lãm được tổ chức trong một tòa nhà táo bạo đáng kinh ngạc: tòa “Cung Thủy tinh”, một tòa nhà kính khổng lồ, nằm ở trung tâm của công viên Hyde, ngay ở trung tâm của London. Nó cao 33 mét, rộng 124 mét, và dài 563 mét. Người ta nghĩ rằng bạn không thể xây dựng được thứ gì lớn như vậy từ thép và kính, nhưng Joseph Paxton đã làm được. Ông là một thợ làm vườn và có kinh nghiệm dựng nên những nhà kính lớn cho những quý ông thời Victoria. Triển lãm không giống bất cứ thứ gì đã từng diễn ra trước đó, và sáu triệu người từ khắp nơi trên thế giới quy tụ về đó để tham quan triển lãm trong suốt sáu tháng nó diễn ra.

Khi triển lãm kết thúc, Cung Thủy tinh được tháo dỡ và chuyển đến công viên Sydenham ở rìa phía Nam của London. Nằm trong kế hoạch phát triển của khu vực đó, công viên giải trí đầu tiên của thế giới được xây dựng. Nó được dành để trưng bày khủng long và những sinh vật khác của thế giới tiền sử. Những bản sao khổng lồ của Iguanodon, Ichthyosaurus, Megalosaurus và những con thú khác được dựng, đặt trong và xung quanh một hồ nhân tạo. Iguanodon lớn đến nỗi vào đêm giao thừa năm 1853, 24 người đã ăn tối trong cái khuôn người ta dùng để tạo ra cơ thể khổng lồ của nó. Khu vực đó hiện nay vẫn được gọi là Cung Thủy tinh, mặc dù công trình kính đó đã bị thiêu rụi trong một trận cháy kinh khủng năm 1936. Một số mẫu khủng long được tái dựng hiện nay trong không giống ban đầu lắm, nhưng chúng đã tồn tại được qua trận cháy và vẫn được trưng bày đến hôm nay, méo mó và cũ mòn, nhưng vẫn là những tạo vật tuyệt vời nhắc nhở người ta về quá khứ.

Ngày nay chúng ta đã biết thêm rất nhiều về Kỷ Khủng long. Nhiều loài khủng long đã được tìm thấy và chúng ta có thể xác định niên đại của chúng chính xác hơn nhiều so với Mantell hay Owen. Đôi khi, chúng ta nói rằng chúng biến mất hơi nhanh. (Thời gian địa chất rất chậm, như chúng ta sẽ thấy ở chương tiếp theo.) Ý của chúng ta khi nói vậy là những con khủng long to lớn tuyệt chủng, có khả năng cao do những thay đổi khí hậu, sau khi một thiên thạch lớn và vào Trái Đất khoảng 65 triệu năm trước. Nhưng không phải tất cả khủng long đều biến mất. Một số loài khủng long nhỏ hơn đã sống sót và tiến hóa, và bạn có thể nhìn thấy hậu duệ của chúng trong vườn nhà mình mỗi ngày. Chúng được gọi là chim.

Chương 24

Lịch sử hành tinh chúng ta

Khai quật được xương của những con vật cổ đại chỉ là một phần của câu chuyện. Đi bộ ở vùng nông thôn, bạn hẳn nhận thấy rằng một thung lũng thường có một con sông hoặc dòng suối chảy qua giữa lòng nó. Các ngọn đồi và núi cũng bao quanh các thung lũng. Ở một số nơi trên thế giới, ví dụ như dãy Alps ở Thụy Sỹ, ta có thể ấn tượng sâu sắc với những ngọn núi rất cao và những thung lũng rất sâu.

Những dạng địa hình đó trên Trái Đất đã được tạo thành như thế nào? Núi và thung lũng không thể lúc nào cũng giống như chúng bây giờ, vì địa hình luôn bị thay đổi hằng năm do những trận động đất, phun trào của núi lửa, sông và sông băng. Sự thay đổi trong một năm có thể rất nhỏ, nhưng ngay trong một đời người, những khác biệt có thể nhìn thấy bằng mắt thường vẫn diễn ra. Những đường bờ biển có thể biến mất và những ngôi nhà đôi khi sụt xuống biển. Những hiện tượng đó sau một vài hoặc nhiều thế hệ sẽ thay đổi thậm chí còn lớn hơn.

Những trận động đất, núi lửa, và sóng thần mãnh liệt không phải điều gì mới. Núi Vesuvius, gần Naples ở Ý, phun trào vào năm 79. Nó chôn vùi thị trấn Pompeii dưới chân nó, làm nhiều người thiệt mạng, tro và nham thạch núi lửa thay đổi đường bờ biển một cách rõ rệt. Ngày nay, bạn có thể đi bộ dọc theo những con phố của Pompeii, đã được khai quật từ trong tro tàn và đá bọt tích tụ lại ở đó.

Nhiều người đặt câu hỏi về ý nghĩa của những hiện tượng gây chấn động này. Một số người cho rằng chúng là những vận động siêu nhiên. Nhưng từ cuối những năm 1600, những nhà quan sát bắt đầu nghiên cứu Trái Đất như một đối tượng của lịch sử tự nhiên. Địa chất học hiện đại ra đời khi họ cố gắng giải quyết ba vấn đề. Vấn đề đầu tiên là tìm ra một phương pháp mới để hiểu “lịch sử”.

Vào thời cổ, “lịch sử” thực sự chỉ có nghĩa “mô tả”. Lịch sử tự nhiên đơn thuần là sự mô tả Trái Đất và những thứ bên trên nó. Dần dần, “lịch sử” có được nghĩa hiện đại của nó, tức là sự thay đổi theo thời gian. Chúng ta đã quen với những thứ thay đổi nhanh chóng: quần áo, âm nhạc, kiểu tóc, tiếng lớng, và bất cứ thứ gì liên quan đến máy tính và điện thoại di động. Chúng ta xem những bức ảnh của những người sống ở những năm 1950 và nghĩ rằng con người thời đó trông thật khác. Điều này không quá kì lạ – ví dụ, người La Mã ăn mặc khác người Hy Lạp cổ đại – nhưng tốc độ thay đổi ngày nay cao hơn nhiều. Vì thế, chúng ta chấp nhận thay đổi là điều gì đó tự nhiên. Lịch sử là bộ môn nghiên cứu sự thay đổi đó.

Vấn đề thứ hai là vấn đề thời gian. Aristotle giả định rằng Trái Đất tồn tại vĩnh hằng, và từ xưa vẫn luôn giống như Trái Đất vào thời ông sống. Các nhà khoa học người Trung Quốc và Ấn Độ cổ đại cũng tin rằng Trái Đất rất già cỗi. Với sự ra đời của quan điểm Cơ Đốc giáo và Hồi giáo, thời gian co hẹp lại. “Thời gian mà chúng ta có thể hiểu được, chỉ già hơn chính chúng ta có 5 ngày”, nhà văn, Sir Thomas Browne, phát biểu như vậy vào năm 1642. Ý ông nhắc đến Sáng thế ký, kể về câu chuyện của Tạo hóa, trong đó Chúa Trời tạo ra Adam và Eve vào ngày thứ Sáu. Trong năm ngày trước đó, mặt đất, bầu trời, các vì sao, Mặt Trời, Mặt Trăng, và các loài thực vật lẫn động vật khác được tạo ra. Đối với người theo Cơ Đốc giáo như Browne, hành tinh của chúng ta, Trái Đất, được tạo ra chỉ ít lâu trước khi Adam và Eve nhìn thấy bình minh đầu tiên trong Vườn Địa đàng.

Nếu bạn đọc Kinh Thánh kĩ càng, và cộng tuổi của tất cả những hậu duệ của Adam và Eve được nhắc đến trong kinh Cựu ước, bạn sẽ biết thời đại gần đúng mà cặp đôi đầu tiên này ra đời. Vào giữa những năm 1600, một tổng giám mục người Ailen đã làm điều này. Phép cộng của ông cho ông biết Trái Đất được tạo ra vào ngày 22 tháng Mười năm 4004 TCN, chính xác là lúc nhá nhem tối! Phép tính của Tổng giám mục Ussher không được nhiều tín đồ Cơ Đốc giáo chấp nhận vào những năm 1650. Nhưng đối với những người muốn biết những đặc trong địa chất của Trái Đất được hình thành như thế nào, rất khó để giải thích, chẳng hạn, những thung lũng sông dần hình thành ra sao nếu tuổi Trái Đất ít hơn 6000 năm.

Khoảng thời gian hạn hẹp này cũng gây khó khăn cho việc giải thích làm sao những vỏ ốc lại xuất hiện trên những đỉnh núi, cách đại dương và biển hiện nay rất xa. Điều những nhà địa chất học cần hơn hết là tìm ra thêm chứng cứ về thời gian tồn tại dài hơn của Trái Đất. Theo đó, những thứ họ đang quan sát mới có thể được đặt vào những góc nhìn hợp lý. Và họ đã làm được điều này. Bắt đầu vào cuối thế kỷ 17, những nhà tự nhiên học đã bắt đầu lập luận rằng tuổi của Trái Đất phải lớn hơn con số mà Ussher đã tính ra khoảng vài nghìn năm. Vài thập kỷ sau, Bá tước Buffon (nhà sử học tự nhiên tiên phong mà chúng ta đã gặp ở Chương 19) đưa ra một giả thuyết kết hợp cả Vũ Trụ học và địa chất học. Vũ Trụ học của ông cho rằng Trái Đất ban đầu là một quả cầu rất nóng, văng ra từ Mặt Trời. Nó nguội dần, và sự sống có cơ hội nảy sinh. Một cách không chắc chắn, ông cho rằng thời gian mà Trái Đất tách khỏi Mặt Trời vào khoảng 80.000 năm trước, và cẩn trọng phát biểu với ngôn từ chính xác để không xúc phạm Giáo Hội.

Vấn đề thứ ba là hiểu bản chất của những viên đá và khoáng vật. Đá không giống nhau. Một số viên cứng, một số mềm và dễ vỡ vụn, và chúng được tạo thành từ nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau. Chúng dường như cũng có tuổi khác nhau. Việc đặt tên và phân tích các loại đá và khoáng vật cho phép các nhà địa chất học nghiên cứu chúng ghép được một bức tranh toàn cảnh về lịch sử Trái Đất. Abraham Werner (1749–1817) ở Đức đã làm được phần lớn công việc này. Ông làm việc tại một trường đại học, nhưng lại chủ động tham gia vào việc khai mỏ. Những hầm mỏ nằm sâu dưới lòng đất giúp các nhà khoa học bằng cách cho họ những mẫu vật liệu không dễ dàng thu được trên mặt đất. Phương pháp phân loại đá của Werner không đơn thuần dựa vào thành phần của chúng, mà còn cả tuổi tương đối của chúng. Những viên đá già nhất rất cứng và không bao giờ chứa hóa thạch.

Do đó, những loại đá tìm được ở một địa điểm nhất định cung cấp những manh mối về tuổi tương đối của địa điểm đó so với những địa điểm khác. Đào sâu hơn, nơi những lớp đá và đất (hay địa tầng, như cách những nhà địa chất học gọi chúng) chứa hóa thạch, các loại đá cũng cung cấp manh mối về tuổi tương đối của cả hóa thạch lẫn địa tầng nơi chúng được tìm thấy. Người đã chứng minh rằng các mẫu hóa thạch có vai trò rất quan trọng trong quá trình xác định niên đại này là một nhà trắc địa, William Smith (1769–1839). Smith chính là người góp công vào việc xây dựng những kênh đào ở Vương quốc Anh vào đầu thế kỷ 19. Trước đường sắt, đường thủy là con đường tốt nhất để vận chuyển hàng hóa, đặc biệt là những hàng nặng như than đá. Smith đo đạc nhiều dặm đường trên đất liền, hỗ trợ quyết định chọn tuyến đường tối ưu cho một kênh đào mới. Khi lập một bản đồ địa chất của Anh và xứ Wales, ông dần nhận ra một điều: tính chất quan trọng nhất của một lớp trong vỏ Trái Đất không đơn thuần là loại đá mà nó chứa, mà còn cả những hóa thạch người ta có thể tìm thấy trong nó.

Với một khung thời gian đã được mở rộng cho lịch sử Trái Đất, hiểu biết về các loại đá khác nhau, và phát hiện sâu sắc của Smith về tầm quan trọng của hóa thạch, các nhà địa chất học đã có thể cố gắng “đọc” lịch sử Trái Đất. Đầu những năm 1800, đa số các nhà địa chất đều là “những người theo thuyết thảm họa”. Lắp ghép các dữ liệu khám phá được thông qua khai mỏ, xây dựng kênh đào, và sau này là xây dựng đường sắt, người ta tìm thấy trong nhiều trường hợp núi lửa và động đất đã đẩy lên những lớp vốn nằm sâu trong vỏ Trái Đất. Vì thế, hầu hết các nhà tự nhiên học đoán rằng lịch sử của Trái Đất gồm những giai đoạn ổn định, xen kẽ bởi các giai đoạn xảy ra những hiện tượng mãnh liệt – các đại thảm họa – trên toàn cầu. Lũ lụt được tính là đại thảm họa, do đó khi các nhà địa chất học cố gắng ghép những khám phá của họ cho khớp với những gì được viết trong Kinh Thánh, họ vui mừng vì dường như có bằng chứng về lũ lụt cường độ mạnh và quy mô lớn trong quá khứ, bao gồm cả một cơn lũ mới xảy ra (“mới” theo quan điểm địa chất học) mà có khả năng là cơn đại hồng thủy khiến Noah đưa các loài động vật, mỗi loài một cặp, lên con tàu lớn của ông.

Những nhà khoa học theo thuyết thảm họa tìm thấy nhiều bằng chứng để củng cố quan điểm của họ về lịch sử Trái Đất. Những hóa thạch ở bất kỳ lớp địa chất nào cũng cho thấy những điểm khác biệt rõ ràng so với những hóa thạch được tìm thấy lớp phía trên hoặc phía dưới. Những địa tầng mới hơn chứa những hóa thạch giống những thực vật và động vật vẫn đang sống ngày nay hơn những hóa thạch nằm trong các lớp đất cũ hơn. Ở Paris, Georges Cuvier (người chúng ta đã gặp ở chương trước) sử dụng “giải phẫu học so sánh” và tái dựng lại những bức tranh sống động về các loài động vật của thời đại đã qua. Một trong những học trò của ông là William Buckland (1784–1856), một tu sĩ người Anh tự do, dạy địa chất học tại Đại học Oxford. Buckland đặc biệt nhiệt huyết với việc tìm kiếm những bằng chứng địa chất cho cơn đại hồng thủy trong Kinh Thánh. Ông tìm thấy rất nhiều thứ mà ông cho rằng rõ ràng do nước gây ra: những đống đổ nát bị nước đẩy vào các hang, và những viên đá, thậm chí tảng đá lớn rải rác trên những cánh đồng. Vào những năm 1820, ông rất chắc chắn rằng những thứ trên là kết quả của trận Đại Hồng Thủy; đến những năm 1840, khi những điều tra địa chất tiết lộ nhiều chi tiết hơn, ông bớt chắc chắn về giả thuyết của mình. Ông nhận ra rằng, những dòng sông băng có thể đã gây ra một tác động nào đó thậm chí ở đảo Anh. Chúng cho người ta một giải thích thuyết phục hơn cho những thứ như những tảng đá nằm rải rác khắp nơi, có thể vì đã bị bỏ lại khi băng tiếp tục trôi đi chậm chạp.

Vào những năm 1820 và 1830, đa số các nhà địa chất học tin rằng những đại thảm họa thời cổ đại này trùng hợp ngẫu nhiên với những địa tầng mới. Do những hóa thạch trong các địa tầng nhìn chung khác nhau một chút, họ kết luận rằng lịch sử của Trái Đất bao gồm một loạt những biến cố địa chất lớn – lũ lụt lớn, động đất dữ dội – sau đó là sự ra đời của các loài thực vật và động vật mới thích nghi được với điều kiện mới. Trái Đất dường như đã trải qua một lịch sử không ngừng tiến lên để chuẩn bị cho vinh quang tột bậc của nó: sự ra đời của loài người. Giả thuyết này khớp với câu chuyện Tạo hóa trong Sáng thế ký, kể cả là theo giả thiết rằng sáu ngày sáng tạo thế giới thực chất là sau khoảng thời gian dài, hoặc bằng cách nói rằng Kinh Thánh chỉ mô tả sáng tạo cuối cùng, tức kỷ nguyên của con người.

Năm 1830, Charles Lyell (1797–1875), một nhà địa chất học xuất thân là luật sư, đã thách thức giả thuyết tổng quát này. Lyell đã nghiên cứu những viên đá và hóa thạch ở Pháp và Ý. Khi đó ông đang học địa chất học ở Đại học Oxford và thầy của ông là William Buckland, người theo thuyết thảm họa. Lyell không thỏa mãn với quan điểm địa chất của Buckland. Lyell đặt câu hỏi liệu chúng ta có thể chứng minh được gì nếu chúng ta giả thiết rằng những lực địa chất vận hành trên Trái Đất luôn luôn đồng nhất (giống nhau)? Ông trở thành thủ lĩnh của những người theo “thuyết đồng nhất”, đối lập với những người theo thuyết thảm họa. Lyell muốn xem mình có thể giải thích được lịch sử địa chất của Trái Đất đến chừng nào bằng cách sử dụng những nguyên lý của ông về sự đồng nhất. Ông nhận thấy rằng ở thời điểm đó, Trái Đất vẫn đang tích cực hoạt động địa chất, vẫn có núi lửa, lũ lụt, xói mòn và động đất. Nếu mức độ của những thay đổi này giống với mức độ của các thay đổi thời xa xưa, phải chăng như vậy là đủ để giải thích tất cả bằng chứng về những giai đoạn xảy ra các đại thảm họa địa chất cổ xưa? Đúng vậy, ông trả lời, và giải thích tỉ mỉ những lập luận của ông trong một bộ sách gồm 3 cuốn, Nguyên lý địa chất học (Principle of Geology, 1830–1833). Ông chỉnh lý bộ sách này trong 40 năm tiếp theo, cẩn thận xem xét nghiên cứu của ông cũng như những nghiên cứu của các nhà địa chất học khác.

