Chương 31

Phóng xạ

Đã bao giờ bạn bị gãy xương, hay nuốt nhầm thứ gì đó chưa? Nếu vậy, có khả năng bạn đã được chụp X-quang để bác sĩ có thể nhìn bên trong cơ thể bạn mà không cần phải mở nó ra. Ngày nay, X-quang là một việc bình thường. Ở cuối thế kỷ 19, chúng là một hiện tượng gây chấn động. Tia X là loại bức xạ đầu tiên được con người kiểm soát và sử dụng, thậm chí trước cả lúc định nghĩa bức xạ được người ta hiểu thấu đáo. Phóng xạ và bom nguyên tử ra đời sau đó.

Ở Đức, tia X đôi khi còn được gọi là “tia Röntgen”, theo tên của Wilhelm Röntgen (1845–1923). Ông không phải người đầu tiên chứng kiến sức mạnh của tia này, nhưng ông là người đầu tiên nhận thức được thứ ông đã nhìn thấy. Khoa học vẫn thường như vậy chỉ nhìn thấy thôi thì không bao giờ là đủ – bạn phải hiểu cái bạn đang nhìn.

Vào những năm 1890, Röntgen cùng nhiều nhà vật lý học khác (bạn có nhớ J.J. Thomson không?) đang nghiên cứu với những ống phát tia cathode (CRT). Ngày 8 tháng Mười một năm 1895, ông nhận thấy một tấm phim, cách ống phát tia cathode của ông một khoảng, đã phơi nhiễm bức xạ một cách bí ẩn. Nó được bọc kín bằng giấy đen, và vào thời đó các nhà khoa học cho rằng tia cathode không thể tác động xa đến vậy. Ông dành sáu tuần tiếp theo để tìm hiểu chuyện gì đã xảy ra. Các nhà khoa học khác đã quan sát thấy hiện tượng y hệt nhưng họ đã không làm gì với nó cả. Röntgen phát hiện ra rằng, những tia mới này đi theo đường thẳng, và không bị ảnh hưởng bởi từ trường. Không giống ánh sáng ta nhìn thấy, chúng không thể bị phản xạ hay bẻ cong bởi thấu kính thủy tinh. Nhưng chúng có thể xuyên qua vật chất rắn, bao gồm cả bàn tay của vợ ông! Bà là người đầu tiên được chụp X-quang, nhẫn cưới của bà hiện rõ mồn một cùng với xương những ngón tay của bà. Không biết chính xác những tia này là gì, ông đơn giản gọi chúng là các “tia X”. Sau sáu tuần làm việc chăm chỉ, ông thông báo cho toàn thế giới biết.

Tia X ngay lập tức trở thành một thành công lớn. Giá trị ứng dụng y học của nó ngay lập tức được nhận ra, trong việc chẩn đoán xương gãy hoặc định vị các viên đạn hoặc những thứ khác đáng ra không được len vào cơ thể con người. Rất ít thứ từng được công chúng đón nhận ngay lập tức như vậy. Những bộ đồ lót “chống tia X” nhanh chóng được bày bán. Các nhà vật lý học tranh luận về bản chất của tia X. Sau hơn một thập kỷ nghiên cứu nữa, tia X được chứng minh là một bức xạ có bước sóng ngắn và mức năng lượng cao một cách bất thường. Những người làm việc trong phòng thí nghiệm đã sớm nhận ra rằng tia X có thể gây thương tổn lên da thịt của con người, khiến các vết bỏng xuất hiện, nên người ta đã sử dụng tia X để cố gắng tiêu diệt các tế bào ung thư ngay từ năm 1896. Người ta mất một thời gian sau đó để nhận ra rằng nó nguy hiểm đến thế nào, và một vài nhà nghiên cứu đầu tiên đã qua đời do nhiễm độc bức xạ, hoặc do một chứng ung thư máu gọi là bệnh máu trắng. Tia X có thể gây ra ung thư lẫn chống lại ung thư.

Trong khi Röntgen nghiên cứu tia X, một hình thái khác của bức xạ, gọi là phóng xạ, được tìm ra, lần này ở Pháp. Henri Becquerel (1852–1908) khi đó đang nghiên cứu huỳnh quang, tức cách một số chất phát sáng mờ hoặc phát ra ánh sáng rõ ràng một cách tự nhiên. Ông sử dụng một hợp chất của uranium mà sinh ra được ánh sáng như vậy. Khi ông phát hiện ra hợp chất này tác động lên một tấm phim, giống như tia X của Röntgen, ông cho rằng mình đã phát hiện ra một nguồn khác của loại bức xạ bí ẩn này. Nhưng vào năm 1896, Becquerel đã phát hiện ra rằng tia của ông không hoạt động giống tia Röntgen. Nó là một loại bức xạ khác, không tạo ra hiệu ứng rõ ràng và ấn tượng như tia X, có thể “nhìn” xuyên qua quần áo và da, nhưng nó vẫn đáng để nghiên cứu.

Ở Paris, thử thách này được cặp vợ chồng nhà vật lý học nổi tiếng, Pierre và Marie Curie (1859–1906; 1867–1934) đón nhận. Năm 1898, vợ chồng nhà Curie có được một tấn uraninit, một loại quặng thô trông như nhựa đường chứa uranium. Khi họ đang chiết uranium tương đối nguyên chất ra khỏi quặng uraninit, phóng xạ đã làm bỏng tay họ. Họ cũng tìm ra hai nguyên tố phóng xạ mới mà họ đặt tên là thorium và polonium, trong đó nguyên tố thứ hai được đặt tên theo nơi Marie Curie sinh ra, nước Ba Lan (Poland). Vì những nguyên tố này có tính chất giống uranium, các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới thúc giục họ nghiên cứu để hiểu sâu hơn về những tia mạnh chúng phát ra. Đó là các tia beta (dòng electron); tia alpha (vào năm 1899 tia này đã được Rutherford chứng minh là dòng nguyên tử heli thiếu electron, và vì thế mang điện tích dương); và tia gamma (không mang điện tích, nhưng sau đó được chứng minh là một bức xạ điện từ giống tia X). Nhà Curie thật sự là những người hùng hết lòng cống hiến cho khoa học. Sau khi Pierre qua đời trong một vụ tai nạn giao thông, Marie tiếp tục nghiên cứu của cả hai người, dù bà có hai con nhỏ cần được chăm sóc.

Lời hứa cổ xưa của giả kim thuật, được nhìn thấy một nguyên tố này chuyển thành một nguyên tố khác, gần như trở thành hiện thực nhờ việc khám phá ra phóng xạ. Gần như, vì giấc mơ của các nhà giả kim thuật là biến chì hoặc những kim loại cơ bản khác thành vàng, còn điều mà phóng xạ làm được là biến uranium thành chì, một kim loại quý biến thành một kim loại cơ bản! Nhưng vẫn là đáng kể. Tự nhiên có thể làm được những điều mà các nhà giả kim thuật chỉ mới mơ tới.

Giống tia X, phóng xạ có những giá trị ứng dụng quan trọng trong y học. Radium, một nguyên tố phóng xạ khác do Marie Curie tìm ra, đặc biệt quý giá. Tia phóng xạ của nó có thể tiêu diệt tế bào ung thư. Nhưng, giống tia X, phóng xạ cũng có thể gây ra ung thư nếu liều lượng quá cao. Nhiều nhà nghiên cứu đầu tiên, bao gồm cả Marie Curie, đã chết vì ảnh hưởng của phóng xạ, trước khi những hướng dẫn an toàn đúng chuẩn được xây dựng. Con gái của Marie Curie, Irene, được trao giải Nobel cho nghiên cứu trong cùng một lĩnh vực, và sớm qua đời vì bệnh ung thư máu, cũng là căn bệnh đã giết chết mẹ bà.

Uranium, thorium, polonium và radium là những chất phóng xạ tự nhiên. Điều này có nghĩa là gì? Những nguyên tố phóng xạ này được các nhà vật lý học gọi là nguyên tố “nặng”. Hạt nhân của chúng bị nhồi quá chặt và điều này khiến nó không ổn định. Chính sự không ổn định này là cái mà chúng ta phát hiện được dưới dạng tia phóng xạ. Người ta gọi hoạt động phóng xạ này là “phân rã phóng xạ” vì khi hạt nhân mất đi các hạt của nó, nguyên tố phân rã theo nghĩa đen, và trở thành một nguyên tố khác và giữ một vị trí khác trong bảng tuần hoàn. Nghiên cứu tỉ mỉ sự phân rã này giúp tiếp tục công việc trám đầy những lỗ hổng kiến thức trên bảng tuần hoàn, một việc vô cùng quan trọng.