Thuyết đồng nhất của Lyell là một nỗ lực táo bạo để loại bỏ giả thuyết về những thảm họa và sự dựa dẫm vào những phép mầu như trận Đại Hồng Thủy. Ông muốn giải phóng các nhà địa chất học để họ được tự do giải mã lịch sử của Trái Đất mà không chịu sự can thiệp của Giáo Hội. Lyell là một người đàn ông rất sùng đạo, cho rằng nhân loại là giống loài có đạo đức, độc nhất vô nhị, với một vị trí đặc biệt trong Vũ Trụ. Và ông thấy rõ hơn hầu hết những người khác một điều: giả thuyết của những người theo thuyết thảm họa, cho rằng sự ra đời lần lượt của các loài thực vật và động vật tiến ngày càng gần đến những loài sống trong thời đại ngày nay, rất giống sự tiến hóa. Trong khi những người theo thuyết thảm họa so sánh những hóa thạch ở tầng đất sâu với những hóa thạch ở tầng nông hơn và nhìn thấy sự tiến triển, Lyell phản biện rằng, ngược lại, các hóa thạch không thể hiện quá trình phát triển tổng thể nào. Ông rất phấn khích khi một con vật hóa thạch thuộc nhóm động vật có vú được khai quật ở một địa tầng cổ, sâu trong lòng đất. Động vật có vú thường chỉ được tìm thấy ở những địa tầng mới, cho nên phát hiện này gọi cho ông suy nghĩ rằng không có tiến triển thật sự nào trong lịch sử thực vật và động vật, ngoại trừ con người. Nếu nó giống như tiến triển, thì đó chỉ là một may mắn tình cờ. Chỉ có một số lượng rất nhỏ các loài từng tồn tại trong thời tiền sử được bảo tồn ở dạng hóa thạch.

Charles Lyell đã góp phần tạo ra địa chất học hiện đại. Cách ông suy nghĩ về địa chất và những công trình nghiên cứu ngoài hiện trường của ông đều xuất chúng. Ông chứng minh rằng, nếu Trái Đất của chúng ta có một lịch sử đủ dài, thì nhiều điều có thể được giải thích bằng cách đơn giản quan sát những gì đang diễn ra hiện nay và sử dụng những sự kiện hoặc lực lượng địa chất thời nay để giải thích quá khứ. Một nhà tự nhiên học trẻ tuổi, Charles Darwin, cảm thấy ấn tượng với bộ sách Nguyên lý địa chất học của Lyell. Ông đã mang theo cuốn đầu tiên của bộ sách (và nhờ người gửi hai cuốn còn lại cho ông) khi ông bắt đầu chuyến du ngoạn vòng quanh thế giới trên tàu Beagle. Darwin nói rằng ông dùng cách nhìn của Lyell để quan sát thế giới địa chất, thế giới của động đất, đá và hóa thạch, trong suốt chuyến đi. Nhưng ông rút ra một kết luận rất khác về ý nghĩa của những dữ liệu hóa thạch.

Chương 25

Màn trình diễn vĩ đại nhất trên Trái đất

Đi dạo ở miền quê và bạn sẽ thấy mình đứng giữa bao nhiêu cây, hoa, muông thú, chim và côn trùng thuộc về phần thế giới của bạn. Đến vườn thú và bạn sẽ thấy những loài thực vật và động vật kì lạ đến từ nơi rất xa. Đến một bảo tàng lịch sử tự nhiên và bạn sẽ thấy những hóa thạch, có thể là những bộ xương khủng long khổng lồ, hàng triệu năm tuổi. Người đã dạy chúng ta rằng tất cả những chủng loài đã hóa thạch lẫn còn đang sống này thực ra có mối liên hệ với nhau, là một người đàn ông điềm tĩnh, khiêm nhường có tên Charles Darwin (1809–1882). Ông đã thay đổi cách chúng ta nghĩ về chính mình.

Carl Linnaeus (Chương 19) đặt tên cho thực vật và động vật với ý tưởng rằng các loài sinh học là cố định. Chúng ta vẫn đặt tên chúng theo nguyên tắc của ông. Chúng ta có thể làm điều này bởi, mặc dù chúng ta ngày nay đã biết rằng thực vật và động vật thật sự có thay đổi, nhưng thay đổi này rất chậm. Mỗi loài sinh học có một ý nghĩa thực. Nhưng trong các loài có biến dị. Trẻ em có thể khác cha mẹ chúng: có thể cao hơn hoặc có màu tóc khác, hoặc có mũi to hơn. Những con ruồi giấm mới sinh bu đầy trên những trái cây đang thối rữa vào mùa hè cũng khác với cha mẹ chúng, nhưng do kích thước của chúng, sự khác biệt rất khó nhìn thấy. Những khác biệt giữa những con cún hoặc mèo con trong cùng một lứa thường dễ phát hiện hơm. Điều Darwin nhận ra là những biến dị giữa thế hệ cha mẹ và con của chúng là rất quan trọng, bất kể chúng ta có thể nhìn thấy hay không. Ngay cả khi chúng ta không phải lúc nào cũng đánh giá cao những biến dị này, tự nhiên vẫn có thể trân trọng chúng, và thực tế là đúng như vậy. Con đường của Darwin đến với sự thấu tỏ quan trọng này đầy những phiêu lưu và suy nghĩ thầm lặng.

Cha và ông của Darwin là những bác sĩ thành công. Ông của Darwin, Erasmus Darwin, có một học thuyết về cách tiến hóa của thực vật và động vật, và viết những bài thơ về khoa học. Charles Darwin có một tuổi thơ hạnh phúc, mặc dù mẹ ông mất khi ông mới lên tám. Ông khám phá ra tình yêu đối với tự nhiên và ông thử nghiệm với bộ đồ thí nghiệm hóa học của mình. Ông chỉ là một học sinh trung bình ở trường. Cha ông gửi ông đến Đại học Edinburgh để học y, nhưng ông thích môn lịch sử tự nhiên và sinh học hơn nhiều. Sau khi cuộc phẫu thuật đầu tiên mà ông được chứng kiến khiến cho ông phát bệnh, ông biết rằng mình không thể nào trở thành một bác sĩ. Darwin luôn luôn cực kì nhạy cảm đối với sự đau đớn.

Sau thất bại của ông ở Edinburgh, ông đến Đại học Cambridge để học lấy một bằng nghệ thuật cơ bản, với ý nghĩ rằng mình sẽ trở thành một tu sĩ. Ông vượt qua các bài thi. Vừa đủ điểm. Nhưng Cambridge hóa ra lại là nơi cực kỳ quan trọng bởi ông đã kết bạn với những giáo sư thực vật học và địa chất học. Họ truyền cảm hứng cho ông trở thành một nhà tự nhiên học. John Henslow đưa ông đi thu thập cây ở vùng nông thôn Cambridge. Adam Sedgwick đi cùng ông đến Wales để nghiên cứu những viên đá và hóa thạch địa phương. Sau chuyến đi với Sedgwick, Darwin tốt nghiệp và trở nên chán chường, không chắc nên làm gì tiếp. Ông được cứu vớt bởi một đề nghị bất thường: liệu ông có muốn trở thành “nhà tự nhiên học quý tộc” trong một chuyến đi khảo sát trên con tàu HMS Beagle, được chỉ huy bởi Thuyền trưởng Robert Fitzroy của Hải quân Hoàng gia? Cha ông nói không, nhưng chú ông đã thuyết phục cha ông rằng đây thực chất là một ý tưởng hay. Chuyến đi trên tàu Beagle là yếu tố hình thành phẩm chất con người Charles Darwin.

Trong gần 5 năm, từ tháng Mười hai năm 1831 đến tháng Mười năm 1836, Darwin xa nhà khi con tàu đi vòng quanh thế giới. Ông bị say sóng trong phần lớn thời gian trên biển, nhưng ông cũng dành nhiều thời gian trên đất liền, đặc biệt Nam Mỹ. Ông là một nhà quan sát xuất chúng về mọi loại hiện tượng tự nhiên: cảnh quan, con người và phong tục tập quán của họ, và cây cỏ, động vật và hóa thạch. Ông thu thập hàng nghìn mẫu vật và gửi chúng về nhà, tất cả đều được dán nhãn cẩn thận. Nếu còn sống ở thời đại này, ông hẳn sẽ viết một blog, nhưng ông giữ một cuốn nhật ký tuyệt vời, mà sau này ông xuất bản sau khi trở về nhà. Cuốn Nhật ký nghiên cứu (Journal of Researches, 1839) của ông ngay lập tức được nhiều người ưa thích và trở thành một bản tường thuật kinh điển về một trong những hành trình khoa học quan trọng nhất từng diễn ra. Chúng ta biết đến nó với cái tên Hành trình của Beagle (The Voyage of the Beagle).

Học thuyết của Darwin về tiến hóa sẽ được xây dựng trong thời gian sau đó, nhưng ngay từ lúc này ông đã suy tư về cách cây cỏ và động vật thay đổi theo thời gian, Nhật ký nghiên cứu của ông cho độc giả biết ba điều đặc biệt quan trọng. Thứ nhất, khi Darwin ở Chile, ông trải nghiệm, từ vị trí an toàn trên tàu Beagle, một trận động đất khiến cho độ cao đường bờ biển bị nâng lên tới 4,5 mét. Darwin mang theo một bản của bộ Nguyên lý địa chất học của Lyell, và rất ấn tượng với ý tưởng của Lyell rằng những hiện tượng mãnh liệt như động đất có thể giúp giải thích được quá khứ. Trận động đất ở Chile đã thuyết phục Darwin rằng Lyell đã đúng.

Thứ hai, Darwin bất ngờ trước mối liên hệ giữa những loài đang sống và những mẫu hóa thạch của thực vật và động vật mới được khai quật vào thời gian đó. Ở bờ phía Đông của Nam Mỹ, ông tìm thấy những con tatu lớn còn sống, và những hóa thạch giống chúng: giống, nhưng rõ ràng không cùng một loài. Ông tìm ra nhiều mẫu vật khác, và bổ sung những mẫu vật của chính ông vào bộ sưu tập được các nhà tự nhiên học khác tìm thấy.

Thứ ba, và cũng nổi tiếng nhất, là những khám phá của ông trên quần đảo Galapagos. Quần đảo này cách bờ Tây của Nam Mỹ hàng trăm dặm. Ở đây, có nhiều loài thực vật và động vật đáng kinh ngạc, bao gồm những con rùa cạn khổng lồ và những con chim xinh đẹp, mà nhiều con trong số chúng xuất hiện trên chỉ một hòn đảo. Darwin đã thăm một vài hòn đảo và cẩn thận thu thập các mẫu vật. Ông gặp một ông cụ có thể nói được một con rùa đến từ đảo nào, vẻ ngoài của những con rùa đến từ những đảo này rất đặc trưng. Nhưng chỉ sau khi trở về nước Anh, ông mới bắt đầu nhận ra tầm quan trọng của những gì ông tìm thấy. Một chuyên gia về chim quan sát những con chim thuộc họ chim sẻ được thu thập từ những hòn đảo khác nhau, và phát hiện ra rằng chúng thực ra không cùng loài. Mỗi đảo ở quần đảo Galapagos dường như là một phòng thí nghiệm cỡ nhỏ về sự biến đổi.

Rời Nam Mỹ, tàu Beagle dong buồm qua Thái Bình Dương đến châu Úc, sau đó tới cực Nam của châu Phi. Con tàu trở về nước Anh sau một chuyến đi ngắn tới Nam Mỹ một lần nữa. Khi con tàu trở về Anh năm 1836, Darwin đã trở thành nhà tự nhiên học hàng đầu, rất khác với chàng trai rụt rè khi chuyến đi bắt đầu. Ông cũng có được danh tiếng trong lĩnh vực khoa học ở quê nhà nhờ những báo cáo, thư và mẫu vật ông gửi về.

Ông dành vài năm tiếp theo nghiên cứu nhiều thứ ông đã thu thập được trong chuyến đi, và viết ba cuốn sách. Ông cũng cưới người em họ Emma Wedgwood, và chuyển tới sống ở một ngôi nhà lớn ở vùng nông thôn Kent. Down House là nơi ông sống trong suốt phần còn lại của cuộc đời, cũng là nơi ông sẽ thực hiện những nghiên cứu quan trọng nhất đời mình. Vừa khéo là ông cũng thích được ở nhà, vì ông mắc một căn bệnh bí ẩn và ông thường không được khoẻ. Bất kể căn bệnh đó là gì, và chúng ta đến nay vẫn không biết vấn đề sức khỏe của ông là gì, ông và bà Emma đã có 9 người con. Ông cũng xuất bản một lượng đều đặn sách và các bài báo khoa học. Một trong những sản phẩm này là cuốn sách quan trọng nhất lịch sử ngành sinh học: Nguồn gốc muôn loài (On the Origin of Species), xuất bản năm 1859.

Nhiều năm trời trước khi cuốn sách được xuất bản, Darwin bắt đầu ghi chép trong những cuốn sổ tay cá nhân về “tiến hóa biến đổi”. Ông bắt đầu ghi chép vào năm 1837, không lâu sau khi ông trở về từ chuyến đi trên tàu Beagle. Năm 1838, Darwin đọc Bài luận về quy luật dân số (An Essay on the Principle of Population) của Thomas Malthus. Malthus là một tu sĩ hầu như chỉ quan tâm đến vấn đề tại sao quá nhiều người nghèo túng. Ông đề xuất giả thuyết rằng người nghèo kết hôn quá sớm và có nhiều con hơn số mà họ có thể chăm sóc chu đáo. Malthus cho rằng tất cả các chủng loài động vật đều sinh sản nhiều hơn hẳn số lượng có thể sống sót. Mèo có thể đẻ ba lứa mỗi năm, mỗi lứa có sáu mèo con hoặc nhiều hơn. Mỗi năm một cây sồi sinh ra hàng nghìn quả sồi, và mỗi quả sồi có thể trở thành một cây sồi khác. Ruồi sinh ra hàng triệu ruồi con mỗi năm. Nếu tất cả các cá thể đời sau của những thực vật và động vật này đều sống sót, và nếu điều này cũng xảy ra ở thế hệ tiếp theo nữa, thì thế giới sẽ sớm bị quá tải mèo, cây sồi, hoặc ruồi.

Malthus tin rằng tất cả những cá thể thừa của đời sau đều cần thiết bởi có quá nhiều sự hao phí. Tự nhiên khắc nghiệt, và khó sống. Khi Darwin đọc bài luận của Malthus, ông đã tìm ra lý do tại sao một số con non sống sót, và tại sao một số lại không làm được điều đó. Nó cũng giải thích tại sao thực vật và động vật thay đổi rất chậm trong những khoảng thời gian rất dài. Những con sống sót phải có điểm nào đó vượt trội hơn những anh chị em của chúng, và đó sẽ là “sự sống sót của kẻ phù hợp nhất”, hoặc chọn lọc tự nhiên, như Darwin đã gọi. Darwin lý luận rằng tất cả những cá thể thế hệ sau đều thừa hưởng một vài đặc điểm của cha mẹ chúng, ví dụ như khả năng chạy nhanh. Những cá thể thế hệ sau với những đặc điểm hữu ích nhất có khả năng sống sót cao hơn: chúng có thể chạy nhanh hơn một chút, hoặc có những gai nhọn hơn một chút. Vì thế những đặc điểm này sẽ được “chọn lọc”, vì những cá thể kém thành công hơn, những con không có những đặc điểm này, sẽ không thể sống sót đủ lâu để sinh ra được thế hệ sau của riêng chúng.

Darwin nhận ra rằng thay đổi trong tự nhiên xảy ra rất chậm. Nhưng ông lập luận rằng thay đổi có thể đến nhanh hơn nhiều khi con người làm chủ quy trình này, chọn lọc những đặc điểm họ muốn ở thực vật và động vật. Ông gọi đây là chọn lọc nhân tạo, và con người vẫn làm việc này trong hàng nghìn năm. Darwin lai giống chim bồ câu, và trao đổi nhiều bức thư với những người bạn cùng yêu thích chim bồ câu. Ông biết hình dạng và hành vi của những con bồ câu cảnh của họ có thể thay đổi nhanh thế nào, khi những người lai giống cẩn thận lựa chọn những con chim bồ câu có những đặc điểm nhất định để lai giống. Nông dân đã làm như vậy với những con bò, cừu, và lợn. Tương tự với người lai giống cây khi họ cố gắng cải thiện năng suất cây vụ mùa, hoặc tạo ra những bông hoa đẹp hơn. Bạn biết chó chăn cừu khác một con chó bull như thế nào. Rất dễ tạo ra những biến thể trong giới động vật nếu người lai tạo chọn lựa những đặc điểm họ muốn.

Darwin thấy rằng tự nhiên vận động chậm hơn rất nhiều, nhưng với đủ thời gian và điều kiện môi trường phù hợp, những biến đổi y hệt như vậy sẽ diễn ra. Điều ông học được từ những con chim và rùa ở quần đảo Galapagos đã minh họa cho cách chọn lọc tự nhiên vận hành. Những điều kiện địa phương như đất, động vật săn mồi, và nguồn thức ăn ở mỗi đảo lại khác một chút. Vì thế, thực vật và động vật địa phương đã thích nghi với những điều kiện địa phương khác nhau. Mỏ của nhiều loài chim đã được “chọn lọc” cho những thứ khác nhau mà chúng có thể tìm để ăn: hạt, quả, hoặc những con ve kí sinh trên rùa cạn. Trong một số trường hợp, theo như Darwin nhận ra, những điểm khác biệt trở nên rõ rệt đến mức tạo ra những loài khác nhau, mặc dù tất cả những con chim vẫn có họ hàng gần với nhau. Thời gian và sự cách ly đã cho phép những thay đổi đáng kể xuất hiện, và những chủng loài mới đã tiến hóa.