Nó cũng cung cấp một phương pháp quý giá để xác định niên đại của các sự kiện trong lịch sử Trái Đất, một quy trình tên là xác định niên đại bằng “đồng vị phóng xạ”. Ernest Rutherford cũng là một người tiên phong trong bước tiến này, khi vào năm 1905, ông đề xuất rằng kỹ thuật này sẽ góp phần xác định tuổi của Trái Đất. Các nhà vật lý học tính toán thời gian để một nửa số nguyên tử của một nguyên tố phóng xạ tự nhiên (ví dụ uranium) phân rã thành sản phẩm cuối cùng của chúng, một phiên bản khác của nguyên tố đó (trong ví dụ này, phiên bản khác đó là chì). Khoảng thời gian này được gọi là chu kỳ bán rã của nguyên tố. Chu kỳ bán rã của các nguyên tố rất đa dạng, có thể từ vài giây đến hàng triệu năm. Một khi biết được chu kỳ bán rã của một nguyên tố, các nhà khoa học có thể xác định niên đại của một sự kiện bằng cách nghiên cứu một hóa thạch hoặc một viên đá (bất cứ mẫu vật nào xuất hiện một cách tự nhiên) để xem còn lại bao nhiêu phần của nguyên tố ban đầu và bao nhiêu phần đã phân rã. Tỉ lệ giữa hai nguyên tố này sẽ cho họ biết tuổi của mẫu vật. Một dạng hiếm gặp của carbon là một chất phóng xạ tự nhiên và người ta có thể sử dụng chu kỳ bán rã của nó để xác định tuổi của các phần hóa thạch còn sót lại của những thực vật và động vật đã từng sống trên Trái Đất. Tất cả sinh vật đều nạp carbon vào cơ thể trong cuộc đời chúng. Khi chúng chết, hoạt động này dừng lại. Vì vậy, đo lượng carbon phóng xạ trong các mẫu hóa thạch cho người ta biết thời điểm chúng hình thành. Phương pháp xác định niên đại bằng đồng vị sử dụng cùng một nguyên lý đó để xác định tuổi của đá, cho chúng ta một khung thời gian lớn hơn nhiều. Kỹ thuật này đã thay đổi bộ môn nghiên cứu hóa thạch, vì chúng không còn đơn thuần là những mẫu vật già hay trẻ hơn so với nhau nữa – chúng ta đã biết được tuổi gần đúng của chúng.

Các nhà vật lý học nhanh chóng phát hiện ra những lượng năng lượng lớn tham gia vào quá trình phóng xạ. Những nguyên tố phóng xạ tự nhiên như uranium và dạng phóng xạ của những nguyên tố phổ biến hơn như carbon là rất hiếm. Nhưng khi bạn bắn phá các nguyên tử bằng các hạt alpha hay neutron, bạn có thể khiến nhiều nguyên tố phát ra năng lượng phóng xạ một cách nhân tạo. Điều này chứng minh có rất nhiều năng lượng bị dồn nén trong hạt nhân nguyên tử. Tìm cách tận dụng tiềm năng này đã là động lực của nhiều nhà vật lý học trong suốt một trăm năm qua.

Khi bạn bắn phá một nguyên tử và khiến nó bắn ra hạt alpha từ hạt nhân của nó, bạn “phân tách” nguyên tử và biến nó thành một nguyên tố khác. Đây là sự phân hạch nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử đã mất hai proton. Một phương pháp khác, hợp hạch§ nguyên tử, xảy ra khi một nguyên tử lấy thêm một hạt và chiếm một vị trí mới trên bảng tuần hoàn nguyên tố. Cả phản ứng phân hạch và hợp hạch đều giải phóng năng lượng. Khả năng tạo ra phản ứng hợp hạch được chứng minh vào những năm 1930 bởi các nhà vật lý học người Đức và Áo, trong đó có Lise Meitner (1878–1968). Sinh ra là một người Do Thái, Meitner đã cải sang Cơ Đốc giáo, nhưng bà vẫn phải chạy trốn khỏi nước Đức Quốc xã vào năm 1938. Bà thảo luận về phản ứng hợp hạch của hai nguyên tử hydro để tạo thành một nguyên tử heli, nguyên tố tiếp theo trong bảng tuần hoàn nguyên tố. Từ việc nghiên cứu Mặt Trời và các ngôi sao khác, người ta đã chứng minh được rằng phản ứng chuyển hydro thành heli là nguồn năng lượng chủ yếu của các vì sao. (Heli được phát hiện trong Mặt Trời trước khi nó được tìm thấy trên Trái Đất: những nguyên tử của nó phát ra những bức xạ có bước sóng đặc trưng khi người ta kiểm tra chúng với một dụng cụ gọi là kính quang phổ.) Phản ứng này cần đến nhiệt độ cực cao, và vào những năm 1930 người ta không thể thực hiện nó trong phòng thí nghiệm. Nhưng về lý thuyết, bạn có thể chế tạo ra một quả bom hydro (một quả bom hợp hạch, hay bom nhiệt hạch) mà sẽ giải phóng ra một lượng năng lượng khổng lồ khi nó phát nổ.

Vào những năm 1930, phương án thay thế cho nó, bom nguyên tử hay bom phân hạch, là khả thi hơn. Khi những người theo chủ nghĩa Quốc xã tiếp tục gây hấn tại châu Âu, nguy cơ chiến tranh dường như càng lúc càng rõ ràng. Các nhà khoa học tại một số nước, bao gồm cả Đức, bí mật nghiên cứu để chuẩn bị thứ vũ khí hủy diệt như vậy. Nghiên cứu tối quan trọng trong trò khiêu vũ kinh rợn tiến tới chiến tranh toàn diện này là của nhà vật lý học người Ý, Enrico Fermi (1901–1954). Fermi và nhóm của ông đã chứng minh rằng bắn phá nguyên tử với các neutron “chậm” sẽ tạo ra phản ứng phân hạch nguyên tử mà người ta mong muốn. Các neutron chậm được cho đi qua paraffin (hoặc một chất tương tự) trên đường đến nguyên tử đích. Ở tốc độ đã giảm đi này, chúng có khả năng lách vào hạt nhân nguyên tử cao hơn, khiến hạt nhân phân tách. Fermi rời khỏi Ý năm 1938 để chạy trốn chế độ phát-xít của nước này, chế độ ủng hộ những người theo chủ nghĩa Quốc xã. Ông đến Hoa Kỳ, như nhiều người trong số những nhà khoa học (và cả các tác gia, nghệ sĩ, và nhà tư duy) sáng tạo nhất của thời kỳ đó. Ngày nay chúng ta đôi lúc nhắc đến “chảy máu chất xám”, có nghĩa là những “bộ não” xuất sắc nhất rời quê hương họ để đến các quốc gia khác vì những điều kiện làm việc tốt hơn: nhiều tiền bạc hơn, phòng thí nghiệm lớn hơn, cơ hội tốt hơn để sống cuộc đời mà họ mong ước. Vào cuối những năm 1930 và đầu những năm 1940, người ta chạy trốn bởi họ bị sa thải khỏi công việc của mình và lo sợ cho tính mạng của mình. Những người theo chủ nghĩa Quốc xã và phát-xít đã làm rất nhiều việc kinh khủng. Họ cũng đã thay đổi bộ mặt của khoa học, và Vương quốc Anh và Hoa Kỳ hưởng lợi nhiều nhất trong quá trình chảy máu chất xám bắt buộc này.