Một cách thầm lặng, Darwin đọc rộng và thu thập nhiều ghi chép quan sát khác nữa. Ông viết một phác thảo sơ bộ cho học thuyết của mình vào năm 1838 và một phiên bản dài hơn vào năm 1842. Nhưng ông đã không công bố những suy nghĩ của mình. Tại sao? Ông muốn chắc chắn rằng mình đúng. Ông biết mình đang có một quan điểm có tính cách mạng về thế giới sinh vật và những nhà khoa học khác sẽ phản biện, chỉ trích ông nặng nề nếu báo cáo của ông không đủ sức thuyết phục. Năm 1844, Robert Chambers, một người làm nghề xuất bản ở Edinburgh đồng thời là nhà tự nhiên học nghiệp dư, đã xuất bản giấu tên phiên bản của riêng ông về sự biến đổi của các loài. Dấu tích của lịch sử tự nhiên của tạo hóa (Vestiges of the Natural History of Creation) của Chambers đã gây chấn động trong dư luận. “Tiến hóa biến đổi” trở thành chủ đề nóng hổi. Chambers đã tập hợp nhiều bằng chứng cho thấy rằng những loài đang sống là hậu duệ của những loài trước đây. Những ý tưởng của ông thực ra mơ hồ, và ông không có một giả thuyết thực sự nào về cách thức điều này xảy ra. Ông đã mắc nhiều lỗi. Sách của ông bán chạy, nhưng bị chỉ trích không thương tiếc bởi những nhà khoa học hàng đầu, chính những người mà Darwin hy vọng sẽ thuyết phục được. Vì thế Darwin đã chờ đợi. Ông hoàn thành một vài xuất bản phẩm quan trọng từ nghiên cứu trong chuyến đi với tàu Beagle, và nghiên cứu một đề tài bất thường nhưng an toàn: loài hà biển. Mổ và nghiên cứu những sinh vật biển nhỏ bé này là việc khó, nhưng Darwin luôn nhấn mạnh rằng nó cho ông những hiểu biết sâu và đáng giá về một nhóm động vật có số lượng lớn về cả loài đang sống lẫn hóa thạch, mỗi loài trong đó thích nghi theo cách riêng với lối sống của chúng.

Sau loài hà biển, Darwin cuối cùng cũng quay lại với công trình vĩ đại của mình. Năm 1858, khi ông đang viết một cuốn sách dài mà ông gọi là “Chọn lọc Tự nhiên”, nhân viên bưu điện đưa đến cho ông một tin thảm họa. Một bức thư đến từ châu Á xa xôi xin ý kiến của Darwin về một bài báo khoa học ngắn. Nó là một báo cáo ngắn gọn về cách chọn lọc tự nhiên có thể dẫn đến những thay đổi về loài theo thời gian. Darwin rên rỉ. Tác giả của bài báo đó, Alfred Russel Wallace (1823–1913), có thể cũng đang tóm tắt con đường nghiên cứu chậm rãi và đầy gian khổ của Darwin và đi đến cùng một kết luận.

Charles Lyell và Joseph Hooker, những người bạn của Darwin biết về quan điểm của ông về chủng loại, đã hỗ trợ ông. Họ tổ chức một buổi thuyết trình chung cho ý tưởng của Wallace và Darwin ở Hội Linnean ở London. Không ai dành nhiều sự chú ý cho những nội dung được đề cập ở buổi gặp mặt đó. Darwin nằm ốm tại nhà và Wallace thậm chí còn không biết về buổi thuyết trình – ông ta đang ở cách đó gần 13.000 kilomet. Những bức thư của Wallace đã thuyết phục Darwin rằng ông cần nhanh chóng viết một bản tóm tắt các ý tưởng của ông, thay vì cuốn sách dài mà ông đang viết. Vì thế, Nguồn gốc muôn loài được xuất bản ngày 24 tháng Mười một năm 1859. Nhà xuất bản đã in 1250 bản. Chúng được bán hết chỉ trong một ngày.

Trọng tâm của cuốn sách là hai ý tưởng chính của ông. Thứ nhất, chọn lọc tự nhiên ưu ái sự tồn tại của những đặc điểm có ích, tức là, những đặc điểm giúp cho các cá thể sống và sinh sản được. (Chọn lọc nhân tạo cho thấy con người có thể thay đổi rõ rệt các đặc tính của thực vật và động vật đến mức nào nếu họ muốn, điều này minh họa cho khả năng biến đổi của thực vật và động vật.) Thứ hai, chọn lọc tự nhiên, diễn ra trong thiên nhiên hoang dã và sau một thời gian dài, tạo ra những loài mới. Chúng tiến hóa chậm rãi theo thời gian. Phần còn lại của cuốn sách là một phép chứng minh xuất sắc cho việc những ý tưởng này giải thích được thế giới tự nhiên một cách tuyệt vời ra sao. Darwin viết về mối liên hệ giữa các loài sống và những tổ tiên gần gũi đã hóa thạch của chúng. Ông mô tả sự phân bố địa lý của thực vật và động vật trên toàn thế giới. Ông giải thích sự cách ly về mặt địa lý (như ở quần đảo Galapagos) cung cấp những điều kiện để những chủng loài mới có thể phát triển như thế nào. Và ông nhấn mạnh rằng phôi của một số loài động vật có nhiều nét tương đồng đáng kinh ngạc với phôi của loài khác. Đóng góp mà Nguồn gốc của Darwin dành cho sinh học sánh ngang với đóng góp mà Principia của Newton dành cho vật lý học. Nó giải thích hợp lý vô cùng nhiều điều trong thế giới tự nhiên.

Vấn đề lớn nhất của Darwin là sự kế thừa: tại sao các cá thể thế hệ sau lai giống bố mẹ của chúng, đồng thời hơi khác bố mẹ cũng như hơi khác chính anh chị em chúng. Ông đọc cẩn thận và suy nghĩ về điều này. Ông đề xuất một số cách giải thích, nhưng ông biết rằng con người lúc đó vẫn chưa hiểu mấy về sự di truyền (di truyền học), và ông cũng nói như vậy. Ông cũng biết rằng điều quan trọng không phải là nói được sự di truyền vận hành như thế nào, mà rằng nó thật sự đang diễn ra.

Nguồn gốc muôn loài đã gây xáo trộn dư luận. Người ta viết và nói về nó. Một số người nói tốt về nó, những người khác chỉ trích nó. Darwin đơn giản chỉ tiếp tục nghiên cứu nó – ông đã xuất bản tổng cộng 6 ấn bản của cuốn sách trước khi ông qua đời. Ông phát triển ý tưởng của mình, một phần để đáp lại những phản biện, và một phần bởi những ý tưởng của ông không ngừng phát triển và hoàn thiện. Song song với việc cập nhật cuốn Nguồn gốc, ông tiếp tục viết được một số lượng đáng ngạc nhiên những cuốn sách về những điều khiến ông quan tâm: những cây phong lan xinh đẹp, mà hoa của chúng có thể thích nghi với những loài côn trùng giúp chúng thụ phấn; những loài cây bắt và tiêu hóa côn trùng, những loài cây leo có thể bám vào tường, và thậm chí cả những con giun đất khiêm nhường. Không ngạc nhiên khi ông được gọi là “con người có trí tò mò khuếch đại”. Dường như không thứ gì thoát khỏi sự chú ý của ông.

Cuốn Nguồn gốc không nói gì về sự tiến hóa của loài người, mặc dù Darwin biết rằng những hiểu biết sâu sắc này của ông cũng đúng với lịch sử sinh học của giống loài chúng ta. Bất cứ ai đọc bản đầu tiên của cuốn sách này cũng nhận thức rõ rằng Darwin tin vào sự tiến hóa của loài người, nhưng ông đã chờ đợi hơn một thập kỷ để nói điều đó một cách công khai, trong cuốn Dòng dõi con người (The Descent of Man, 1871).

Darwin biến tiến hóa sinh học thành một giả thuyết khoa học có căn cứ. Một số nhà khoa học không bị thuyết phục, nhưng đa số thì có, mặc dù đôi khi họ đề xuất những phiên bản lý thuyết của chính họ về cách thức và lý do tiến hóa xảy ra. Nhiều chi tiết trong cuốn sách vĩ đại của Darwin đã được đính chính bởi những nghiên cứu khoa học sau này. Nó không hoàn hảo tuyệt đối. Nó không cần thiết phải như vậy – khoa học là thế. Nhưng từ nghiên cứu của ông và khu vườn ở Down House, Darwin đã đảm bảo rằng chúng ta sẽ không bao giờ nhìn sự sống trên Trái Đất theo cách trước kia được nữa. Lịch sử tiến hóa của hành tinh chúng ta đơn giản chính là màn trình diễn vĩ đại nhất trên Trái Đất.

Chương 26

Những hộp sự sống nhỏ bé

Có những thứ chúng ta đơn giản không thể nhìn hoặc nghe thấy. Nhiều ngôi sao nằm ngoài tầm quan sát của chúng ta, và chúng ta không thể nhìn thấy được nguyên tử, hoặc thậm chí các sinh vật nhỏ xíu có đầy trong những vũng nước mưa. Chúng ta không thể nghe thấy âm thanh mà nhiều con chim hoặc chuột có thể. Nhưng chúng ta vẫn có thể biết về chúng, đặt những câu hỏi và sử dụng những dụng cụ giúp chúng ta nhìn hoặc nghe tốt hơn nhiều so với việc chỉ dùng tai và mắt thường. Cũng như kính viễn vọng cho phép chúng ta nhìn xa hơn vào không gian Vũ Trụ, kính hiển vi giúp chúng ta nhìn sâu hơn vào những khối công trình nhỏ xíu tạo nên các sinh vật sống.

Vào thế kỷ 17, nhà tiên phong trong lĩnh vực vi sinh học, Antonie van Leeuwenhoek, đã sử dụng những kính hiển vi nhỏ của ông để quan sát tế bào máu và những sợi lông trên chân của một con ruồi. Một thế kỷ sau, những chiếc kính hiển vi tiên tiến hơn cho phép những nhà tự nhiên học xem xét kỹ lưỡng các chi tiết giải phẫu tinh vi như trên, và một nhóm phong phú những sự sống nhỏ bé. Một chiếc kính hiển vi “phức hợp” có thể làm cho mọi thứ hiện ra to hơn so với một chiếc kính hiển vi thông thường. Nó bao gồm một ống với hai thấu kính, trong đó thấu kính thứ hai phóng to ảnh thu được từ thấu kính thứ nhất lên, như vậy bạn có hình phóng đại kết hợp của cả hai thấu kính. Nhiều người suy nghĩ cẩn thận không hoàn toàn tin vào kính hiển vi. Những kính hiển vi phức hợp đầu tiên tạo ra những hình ảnh bị bóp méo hoặc nhiều loại ảo ảnh, ví dụ, những màu sắc kì lạ hoặc những đường không tồn tại. Ở thời đó, người ta chỉ có những phương pháp thô sơ để cắt các vật thành những lát mỏng để nghiên cứu và cố định những lát mỏng này trên một lam kính (một tấm thủy tinh mỏng). Vì thế, nhiều nhà khoa học nghĩ rằng sử dụng kính hiển vi là không bõ công sức bỏ ra.

Nhưng các bác sĩ và nhà sinh học muốn hiểu các cơ thể vận hành như thế nào, một cách chi tiết nhất có thể. Ở Pháp, Xavier Bichat (1771–1802) đã bắt đầu nghiên cứu những chất khác nhau cấu thành cơ thể người – cái mà chúng ta gọi là “mô”, bất kể cứng như xương, mềm như mỡ, hay lỏng như máu. Bichat nhận ra rằng, bất kể ở vị trí nào trên cơ thể, cùng một loại mô sẽ hoạt động theo những cách tương tự nhau. Vì vậy, tất cả các cơ sẽ được tạo ra từ cùng một loại mô, bất kể chúng đang bận co lại ở chân, cẳng tay, bàn tay, hay bàn chân. Tất cả các gân (phần liên kết cơ với xương), hoặc lớp màng mỏng được gọi là mô huyết thanh (giống lớp màng bao quanh tim), là tương tự nhau tất cả các bộ phận của cơ thể. Bộ môn nghiên cứu tế bào và mô được gọi là mô học và Bichat là “cha đẻ của mô học”. Tuy nhiên, Bichat là một trong những người nghi ngờ kính hiển vi, và ông chỉ sử dụng một kính lúp bình thường.

Nghiên cứu của Bichat đã truyền cảm hứng cho những người khác cố gắng hiểu thực vật và động vật ở khía cạnh những khối cơ bản hơn và nhỏ hơn cấu thành cơ thể chúng. Ở những thập kỷ đầu của thế kỷ 19, một vài giả thuyết cạnh tranh nhau về bản chất của những khối cấu tạo cơ bản này của thực vật và động vật. Vấn đề kỹ thuật của kính hiển vi phức hợp bắt đầu được giải quyết ở Pháp và Anh vào cuối những năm 1820. Từ đó trở đi, những người nhìn xuống dụng cụ quang học của họ có thể tự tin rằng thứ họ nhìn thấy là hình ảnh chính xác của những gì đang thực sự nằm ở đó.

Vào những năm 1830, kính hiển vi mới giúp hai nhà khoa học người Đức lập luận rằng các khối cấu tạo cơ bản của sự sống là các tế bào, và tất cả thực vật và động vật đều được cấu thành từ chúng. Một trong hai nhà khoa học này là nhà thực vật học Schleiden. Người còn lại là bác sĩ Theodor Schwann (1810 1882). Schwann tìm hiểu cách thức tế bào vận hành và cách thức chúng được tạo ra. Các hoạt động diễn ra trong tế bào cho phép thực vật và động vật có thể chuyển động, tiêu hóa, thở và cảm giác. Các tế bào hoạt động cùng nhau, và chúng là chìa khóa để hiểu cách thức cơ thể thực vật và động vật thực hiện các chức năng và sống.

Khi bạn tự làm mình bị thương, ví dụ như bạn cắt vào ngón tay, các mô ở da sẽ sinh sôi nhiều hơn để làm liền vết thương. Nhưng nếu các mô được tạo thành từ tế bào, thì tế bào được tạo ra như thế nào? Schwann rất quan tâm đến hóa học, và ông đề xuất giả thuyết rằng các tế bào mới kết tinh từ một loại dịch đặc biệt, giống như các tinh thể có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm từ các dung dịch nhất định. Ông muốn giải thích cách các phôi thai phát triển trong trứng, hoặc trong tử cung. Ông cũng đặt câu hỏi những tế bào đến từ đâu, tức những tế bào xuất hiện nếu bạn có một vết trầy xước hoặc một vết bầm. Là một bác sĩ, ông nhận ra rằng khu vực xung quanh vết thương chuyển sang màu đỏ và nó có thể chứa đầy những tế bào mủ. Ông nghĩ rằng những tế bào mủ này được kết tinh từ chất dịch trong suốt mà chúng ta nhìn thấy ở dạng vết sưng. Nó là một giả thuyết hấp dẫn, kết hợp cả hóa học và sinh học, nhưng nó sớm được chứng minh là quá đơn giản.

Khi kính hiển vi được cải tiến, ngày càng nhiều nhà khoa học bắt đầu quan sát những gì xảy ra trong các tế bào. Một trong những nhà quan sát tế bào quan trọng nhất là Rudolf Virchow (1821–1902). Là một người có mối quan tâm rộng và cơ bản là một nhà bệnh lý học, Virchow cũng tích cực nghiên cứu y tế công cộng, chính trị, nhân chủng học và khảo cổ học. (Ông góp phần khai quật thành Troy, mà Homer viết đến vào năm 800 TCN.) Trong những năm 1850, Virchow bắt đầu nghĩ đến ý nghĩa của thuyết tế bào đối với y học, và đối với bộ môn nghiên cứu các bệnh, gọi là bệnh lý học. Giống Schwann, ông coi tế bào là đơn vị cơ bản của các cơ thể sống. Hiểu được chức năng của chúng đối với sức khỏe và bệnh tật sẽ là chìa khóa dẫn đến một nền y học mới, dựa trên khoa học. Ông trình bày những ý tưởng của mình trong cuốn sách rất quan trọng mang tên Bệnh lý học tế bào (Cellular Pathology, 1858). Ông chứng minh rằng những căn bệnh mà bác sĩ thấy ở bệnh nhân, và sau đó có thể kiểm chứng trong phòng khám nghiệm (khi nghiên cứu những cơ thể bệnh nhân đã chết), luôn luôn là hậu quả của những sự kiện diễn ra trong tế bào. Những bệnh này bao gồm sự phát triển của ung thư (thứ ông đặc biệt quan tâm), viêm tấy kèm mủ và sưng, và bệnh tim. “Học cách nhìn kính hiển vi”, ông luôn dạy sinh viên trong lớp bệnh lý học của mình như vậy: quan sát kĩ đến tận cấp độ tế bào.

Virchow đã tổng hợp được những quan sát xuất sắc qua kính hiển vi của mình bằng một phát biểu sâu sắc về một sự thật trong sinh học: “Tất cả các tế bào sinh ra từ tế bào.” Đây là điểm mà ông vượt qua được Schwann. Ý của ông là những tế bào mủ trong một vết sưng cấp, chẳng hạn như những vết sưng xuất hiện sau khi bị dằm đâm hoặc bị trầy, thực chất sinh ra từ những tế bào khác. Chúng không kết tinh từ chất dịch trong cơ thể. Điều này cũng có nghĩa là sự phát triển của ung thư đến từ các tế bào khác, mà trong trường hợp này là các tế bào đang hoạt động không đúng và tự phân chia trong khi chúng đáng ra không nên làm như vậy. Tất cả những tế bào mà chúng ta có thể quan sát dưới kính hiển vi đều được sản xuất ra bởi một tế bào đã tồn tại (được gọi là tế bào “mẹ”) tự chia làm hai (các tế bào “con”). Thật vậy, khi các nhà sinh học quan sát ngày càng nhiều hơn, đôi khi họ nhìn thấy hoạt động phân chia tế bào diễn ra. Và họ để ý thấy rằng phần bên trong của tế bào dường như thay đổi khi tế bào phân chia làm hai. Một điều gì đó đặc biệt đang diễn ra.