Ở Hoa Kỳ, nhiều người tị nạn tham gia vào dự án tối mật mang tên “Dự án Manhattan”. Đây là một trong những dự án khoa học tốn kém nhất từng được thực hiện, nhưng đó là thời kỳ mà người ta càng lúc càng tuyệt vọng và sẵn sàng làm bất cứ điều gì. Vào cuối những năm 1930, những tiến bộ rõ rệt về kiến thức liên quan đến các nguyên tố phóng xạ đã thuyết phục các nhà vật lý học rằng họ có thể tạo ra một vụ nổ nguyên tử. Khó khăn nằm ở việc kiểm soát nó. Một số người cho rằng nó quá nguy hiểm: phản ứng dây chuyền xảy ra sau vụ nổ đơn giản sẽ làm cả hành tinh nổ tung. Khi các nước tuyên chiến vào năm 1939, các nhà vật lý học ở Vương quốc Anh và Hoa Kỳ tin rằng các nhà khoa học ở Đức và Nhật Bản sẽ tiếp tục nghiên cứu chế tạo một quả bom nguyên tử và phe Đồng minh cũng cần làm như vậy. Một số nhà khoa học viết thư gửi Tổng thống Hoa Kỳ, Franklin Roosevelt, thúc giục ông cho phép một động thái đáp trả từ phe Đồng minh. Trong số những nhà khoa học đó có Albert Einstein, nhà khoa học nổi tiếng nhất thế giới và cũng là một người tị nạn đến từ nước Đức Quốc xã.

Roosevelt đồng ý. Tại những khu vực đặc biệt ở Tennesse, Chicago và New Mexico, rất nhiều những thành phần của bước đi định mệnh này được điều phối. Dự án Manhattan được triển khai tương tự các dự án quân sự. Các nhà khoa học ngừng công bố các khám phá của họ. Họ đặt giá trị cốt lõi của khoa học, tính mở và chia sẻ thông tin, sang một bên. Chiến tranh thay đổi các giá trị của con người. Bí mật thậm chí còn không được chia sẻ với nước Nga cộng sản, một đồng minh quan trọng của Hoa Kỳ và Liên hiệp Anh nhưng không được tin tưởng khi bàn về những quả bom tối mật kia. Đến năm 1945, nỗ lực chế tạo bom nguyên tử của Đức, Nhật, và Nga vẫn không có tiến triển đáng kể, ngay cả khi một trong những nhà khoa học của Hoa Kỳ đã bí mật cung cấp thông tin cho người Nga. Nhưng Dự án Manhattan đã tạo ra hai quả bom. Một quả sử dụng uranium, một quả khác sử dụng plutonium, một nguyên tố phóng xạ nhân tạo. Một quả bom thử nghiệm nhỏ hơn được cho phát nổ ở sa mạc Hoa Kỳ. Nó hoạt động tốt. Những quả bom đã sẵn sàng được sử dụng.

Nước Đức đầu hàng ngày 8 tháng Năm năm 1945, nên không có quả bom nào được thả ở châu Âu. Nhật Bản tiếp tục gây hấn ở Thái Bình Dương. Tổng thống mới của nước Mỹ, Harry Truman, hạ lệnh thả quả bom nguyên tử xuống thành phố Hiroshima của Nhật Bản vào ngày 6 tháng Tám năm 1945. Nó được kích nổ bằng cách bắn một mảnh uranium vào một mảnh khác. Nước Nhật vẫn không đầu hàng. Truman hạ lệnh cho thả quả bom plutonium xuống thành phố thứ hai ở Nhật Bản, Nagasaki, ba ngày sau quả bom thứ nhất. Hành động này cuối cùng đã kết thúc cuộc chiến. Hai quả bom đã giết chết khoảng 300.000 người, đa số là thường dân, và nước Nhật đã đầu hàng. Giờ đây, tất cả mọi người đã thấy được sức mạnh kinh hoàng của năng lượng nguyên tử. Thế giới của chúng ta đã vĩnh viễn bị thay đổi. Nhiều người trong số những nhà khoa học đã làm ra thứ vũ khí hủy diệt hàng loạt này biết rằng thành tựu của họ đã kết thúc một cuộc chiến kinh khủng, nhưng họ cũng lo lắng về thứ họ đã tạo ra.

Sức mạnh khó tin của năng lượng nguyên tử tiếp tục giữ vị trí quan trọng trong thế giới của chúng ta. Những hiểm họa của nó cũng vậy. Sự hồ nghi giữa nước Nga và Hoa Kỳ tiếp tục sau Thế chiến thứ hai, leo thang thành “Chiến tranh Lạnh”. Cả hai quốc gia tích lũy những kho tàng trữ vũ khí nguyên tử hoặc vũ khí hạt nhân cực lớn. May mắn thay, chúng chưa được sử dụng trong những phút giây nóng giận, và dù vũ khí hạt nhân dự trữ đã được giảm đi trong nhiều năm thông qua các hiệp ước, số lượng quốc gia có vũ khí hạt nhân lại tăng lên.

Kiến thức vật lý học thu được từ Dự án Manhattan cũng được sử dụng để tạo ra một phương pháp giải phóng năng lượng được kiểm soát tốt hơn. Năng lượng nguyên tử có thể sinh ra điện mà chỉ tạo ra một lượng khí nhà kính rất nhỏ so với lượng khí từ việc đốt than đá và các nhiên liệu hóa thạch khác. Ví dụ, nước Pháp sản xuất gần ba phần tư lượng điện của nó bằng năng lượng nguyên tử. Nhưng những hiểm họa từ những sự cố và nguy cơ khủng bố đã khiến nhiều người kinh sợ năng lượng nguyên tử, bất chấp các lợi ích từ nó. Hiếm có thứ nào trong thế giới khoa học và công nghệ hiện đại có thể minh họa sự pha trộn giữa chính trị và giá trị xã hội học câu hỏi: Chúng ta nên làm gì với kiến thức của mình về năng lượng hạt nhân?

Nguyên văn: fusion. Một số người gọi phản ứng này là phản ứng nhiệt hạch, Người dịch chọn từ “hợp hạch” vì nó sát với từ “fusion” hơn.

Chương 32

Người thay đổi cuộc chơi

Einstein

Albert Einstein (1879–1955) nổi tiếng với mái tóc bạc xù và những lý thuyết của ông về vật chất, năng lượng, không gian và thời gian. Và phương trình E = mc2. Những ý tưởng của ông có thể khó hiểu đến mức đáng sợ, nhưng chúng đã thay đổi cách chúng ta tư duy về Vũ Trụ. Ông đã từng được hỏi phòng thí nghiệm của ông trông ra sao. Như một câu trả lời, ông rất nhanh từ túi ra cây bút mực. Bởi, ông là một nhà tư duy, chứ không phải một người thực hành. Ông làm việc trên bàn giấy hoặc bảng phấn chứ không phải trên băng ghế phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, ông vẫn cần loại thông tin mà người ta có thể tìm thấy trong các thí nghiệm, và đặc biệt ông sẽ cần dựa vào nghiên cứu của nhà vật lý học người Đức Max Planck (1858–1947). Planck vừa là một nhà tư duy, vừa là một người làm thí nghiệm. Ông mới khoảng 40 tuổi khi có được khám phá khoa học quan trọng nhất của mình, tại Đại học Berlin. Vào những năm 1890, ông bắt đầu nghiên cứu bóng đèn, để xem ông có thể tạo ra loại bóng đèn cung cấp nhiều ánh sáng nhất và tiêu thụ ít điện năng nhất bằng cách nào. Trong những thí nghiệm của mình, ông sử dụng lý thuyết “vật đen”, một vật thể giả định hấp thụ tất cả ánh sáng chiếu lên nó, không phản xạ lại bất cứ ánh sáng nào. Hãy nghĩ xem bạn sẽ nóng đến thế nào nếu mặc một chiếc áo phông màu đen giữa trời nắng, và sẽ mát hơn bao nhiêu nếu bạn mặc một chiếc áo trắng: quần áo màu đen đã hấp thụ năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời. Do đó, năng lượng trong ánh sáng cũng bị vật đen hấp thụ. Nhưng nó không thể tích trữ toàn bộ năng lượng này, vậy vật đen phát trả năng lượng như thế nào?

Planck biết rằng lượng năng lượng bị hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng (liên quan đến tần số) riêng của ánh sáng. Ông đưa các kết quả phép đo năng lượng và bước sóng vô cùng cần trọng của mình vào phương trình toán học E = hv. Năng lượng (E) bằng tần số của bước sóng (v) nhân với một con số xác định (một hằng số h). Trong phương trình này, năng lượng phát ra mà Planck đo được luôn là một số nguyên, không phải một phân số. Điều này quan trọng ở chỗ, việc năng lượng là một số nguyên chứng tỏ năng lượng được truyền đến theo từng gói nhỏ riêng. Ông gọi mỗi gói nhỏ này là một “lượng tử”, đơn giản nghĩa là một lượng. Ông công bố nghiên cứu của mình vào năm 1900, giới thiệu lý thuyết về lượng tử với thế kỷ mới. Kể từ ngày đó, vật lý học, và cách chúng ta hiểu về thế giới, không bao giờ còn giống như trước nữa. Hằng số (h) trên được đặt tên là “hằng số Planck” để thể hiện sự kính ngưỡng đối với ông. Phương trình của ông sẽ trở nên quan trọng tương đương phương trình nổi tiếng hơn của Einstein E = mc2.

Một số nhà vật lý học cần một thời gian để hiểu được tầm quan trọng thật sự của các thí nghiệm của Planck. Einstein là người nhận ra ý nghĩa của nó ngay lập tức. Năm 1905, ông đang là nhân viên tại Văn phòng Bằng sáng chế Zurich, và nghiên cứu vật lý học vào thời gian rảnh rỗi. Năm đó, ông công bố ba bài báo khoa học làm nên tên tuổi ông. Bài báo đầu tiên, giúp ông giành giải Nobel năm 1921, đã đưa nghiên cứu của Planck lên một cấp độ mới. Einstein nghĩ nhiều hơn về bức xạ vật đen của Planck, và khai thác phương pháp lượng tử mà khi đó vẫn còn mới. Sau nhiều suy nghĩ, bằng những tính toán xuất sắc, ông chứng minh được rằng ánh sáng đúng là được truyền đi theo dạng từng gói năng lượng nhỏ. Những gói này di chuyển độc lập với nhau mặc dù, cùng nhau, chúng tạo ra một sóng. Đây là một phát biểu gây bất ngờ, bởi các nhà vật lý học từ thời Thomas Young trước đó một thế kỷ đã phân tích ánh sáng, trong nhiều trường hợp thí nghiệm, như thể nó là một sóng liên tục. Nó hiển nhiên thường vận động như vậy, và giờ đây một nhân viên trẻ tuổi, chưa tên tuổi, làm việc trong một văn phòng cấp bằng sáng chế, nói rằng ánh sáng có thể là một hạt – một photon hay lượng tử ánh sáng.

Bài báo tiếp theo của Einstein từ năm 1905 cũng có tính cách mạng không kém. Đây là tài liệu mà trong đó ông giới thiệu Thuyết Tương đối hẹp của ông, lý thuyết chứng minh rằng mọi chuyển động đều chỉ tương đối, có nghĩa là, nó chỉ có thể được đo trong mối tương quan với một thứ gì đó khác. Nó là một học thuyết rất phức tạp, nhưng có thể được giải thích rất đơn giản nếu bạn sử dụng trí tưởng tượng của mình. (Einstein rất xuất sắc trong việc tư duy sâu về những dữ liệu đã biết và khám phá, trong tâm trí của ông, điều gì sẽ xảy ra nếu như…?) Hãy tưởng tượng một con tàu đang rời khỏi ga. Ở chính giữa một trong những toa tàu, có một bóng đèn đang chớp, lúc bật lúc tắt, cứ cách một khoảng thời gian chính xác tuyệt đối lại tạo ra một chớp sáng, và nó được phản chiếu bởi hai gương nằm hai đầu toa. Nếu bạn đang ở chính giữa toa, bạn sẽ thấy ánh sáng phản chiếu lại từ hai gương vào chính xác cùng một thời điểm. Nhưng một người đứng trên sân ga khi con tàu đi qua sẽ thấy các chớp sáng lần lượt xảy ra. Dù cả hai chớp sáng vẫn chạm vào gương cùng một thời điểm, con tàu đang di chuyển về phía trước, nên ở trên sân ga bạn sẽ nhìn thấy chớp sáng ở gương xa hơn (ở đầu toa) trước khi bạn nhìn thấy chớp sáng ở gương gần hơn (ở đuôi toa). Như vậy, dù tốc độ của ánh sáng không thay đổi, việc khi nào nó được nhìn thấy còn phụ thuộc vào, hoặc có thể nói là tương quan với, việc người quan sát nó đang di chuyển hay đứng yên. Einstein lập luận (tất nhiên là với sự hỗ trợ của các phương trình phức tạp) rằng thời gian là một chiều cơ bản của hiện thực. Từ đây, các nhà vật lý học sẽ phải tư duy về không chỉ đơn thuần ba chiều không gian quen thuộc, chiều dài, chiều rộng và chiều cao, mà còn về cả thời gian.

Einstein chứng minh rằng tốc độ của ánh sáng không thay đổi, bất kể nó đang di chuyển ra xa hay về phía ta. (Tốc độ của âm thanh không như vậy, đó là lý do vì sao âm thanh một con tàu phát ra nghe khác đi tùy vào việc chúng ta nghe thấy nó khi tàu đang tiến gần hay ra xa chúng ta.) Như vậy tính tương đối trong Thuyết Tương đối hẹp này không áp dụng cho tốc độ không đổi của ánh sáng. Thay vào đó, tính tương đối xảy ra ở người quan sát và ở thực tế là người ta cần xét đến cả thời gian. Thời gian không tuyệt đối mà là tương đối. Nó thay đổi nhanh hơn khi chúng ta di chuyển, và đồng hồ đo thời gian cho chúng ta cũng vậy. Có một câu chuyện cũ về một phi hành gia đã di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng rồi trở về Trái Đất và thấy thời gian đã trôi đi. Tất cả những người cô biết đã già và qua đời. Cô không già hơn là bao so với khi cô rời Trái Đất, nhưng đồng hồ của cô cũng chậm lại nên cô cũng không thể nhận ra mình đã đi khỏi Trái Đất bao lâu. (Đây chỉ là một thí nghiệm thực hiện trong suy nghĩ và chỉ có thể xảy ra trong truyện khoa học viễn tưởng.)

Như thể vậy là chưa đủ, phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc2 đưa khối lượng (m) và năng lượng (E) vào trong một mối quan hệ mới. Số (c) là vận tốc của ánh sáng. Thực tế, ông chứng minh rằng khối lượng và năng lượng là hai khía cạnh của vật chất. Vì vận tốc của ánh sáng là một con số cực lớn, và, khi được bình phương, trở nên thậm chí còn lớn hơn nhiều, điều này có nghĩa là chỉ một khối lượng rất nhỏ, nếu được chuyển hoàn toàn thành năng lượng, cũng tạo ra rất nhiều năng lượng. Ngay cả bom nguyên tử cũng chỉ chuyển hóa một phần nhỏ của khối lượng thành năng lượng. Nếu khối lượng trong cơ thể chúng ta được chuyển hoàn toàn thành năng lượng, nó sẽ tạo ra sức mạnh của mười lăm quả bom hydro lớn. Tuy nhiên, đừng có thử thí nghiệm này.

Trong những năm tiếp theo, Einstein mở rộng tư duy của mình, và vào năm 1916, ông cho ra một mô hình tổng quát hơn về Vũ Trụ. Đó là Thuyết Tương đối rộng. Nó giới thiệu những ý tưởng của ông về mối liên hệ giữa lực hấp dẫn và gia tốc, và cấu trúc của không gian. Ông chứng minh rằng lực hấp dẫn và gia tốc thực ra tương đương nhau. Tưởng tượng bạn đang đứng trong một thang máy, và bạn thả một quả táo từ tay: nó sẽ rơi xuống sàn thang máy. Bây giờ, nếu bạn thả quả táo ở đúng thời điểm ai đó cắt dây cáp của thang máy, bạn sẽ rơi cùng với quả táo. Quả táo sẽ không thực sự chuyển động, trong tương quan với bạn, vì cả bạn và quả táo đang rơi cùng nhau. Vào bất cứ thời điểm nào, bạn có thể đơn giản vươn tay ra cầm lấy quả táo. Nó sẽ không bao giờ chạm sàn chừng nào thang máy (và bạn) tiếp tục rơi. Đây tất nhiên là những gì diễn ra trong không gian Vũ Trụ, nơi các phi hành gia và tàu không gian của họ về cơ bản ở trạng thái rơi tự do.