Những quan sát trước đó đã cho thấy tế bào không phải chỉ là một cái túi chứa đầy cùng một loại vật chất. Vào những năm 1830, nhà thực vật học người Anh Robert Brown (1773–1858) đã lập luận rằng tất cả các tế bào đều có một thứ gì đó chính giữa chúng: một nhân, có màu tối hơn những chất bao quanh. Brown đã quan sát rất nhiều tế bào dưới kính hiển vi của mình và chúng dường như đều có nhân này. Nhân nhanh chóng được công nhận như một phần của tất cả các tế bào. Tất cả những vật chất khác được bọc trong màng tế bào được gọi là chất nguyên sinh. Từ này có nghĩa đen là “khuôn đầu tiên”, vì tại thời điểm đó chất nguyên sinh được coi là chất sống trong tế bào, với chức năng mang sự sống đến cho thực vật và động vật. Rồi, ngoài nhân, các cấu trúc khác trong tế bào dần được phát hiện và đặt tên.

Các nhà khoa học nhanh chóng đón nhận khám phá về nhân và các phần khác của tế bào. Nhưng đối với cuộc tranh luận từ rất lâu về “thuyết tự sinh”, tức một nhận định rằng dường như nhiều loại sinh vật nhỏ sinh ra từ thịt bị thối rữa hoặc nước tù đọng lâu ngày, câu chuyện lại diễn ra theo chiều hướng hoàn toàn khác. Người ta biết rằng nếu họ để một miếng thịt không được che đậy trên bàn, sau vài ngày họ có thể thấy miếng thịt có giòi. Họ không biết rằng ruồi đã đẻ trứng và trứng ruồi nở ra giòi, vậy họ giải thích nguồn gốc của giòi như thế nào? Kiểm tra một giọt nước ao dưới kính hiển vi, bạn sẽ thấy nhung nhúc những sinh vật nhỏ xíu. Làm sao chúng vào đó được?

Đối với những nhà khoa học thế kỷ 19, cách giải thích dễ dàng nhất là những sinh vật này đã được tạo ra, hoặc sinh ra, từ các môi trường nuôi dưỡng chúng nhờ một phản ứng hóa học. Đây là quan điểm phổ biến, và nó dường như có lý. Vì những con giòi không có trên miếng thịt khi người ta đặt nó xuống, có cách nào giải thích sự có mặt của chúng tốt hơn giả thuyết rằng khi miếng thịt thối rữa, nó thực chất đã tạo ra những sinh vật kinh tởm này? Chẳng mấy người nghĩ rằng những sinh vật phức tạp như voi hoặc cây sồi – tự sinh ra, nhưng chẳng có lời giải thích rõ ràng nào cho việc những thể sống đơn giản hơn dường như đột nhiên xuất hiện, ngoại trừ việc chúng bằng cách nào đó được tạo ra từ những thứ xung quanh. Ngay cả quan điểm của Schwann về các tế bào sống kết tinh từ dịch đặc biệt của cơ thể cũng là một kiểu tự sinh, tế bào sống sinh ra từ vật chất không sống.

Các nhà tự nhiên học thế kỷ 17 và 18 nghĩ rằng họ đã chứng minh được rằng sự tự sinh không xảy ra, nhưng vấn đề vẫn còn đó. Nó được hai nhà khoa học người Pháp bàn luận sôi nổi từ cuối những năm 1850. Người chiến thắng cuối cùng thuyết phục được cộng đồng khoa học rằng sự tự sinh không tồn tại. Nhưng câu chuyện không đơn giản: người chiến thắng (cũng là người đúng) đã không thực sự chơi đẹp.

Người đầu tiên trong hai nhà khoa học người Pháp này là một nhà hóa học, Louis Pasteur (1822–1895). Từ những năm 1850, ông đã bắt đầu nghi ngờ rằng những tế bào sống có thể làm được những việc phi thường. Ông vốn quen với việc nghiên cứu đặc tính hóa học của nhiều hợp chất. Ông cũng quen với sự lên men, một quá trình mà trong đó nho được trộn với men để tạo ra rượu vang, và bột mì được trộn với men trước khi nướng để làm cho bánh mì nở. Trước Pasteur, quá trình lên men được cho là một phản ứng hóa học đặc biệt mà trong đó men là chất xúc tác, một thứ đẩy cao tốc độ phản ứng nhưng không bị phản ứng làm thay đổi. Thay vào đó, Pasteur chứng minh rằng, sự lên men thực chất lại là một quá trình sinh học do men gây ra khi nó sống và ăn đường trong nho và bột mì. Các tế bào trong men phân chia để tạo ra nhiều tế bào hơn, và các hoạt động sống của chúng tạo ra chất cồn mà người ta muốn có trong rượu hoặc khiến cho bánh mì nhẹ và mềm xốp. Tất nhiên, những quá trình này cần được dừng lại đúng lúc bằng cách làm nóng. Nếu người ta cho phép men tiếp tục sống, rượu vang sẽ chuyển thành giấm và bột bánh mì cuối cùng sẽ xẹp lại như cũ. Nếu điều này xảy ra với quá trình lên men, Pasteur phân vân không biết những thể sống siêu nhỏ có thể tham gia vào các quá trình vẫn được cho là do các phản ứng hóa học gây ra, ví dụ như tự sinh, như thế nào. Do đó, ông biến nó thành một cuộc cạnh tranh công khai với một người cùng quốc tịch, Félix Pouchet (1800–1872), một người ủng hộ thuyết tự sinh.

Trong một loạt thí nghiệm, Pasteur đun sôi một hỗn hợp rơm và nước để chúng hoàn toàn vô trùng. Sau đó ông để chúng tiếp xúc với không khí và những hạt bụi lơ lửng trong không khí. Bình thường, nếu bạn kiểm tra chất lỏng sau vài ngày, nó sẽ chứa đầy vi sinh vật. Pasteur chứng minh rằng nếu bạn loại bỏ những hạt bụi khỏi không khí, dung dịch ban đầu sẽ luôn vô trùng. Để chứng minh rằng những vi sinh vật này đến từ bụi chứ không phải từ không khí, ông thiết kế ra một bình thủy tinh thí nghiệm đặc biệt với một cổ cong, giống như cổ thiên nga, cho phép không khí vào bình, nhưng bụi không thể vào. Khi Pouchet làm những thí nghiệm tương tự, những bình của ông chứa vi sinh vật chỉ sau vài ngày. Ông coi những kết quả này là bằng chứng cho thấy hiện tượng tự sinh có thể xảy ra. Pasteur giả thiết rằng khi những thí nghiệm của ông không cho ra kết quả như ông dự đoán, nguyên nhân là ông chưa làm sạch bình thí nghiệm tới mức thỏa đáng, và ông cho rằng Pouchet luôn thiếu cẩn thận. Pasteur thắng cuộc, mặc dù ông đã lặng lẽ phớt lờ những kết quả của một số thí nghiệm khi chúng không cho ra kết quả mà ông muốn và có vẻ như còn ủng hộ Pouchet! Ông chiến thắng một phần bởi ông là một nhà khoa học gan góc, kiên quyết, một người luôn tin rằng mình đúng, nhưng cũng một phần bởi phát biểu quan trọng “tất cả các tế bào sinh ra từ tế bào” của Virshow đang ngày càng được ủng hộ. Mọi người muốn tin Pasteur bởi những lý thuyết của ông là một bước tiến lớn vượt ra khỏi những tư tưởng cũ kĩ, và điều đó cũng rất quan trọng trong khoa học.

Kính hiển vi mở ra những tiến bộ vĩ đại trong nghiên cứu y học và sinh hoc. Kính hiển vi được cải tiến, cùng với đó là việc cải tiến những dụng cụ dùng để chuẩn bị các mẫu vật được xem xét dưới những thấu kính. Những chất màu – những hóa chất đặc biệt có tác dụng như thuốc nhuộm – đặc biệt quan trọng, bởi chúng có thể nhuộm màu và làm nổi bật những đặc điểm cấu trúc của một tế bào mà bình thường sẽ bị bỏ qua. Đặc biệt, người ta thấy nhân tế bào khi nhuộm màu có một loạt những dải tối màu mà sau đó được đặt tên là “nhiễm sắc thể” – “chromosome”. (Chromo đến từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “màu”.) Khi một tế bào đang phân chia, người ta có thể thực sự nhìn thấy các nhiễm sắc thể phình lên. Tầm quan trọng của phát hiện này, và của các phần khác trong tế bào mà các nhà khoa học xác định được, đã phải đợi đến tận thế kỷ 20 mới được công nhận. Nhưng những nhà khoa học và bác sĩ thế kỷ 19 đã đặt bước khởi đầu cho toàn bộ guồng nghiên cứu. Trên hết, họ chứng minh rằng nếu bạn muốn hiểu mọi phần của cây cối và động vật vận động thế nào, cả khi khỏe mạnh lẫn khi mắc bệnh, bạn phải bắt đầu từ những tế bào cấu tạo nên chúng. Một loại tế bào, các sinh vật đơn bào gọi là vi khuẩn, trở nên đặc biệt quan trọng trong việc hiểu về bệnh tật. Chúng ta sẽ còn nhắc đến Louis Pasteur, vì ông đóng một vai trò trung tâm trong mối liên hệ giữa vi trùng và bệnh tật, và trong việc hiểu được cách vi sinh vật đóng góp vào nhiều khía cạnh trong đời sống hằng ngày của chúng ta.

Chương 27

Ho, hắt xì và bệnh tật

Nếu chúng ta sổ mũi, ho hoặc bụng dạ nôn nao, chúng ta thường nói mình đã nhiễm[^caught-a-bug] một loại khuẩn hoặc virus, với hàm ý một loại mầm bệnh nào đó. Khái niệm “nhiễm” thứ gì đó đã quá tự nhiên đối với chúng ta đến mức khó có thể hiểu được tại sao người ta lại trầm trồ khi ai đó đưa ra một giả thuyết rằng bệnh tật sinh ra từ vi trùng. Nhiều thế kỷ trước, các thầy thuốc giải thích rằng người bệnh cảm thấy khó chịu là do những thay đổi nội tại trong thể dịch. Thậm chí ở gần thời hiện đại hơn, các bác sĩ biết rằng họ có thể quy nguồn gốc bệnh tật cho một thể chất không tốt (chúng ta có thể nói “gien xấu”), hoặc quá buông thả trong ăn uống, hoặc những thói quen xấu như thức trắng đêm. Khi đó không một ai nghĩ rằng một sinh vật từ bên ngoài có thể gây ra bệnh. Đó là một ý tưởng mới, và nó dẫn đến một cuộc tái tư duy về bản chất của bệnh tật.

[^caught-a-bug] Nguyên văn: “caught a bug”. Tác giả muốn nói đến sự đa nghĩa thú vị của cụm “catch a bug”, “Catch a bug” có thể mang nghĩa “nhiễm phải một loại vi khuẩn”, cũng có thể mang nghĩa “bắt được một con bọ”.

Các thầy thuốc ở những giai đoạn trước chắc chắn đã nói về những “mầm mống” của bệnh tật. Từ “virus” cũng thường xuyên được sử dụng, nhưng khi đó nó chỉ đơn giản có nghĩa “chất độc”. Việc người ta chết vì chất độc, vô tình hoặc cố ý, không phải chuyện gì mới. Điểm mới của thuyết vi trùng nằm chỗ nguồn bệnh bên ngoài là một sinh vật nhỏ bé – vi sinh vật. Nó mang theo một hệ ngôn ngữ của chiến tranh: cơ thể “phòng thủ” chống lại vi trùng, và có thể “chiến đấu” chống lại sự nhiễm trùng. Thuyết vi trùng là một mốc chuyển vĩ đại trong y học.

Chúng ta đã gặp chiến binh quan trọng nhất của học thuyết ấy, Louis Pasteur, ở chương trước. Ông tiếp cận khái niệm vi trùng từng chút một. Ông vẫn bận rộn nghiên cứu vai trò của vi sinh vật trong nhiều hiện tượng hằng ngày: nấu bia, lên men rượu, làm bánh mì. Việc “tiệt trùng” – “pasteurisation” – sữa và các sản phẩm làm từ sữa khác dựa trên những khám phá của ông: hãy nhìn vào bên trong tủ lạnh của bạn và bạn sẽ thấy tên ông. Sữa được tiệt trùng đã được đun nóng lên đến đúng nhiệt độ phù hợp, giết chết “vi trùng” trong đó. Sữa giữ được chất lượng lâu hơn và an toàn hơn để uống.

Việc chứng minh vi khuẩn, men, nấm, và những vi sinh vật khác có thể gây bệnh cho người và động vật vẫn là một bước tiến vĩ đại. Nhìn thấy những vi sinh vật này qua kính hiển vi là một chuyện, chứng minh rằng chính chúng chứ không phải thứ gì khác đã gây ra bệnh tật lại là một chuyện hoàn toàn khác. Những thứ ngày nay chúng ta gọi là bệnh nhiễm trùng vẫn luôn là những kẻ giết người. Đại dịch hạch, hay Cái Chết Đen, gây sốt cao và làm xuất hiện những vết sưng tấy đau đớn trên cơ thể, gọi là sưng hạch. Nó liên tục càn quét qua các thị trấn và thành phố ở Vương quốc Anh trong suốt hơn 300 năm tính từ những năm 1340 trở đi. Nó lây lan qua những con bọ chét vốn kí sinh trên chuột đen nhưng rồi chuyển sang người khi những con chuột cũng chết vì bệnh. Đậu mùa, sốt phát ban, sốt tinh hồng nhiệt, với làn da nổi những vết đỏ rát và sốt cao, cũng gây ra những hậu quả kinh sợ. Những ông bố bà mẹ có thể có tám đứa con hoặc nhiều hơn và rồi mất gần hết những người con ấy vào tay bệnh tật khi chúng vẫn còn là những đứa trẻ.

Khi các bác sĩ nghiên cứu những căn bệnh này, họ giải thích chúng theo một trong hai cách. Một số người cho rằng những căn bệnh cộng đồng này có tính truyền nhiễm. Điều này có nghĩa là chúng lan từ người này sang người khác qua tiếp xúc: khi một người khỏe mạnh chạm vào một người bệnh hoặc quần áo hoặc chăn gối của người bệnh. Đậu mùa, với những nốt bệnh đáng sợ của nó, dường như là bệnh truyền nhiễm, đặc biệt bởi vì một người chưa hề mắc bệnh thường sẽ mắc bệnh nếu họ chăm sóc một người bạn hoặc người thân mắc bệnh.

Sự lây lan của các bệnh khác thường khó giải thích hơn nếu sử dụng lý thuyết lây lan qua tiếp xúc. Các bác sĩ đưa ra giả thuyết rằng các bệnh này do “chướng khí” gây ra. Chướng khí là một thứ mùi hoặc hơi hôi hám hoặc không tốt cho sức khỏe. Người ta giải thích rằng những căn bệnh do chướng khí gây ra xảy ra do những xáo trộn không lành mạnh trong không khí: mùi hôi của rau quả thối rữa và nước thải, mùi khó chịu của các phòng bệnh. Vào những năm 1800, dịch tả là dịch bệnh đáng sợ nhất. Nó phổ biến ở Ấn Độ nhưng vào những năm 1820 nó bắt đầu lây lan ra toàn bộ phần còn lại của thế giới. Dịch tả mất 6 năm để lan từ Ấn Độ sang Vương quốc Anh, nơi nó gây ra hỗn loạn bởi nó là một trải nghiệm mới và rất đáng sợ. Bệnh tả gây ra nôn mửa và tiêu chảy rất nặng, làm cho người bệnh héo hon trong đau đớn quằn quại, chết một cách rất mất phẩm giá. Nó thường giết chết người bệnh trong chỉ một ngày.

Ngày nay, việc di chuyển liên quốc gia khiến cho dịch bệnh lan truyền rất nhanh. Thời đó, dịch bệnh lây lan chậm hơn. Khi các bác sĩ và giới chức trách châu Âu theo dõi dịch tả lây lan chậm chạp trên châu Á và Đông Âu, họ không thể xác định nó lây lan từ người sang người (qua tiếp xúc) hay đây là một dịch bệnh chướng khí. Nhiều người lo rằng căn bệnh này lây qua một thứ mà tất cả mọi người đều dùng chung: không khí mà họ thở.

Tùy thuộc vào giả thuyết mà họ tin, các nhà chức trách có thể làm những việc khác nhau để ngăn căn bệnh lây lan. Nếu lây truyền qua tiếp xúc là nguyên nhân, cách tốt nhất là cô lập và cách ly người bệnh. Đối với lây truyền qua chướng khí, làm sạch và nâng cao chất lượng không khí là việc quan trọng. Dịch tả đã châm ngòi một cuộc tranh luận gay gắt nhất khi nó tấn công Vương quốc Anh lần đầu năm 1831. Trong cơn hoảng loạn, quan điểm y tế bị chia rẽ, nhưng phương án cách ly dường như không đem lại nhiều tác dụng. Khi căn bệnh quay lại năm 1848 và 1854, một bác sĩ ở London, John Snow (1813–1858), đã xuất sắc khám phá ra bản chất của sự việc đang diễn ra khi đó. Bằng cách nói chuyện với những người dân địa phương, cẩn thận định vị từng ca bệnh trong khu dân cư, ông trở nên chắc chắn rằng dịch tả đang lây lan qua nước từ một máy bơm công cộng ở Soho, trung tâm London. Ông tin rằng nó đã bị nhiễm phân và chất nôn của những người mắc dịch tả, và lấy một mẫu nước để kiểm tra bằng kính hiển vi. Mặc dù ông không thể xác định được nguyên nhân cụ thể nào, điều tra của ông nhấn mạnh nước sạch là cần thiết cho y tế công cộng.