Thuyết Tương đối rộng của Einstein cho thấy rằng không gian, hoặc đúng hơn là không gian-thời gian, luôn cong. Thuyết này tiên đoán một vài điều khó hiểu mà các nhà vật lý học đã từng gặp khó khăn khi giải thích. Nó đề xuất rằng ánh sáng bị bẻ cong một chút khi đi qua gần một vật thể lớn. Lý do là ánh sáng (được tạo thành từ photon) có khối lượng, và vật thể lớn hơn kia sẽ tạo ra lực hấp dẫn lên khối lượng nhỏ hơn của ánh sáng. Các phép đo trong một lần nhật thực đã chứng minh rằng điều này thực sự xảy ra. Học thuyết của Einstein cũng giải thích những đặc điểm thú vị của quỹ đạo của Thủy Tinh quanh Mặt Trời, mà những định luật hấp dẫn đơn giản hơn của Newton không thể giải thích.

Einstein nghiên cứu những thứ rất nhỏ (những hạt photon tí hon của ánh sáng) và những thứ rất lớn (cả Vũ Trụ). Ông đưa ra một cách mới rất thuyết phục để kết hợp chúng với nhau. Qua đó, ông đóng góp cho thuyết lượng tử đồng thời giới thiệu những ý tưởng của mình về tính tương đối. Những ý tưởng này, và những công thức toán học đằng sau chúng, góp phần định hình cách các nhà vật lý học tư duy về cả những thứ rất lớn lẫn những thứ rất nhỏ. Nhưng Einstein không đánh giá cao nhiều hướng mới mà vật lý học đang đi theo vào thời gian đó. Ông chưa bao giờ mất niềm tin rằng Vũ Trụ (với những nguyên tử, electron, và các hạt khác của nó) được gắn chặt với một hệ thống của nguyên nhân và hệ quả. Ông có câu nói nổi tiếng: “Thượng Đế không chơi trò xúc xắc.” Ý ông là mọi sự vật đều xảy ra theo những quy luật đều đặn, có thể dự đoán được. Không phải tất cả mọi người đều đồng ý, và những nhà vật lý học kế thừa quan điểm lượng tử của Planck đã đi đến những kết luận khác.

Electron là đối tượng trung tâm trong nhiều nghiên cứu lượng tử khác ở thời kỳ đầu của ngành này. Chương 30 đã giải thích mô hình của Niels Bohr về nguyên tử lượng tử, năm 1913. Ông thể hiện các electron di chuyển theo các quỹ đạo cố định với năng lượng xác định quanh hạt nhân trung tâm. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cố gắng giải thích các mối liên hệ này bằng toán học. Toán học bình thường không giải quyết được vấn đề. Để làm được điều này, các nhà vật lý học chuyển sang sử dụng toán ma trận. Trong toán học bình thường, 2 × 3 bằng 3 × 2. Trong toán ma trận, điều này không phải lúc nào cũng đúng, và những công cụ đặc biệt này đã cho phép nhà vật lý học người Áo, Erwin Schrödinger (1887–1961), phát triển những phương trình mới vào năm 1926. Những phương trình sóng của ông mô tả hoạt động của các electron trong các quỹ đạo vòng ngoài của nguyên tử. Đây là khởi đầu của cơ học lượng tử. Nó làm được cho những thứ siêu nhỏ những việc mà Newton đã làm cho những thứ siêu lớn. Giống nhiều nhà vật lý học khác đã thay đổi cách chúng ta tư duy về thế giới ở đầu thế kỷ 20, Schrödinger cũng đã chạy trốn khỏi những người theo chủ nghĩa Quốc xã, và sống tại Dublin trong thời gian cuộc chiến diễn ra. Einstein, như chúng ta biết, đã đến Hoa Kỳ.

Phương trình sóng của Schrödinger lập ra trật tự nhất định cho bức tranh toàn cảnh. Sau đó Werner Heisenberg (1901–1976) nghĩ ra “nguyên lý bất định” vào năm 1927. Nguyên lý này một phần là triết học, một phần là thực nghiệm. Heisenberg nói rằng chính hoạt động thí nghiệm trên electron làm chúng thay đổi. Điều này tạo ra những giới hạn lên những gì chúng ta có thể biết. Chúng ta có thể biết động lượng của một electron (khối lượng nhân với tốc độ của nó), hoặc vị trí của nó, nhưng không thể cùng lúc biết chính xác cả hai. Đo đạc một trong hai thứ ảnh hưởng tới thứ còn lại. Einstein (cùng với những người khác) thất kinh trước ý tưởng này, và bắt đầu tìm cách chứng minh nguyên lý bất định của Heisenberg là sai. Ông không thể. Einstein công nhận thất bại. Cho đến nay, nguyên lý vẫn tồn tại vững vàng: đơn giản có những giới hạn cho hiểu biết của chúng ta về những thứ siêu nhỏ.

Electron cực kỳ quan trọng với Paul Dirac (1902–1984). Người đàn ông người Anh phức tạp này được công nhận gần như một Einstein thứ hai. Cuốn sách về cơ học lượng tử của ông dẫn lối cho bộ môn này trong ba thập kỷ. Những phương trình của riêng ông về các hoạt động lượng tử của nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử vô cùng xuất sắc. Vấn đề nằm ở chỗ, những phương trình của ông cần đến một hạt kì lạ, một electron mang điện tích dương, mới có thể có nghĩa. Điều này giống như phát biểu rằng có cả vật chất lẫn phản vật chất. Toàn bộ ý tưởng về “phản vật chất” thật kì quặc, vì vật chất là những thứ chắc chắn, có cơ sở của Vũ Trụ. Chỉ trong vài năm, hành trình tìm kiếm một hạt như vậy đã thành công, và hạt positron đã được tìm thấy. Hạt sinh đôi với electron này có điện tích dương. Nó kết hợp với một electron, tạo ra một sự bùng nổ năng lượng rồi cả hai hạt biến mất. Vật chất và phản vật chất có thể tiêu diệt lẫn nhau trong khoảng thời gian còn ngắn hơn một cái chớp mắt.

Hạt positron cho các nhà vật lý học thấy rằng nguyên tử không chỉ được cấu thành từ proton, electron và neutron. Chúng ta sẽ cùng xem một số khám phá sâu sắc ở những phần tiếp theo, sau khi các nhà vật lý học đã tạo ra những năng lượng ngày càng cao để kiểm tra nguyên tử và các hạt của họ. “Kiểm tra” không hẳn là một từ chính xác trong trường hợp này. Khi làm việc với năng lượng lớn, các nhà vật lý học không thể thực sự nhìn trực tiếp điều gì đang diễn ra trong thí nghiệm của họ. Thay vào đó, thứ họ nhìn thấy là những điểm trên một màn hình máy tính, hoặc sự thay đổi về từ hoặc năng lượng của thiết lập thí nghiệm ban đầu. Nhưng bom nguyên tử, năng lượng nguyên tử, và ngay cả khả năng có tồn tại của tính toán lượng tử, là minh chứng cho sức mạnh và sự bí ẩn của tự nhiên – ngay cả khi chúng ta không thể thấy được.

Các gói, hay lượng tử, năng lượng của Max Planck và nhận thức của Einstein rằng khối lượng và năng lượng thực chất chỉ là hai khía cạnh của cùng một thứ: những khám phá này thay đổi vĩnh viễn cách người ta hiểu về Vũ Trụ. Khối lượng và năng lượng; sóng và hạt; thời gian và không gian: tự nhiên đã tự tiết lộ rằng nó là “cả … lẫn …”, chứ không phải là “hoặc … hoặc …” Và trong khi tất cả những thứ này giúp người ta giải thích cấu trúc của nguyên tử và sự ra đời của Vũ Trụ, nó cũng giúp bạn tìm đường về nhà vào ban đêm. Các vệ tinh ở quá xa bên trên Trái Đất đến mức bộ tìm đường vệ tinh (Satrav) phải dùng đến cả Thuyết Tương đối hẹp. Nếu không tính đến yếu tố này, bạn sẽ sớm đi lạc.

Chương 33

Các lục địa dịch chuyển

Động đất gây ra chết chóc và kinh hãi. Nó chết chóc bởi sự hủy diệt hàng loạt nó gây ra, gây kinh hãi vì mặt đất đáng ra không nên chuyển động dưới chân chúng ta. Thế nhưng, mặt đất thực sự vẫn chuyển động liên tục không ngừng, chỉ là người ta hầu như không thể nhìn và cảm thấy điều đó. Giống nhiều bộ môn khoa học khác, việc tìm hiểu về cấu trúc của Trái Đất liên quan đến đo đạc những phần không thể nhìn thấy, không thể cảm thấy, và thuyết phục người khác rằng bạn đúng. Các lục địa và đại dương thật sự chuyển động dưới chân chúng ta.

Phần lịch sử Trái Đất mà chúng ta trải nghiệm được trong cuộc đời chỉ là một bản tường thuật vắn tắt tức thời, những khoảnh khắc ngắn ngủi nhất trong một quá trình cực kì dài. Các nhà địa chất học có những kỹ thuật khoa học, nhưng họ cũng phải sử dụng trí tưởng tượng, tư duy “vượt ra ngoài khuôn khổ”. Tất cả các nhà khoa học giỏi đều thế, ngay cả khi họ làm việc trong phòng thí nghiệm, đối chiếu ý tưởng của họ với những bằng chứng họ có được.

Các nhà địa chất học thế kỷ 19 sử dụng các công cụ truyền thống: tìm kiếm hóa thạch, phân tích và phân loại đá, xem xét các tác động của động đất và núi lửa. Họ đan dệt tất cả những thứ này thành một lịch sử hợp lý của Trái Đất. Nhiều điều họ tìm ra vẫn đúng cho đến ngày hôm nay. Nhưng có một số vấn đề luôn khiến họ phải suy nghĩ, và đòi hỏi một kiểu ý tưởng mới táo bạo. “Những người theo thuyết thảm họa” ngày trước đã trông cậy vào ý tưởng về những thế lực khác, hoặc thậm chí những can thiệp mầu nhiệm, chẳng hạn những trận lũ lụt như trận Đại Hồng Thủy được mô tả trong Kinh Thánh. Thay vào đó, hướng tập trung mới là vào thời gian – những khoảng thời gian cực dài mà chúng ta gọi là “thời gian sâu”. Trái Đất như thế nào vào 200 triệu năm trước, hoặc thậm chí vào thời điểm cách hiện tại gấp 2 hoặc 3 lần số năm đó trở về trước?

Thời gian sâu có thể giúp người ta trả lời ba câu hỏi quan trọng như thế nào? Thứ nhất, tại sao các lục địa lớn lại trông như thể chúng có thể được cắt ra từ các đại dương và ghép lại với nhau, như những mảnh trong một trò chơi xếp hình khổng lồ? Bờ biển phía Đông của Nam Mỹ sẽ ghép khá vừa vặn với bờ biển phía Tây của châu Phi. Có phải đây chỉ là sự ngẫu nhiên?

Thứ hai, tại sao cấu trúc đá ở Nam Phi lại rất giống những cấu trúc tìm được ở Brazil, ở phía bên kia Đại Tây Dương? Tại sao chỉ trong một hòn đảo nhỏ như đảo Anh lại có những khác biệt địa chất quá lớn giữa vùng cao nguyên Scotland với những mỏm đá lởm chởm và các hồ, với vùng bằng phẳng Weald của Sussex ở phía Nam? Thực ra, có phải đảo Anh vẫn luôn tách biệt với châu Âu lục địa? Hay Alaska vẫn luôn tách biệt với châu Á?

Thứ ba, có những quy luật phân bố vị trí thực vật và động vật kì lạ. Tại sao một vài loài ốc sên được tìm thấy ở cả châu Âu và ở miền Đông lục địa Bắc Mỹ, nhưng không xuất hiện ở miền Tây, phía bên kia của châu Mỹ? Tại sao thú có túi ở Úc quá khác với những loài có túi ở nơi khác? Vào những năm 1850, Darwin và Wallace đã tiên phong tìm ra một vài câu trả lời, và thuyết tiến hóa đã góp phần giải thích rất nhiều vấn đề. Darwin thực hiện một số thí nghiệm rất “bốc mùi”: ông giữ những hạt giống trong các ống nước biển để nghiên cứu kéo dài hàng tháng trời. Ông muốn tạo ra cho những hạt giống điều kiện giống như trong một hành trình dài trên biển. Sau đó ông gieo chúng và xem chúng có thể nảy mầm và lớn lên không. Đôi khi chúng nảy mầm, và đó là một câu trả lời. Darwin cũng tìm thấy những cách để khám phá xem chim có thể vận chuyển hạt giống, côn trùng và các sinh vật khác đi những quãng đường rất dài không. Và chúng có thể, nhưng điều này không giải được hết các câu đố.

Một ý tưởng cấp tiến khác có thể giải thích được rất nhiều điều. Học thuyết này cho rằng các lục địa không phải luôn luôn ở vị trí mà chúng nằm ngày nay, nói cách khác, chúng đã từng liên kết với nhau bởi những dải đất, những “cầu đất”. Nhiều nhà địa chất học từ cuối thế kỷ 19 cho rằng đã từng có các cầu đất ở một vài địa điểm. Có những bằng chứng đáng tin cậy chứng minh rằng đảo Anh từng nối liền với châu Âu. Điều này sẽ giải thích rất hợp lý vì sao người ta tìm thấy ở đảo Anh những xương hóa thạch của gấu, linh cẩu, và các động vật khác không xuất hiện ở đây vào thời hiện đại. Bắc Mỹ đã từng nối liền với châu Á qua eo biển Bering, và những loài động vật và thổ dân châu Mỹ chắc chắn đã vượt qua eo biển này. Khả năng những cầu đất nối liền châu Phi và Nam Mỹ có vẻ thấp hơn, nhưng nhà địa chất học xuất sắc người Áo Eduard Suess (1831 1914) đã cố gắng biện luận cho giả thuyết này trong công trình nghiên cứu đồ sộ gồm năm tập của ông (xuất bản từ năm 1883 đến 1909) về Trái Đất. Ông nói rằng hoạt động nâng lên và hạ xuống liên tục của các bề mặt của Trái Đất trong lịch sử địa chất khiến giả thuyết trên là có thể. Cái ngày nay là đáy biển đã từng nối liền hai lục địa.

Không phải tất cả mọi người đều cảm thấy bị thuyết phục, dù đó có là năm tập hay không. Rồi đến lượt một người Đức có tên Alfred Regener (1880–1930). Wegener cũng quan tâm đến lịch sử thời tiết và địa chất của Trái Đất không kém gì Suess. Năm 1912, ông có bài giảng về giả thuyết những lục địa dịch chuyển của ông: giả thuyết này sau đó trở thành thuyết “trôi dạt lục địa”. Bài giảng trở thành một cuốn sách vào năm 1915, và Wegener dành phần còn lại của cuộc đời đi tìm thêm bằng chứng. Ông mất trong khi đang làm việc, dẫn đầu một chuyến thám hiểm đến Greenland để tìm thêm manh mối chứng minh thuyết của mình. Giả thuyết cấp tiến của Wegener là, vào khoảng 200 triệu năm trước, chỉ có một lục địa lớn, Pangaea, được bao quanh bởi một đại dương mênh mông. Lục địa khổng lồ này dần dần vỡ ra, và những mảnh của nó, theo nghĩa đen, trôi nổi trên mặt đại dương, giống như những núi băng tách ra khỏi thềm băng và trôi nổi trên biển. Không giống các núi băng có thể tan chảy và dần biến mất, các mảnh của Pangaea trở thành những lục địa mới. Và việc này chưa kết thúc. Wegener cho rằng các mảng đất lớn này vẫn đang dịch chuyển, khoảng 10 mét mỗi năm. Con số ước tính này quá lớn – các phép đo cho thấy sự dịch chuyển có thể chỉ là một vài milimet mỗi năm. Nhưng bất cứ việc gì diễn ra trong một thời gian đủ dài đều có kết quả đáng kể.