Nghiên cứu của Snow cho thấy cách dịch tả lây lan, chứ không phải căn nguyên của bệnh. Để biết được căn nguyên bệnh, phòng thí nghiệm là thiết yếu, và cụ thể là phòng thí nghiệm của Louis Pasteur. Khi ông tiếp tục nghiên cứu về các vi sinh vật, chính phủ Pháp yêu cầu ông điều tra một căn bệnh trên tằm đang tàn phá ngành dệt lụa của Pháp khi đó. Pasteur làm tất cả những gì có thể để hoàn thành nhiệm vụ, đưa cả gia đình đến miền Nam nước Pháp, nơi lụa được sản xuất. Ông để vợ và con làm việc cùng ông để cố gắng tìm ra nguyên nhân của vấn đề. Nguyên nhân hóa ra là một vi sinh vật nhiễm vào ấu trùng tằm. Bằng cách cho người ta thấy có thể tránh vấn đề này như thế nào, Pasteur đã cứu cả nền công nghiệp lụa của Pháp.

Việc này đưa đẩy Pasteur đến con đường nghiên cứu bệnh lý. Ông muốn minh chứng cho lòng tin của ông, rằng các vi sinh vật gây ra rất nhiều căn bệnh mà con người và động vật phải hứng chịu. Ông bắt đầu với bệnh than, một căn bệnh trên gia súc mà đôi khi lây sang cả con người. Cho đến gần đây, căn bệnh này đã bị hầu hết mọi người lãng quên, dù nó là một trong những thứ mà những tên khủng bố ngày nay dùng để đe dọa chúng ta. Bệnh than gây ra những vết đau kinh khủng trên da, và nếu lan vào máu, nó có thể làm chết người. Nó do một loài vi khuẩn lớn gây ra, nên người ta phát hiện ra nó tương đối dễ dàng. Bệnh than rồi sẽ trở thành bệnh đầu tiên trên người mà Pasteur có thể ngăn ngừa bằng cách tạo ra vaccine.

Trở lại năm 1796, Edward Jenner (1749–1823), một bác sĩ người Anh làm việc ở vùng nông thôn, đã tìm ra một cách ngăn chặn đậu mùa là chủ động đưa vào cơ thể một cậu bé những con vi trùng đậu mùa trên bò, một căn bệnh tương tự đậu mùa nhưng nhẹ hơn. Đậu mùa trên bò là một căn bệnh ở loài bò mà những cô gái đi vắt sữa bò thỉnh thoảng mắc phải, và người ta quan sát thấy những cô gái này dường như được bảo vệ tốt hơn trước căn bệnh đậu mùa vốn nguy hiểm hơn. Jenner gọi quy trình mới của ông là tiêm vaccine (xuất phát từ “con bò” trong tiếng Latin, vacca), và các chương trình tiêm vaccine được khởi động ở nhiều quốc gia. Chúng khiến cho căn bệnh nghiêm trọng này trở nên ít phổ biến hơn rất nhiều.

Pasteur muốn làm điều tương tự cho bệnh than, nhưng quanh ông không có một căn bệnh nào có liên hệ gần gũi với bệnh than. Thay vào đó, ông tìm cách làm cho vi khuẩn bệnh than yếu đi, bằng cách thay đổi điều kiện sống của chúng, ví dụ như nhiệt độ, biến đổi thức ăn mà chúng có thể tận dụng, hoặc cho chúng tiếp xúc với không khí. Vi khuẩn cần những điều kiện phù hợp để sinh sôi nảy nở, cũng giống chúng ta. Pasteur đã thành công trong việc khiến vi khuẩn bệnh than của ông ít có khả năng gây bệnh hơn, và ông gọi những vi khuẩn đã bị làm yếu đi này là vaccine, để thể hiện lòng kính trọng Jenner. Ông mời các phóng viên báo chí đến để chứng kiến một thí nghiệm. Sau khi tiêm vaccine mà mình tạo ra vào một số gia súc và cừu, ông đưa vi khuẩn bệnh than vào cơ thể của những con vật này, và vào cơ thể của một nhóm khác. Thí nghiệm của ông là một thành công xuất chúng: những con vật đã được tiêm vaccine không bị ảnh hưởng khi bị đưa vi khuẩn vào cơ thể, trong khi những con vật không được bảo vệ chết vì bệnh. Pasteur đã khiến cho thế giới ý thức được sức mạnh của nghiên cứu y học.

Sau bệnh than là bệnh dại. Bệnh dại là một căn bệnh khủng khiếp, thường gây ra do một vết cắn của một động vật đã nhiễm bệnh. Nó thường gây chết người, và nạn nhân của nó, bao gồm nhiều trẻ nhỏ, sùi bọt mép và thậm chí không thể uống nước. Điều đáng chú ý ở Pasteur và bệnh dại là ông thậm chí không thể nhìn thấy mình đang phải đối phó với cái gì. Virus gây ra bệnh dại quá nhỏ đến nỗi những kính hiển vi sẵn có ở thời của Pasteur cũng không thể làm cho chúng rõ nét. Tuy nhiên, dựa vào triệu chứng của bệnh nhân, Pasteur biết rằng thứ gây ra bệnh dại tấn công vào não và tủy sống, ở trung tâm của hệ thần kinh. Vì thế, ông dùng tủy sống của một con thỏ để “nuôi” virus. Ông có thể làm cho virus thêm hoặc bớt nguy hiểm, tùy theo điều kiện mà ông nuôi nó. Ông sử dụng virus yếu hơn để làm vaccine. Ca bệnh con người đầu tiên của ông là một thành công gây chấn động và biến Pasteur trở thành một cái tên nổi tiếng trên toàn thế giới. Joseph Meister là một bé trai bị chó dại cắn. Cha mẹ của cậu, trong lúc tuyệt vọng, đưa cậu đến với Pasteur, người đồng ý cố gắng cứu cậu bé bằng rất nhiều mũi tiêm. Pasteur là một nhà hóa học, nên một bác sĩ mới là người thực sự tiêm, nhưng liệu trình tiêm vaccine đó là một thành công. Meister nhỏ bé đã sống sót, và làm việc cho Pasteur trong suốt phần còn lại của cuộc đời cậu. Những người khác bị động vật mắc bệnh dại cắn vội vã đến Paris để nhận được phép chữa nhiệm mầu mới này. Quá trình chữa trị thành công gây tiếng vang ở tầm quốc tế, và người ta quyên góp để xây dựng Viện Pasteur, nơi Pasteur làm việc cho đến khi ông qua đời. Sau hơn một thế kỷ, Viện vẫn đang hoạt động rất uy tín.

Pasteur vẫn luôn bất thường, trong cả những thành công xuất chúng lẫn cách ông nuôi và nghiên cứu những vi sinh vật của ông. Những nhà khoa học khác cho rằng phương pháp của ông vụng và khó. Nhiều dụng cụ phòng thí nghiệm mà các nhà khoa học vẫn sử dụng đến ngày nay để nghiên cứu vi khuẩn được phát triển bởi đối thủ người Đức của Pasteur, Robert Koch (1843–1910). Không giống Pasteur, Koch là một bác sĩ, và ông bắt đầu nghiên cứu khi đang chữa trị cho các bệnh nhân. Ông cũng nghiên cứu bệnh than, thứ vi khuẩn người ta dễ dàng nhìn thấy. Ông tìm hiểu cách bệnh than lây truyền từ động vật sang người và phát hiện ra rằng nó có một vòng đời phức tạp. Đôi khi vi khuẩn bệnh than chuyển sang một trạng thái ngủ đông, gọi là “giai đoạn bào tử”. Những bào tử này rất khó bị tiêu diệt và chúng cũng có thể lây nhiễm cho người và động vật để phát triển thành bệnh theo nhiều cách. Mặc dù mỗi vi khuẩn chỉ gồm một tế bào, chúng hóa ra lại là những sinh vật rất phức tạp.

Koch tiên phong trong việc sử dụng kỹ thuật chụp ảnh để tạo ra dữ liệu hình ảnh về những vi khuẩn gây bệnh. Ông nuôi vi khuẩn trên một loại thạch đặc gọi là agar-agar: cách này cho phép người ta xác định và nghiên cứu từng “khuẩn lạc” (nhóm vi khuẩn) riêng lẻ. Nó đỡ lộn xộn hơn nhiều so với các bình thí nghiệm và dịch của Pasteur. Một trong những trợ lý của Koch, tên là Petri, đã phát minh ra chiếc đĩa nhỏ dùng để đựng agar và nuôi vi khuẩn. Koch cũng đánh giá cao việc sử dụng chất màu để xác định các loại vi khuẩn khác nhau. Những phát triển này đã thay đổi bộ mặt của ngành vi khuẩn học, và giúp các nhóm bác sĩ và nhà khoa học trên toàn thế giới bắt đầu hiểu được những sinh vật nhỏ bé này.

Koch là một “thợ săn vi sinh vật”. Ông xác định được vi khuẩn gây ra hai trong số những căn bệnh nghiêm trọng nhất thế kỷ 19. Năm 1882, ông công bố tìm ra vi khuẩn tubercle bacillus, vi khuẩn gây ra bệnh lao. Bệnh lao giết chết nhiều người hơn bất cứ căn bệnh nào khác trong thế kỷ 19, nhưng bác sĩ cho rằng nó là do di truyền, hoặc là kết quả của lối sống không lành mạnh. Nghiên cứu của Koch chứng minh rằng lao là một bệnh nhiễm trùng, lây từ người bệnh sang người khác. Nó khác với các bệnh dịch lây lan khác như cúm, sởi, sốt phát ban, và bệnh tả, vì nó là một căn bệnh tiến triển chậm – chậm lây, chậm nhiễm, và chậm dẫn đến cái chết. Bệnh lao thường tàn phá phổi của người ta qua một vài năm.

Khám phá vĩ đại thứ hai của Koch là tìm ra vi khuẩn gây bệnh tả, căn bệnh đáng sợ còn lại. Khi nó xuất hiện ở Ai Cập năm 1883, người Pháp và người Đức đã điều các nhà khoa học đến để xem họ có thể tìm ra nguyên nhân của nó không. Đó là một cuộc ganh đua. Một người trong nhóm người Pháp mắc bệnh và qua đời. (Pasteur cũng đã muốn đi nhưng ông quá yếu.) Koch và các đồng nghiệp người Đức của ông nghĩ rằng họ có thể đã tìm ra đúng vi khuẩn gây bệnh, nhưng họ không chắc chắn. Vì thế. Koch đến Ấn Độ, nơi bênh tả luôn hiện diện vào thời đó. Khi xác định vi khuẩn tả hình que, ông chứng minh rằng Snow đã đúng – nguồn bệnh là một thứ gì đó ở trong nước. Ông tìm thấy vi khuẩn này trong phân của người bệnh, và trong giếng mà họ lấy nước. Việc hiểu được nguyên nhân của các bệnh nhiễm trùng mở đường cho việc kiểm soát tốt hơn và cuối cùng là tạo ra vaccine, thứ đã cứu sống vô số người trong thế kỷ vừa qua.

Từ cuối những năm 1870, nhiều vi trùng gây bệnh đã được xác định chính xác (và cũng nhiều vi trùng được tuyên bố gây bệnh nhưng sau này được chứng minh là không hề nguy hiểm). Đó là một giai đoạn đầy phấn khích, và nhiều bác sĩ nghĩ rằng nó báo trước một bình minh mới cho y học và vệ sinh. Nó cho thấy tầm quan trọng của nước sạch, sữa sạch, và bất cứ thứ gì sạch chúng ta ăn và uống. Từ lúc đó, các bác sĩ mới khuyên chúng ta rửa sạch tay sau khi đi vệ sinh, và che miệng khi chúng ta ho. Xác định được các vi trùng đồng nghĩa với việc các nhà khoa học có thể tạo ra vaccine, sau đó là thuốc. Và nó khiến ngành phẫu thuật hiện đại thành khả thi.

Ngay từ đầu những năm 1860, nhà phẫu thuật người Anh Joseph Lister (1827–1912) đã được truyền cảm hứng từ những vi trùng của Pasteur. Ông đã giới thiệu thứ ông gọi là phẫu thuật khử trùng. Bạn chắc cũng có ít kem khử trùng trong bộ đồ sơ cứu của mình. Phương pháp mới của ông liên quan đến acid carbolic, cũng được biết đến với cái tên phenol, được dùng để tẩy uế nước thải. Ông sử dụng acid carbolic để rửa dụng cụ phẫu thuật và băng gạc mà ông sẽ đặt lên vị trí vết mổ trên cơ thể người bệnh. Sau này ông phát minh ra một thiết bị phun acid carbolic lên cơ thể bệnh nhân và đôi bàn tay của bác sĩ phẫu thuật trong ca phẫu thuật. Khi Lister so sánh bệnh nhân của ông với bệnh nhân của những bác sĩ phẫu thuật không sử dụng phương pháp “Listerian”, hoặc với những bệnh nhân của chính ông trước khi phương pháp Listerian ra đời, ông thấy số lượng người sống sót sau phẫu thuật cao hơn nhiều. Họ không chết vì bị nhiễm trùng ở vị trí mổ và lan vào máu. Trong những thí nghiệm để phủ nhận thuyết tự sinh, Pasteur đã chứng minh rằng vi trùng được truyền đi trong không khí trên những hạt bụi. Lister đã tiêu diệt những vi trùng này với thủ tục khử trùng bằng acid carbolic của ông.

Cũng như cách ông cải tiến dụng cụ phòng thí nghiệm của Pasteur, Robert Koch cải tiến phương pháp phẫu thuật khử trùng của Lister. Lister nhắm đến việc tiêu diệt bất cứ vi trùng gây bệnh nào ở vết thương. Phẫu thuật vô trùng của Koch ngăn chúng đến vết thương ngay từ đầu. Koch đã phát minh ra nồi hấp áp suất, một thiết bị sử dụng hơi nước rất nóng để làm vô trùng các dụng cụ phẫu thuật. Phẫu thuật vô trùng cho phép các nhà phẫu thuật, lần đầu tiên trong lịch sử, thao tác vào trong các khoang của cơ thể (ngực, bụng, và não). Nó dần mang đến cho chúng ta phòng phẫu thuật hiện đại, với những áo và khẩu trang phẫu thuật, găng tay cao su và các dụng cụ vô trùng.

Cùng với mức độ vệ sinh hiện đại, phẫu thuật hẳn sẽ không thể đạt được tiến bộ nếu không có trạng thái gây mê. Nó đã được đưa vào sử dụng trong y học vào những năm 1840, Hoa Kỳ. Trạng thái gây mê là một chiến thắng của hóa học để phục vụ y học, bởi những hợp chất đã được chứng minh là làm con người ngủ, ether và chloroform, là những hóa chất được tạo ra trong phòng thí nghiệm. (Nitro oxide của Humphry Davy là một thuốc gây mê khác ở thời kỳ sơ khởi này.) Việc loại bỏ những cơn đau quằn quại, và đôi khi cả cái chết, khỏi những cuộc phẫu thuật và các ca sinh nở dường như không thể là thứ gì khác ngoài phép mầu. Một trong những nhà tiên phong người Anh về gây mê là John Snow, người nổi tiếng từ bệnh tả. Sự nghiệp gây mê của Snow đạt đỉnh cao khi ông đưa Nữ hoàng Victoria vào trạng thái gây mê, trong lần bà sinh hạ hai người con út. Nữ hoàng, trước đó đã sinh 7 người con mà không lần nào được gây mê, cảm thấy việc gây mê là một điều rất tốt.

Hiểu về vi trùng giúp phẫu thuật tiên tiến trở nên khả thi. Nó cũng cho các bác sĩ nhiều cách để hiểu về các bệnh nhiễm trùng, thứ đã gây quá nhiều đau đớn và chết chóc trong suốt lịch sử loài người. Và khi đó, người ta đã có cơ sở khoa học cho khám phá vaccine của Edward Jenner để bảo vệ con người khỏi các bệnh cụ thể. Những mũi tiêm này là xứng đáng, ngay cả khi chúng gây đau lúc tiêm, bởi chúng đem đến một niềm hy vọng, rằng nếu tất cả mọi người được tiêm vaccine, nhiều bệnh truyền nhiễm sẽ bị kiểm soát hoàn toàn. Chúng ta ngày nay biết về vi trùng nhiều hơn hẳn thời đại của Pasteur và Koch. Và chúng ta cũng có nhận thức cao hơn, mà Chương 36 sẽ nói cho bạn, về việc chúng, những con vi khuẩn, virus và kí sinh trùng này, thích nghi tốt và khó nắm bắt như thế nào. Chúng vẫn luôn có thể thích nghi với thuốc và các phương pháp chữa trị mà các bác sĩ sử dụng nhằm vào chúng, và dần có được sức kháng cự – một bài học trong thuyết tiến hóa của Darwin. Chúng sống sót vì chúng thích nghi, bài học mà Darwin dạy đầu tiên.

Chương 28

Động cơ và năng lượng

“Tôi bán ở đây, thưa ngài, thứ mà cả thế giới đều khao khát có được – SỨC MẠNH”.§ Kĩ sư Matthew Boulton (1728–1809) biết rõ mình đang nói về điều gì. Trong những năm 1970, Boulton và những người đàn ông tham vọng khác, ví dụ như nhà phát minh James Watt (1736 -1819), sử dụng động cơ hơi nước trong các hoạt động khai mỏ và sản xuất. Họ dường như đã thuần phục được năng lượng, hay công suất. Những người đàn ông này thúc đẩy Cách mạng Công nghiệp ở Vương quốc Anh, đất nước đầu tiên công nghiệp hóa và phát triển hệ thống nhà máy. Nó là một cuộc cách mạng với động lực từ các tiến bộ khoa học, và dựa vào việc công suất tăng lên đáng kể để sản xuất hàng hóa với tốc độ cao và vận chuyển chúng đi xa và đến nhiều nơi. Chúng ta không thể nào tưởng tượng nổi thế giới hiện đại sẽ ra sao khi không có năng lượng – rất nhiều năng lượng. Và tất cả bắt đầu với hơi nước.

Bản thân động cơ hơi nước rất đơn giản. Bạn có thể thấy nguyên lý của nó hoạt động trong thực tế mỗi lần bạn đun một nồi nước có đậy vung: lực của hơi nước đẩy vào vung để hơi nước thoát ra và khiến vung phát ra tiếng lạch cạch. Bây giờ, hãy tưởng tượng, thay vì một cái nồi, bạn có một cylinder kín với chỉ một lỗ nhỏ ở một đầu. Được lắp bên trong cylinder này là một piston di chuyển được (piston này là một đĩa nằm vừa khít trong cylinder, với một núm vừa khít với lỗ nhỏ kia). Áp suất từ hơi nước đang thoát ra sẽ đẩy piston lên và làm chuyển động bất cứ thứ gì gắn với nó: có thể là một cần đẩy gắn với bánh xe của một tàu hỏa. Như vậy, một động cơ hơi nước chuyển năng lượng của hơi nước thành chuyển động: cơ năng. Động cơ này làm được những việc có ích, như đẩy một cỗ máy cơ khí hoặc bơm rất nhiều nước ra khỏi một hầm mỏ.

Cả Boulton và Watt đều không phải là người phát minh ra động cơ hơi nước: nó đã tồn tại hơn một trăm năm. Nhưng những mẫu động cơ đầu tiên thô sơ, không đủ độ tin cậy và hiệu suất thấp. Chính Watt là bộ não đằng sau sự cải tiến của động cơ này. Mô hình của ông không những cung cấp sức mạnh giúp cho nước Anh công nghiệp hóa, mà còn dẫn các nhà khoa học đi tìm hiểu về một định luật cơ bản của tự nhiên. Nó giúp cho người ta thấy rằng nhiệt không phải là một chất, như Lavoisier đã từng nghĩ, mà là một dạng năng lượng.

Trong số những người tư duy sâu sắc đang nghiên cứu các động cơ trong thời Cách mạng Công nghiệp, một người đàn ông đặc biệt nổi bật lên khỏi đám đông. Đó là kĩ sư trẻ người Pháp, Sadi Carnot (1796–1832). Người Pháp và người Anh là những đối thủ lớn của nhau vào thời này. Carnot hiểu rằng người Anh đột nhiên đã vượt lên trước rất xa bằng việc thiết kế ra các động cơ hơi nước và sử dụng công suất mà chúng sản sinh ra. Ông muốn nước Pháp bắt kịp, và khi quan sát động cơ hơi nước làm việc, ông đã phát hiện ra một nguyên lý khoa học quan trọng. Ông quan tâm đến hiệu suất của động cơ hơi nước.

Nếu một động cơ hơi nước có hiệu suất hoàn hảo, nó sẽ chuyển toàn bộ năng lượng cần dùng để đun sôi nước thành công suất cho động cơ. Bạn có thể đo được lượng nhiệt sinh ra từ việc đốt gỗ hoặc than đá để tạo ra hơi nước, sau đó đo công suất, hoặc công mà piston tạo ra. Nếu động cơ có hiệu suất tuyệt đối, hai lượng này phải giống nhau. Tiếc thay, người ta không bao giờ có thể làm ra động cơ có hiệu suất tuyệt đối.

Tất cả các động cơ đều có cái gọi là bình nhiệt, hay “bồn” nhiệt, nơi hơi nước đã nguội và nước được thu lại sau khi hoàn thành nhiệm vụ của chúng. Bạn có thể đo nhiệt độ của hơi nước đi vào động cơ và nhiệt độ của hơi nước (hoặc nước) còn lại ở cuối mỗi chu trình của động cơ. Trong bình nhiệt, nhiệt độ của hơi nước đi ra luôn thấp hơn của hơi nước đi vào. Carnot chứng minh rằng có thể sử dụng mức chênh lệch giữa hai nhiệt độ để tính hiệu suất của động cơ. Nếu hiệu suất hoàn hảo là 1, hiệu suất thực là kết quả của phép tính lấy 1 trừ đi thương số giữa nhiệt độ trong bồn nhiệt (hơi nước đi ra) và nhiệt độ của nguồn hơi nước (hơi nước đi vào). Cách duy nhất để đạt được chỉ số 1 của hiệu suất hoàn hảo là làm cho động cơ lấy được hết nhiệt lượng ra khỏi hơi nước. Khi đó, tỉ lệ giữa nhiệt độ hơi nước ra và hơi nước vào là 0. Như thế 1 – 0 = 1. Để điều này xảy ra, một trong hai nhiệt độ đo được phải bằng 0 hoặc vô hạn: hơi nước nóng vô hạn đi vào hoặc hơi nước đi ra bồn có nhiệt độ “0 tuyệt đối” (nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được trên lý thuyết, mà chúng ta sẽ xem xét ở dưới). Cả hai nhiệt độ này đều là không thể đạt được, nên hiệu suất thực luôn thấp hơn hiệu suất hoàn hảo.

Phương trình đơn giản của Carnot, nhắm đến việc đo hiệu suất của động cơ, cũng tóm tắt một quy luật sâu của tự nhiên. Nó giải thích tại sao những cỗ máy “chuyển động vĩnh cửu” đôi khi được nhắc đến trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng, nhưng không bao giờ có thể tồn tại trong thế giới thực. Chúng ta luôn phải sử dụng năng lượng để tạo ra năng lượng, ví dụ, chúng ta phải đốt than hoặc nhiên liệu khác để làm nóng nước từ đầu. Vào những năm 1840 và 1850, các nhà khoa học khác nghiên cứu thực tế cơ bản này của tự nhiên. Một trong số họ là một nhà vật lý học người Đức, Rudolph Clausius (1822–1888), người dành nhiều thời gian trong đời để quan sát cách nhiệt độ lưu chuyển trong những tình huống thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ. Để làm điều này, ông đưa ra một khái niệm mới trong vật lý học: entropy. Entropy là một công cụ đo mức độ xáo trộn (không theo trật tự) của những thứ trong một hệ thống. Việc xáo trộn mọi thứ dễ dàng hơn nhiều so với việc sắp xếp lại chúng. Nếu bạn trộn sơn màu trắng với sơn màu đen, bạn có sơn màu xám. Xáo trộn là việc dễ, nhưng không thể đảo ngược quy trình ấy và lấy lại được màu trắng và màu đen thuần khiết. Nếu bạn khuấy sữa và đường vào trà, bạn có thể lấy lại được đường nếu bạn chịu khó trải qua các công đoạn rắc rối, nhưng lấy lại sữa là việc không thể. Năng lượng cũng như vậy: một khi bạn đã đốt than, bạn không thể dùng năng lượng nó tạo ra để lấy lại than đã đốt.

Đối với những người ở thế kỷ 19, entropy là một ý tưởng gây chán nản. Clausius tuyên bố rằng Vũ Trụ đang ngày càng trở nên xáo trộn, vì entropy là giai đoạn “tự nhiên” của nó. Một khi các thứ đã xáo trộn, người ta cần nhiều năng lượng hơn để đưa chúng lại trật tự ban đầu, cũng giống như việc dọn dẹp phòng tiêu tốn nhiều năng lượng hơn việc làm nó bừa bộn. Theo Clausius, cả Vũ Trụ đang dần dần mất năng lượng, và điểm kết thúc là một Vũ Trụ trong đó vật chất và năng lượng được phân bố đều trong mọi không gian. Ngay cả Mặt Trời của chúng ta cũng sẽ chết, trong khoảng 5 tỉ năm nữa, cùng với nó là toàn bộ sự sống trên Trái Đất. Từ giờ tới lúc đó, tất nhiên, thực vật và động vật, con người, những ngôi nhà và máy tính của chúng ta vẫn bất chấp điểm kết thúc cuối cùng trong kết luận mà Clausius rút ra. Như một câu tục ngữ cổ, “Trời vẫn nắng thì cứ phơi cỏ cho khô”.

Trong khi các nhà vật lý học và các kĩ sư lo lắng về tác động của entropy, họ cũng suy xét xem năng lượng chính xác là gì. Nhiệt là một dạng năng lượng quan trọng, nên bộ môn nghiên cứu năng lượng được gọi là nhiệt động lực học (thermodynamics – một từ kết hợp các từ trong tiếng Hy Lạp có nghĩa “nhiệt” và “sức mạnh”). Vào những năm 1840, một số người đi đến những kết luận tương tự nhau về mối liên hệ giữa các dạng khác nhau của năng lượng. Lúc đó họ đang xem xét rất nhiều thứ khác nhau. Điều gì xảy ra khi nước đóng băng hay sôi? Các cơ bắp của chúng ta làm thế nào để có thể nhấc được vật nặng? Làm thế nào động cơ hơi nước sử dụng được hơi nước nóng để tạo ra thứ gì đó làm được việc? (Tuyến đường sắt công cộng đầu tiên, chạy với động cơ hơi nước, được mở ở miền Bắc nước Anh năm 1825.) Tiếp cận câu hỏi từ những góc nhìn khác nhau này, họ đều nhận ra rằng bạn không thể tạo ra năng lượng từ hư vô, cũng không thể làm nó biến mất hoàn toàn. Tất cả những gì bạn có thể làm với năng lượng là khiến nó chuyển từ dạng này sang dạng khác. Đôi khi, bạn có thể tận dụng quá trình chuyển đổi này để làm một công việc nào đó cho mình. Nguyên lý này sau đó được gọi là định luật bảo toàn năng lượng.

Nhà vật lý học người Manchester J.P. Joule (1818–1889) muốn hiểu mối liên hệ giữa nhiệt và công§. Cần bao nhiêu năng lượng để sinh ra một lượng công nhất định? Trong một loạt thí nghiệm xuất sắc, ông đã chứng minh rằng nhiệt và công liên hệ trực tiếp với nhau theo những cách có thể được diễn đạt bằng toán học. Bạn sử dụng năng lượng để tạo ra công (đạp xe đạp chẳng hạn), và nhiệt là một dạng năng lượng phổ biến. Hãy nghĩ đến việc leo lên đỉnh một ngọn núi. Chúng ta sử dụng năng lượng mỗi khi chúng ta vận động cơ bắp. Năng lượng này đến từ những thức ăn mà chúng ta ăn và tiêu hóa, sử dụng oxy chúng ta hít vào để “đốt” calorine trong thức ăn của chúng ta. Bây giờ, hãy tưởng tượng, có hai con đường lên đỉnh núi, một con đường rất dốc, con đường còn lại thoải hơn. Điều mà Joule đã chứng minh là, xét về năng lượng cần tiêu thụ, việc bạn chọn con đường nào không quan trọng. Con đường dốc có thể khiến cơ của bạn đau nhức, nhưng lượng năng lượng bạn dùng để đưa khối lượng cơ thể từ chân núi đến đỉnh núi là như nhau, bất kể bạn chọn con đường nào, bất kể bạn chạy hay đi bộ lên. Các nhà vật lý học vẫn nhớ đến tên của Joule. Nó được gắn với một số đơn vị đo, bao gồm cả một đơn vị đo năng lượng, hoặc nhiệt.

Con người từ lâu đã luôn cố gắng đo nhiệt chứa trong một vật, tức nhiệt độ của vật đó. Galileo đã thử nhiều phương pháp với “nhiệt nghiệm”, một dụng cụ biểu thị sự thay đổi mỗi khi nhiệt độ tăng lên. Một cái nhiệt nghiệm cho bạn thấy vật nào đó đang nóng lên hoặc nguội đi; một nhiệt kế cho con số vào mức nhiệt. Chúng ta vẫn sử dụng hai thang nhiệt độ được sáng chế từ những buổi đầu. Một thang được phát minh bởi nhà vật lý học người Đức, Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736), người sử dụng nhiệt kế chứa cả thủy ngân và cồn; trong thang nhiệt độ của ông, nước đóng băng ở 32 độ, và nhiệt độ bình thường của cơ thể chúng ta là 98,6 độ. Anders Celsius (1701–1744) tạo ra thang nhiệt độ của ông bằng cách sử dụng điểm đóng băng và điểm sôi của nước, trong đó điểm đóng băng được đặt là 0 độ và điểm sôi là 100 độ. Nhiệt kế của ông đo nhiệt độ giữa hai điểm này. Hai thang nhiệt độ này vẫn là một phần của cuộc sống hằng ngày của chúng ta, từ việc biết nhiệt độ phù hợp để nướng một chiếc bánh, cho đến việc than phiền về thời tiết.

Nhà vật lý học người Scotland William Thomson (1824 1907) phát minh ra một thang đo khác. Ông đặc biệt quan tâm đến cách nhiệt và các dạng khác của năng lượng hoạt động trong tự nhiên. Ông là một giáo sư ở Đại học Glasgow và sau này được phong danh hiệu Huân tước Kelvin. Thang nhiệt độ của ông được biết đến với cái tên thang Kelvin hoặc thang K. Ông phát minh ra thang K bằng cách sử dụng những phương pháp đo đạc rất chính xác và những nguyên lý khoa học. So với thang K, Celsius và Fahrenheit hóa ra là những phép đo nhiệt độ rất thô sơ.

Điểm xác định của thang K là “điểm ba pha của nước”. Hiện tượng này xảy ra khi cả ba trạng thái của nước gồm nước đá (rắn), nước (lỏng), và hơi nước (khí) ở “trạng thái cân bằng về nhiệt động lực học”. Trạng thái cân bằng về nhiệt động lực học có thể xảy ra trong một hệ thống thí nghiệm, khi một chất được cách ly khỏi môi trường xung quanh để nhiệt độ và áp suất là cố định. Khi đó, không có sự thay đổi về trạng thái của chất và không có năng lượng nào thoát ra ngoài hoặc truyền vào trong hệ thống. Điểm ba pha của nước là khi trạng thái rắn, lỏng, và khí được giữ cân bằng hoàn hảo. Ngay khi nhiệt độ hoặc áp suất thay đổi, trạng thái cân bằng mất đi.

Ở thang đo Celsius và Fahrenheit, nhiệt độ có thể xuống đến âm khi quá lạnh. Bạn sẽ có lúc nghe thấy người dự báo thời tiết nói “âm hai hoặc ba độ”. Không có số âm trong thang nhiệt độ K. Nước đóng băng ở 273,16 Kelvin (tương đương với 0 độ trong thang Celsius và 32 độ trong thang Fahrenheit). Sẽ lạnh hơn rất nhiều khi nhiệt độ xuống đến gần 0 Kelvin. Nhưng ở đây, 0 thực sự có nghĩa là 0 hay còn gọi là “độ không tuyệt đối”. Ở nhiệt độ thấp đến mức không bao giờ có thể xảy ra này, tất cả mọi chuyển động, mọi năng lượng, ngưng hoạt động. Giống như động cơ hiệu suất hoàn hảo, chúng ta không thể nào đạt được nhiệt độ này.

Kelvin và những người khác giúp giải thích cả khoa học và sự vận hành thực tế của tất cả các loại động cơ. Khi thế kỷ 19 trôi đi, ba khám phá được tóm lược trong chương này trở thành định luật thứ nhất, thứ hai, và thứ ba của nhiệt động lực học: định luật bảo toàn năng lượng, định luật entropy, và định luật về sự tĩnh lặng tuyệt đối của nguyên tử ở độ không tuyệt đối. Những định luật này giúp chúng ta hiểu được những điều quan trọng về năng lượng, công và công suất.

Thế giới hiện đại đã không thể nào kiềm chế được khao khát tận dụng những sức mạnh mới được tìm thấy này: để chạy các nhà máy, tàu thủy, tàu hỏa, và khi dần đến cuối đời của Kelvin là xe ô tô chạy bằng motor. Những con tàu hỏa và tàu thủy hơi nước sử dụng nhiệt từ than trong lò của chúng để tạo ra hơi nước chạy động cơ. Nhưng những chiếc ô tô dựa trên một loại động cơ mới: động cơ đốt trong. Động cơ này cần một nhiên liệu rất dễ bay hơi gọi là xăng, được phát hiện ở gần cuối thể kỷ 19. Xăng trở thành một trong những sản phẩm quan trọng nhất của thế kỷ 20. Bây giờ, trong thiên niên kỷ mới, nó vẫn là một trong những tài nguyên được người ta tranh chấp nhiều nhất, và cũng ngày càng khan hiếm.

Nguyên văn: power. Từ này có 3 nghĩa: năng lực hoặc sức mạnh, quyền lực, và công suất.

“Công” được tác giả nhắc đến ở đây là “công” trong vật lý học.

Chương 29

Xếp các nguyên tố vào bảng

Mỗi lần chúng ta trộn các nguyên liệu để nướng thứ gì đó, chúng ta đang sử dụng các phản ứng hóa học. Tiếng xì xì mà chúng ta nghe thấy khi làm sạch cặn trong ấm đun nước chính là dấu hiệu hóa học đang làm việc cho chúng ta. Những chai nước bằng nhựa chúng ta mang, những quần áo nhuộm màu mà chúng ta mặc, có thể ra đời là nhờ những kiến thức về hóa học được tích lũy qua hàng trăm năm.

Hóa học trở nên hiện đại vào thế kỷ 19. Hãy tóm tắt lại một chút. Vào đầu thế kỷ, các nhà hóa học đã tiếp nhận lý thuyết của Dalton về nguyên tử, như bạn đã đọc ở Chương 21. Sau đó họ có được những bước tiến dài vĩ đại trong việc tạo ra một ngôn ngữ đặc biệt mà họ đều sẽ hiểu, bất kể họ đến từ quốc gia nào. Họ có hệ thống kí hiệu cho các nguyên tố, ví dụ như H, cho hai nguyên tử hydro. Tất cả mọi người đồng ý rằng nguyên tử là đơn vị vật chất nhỏ nhất. Họ sử dụng từ nguyên tố để chỉ một chất được cấu thành bởi chỉ một loại nguyên tử (ví dụ như carbon). Một hợp chất là hai hay nhiều nguyên tố liên kết với nhau về mặt hóa học. Bạn có thể phân tách các hợp chất thành các nguyên tố (amoniac có thể được tách thành nitro và hydro), nhưng khi bạn đã có được các nguyên tố đơn lẻ, bạn không thể tách chúng ra nhỏ hơn nữa.