Wegener có một vài người ủng hộ, chủ yếu là những người ở nước Đức quê hương của ông, nhưng đa số các nhà địa chất học cảm thấy ý tưởng của ông quá khó tin – quá giống truyện khoa học viễn tưởng. Sau đó, trong Thế chiến thứ hai, các tàu ngầm bắt đầu những cuộc thám hiểm đáy đại dương một cách nghiêm túc. Sau cuộc chiến, người ta tìm ra cả một vùng địa hình mới dưới nước, với những mỏm núi và thung lũng khổng lồ, và những núi lửa đã tắt (thậm chí cả núi lửa còn hoạt động). Harry Hess (1906–1969), một nhà địa chất học làm việc cho Hải quân Hoa Kỳ, đã lần theo dấu những mỏm núi và thung lũng dưới biển này và theo chúng đến vùng lục địa khô ráo đã được con người biết rõ hơn. Ông cũng lần theo những đường nứt gãy, tức những vùng của Trái Đất ở trên hoặc dưới mực nước biển mà động đất và núi lửa thường xảy ra. Hess khám phá ra rằng những mảng đất liền và đáy đại dương liền mạch, chúng kết nối với nhau. Đất liền không trôi nổi như Wegener từng đề xuất. Vậy làm sao những mảng đất liền này có thể dịch chuyển?

Hess được cộng tác với các nhà vật lý học, khí tượng học (những người quan sát thời tiết), hải dương học (những người nghiên cứu biển), địa chấn học (các chuyên gia về động đất) và những nhà địa chất học truyền thống. Tất cả họ đều bắt đầu cố gắng điều tra lịch sử của Trái Đất, bằng cách sử dụng những công cụ của các ngành khoa học này. Điều này không dễ. Bên trong lòng Trái Đất nóng lên rất nhanh. Không sâu phía dưới bề mặt Trái Đất, tất cả các dụng cụ tan chảy. Vì thế, nhiều kiến thức mà chúng ta biết về thành phần và cấu trúc của phần bên trong của thế giới này phải được tìm thấy bằng những phương pháp gián tiếp. Khoa học thường như vậy.

Các núi lửa phun nham thạch nóng chảy từ lâu trước đó vẫn được hiểu là hiện tượng Trái Đất thải ra nhiệt lượng thừa đã tích tụ dưới bề mặt, và theo một khía cạnh nhất định, điều này đúng. Nhưng đó không phải là toàn bộ vấn đề. Việc khám phá ra những nguyên tố phóng xạ, ví dụ như uranium, giải phóng rất nhiều năng lượng một cách tự nhiên khi phân rã, đã bổ sung một nguồn nhiệt bên trong Trái Đất. Nhưng năng lượng phóng xạ là một nguồn sinh nhiệt vẫn đang hoạt động, và điều này có nghĩa là giả thuyết cũ, rằng Trái Đất đã từng là một quả cầu nóng bỏng nhưng giờ đây đang dần nguội lại, là quá đơn sơ.

Ít nhất, nó đã quá đơn sơ với nhà địa chất học Arthur Holmes (1890–1965). Ông phát biểu rằng Trái Đất thải phần lớn nhiệt lượng liên tục sinh bên trong bằng quá trình quen thuộc, đối lưu. Điểm quan trọng nằm ở việc Holmes nhận ra rằng sự vận động diễn ra không phải ở trên lớp vỏ cứng của Trái Đất nơi chúng ta sinh sống, mà trong lớp tiếp theo về phía lõi của Trái Đất. Lớp này được gọi là lớp phủ hay quyển manti, và Holmes tin rằng những viên nham thạch ở đó dần di chuyển lên trên, giống như nước nóng trong bồn tắm của bạn. Khi di chuyển lên trên và ra khỏi khu vực nóng hơn, chúng nguội lại, và chìm xuống lần nữa, để rồi bị thay thế bởi nham thạch khác, trong một vòng lặp vô thời hạn. Chính một phần nham thạch này, trong khi dịch chuyển lên trên, đã trào ra khi núi lửa phun. Phần lớn nham thạch không bao giờ lên tới được bề mặt Trái Đất mà lại lan ra trong khi chúng nguội và chìm xuống, tạo ra một cơ chế làm dịch chuyển các lục địa ra xa nhau, từng milimet một.

Khi những vùng sâu thẳm của đại dương và đất liền được khám phá, một phương pháp mới để xác định tuổi của Trái Đất đã bổ sung cho “thời gian sâu” một ý nghĩa thực sự. Kỹ thuật xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ sinh ra từ việc các nhà vật lý học khám phá ra chất phóng xạ (Chương 31). Lúc này, nó cho phép các nhà khoa học xác định tuổi của những viên đá họ đang nghiên cứu bằng cách so sánh lượng nguyên tố phóng xạ với sản phẩm cuối của nó (ví dụ, uranium với chì) trong một mẫu đá. Sử dụng kỹ thuật này, người ta có thể biết những viên đá đã tồn tại bao lâu, bởi sau khi chúng được tạo ra, không có vật liệu mới nào được bổ sung vào chúng. Tiếp đó, việc biết tuổi của từng lớp đá riêng lẻ sẽ giúp ta hiểu Trái Đất đã già đến mức nào. Những viên đá có tuổi trên 4 tỉ năm đã được tìm thấy. Những viên đá cổ như vậy luôn nằm trên đất liền. Những viên ở lòng đại dương luôn mới hơn. Các đại dương không tồn tại lâu như các lục địa, và trên thực tế không ngừng chết đi rồi hồi sinh. Điều này đương nhiên diễn ra trong một khoảng thời gian rất dài, vì thế bạn đừng lo cho mùa hè tiếp theo ở bãi biển. (Mặt khác, hiện tượng nóng lên toàn cầu do con người gây ra có thể liên tục làm tan các chỏm băng ở hai cực và dẫn đến sự dâng cao nguy hiểm của mực nước biển trong những thập kỷ tới.)

Đá không chỉ giữ các nguyên tố phóng xạ trong quá trình chúng được tạo ra, mà còn giữ hướng lực từ của sắt hoặc của những vật liệu nhạy cảm về từ vốn nằm bên trong đá. Giống nguyên tố phóng xạ, từ giúp các nhà khoa học nghiên cứu về Trái Đất tìm ra tuổi của đá. Cực từ của Trái Đất không ổn định trong suốt quãng thời gian dài Trái Đất tồn tại. Cực Bắc và cực Nam đã hoán đổi một vài lần, vì thế phương Bắc–Nam cũng có thể cung cấp những bằng chứng về thời gian viên đá được tạo ra. Các la bàn sẽ luôn chỉ về hướng Bắc trong suốt cuộc đời của chúng ta lẫn của con cháu chúng ta, nhưng mọi sự không phải lúc nào cũng như vậy, và sẽ không như vậy trong tương lai xa, nếu có thể dựa trên những gì xảy ra trong quá khứ.

Từ, đối lưu, địa hình dưới lòng biển sâu và phương pháp xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ đã hé lộ những manh mối quan trọng về tình trạng của Trái Đất cổ xưa. Cùng nhau, chúng đủ để thuyết phục các nhà khoa học Trái Đất rằng Wegener đã gần đúng. Đúng, vì sự dịch chuyển của lục địa thật sự đã xảy ra: các phương pháp đo cực nhạy bằng vệ tinh đã khẳng định sự dịch chuyển. Nhưng sự trôi dạt hoặc trôi nổi mà ông đề xuất là sai. Thay vào đó, John Wilson (1908–1993) và những người khác đã hoàn tất dòng tư duy táo bạo mà Wegener đã bắt đầu khi họ lập luận rằng phần trên của lớp quyển manti của Trái Đất được cấu thành bởi một loạt những mảng kiến tạo khổng lồ. Các mảng này khớp với nhau, bao phủ Trái Đất, vượt qua những đường giới hạn đất liền và biển. Nhưng chúng không khớp với nhau một cách hoàn hảo, và các đường nứt gãy xuất hiện ở chính những khớp nối này. Việc tìm hiểu những gì xảy ra khi một mảng kiến tạo cọ xát với một mảng kiến tạo khác, khi chúng chờm lên nhau hoặc va chạm, được gọi là môn kiến tạo mảng. Hãy nghĩ về ngọn núi cao nhất Trái Đất, ngọn Everest trong dãy Himalaya. Everest cao được như ngày nay bởi dãy Himalaya được hình thành do hai mảng kiến tạo bắt đầu va vào nhau vào khoảng 70 triệu năm trước. Không có một giải Nobel nào cho môn địa chất học, nhưng có lẽ nên có một giải như vậy. Thuyết kiến tạo mảng giải thích được rất nhiều vấn đề liên quan đến động đất và sóng thần, núi và đá, hóa thạch và các động thực vật sống. Trái Đất của chúng ta là một nơi rất già, nhưng cũng rất đặc biệt.