Mặc dù các nguyên tử rõ ràng không phải những hạt hình cầu nhỏ và cứng như Dalton đã gợi ý, người ta cực kì khó có thể nói chính xác chúng là gì. Thay vào đó, các nhà hóa học bắt đầu khám phá ra rất nhiều điều về cách chúng phản ứng khi được đặt vào với những nguyên tử hoặc hợp chất khác. Một số nguyên tố đơn giản là không tương tác hay phản ứng với những nguyên tố khác, bất kể bạn làm gì. Một số sẽ phản ứng mãnh liệt với nhau đến mức bạn phải đề phòng một vụ nổ. Dẫu vậy, đôi khi, bạn có thể có được một phản ứng nếu bạn hỗ trợ cho nó bắt đầu. Oxy và hydro có thể đặt cạnh nhau trong một ống thủy tinh và không chuyện gì xảy ra. Nếu bạn đưa một tia lửa điện vào đó, bạn phải cẩn thận! Bất chấp vụ nổ tạo cảm giác kịch tính, phản ứng hóa học này chỉ tạo ra một thứ không thể nào bình thường hơn, là nước. Ở thái cực còn lại, nếu magnesium và carbon được đặt cạnh nhau trong một bình thí nghiệm không có không khí, bạn có thể nung nóng chúng mãi mãi và chẳng có gì xảy ra cả. Hãy đưa một chút không khí vào, và bạn sẽ được đón chào với ánh sáng rực rỡ và một nhiệt lượng kinh khủng.

Các nhà hóa học luôn ý thức được những phản ứng hóa học đa dạng này. Họ cũng trở nên tò mò về những thứ đã gây ra các phản ứng hóa học và những quy luật đã được tìm thấy trong phòng thí nghiệm. Họ thực hiện thí nghiệm theo 2 cách chính: tổng hợp và phân tách. Tổng hợp là đưa các nguyên tố vào với nhau: bạn bắt đầu với các nguyên tố đơn lẻ hoặc các hợp chất đơn giản, và khi những nguyên tố này phản ứng với nhau, bạn xem xét kết quả, xem thứ đã được tạo ra. Phân tách là việc ngược lại: bạn bắt đầu với một hợp chất phức tạp, rồi làm điều gì đó để tách nó ra, và, qua việc quan sát những sản phẩm cuối cùng, bạn cố gắng hiểu hợp chất ban đầu. Những phương pháp này bắt đầu cho các nhà hóa học hiểu rõ hơn về thành phần của những hợp chất khá đơn giản. Sau đó, người ta dễ dàng tạo ra những hợp chất phức tạp hơn, bằng cách bổ sung những phần mới vào những chất mà họ đã hiểu tương đối rõ.

Từ tất cả những thí nghiệm này, hai điều trở nên đặc biệt rõ ràng. Đầu tiên, như chúng ta đã thấy, chính mỗi nguyên tố đều có xu hướng dương hoặc âm. Như một câu thành ngữ, trái dấu thì hút nhau. Ví dụ, natri, một nguyên tố mang điện tích dương tự nhiên, kết hợp dễ dàng với clo, một nguyên tố âm, để tạo thành natri clorua (thực chất chỉ là muối ăn mà chúng ta rắc lên thức ăn). Dương và âm trung hòa lẫn nhau, nên muối trung tính. Tất cả các hợp chất ổn định (những hợp chất sẽ không thay đổi trừ khi người ta làm gì đó với chúng) là trung tính mặc dù chúng được tạo thành từ những nguyên tố không nhất thiết là trung tính. Kết hợp natri và clo là một ví dụ về tổng hợp. Bạn có thể phân tách hóa học thứ muối bạn vừa tạo ra. Hòa tan muối vào nước, đặt dung dịch vào một điện trường với các cực dương và cực âm, và muối sẽ tách ra. Natri chuyển về cực âm, và clo nhảy múa về phía cực dương. Hàng trăm thí nghiệm tương tự đã thuyết phục các nhà hóa học rằng các nguyên tử của những nguyên tố này thực sự có những đặc tính dương và âm. Và những đặc tính này đóng một vai trò thiết yếu trong việc quyết định những gì xảy ra khi các nguyên tố phản ứng với nhau.

Thứ hai, một số nhóm nguyên tử có thể gắn với nhau trong các thí nghiệm, và những tập hợp nguyên tử này có thể hoạt động như một đơn vị đơn nhất. Những đơn vị này được gọi là các “gốc” và chúng cũng có tính dương hoặc âm. Chúng đặc biệt quan trọng trong hóa học “hữu cơ”, một lĩnh vực mà các nhà hóa học đang trên đường tìm hiểu một loạt nhiều hợp chất liên quan đến nhau (tất cả đều chứa carbon), ví dụ như ether, cồn hoặc benzen. Các benzen là một nhóm thú vị, mỗi chất có một cấu trúc dạng vòng. Nhiều nhà hóa học đã hào hứng cố gắng phân loại những nhóm hữu cơ này, để hiểu chúng được hình thành từ gì và cách chúng phản ứng, đặc biệt là vì rất nhiều chất đang trở nên quý giá trong công nghiệp. Các hóa chất công nghiệp ngày càng được sản xuất trong các nhà máy nhiều hơn, thay vì trong các phòng thí nghiệm nhỏ. Vào thời điểm đó, nhu cầu đang gia tăng đối với phân bón, sơn màu, dược phẩm, thuốc nhuộm, và đặc biệt từ những năm 1850, các sản phẩm từ dầu. Ngành công nghiệp hóa học hiện đại đã bắt đầu, và hóa học trở thành một nghề nghiệp, chứ không chỉ là thú chơi của những người tò mò hoặc người giàu.

Các nguyên tố cũng có những đặc tính vật lý học và hóa học riêng. Khi ngày càng nhiều nguyên tố được tìm thấy, các nhà hóa học phát hiện ra những quy luật nhất định. Dường như các nguyên tử đơn lẻ của một số nguyên tố, như hydro, natri hoặc clo, muốn liên kết với chỉ một nguyên tử của nguyên tố khác trong một lần liên kết. Ví dụ, một nguyên tử hydro và một nguyên tử clo kết hợp với nhau để tạo ra một acid mạnh, acid clohydric (HCl). Một nguyên tử đơn lẻ của chất khác, ví dụ như oxy, barium và magnesium, dường như có khả năng thu nhận gấp đôi khi liên kết với các nguyên tử hoặc gốc khác, và vì thế cần hai nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử oxy để tạo ra nước. Một số nguyên tố thậm chí còn linh hoạt hơn, và luôn luôn có những ngoại lệ khiến cho người ta khó có thể xác định bất cứ quy luật cứng nhắc và nhanh gọn nào. Các nguyên tố (và các gốc) cũng khác nhau về mức độ tích cực tham gia phản ứng hóa học. Phốt pho tích cực đến mức nó phải được xử lý một cách thận trọng; silicon nhìn chung chậm chạp và ít nguy hiểm hơn nhiều.

Các nguyên tố cũng khác nhau rõ rệt về tính chất vật lý. Ở nhiệt độ bình thường, hydro, oxy, nitro và clo ở thể khí; thủy ngân và natri ở thể lỏng. Đa số nguyên tố ở thể rắn: kim loại như chì, đồng, nikel và vàng. Nhiều nguyên tố khác, trong đó carbon và lưu huỳnh được nghiên cứu đặc biệt nhiều, đều ở thể rắn ở điều kiện bình thường. Đưa đa số nguyên tố rắn vào một lò nung bình thường và chúng dễ dàng nóng chảy, và đôi khi còn bay hơi (biến thành khí). Thủy ngân lỏng và natri lỏng cũng dễ dàng bay hơi (nhưng lại rất nguy hiểm). Các nhà hóa học thế kỷ 19 không thể tạo được nhiệt độ đủ thấp để biến các chất khí như oxy hay nitro chuyển sang thể lỏng, chứ chưa nói đến thể rắn. Nhưng họ nhận ra vấn đề của họ thuần túy nằm ở kỹ thuật. Về nguyên lý, mỗi nguyên tố đều có thể tồn tại ở cả ba trạng thái vật chất: rắn, lỏng và khí.

Đến những năm 1850, hóa học bắt đầu bước vào thời kì trưởng thành, và trong giai đoạn thú vị này người ta có nhiều điều để tranh luận, về khối lượng tương đối của các nguyên tử, các phân tử (các nhóm nguyên tử) liên kết với nhau như thế nào, sự khác biệt giữa các hợp chất “hữu cơ” và “vô cơ”, cùng nhiều vấn đề khác. Năm 1860, một sự kiện xảy ra đã góp phần tạo nên hóa học hiện đại. Nó là một sự kiện dường như rất bình thường vào ngày nay, nhưng lại không bình thường vào thời đó: một hội thảo quốc tế. Trước thời đại của điện thoại, thư điện tử và di chuyển thuận tiện, các nhà khoa học hiếm khi gặp nhau và giao tiếp chủ yếu qua thư tay. Việc được nghe một nhà khoa học khác từ nước ngoài nói về công trình của người đó, kế tiếp là một cuộc thảo luận mở, là một sự kiện rất hiếm. Các hội thảo quốc tế bắt đầu được tổ chức từ những năm 1850, và nhờ tàu hỏa và tàu biển hơi nước mà việc đi lại dễ dàng hơn, cho phép người ta gặp và nói chuyện với những đồng nghiệp từ các quốc gia khác. Chúng cũng tuyên bố với thế giới một niềm tin được đồng thuận rộng rãi trong cộng đồng khoa học: rằng bản thân khoa học là khách quan và quốc tế, vượt qua tôn giáo và chính trị, những thứ thường chia rẽ con người và khiến nhiều quốc gia gây chiến với nhau.

Hội thảo hóa học năm 1860 diễn ra trong 3 ngày ở Karlsruhe, Đức. Nhiều nhà hóa học trẻ hàng đầu từ khắp châu Âu đã đến đó, trong đó có ba người sẽ lèo lái hóa học cho đến hết thế kỷ. Mục đích của hội thảo được nhà hóa học người Đức, August Kekulé (1829–1896) vạch ra. Ông muốn các nhà hóa học từ nhiều quốc gia khác nhau đạt được sự đồng thuận về những từ ngữ họ nên dùng để định nghĩa những chất họ sử dụng, và bản chất của nguyên tử và phân tử. Một nhà hóa học người Sicily và có tính cách sôi nổi, Stanislao Cannizzaro (1826–1910), đã tranh luận về các vấn đề này từ trước đó, và ông vui vẻ tham dự hội thảo. Một nhà hóa học người Nga khác, là Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834–1907) đến từ Siberia, cũng tham dự. Các đại biểu thảo luận về kiến nghị của Kekulé trong ba ngày, và dù họ không đạt được một sự đồng thuận hoàn chỉnh nào, những hạt giống đã được gieo.

Ở buổi hội thảo, các bản sao của một bài báo do Cannizzaro công bố năm 1858 được chuyển đến nhiều đại biểu. Trong đó, ông bình duyệt lịch sử hóa học trong nửa đầu thế kỷ 19. Ông kêu gọi các nhà hóa học nhìn nhận nghiêm túc nghiên cứu của người đồng hương của ông, Avogadro, người đã phân biệt rõ ràng nguyên tử với phân tử. Cannizzaro cũng lập luận rằng việc xác định nguyên tử khối tương đối của mỗi nguyên tố là vấn đề sống còn của khoa học, và ông chỉ ra cách để thực hiện việc này.

Mendeleev thấu hiểu thông điệp đó. Ông mang nợ người mẹ vĩ đại của ông, người đã đưa ông, người con út trong mười bốn người con của bà, từ Siberia đến St Petersburg, để Mendeleev có thể học hóa học một cách bài bản. Giống nhiều nhà hóa học xuất chúng khác của thời kỳ đó, Mendeleev viết một cuốn sách giáo khoa, dựa trên những thí nghiệm của chính ông và những gì ông dạy sinh viên. Giống Cannizzaro, ông muốn đưa các nguyên tố đã được phát hiện vào trật tự. Các quy luật vốn đã được phát hiện: cái chúng ta gọi là nhóm “halogen”, ví dụ như clo, bromine, iodine, phản ứng theo những cách tương tự nhau. Chúng cũng có thể thế chỗ cho nhau trong các phản ứng hóa học. Một số kim loại, như đồng và bạc, cũng có những điểm tương đồng trong các phản ứng. Mendeleev bắt đầu liệt kê các nguyên tố theo thứ tự tăng dần về nguyên tử khối (ông vẫn đặt hydro có nguyên tử khối là 1). Ông công bố các ý tưởng của mình vào năm 1869.

Mendeleev không chỉ đơn giản tổng hợp ra một danh sách các nguyên tố sắp xếp theo nguyên tử khối. Ông đã tạo ra một bảng, với hàng và cột. Bạn có thể đọc nó theo hàng ngang cũng như từ trên xuống hoặc từ dưới lên, và có thể nhận ra mối quan hệ giữa các nguyên tố có cùng tính chất hóa học. Ban đầu, bảng tuần hoàn của Mendeleev, cái tên mà ông dùng để gọi nó, vẫn còn thô sơ, và chẳng mấy nhà hóa học để ý đến nó. Khi ông bắt đầu điền vào các chi tiết, một điều thú vị xảy ra: dường như có một số nguyên tố bị khuyết ở chỗ này chỗ khác trong bảng, tức những chất mà bảng tuần hoàn của ông ngầm chỉ thị rằng chúng phải nằm ở đó, nhưng vẫn chưa được ai tìm ra. Trên thực tế, có hẳn một cột hoàn toàn trống trong bảng này, được dự đoán qua nguyên tử khối tương đối. Nhiều năm sau, cột này hóa ra bao gồm những khí không phản ứng, được gọi là khí “quý”§. Giống những quý tộc thuộc tầng lớp trên không giao thiệp với những người ở tầng lớp dưới, những khí này tránh xa các phản ứng hóa học. Những khí chính chỉ được tìm ra vào những năm 1890, và Mendeleev ban đầu không công nhận những phát hiện này. Ông nhanh chóng nhận ra rằng: với nguyên tử khối mà người ta chứng minh được rằng chúng đang sở hữu, heli, neon và argon thực ra đã được bảng tuần hoàn của ông dự đoán từ trước.

Vào những năm 1870 và 1880, các nhà hóa học tìm ra một vài nguyên tố nữa mà Mendeleev đã tiên đoán dựa trên cơ sở bảng tuần hoàn của ông. Trước đó, nhiều nhà hóa học bác bỏ những tiên đoán của ông, coi đó là những suy đoán điên rồ, khi ông dự đoán rằng những nguyên tố, mà sau này được tìm ra và đặt tên là beryllium và gallium, nhất định phải tồn tại. Khi những ô trống mà ông đã xác định được từ trước dần dần được lấp đầy, các nhà hóa học mới đánh giá cao sức mạnh của bảng tuần hoàn của Mendeleev. Nó dẫn lối họ đi tìm những nguyên tố mới trong tự nhiên. Nó cũng giải thích tính chất của từng nguyên tố và cách chúng phản ứng với các chất khác. Cái mà ban đầu chỉ là cố gắng của Mendeleev để hiểu được các nguyên tố đã đem đến một chìa khóa tuyệt vời giúp giải thích cách tự nhiên vận động. Ngày nay, bảng tuần hoàn được treo trong các lớp học và các phòng thí nghiệm hóa học trên toàn thế giới.

Trong phần lớn thế kỷ 19, các nhà hóa học quan tâm đến thành phần hóa học: những nguyên tử và gốc nào cấu thành những hợp chất nhất định. Trí tuệ phía sau hội nghị hóa học quốc tế đầu tiên, August Kekulé, bắt đầu tìm hiểu sâu hơn. Ông khuyến khích các nhà khoa học hướng đến việc hiểu sâu về cấu trúc hóa học. Ngày nay, hóa học và sinh học phân tử dựa vào việc các nhà hóa học biết được các nguyên tử và phân tử được sắp xếp ra sao trong một chất: vị trí của chúng và hình dạng chúng tạo thành. Người ta sẽ không thể tìm ra những thuốc mới nếu không có những kiến thức này, và Kekulé là người tiên phong. Ông kể về một giấc mơ mà trong đó ông nhìn thấy một chuỗi nguyên tử carbon cuộn quanh chính nó, giống như một con rắn cắn đuôi của chính nó. Giấc mơ này truyền ý tưởng cho một trong những khám phá vĩ đại nhất của ông, benzen, hợp chất của hydro và carbon, có cấu trúc dạng vòng khép kín. Các gốc hoặc nguyên tố có thể được bổ sung tại nhiều điểm khác nhau của vòng, và đây là một bước tiến quan trọng của hóa học hữu cơ.

Mơ mộng là một chuyện. Làm phần việc cực nhọc là một chuyện khác. Kekulé dành nhiều giờ trong phòng thí nghiệm, làm thí nghiệm. Ông giải thích bản chất của hóa học hữu cơ, tức hóa học của các hợp chất carbon, và dạy cho cả giới hóa học cách phân loại chúng theo các nhóm tự nhiên. Ông bị thu hút bởi tính linh hoạt của carbon khi liên kết với các chất khác. Khí metan, vốn được sử dụng rộng rãi để tạo ra nhiệt và ánh sáng khi ấy, là CH4 gồm một nguyên tử carbon liên kết với bốn nguyên tử hydro. Hai nguyên tử oxy có thể kết hợp với một nguyên tử carbon, tạo thành CO2, carbon dioxide. Đặc tính ưu tiên liên kết ở mức nguyên tử này hoàn toàn không cứng nhắc và nó được chứng minh bằng thực tế là carbon và oxy có thể kết hợp ở dạng một nguyên tử đơn lẻ để tạo thành chất khí gây chết người CO, carbon monoxide.

Các nhà hóa học nghĩ ra một từ để chỉ những nguyên tắc liên kết này: hóa trị. Và người ta có thể suy ra hóa trị từ vị trí của mỗi nguyên tố trong bảng tuần hoàn của Mendeleev. Họ phỏng đoán lý do tại sao lại có thể làm như vậy. Những hiểu biết thật sự về vấn đề này chỉ đến cùng với khám phá của các nhà vật lý học về cấu trúc bên trong của nguyên tử và của electron. Electron liên kết nguyên tử của các nhà hóa học với nguyên tử mà các nhà vật lý học đang nghiên cứu vào thời đó, và chương tiếp theo sẽ kể câu chuyện này.

Ở Việt Nam thường được gọi là “khí trơ” trong các giáo trình Hóa học.

Chương 30

Vào trong nguyên tử

Các nhà hóa học thích nguyên tử. Nó là thứ tham gia vào phản ứng hóa học. Nó chiếm vị trí xác định trong các hợp chất. Nó có những tính chất mà người ta có thể xác định sơ bộ nhờ vị trí của nó trong bảng tuần hoàn. Mỗi nguyên tử có xu hướng có điện tích âm hoặc dương trong những mối liên hệ của nó với các nguyên tử khác, và có những kiểu liên kết gọi là hóa trị. Các nhà hóa học cũng nhận thức được sự khác biệt giữa một nguyên tử đơn lẻ và nhóm nguyên tử tạo thành phân tử (tức các tập hợp của các nguyên tử liên kết với nhau). Họ nhận ra rằng trong khi đa số nguyên tử vui vẻ tồn tại ở dạng những nguyên tử đơn lẻ, một số nguyên tử, ví dụ hydro và oxy, tồn tại trong tự nhiên ở dạng phân tử (H2 và 02). Các nguyên tử khối tương đối, với nguyên tử khối của hydro bằng 1, cũng được đo với độ chính xác ngày càng cao.

Tuy nhiên, không một phần nào trong những kiến thức trên cho các nhà hóa học manh mối về những cấu trúc tinh vi hơn của nguyên tử. Họ đã biết mình có thể thao túng những nguyên tử trong phòng thí nghiệm, nhưng không thể nói gì nhiều về bản chất của những đơn vị vật chất này.

Trong phần lớn thế kỷ 19, các nhà vật lý học quan tâm đến những thứ khác: năng lượng được bảo toàn như thế nào, điện và từ có thể được đo bằng cách nào, bản chất của nhiệt, và tại sao các chất khí lại hoạt động theo cách chúng vẫn hoạt động. Lý thuyết về khí của các nhà vật lý học, gọi là thuyết động học chất khí, cũng bao gồm tư duy về các nguyên tử và phân tử. Nhưng các nhà vật lý học, giống các nhà hóa học, đồng ý rằng mặc dù thuyết nguyên tử cực kì hữu ích trong việc giải thích những gì họ tìm thấy và đo được, người ta vẫn khó hiểu được bản chất thật sự của nguyên tử.

Dấu hiệu đầu tiên cho thấy các nguyên tử không đơn thuần là đơn vị vật chất nhỏ nhất xuất hiện cùng với một khám phá quan trọng: một trong những thành phần của nó, hạt electron, được tìm thấy. Các thí nghiệm trước đó đã chứng minh rằng các nguyên tử có thể mang điện tích, vì các dòng điện trong một dung dịch luôn thu hút một số nguyên tử về cực dương và các nguyên tử khác về cực âm. Các nhà vật lý học không dám chắc đặc tính điện của các nguyên tử có đóng vai trò nào trong các phản ứng hóa học không. Nhưng họ đã đo điện tích của chúng và phát hiện ra các điện tích ấy đều có một đơn vị xác định. Những đơn vị này được đặt tên “electron” vào năm 1894, ngay sau khi J.J. Thomson (1856–1940) ở Cambridge bắt đầu sử dụng các ống cathode trong các nghiên cứu bằng thí nghiệm của ông.

Ống cathode là một dụng cụ khá đơn giản. Thật đáng ngạc nhiên khi một thứ đơn giản như thế lại có thể bắt đầu cho chúng ta biết được về cấu trúc nền tảng quan trọng của nguyên tử và Vũ Trụ. Bên trong ống này là một khoảng chân không không hoàn toàn được tạo ra bằng cách hút phần lớn không khí ra ngoài, và các điện cực được gắn vào mỗi đầu của ống. Khi một dòng điện được truyền qua ống, nhiều hiện tượng thú vị xảy ra, bao gồm cả việc sản sinh ra các tia (bức xạ). Bức xạ là những dòng năng lượng hoặc dòng các hạt cơ bản, và những bức xạ sinh ra trong ống cathode phần lớn gồm các hạt mang điện tích và di chuyển cực nhanh. Thomson và các cộng sự của ông ở phòng thí nghiệm Cavendish bắt đầu đo điện tích và khối lượng của một số bức xạ này. Họ cố gắng xác định xem hai lượng này có liên quan tới nhau như thế nào. Năm 1897, Thomson đưa ra giả thuyết rằng những tia này là các dòng chuyển động của các hạt mang điện tích hạ nguyên tử: những phần nhỏ của nguyên tử. Ông ước tính rằng chúng chỉ nặng bằng một phần rất nhỏ của nguyên tử nhẹ nhất, nguyên tử hydro. Các nhà vật lý học mất vài năm để đồng thuận rằng Thomson quả thực đã tìm ra electron, và rằng thứ mà ông và các đồng nghiệp vẫn đo bấy lâu nay chính là đơn vị của điện tích.

Như vậy, nguyên tử có electron. Chúng còn có gì khác nữa? Câu trả lời dần dần đến, từ những kết quả của nhiều thí nghiệm khác nữa trên ống cathode. Vùng chân không trong ống trở nên tốt hơn, và những dòng điện mạnh hơn có thể truyền qua ống. Một trong số những người khai thác những tiến bộ kỹ thuật này từng là học trò và cộng sự của Thomson, và sau này trở thành người kế thừa ông ở phòng thí nghiệm Cavendish tại Cambridge, Ernest Rutherford (1873–1937), người New Zealand. Vào cuối những năm 1890, Rutherford và Thomson xác định được hai loại tia khác nhau sinh ra từ uranium, một nguyên tố đã đạt được vị trí cực kì quan trọng đối với các nhà vật lý học.

Một trong hai tia từ uranium có thể được bẻ cong trong một từ trường; tia còn lại thì không. Không biết chúng thực sự là gì, Rutherford đã gọi chúng đơn giản là tia “alpha” và tia “beta”, chỉ là “ɑ” và “β” trong tiếng Hy Lạp. Hai tên đó vẫn được dùng cho đến nay. Rutherford tiếp tục thí nghiệm với cả hai tia kì lạ này trong hàng thập kỉ. Thì ra, không chỉ uranium mà cả một nhóm nhiều nguyên tố khác cũng phát ra những tia này. Những nguyên tố này khiến người ta cực kì phấn khích trong những năm đầu của thế kỷ 20, và ngày nay chúng vẫn rất quan trọng. Chúng là những nguyên tố “phóng xạ”, trong đó uranium, radium, và thorium xuất hiện thường xuyên nhất. Khi các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu tìm hiểu những đặc tính của chúng, họ biết được những kiến thức tối quan trọng về cấu trúc nguyên tử.

“Tia” alpha là nền tảng quan trọng. (Nó còn được gọi là “hạt” alpha – ranh giới phân biệt đôi khi mờ đi trong thế giới cực nhỏ và cực nhanh của vật lý học nguyên tử.) Rutherford và những cộng sự của ông hướng những hạt này vào những tấm kim loại rất mỏng, và đo những gì xảy ra. Bình thường, các hạt xuyên qua các tấm kim loại. Nhưng đôi khi, chúng bật ngược lại. Hãy tưởng tượng Rutherford đã ngạc nhiên thế nào khi ông xem xét hiện tượng đã xảy ra. Nó giống như thể ông bắn một quả đạn đại bác cực nặng vào một tờ giấy và phát hiện ra quả đạn bật ngược trở lại mình. Thí nghiệm này có nghĩa là hạt alpha đã gặp phải một phần rất đặc của những nguyên tử cấu thành tấm kim loại. Vùng đặc này là hạt nhân của nguyên tử. Những thí nghiệm của ông cho thấy phần lớn nguyên tử là khoảng trống, và điều này là lý do tại sao phần lớn các hạt alpha xuyên thẳng qua nguyên tử. Chỉ khi chúng va chạm với phần vật chất mật độ cực cao ở hạt nhân trung tâm, chúng mới bật ngược trở lại. Nghiên cứu thêm cho thấy hạt nhân mang điện tích dương. Các nhà vật lý học bắt đầu có giả thuyết rằng điện tích dương của hạt nhân cân bằng với điện tích âm của electron, và các electron liên tục chuyển động theo vòng tròn trong khoảng gần như trống không bao quanh hạt nhân.

Ngày nay, người ta coi Rutherford là người sáng lập ra ngành vật lý hạt nhân. Năm 1908, ông được trao giải Nobel Hóa học cho những khám phá của mình. Các giải thưởng này được đặt tên theo tên người Thụy Điển sáng lập ra chúng. Chúng trở thành vinh dự cao nhất trong khoa học kể từ khi ra đời năm 1901, và giành được một giải Nobel vẫn là mục tiêu của nhiều nhà khoa học tham vọng. Rutherford rất giỏi tìm ra những sinh viên và cộng sự xuất chúng, và một vài người trong số đó cũng giành giải Nobel.

Niels Bohr (1885–1962) đến từ Đan Mạch cũng là một người như vậy. Ông dựa trên ý tưởng của Rutherford rằng khối lượng của nguyên tử gần như tập trung toàn bộ trong hạt nhân nhỏ bé của nó, và áp dụng một công cụ mới gây nhiều phấn khích gọi là vật lý học “lượng tử” để phát triển thứ được gọi là “nguyên tử Bohr” vào năm 1913. Đây là một mô hình minh họa những gì diễn ra bên trong một nguyên tử, sử dụng những thông tin tốt nhất mà các nhà khoa học có được vào thời điểm đó. Mô hình này cho rằng một nguyên tử có cấu trúc giống như hệ Mặt Trời của chúng ta, với Mặt Trời/hạt nhân nằm ở trung tâm và các hành tinh/electron quay quanh Mặt Trời/hạt nhân theo các quỹ đạo của chúng. Trong mô hình của Bohr, khối lượng của hạt nhân mang điện tích dương cũng là khối lượng của nguyên tử, và do đó quyết định vị trí của nó trong bảng tuần hoàn. Hạt nhân được tạo thành từ các proton mang điện tích dương. Nguyên tử càng nặng thì có càng nhiều proton trong hạt nhân của nó. Số lượng proton phải bằng số lượng electron để toàn bộ nguyên tử trung hòa về điện. Các electron quay quanh hạt nhân theo những quỹ đạo khác nhau và đây là chỗ mà “lượng tử” thể hiện vai trò của nó. Một trong những phần xuất sắc của gói tổng thể các ý tưởng mà các nhà khoa học gọi là “vật lý học lượng tử” là ý tưởng cho rằng mọi thứ trong tự nhiên đều tồn tại ở dạng các gói đơn lẻ, có lượng xác định (các “lượng tử”). (Câu chuyện về lượng tử xuất hiện ở Chương 32.) Những thứ đó có thể là khối lượng, năng lượng, hay bất cứ thứ gì bạn quan tâm. Trong mô hình của Bohr, các electron chuyển động theo những quỹ đạo ứng với những trạng thái lượng tử khác nhau và độc lập. Những electron ở gần hạt nhân bị hạt nhân hút mạnh hơn. Những electron ở xa hạt nhân ít bị hạt nhân níu giữ hơn và chính những electron này mới có thể tham gia vào các phản ứng hóa học hoặc tạo ra điện hoặc từ.

Nếu tất cả những thứ này có vẻ hơi khó hiểu, thì, ờ, đúng là nó khó hiểu. Bohr biết điều này. Nhưng ông cũng biết rằng mô hình Bohr của ông sẽ cho phép các nhà vật lý học và hóa học giao tiếp bằng cùng một ngôn ngữ. Nó được hình thành trên nền tảng là các thí nghiệm của các nhà vật lý học, nhưng cũng tiến xa trong việc giải thích những gì các nhà hóa học quan sát được trong phòng thí nghiệm của họ. Đặc biệt, nó giúp người ta giải thích được tại sao các nguyên tố trong bảng tuần hoàn lại hoạt động theo cách chúng vẫn làm, với những quy luật liên kết, hay hóa trị, khác nhau. Một số nguyên tố chỉ liên kết với một nguyên tố khác ở dạng một nguyên tử đơn vị nguyên tử của chúng chỉ có một electron “tự do”. Các nguyên tố khác tuân theo các quy luật khác do số lượng electron “tự do” khác trong mỗi nguyên tử của chúng. Mô hình nguyên tử của Bohr đã trở thành một trong những biểu tượng hiện đại của khoa học, mặc dù ngày nay chúng ta đã biết rằng nguyên tử phức tạp hơn những gì Bohr đã nghĩ rất nhiều.

Từ đó nảy ra đủ loại câu hỏi. Thứ nhất, làm sao các proton mang điện tích dương có thể cùng tồn tại trong không gian chật chội của hạt nhân nguyên tử? Với những hạt mang điện tích, những hạt cùng dấu sẽ đẩy nhau, và những hạt trái dấu sẽ hút nhau (hãy nghĩ đến hai cục nam châm). Vậy tại sao các proton không đẩy nhau ra, và tại sao các electron không bị hút vào hạt nhân? Thứ hai, nguyên tử nhẹ nhất mà chúng ta biết là nguyên tử hydro, vậy hãy giả thuyết rằng nguyên tử hydro, với nguyên tử khối là 1, có duy nhất một proton và một electron rất nhẹ, tức gần như không có khối lượng. Điều này có nghĩa: sẽ là hợp lý nếu người ta giả thuyết rằng proton có nguyên tử khối là 1.

Vậy tại sao nguyên tử khối của các nguyên tử trong bảng tuần hoàn không đơn giản tăng dần lên theo một trình tự đẹp và ổn định: 1, 2, 3, 4, 5 và cứ thế?

Câu trả lời cho câu hỏi đầu tiên phải đợi cho đến khi cơ học lượng tử được phát triển xa hơn. Câu hỏi thứ hai, về những bước nhảy trong chuỗi nguyên tử khối, được một đồng nghiệp của Rutherford ở Cambridge, James Chadwick (1891–1974) giải quyết sớm hơn nhiều. Năm 1932, Chadwick tuyên bố kết quả của các thí nghiệm bắn phá của ông. Từ sau Rutherford, phương pháp này đã trở thành một công cụ thiết yếu của những nhà vật lý học nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử. Chadwick đã bắn những tia alpha vào kim loại ưa thích của ông, beryllium. Ông phát hiện ra rằng beryllium đôi khi phóng ra những hạt có nguyên tử khối bằng 1, và không mang điện tích. Ông sử dụng tên của Rutherford để đặt cho hạt này, neutron, nhưng không lâu sau người ta đã chứng minh rằng nó không đơn thuần là một proton và electron kết hợp với nhau như Rutherford đã nghĩ, mà là một hạt cơ bản của tự nhiên. Neutron chính là mắt xích còn thiếu đối với các nhà vật lý học, giúp giải thích được những nguyên tử khối và vị trí khó hiểu trong bảng tuần hoàn hóa học. Phép biểu diễn các nguyên tố của Trái Đất mà Mendeleev đã nghĩ ra vẫn tiếp tục chứng minh được giá trị của nó trong việc biểu thị những vật chất cơ bản trên hành tinh này. Neutron của Chadwick cũng dẫn đến việc khám phá ra đồng vị hóa học. Đôi khi, các nguyên tử của cùng một nguyên tố có nguyên tử khối khác nhau, nếu chúng có số lượng neutron, tức những hạt trung hòa về điện trong hạt nhân của nguyên tử, khác nhau. Vì thế, đồng vị hóa học là những nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng có nguyên tử khối khác nhau. Ngay cả nguyên tử hydro đôi khi cũng có nguyên tử khối là 2 thay vì 1, khi nó có một neutron bên cạnh proton duy nhất của nó. Chadwick được trao giải Nobel cho việc khám phá ra các neutron và những gì chúng có thể làm được, chỉ ba năm sau khi ông khám phá ra chúng.

Neutron là một công cụ rất mạnh để bắn phá hạt nhân của những nguyên tử khác. Không mang điện tích dương hay âm, theo lẽ tự nhiên, nó không bị hạt nhân nguyên tử chứa đầy điện tích dương, với những proton lèn chặt trong đó, đẩy ngược lại. Chadwick nhận ra điều này, và nhận thấy rằng nếu bạn muốn bắn vỡ nguyên tử, bạn cần một cỗ máy có thể gia tốc chúng đến tốc độ và năng lượng cao; một cyclotron hoặc synchrotron. Những cỗ máy này sử dụng từ trường cực mạnh để gia tốc các nguyên tử và các hạt của chúng đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Để làm loại nghiên cứu này, Chadwick rời Cambridge đến Đại học Liverpool, vì ở đó ông được cấp kinh phí để xây dựng một máy cyclotron. Tại đây, ông thấy rằng việc bắn những hạt neutron tốc độ cao vào những nguyên tử nặng, ví dụ như uranium, có thể tạo ra năng lượng lớn khủng khiếp. Nếu những năng lượng ấy được kiểm soát để sử dụng, người ta có thể khởi đầu một phản ứng dây chuyền dẫn kết một kết quả có tính bước ngoặt: sự “phân hạch” nguyên tử, hiện tượng nguyên tử bị phân chia. Hai quả bom nguyên tử được chế tạo và sử dụng trong Thế chiến thứ hai là kết quả của nghiên cứu này, và Chadwick là người dẫn đầu nhóm người Anh trong dự án bom nguyên tử này.

Nhiều người cho rằng việc khám phá ra neutron của Chadwick đã giải quyết được các câu hỏi về cấu trúc của nguyên tử (những hạt cơ bản cấu thành Vũ Trụ). Nhưng họ đã nhầm. Còn rất nhiều điều ngạc nhiên nữa để khám phá. Tuy nhiên, ngay cả những hiểu biết cơ bản về electron, proton, và neutron cũng đã lôi kéo các nhà vật lý học tham gia nghiên cứu một số loại sóng và hạt, ví dụ như bức xạ alpha, beta, và gamma. Họ đã phải tìm hiểu những hiện tượng bí ẩn khác, như tia X hay khám phá rằng tự nhiên trao đổi bằng những gói siêu nhỏ, gọi là các lượng tử. Vật lý hạt nhân và vật lý lượng tử: đây là những lĩnh vực vật lý ở tầm tri thức cao nhất trong phần lớn thế kỷ 20.