Chương 34

Chúng ta thừa hưởng những gì?

Bạn giống ai nhất, mẹ hay bố? Hay có thể là ông hay cô của bạn? Nếu bạn chơi giỏi bóng đá, guitar, hay sáo, có người nào trong gia đình bạn cũng có những phẩm chất này không? Đó nhất thiết phải là người mà bạn có mối quan hệ huyết thống và từ họ bạn có thể thừa hưởng những tố chất này, chứ không phải là một người thân bạn có đến từ các cuộc hôn nhân, như mẹ kế hoặc cha dượng. Những người thân này có thể làm cho bạn những điều tuyệt vời, nhưng bạn không thể thừa hưởng bất cứ gien nào của họ.

Chúng ta giờ đây đã biết rằng những đặc điểm như màu mắt hoặc màu tóc được điều khiển và di truyền từ một thế hệ sang thế hệ tiếp theo qua các gien của chúng ta. Di truyền học là bộ môn nghiên cứu gien của chúng ta. Sự di truyền hoặc sự thừa hưởng là những từ chúng ta sử dụng để mô tả cách những thông tin trong gien được chuyển tiếp. Gien của chúng ta quyết định rất rất nhiều phần con người chúng ta. Vậy làm sao người ta nhận ra rằng những thứ nhỏ bé này lại quan trọng đến vậy?

Hãy cùng quay lại với Charles Darwin một lát (Chương 25). Sự di truyền là phần cốt lõi trong nghiên cứu của Darwin. Nó quyết định sự sống còn của những giả thuyết của ông về sự tiến hóa của muôn loài, ngay cả khi ông vẫn chưa khám phá ra sự di truyền diễn ra bằng cách nào. Các nhà sinh học tiếp tục tranh luận về điều này sau khi cuốn sách của ông, Nguồn gốc muôn loài, được xuất bản năm 1859. Đặc biệt, họ quan tâm đến câu hỏi liệu di truyền “mềm” đôi khi có thể diễn ra hay không. Di truyền mềm là một ý tưởng gắn liền với một nhà tự nhiên học người Pháp, Jean-Baptiste Lamarck (1744–1829), người cũng tin vào sự phát triển của muôn loài qua biến đổi tiến hóa. Hãy nghĩ về cổ dài của một con hươu cao cổ: Cái cổ đó đã tiến hóa theo thời gian như thế nào? Lamarck nói đó là vì những con hươu cao cổ liên tục rướn lên để với tới những chiếc lá trên những cây cao nhất, nên thay đổi nhỏ này sẽ được di truyền lên con cháu của chúng, từ thế hệ này sang thế hệ khác. Giả thuyết rằng có đủ thời gian và đủ hoạt động rướn, một động vật cổ ngắn cuối cùng sẽ trở thành một động vật cổ dài. Môi trường sẽ tương tác với sinh vật, định hình nó hoặc khiến nó thích nghi, và thay đổi đó sẽ được di truyền sang những thế hệ kế tiếp.

Cố gắng chứng minh sự di truyền mềm bằng phương pháp thí nghiệm là rất khó. Em họ của Darwin, Francis Galton (1822–1911), đã tiến hành một loạt những thí nghiệm kĩ càng, trong đó ông đưa máu của thỏ đen vào cơ thể thỏ trắng. Con của những con thỏ được truyền máu không có một biểu hiện nào của việc bị ảnh hưởng bởi máu truyền vào cơ thể cha mẹ chúng. Ông cắt đuôi của những con chuột ông thí nghiệm qua ròng rã các thế hệ của chúng, nhưng không thể tạo ra một giống chuột không đuôi. Việc cắt bao quy đầu cho các bé trai không tạo ra bất cứ ảnh hưởng nào lên những thế hệ bé trai tiếp theo.

Các lập luận ủng hộ và phản đối được người ta đưa ra một cách bừa bãi cho đến đầu thế kỷ 19. Khi đó hai khám phá đã thuyết phục được hầu hết các nhà sinh học rằng những đặc điểm mà thực vật hay động vật đơn thuần thu được trong cuộc đời chúng không hề di truyền sang con cái chúng. Đầu tiên là việc tái phát hiện nghiên cứu trên của một thầy tu từ Moravia (nay là một phần của Cộng hòa Séc), Gregor Mendel (1822 1884). Vào những năm 1860, Mendel đã công bố (trong một tờ báo khoa học ít người đọc) kết quả những thí nghiệm ông thực hiện trong một khu vườn của tu viện. Ông đã trở nên hứng thú với hạt đậu, thậm chí trước khi Galton thí nghiệm cắt đuôi chuột. Mendel đặt câu hỏi về chuyện gì sẽ xảy ra khi các cây với một số đặc tính nhất định được “lai chéo” một cách cẩn thận (nghĩa là, các cây có những hạt đậu khác màu nhau được lại với nhau), để tạo ra thế hệ cây đậu tiếp theo. Cây đậu là một đối tượng phù hợp cho nghiên cứu bởi chúng sinh trưởng nhanh, nên người ta có thể nhanh chóng và dễ dàng chuyển từ thế hệ này sang thế hệ tiếp theo. Và bên trong từng quả đậu, chúng cũng có những điểm khác biệt rõ rệt – hạt đậu có màu vàng hoặc xanh lá cây, da nhăn hoặc trơn. Ông phát hiện ra rằng những tính trạng này được thừa hưởng với độ chính xác của toán học, nhưng theo những cách mà người ta dễ dàng bỏ qua. Nếu một cây có hạt đậu xanh lá (hạt giống của nó) được lai chéo với một cây sinh ra đậu vàng, tất cả các hạt đậu trong thế hệ thứ nhất có màu vàng. Nhưng khi ông lai chéo những cây trong thế hệ thứ nhất với nhau, thì trong thế hệ thứ hai, trung bình cứ 4 cây sẽ có 3 cây có đậu màu vàng, và 1 cây có đậu màu xanh lá. Tính trạng màu vàng đã thống trị trong thế hệ thứ nhất, nhưng trong thế hệ thứ hai, tính trạng “lặn” (màu xanh lá) lại biểu hiện. Những quy luật rõ ràng này có ý nghĩa gì? Mendel kết luận rằng sự di truyền có tính “gián đoạn”, có nghĩa là thực vật và động vật kế thừa các tính trạng theo từng đơn vị riêng rẽ. Không phải những thay đổi từng chút một của di truyền mềm, cũng không phải trung bình cộng của những đặc điểm của bố mẹ, sự di truyền là một thứ gì đó rõ ràng và chắc chắn. Các hạt đậu có màu xanh lá cây hoặc màu vàng, chứ không phải sắc màu nào nằm ở khoảng giữa màu này trên dải màu.

Trong khi nghiên cứu của Mendel không được để ý, August Weismann (1834–1914), đưa ra một đòn công kích thứ hai có tính quyết định vào thuyết di truyền mềm. Trong khi Mendel chủ yếu quan tâm đến đời sống tôn giáo của mình, Weismann lại là một nhà khoa học đầy quyết tâm. Là một nhà sinh học xuất sắc người Đức, ông đặc biệt tin rằng quan điểm tiến hóa của Darwin là chính xác. Nhưng ông có thể thấy rằng việc thiếu lý lẽ giải thích cho sự di truyền là một vấn đề cần được giải quyết. Ông biến niềm thích thú mà ông dành cho tế bào và sự phân bào thành giải pháp.

Một vài năm trước khi Mendel thí nghiệm với hạt đậu, Rudolf Virchow đã công bố những ý tưởng của ông về sự phân bào (Chương 26). Vào những năm 1880 và 1890, Weismann phát hiện ra rằng để tạo ra một tế bào trứng hay tế bào tinh trùng, các tế bào “mẹ” trong hệ cơ quan sinh sản phân chia theo cách khác với những tế bào còn lại trong cơ thể. Sự khác biệt này chính là chìa khóa của vấn đề. Trong quá trình được biết đến với cái tên “giảm phân”, các nhiễm sắc thể tách ra và một nửa nguyên liệu của nhiễm sắc thể chuyển vào mỗi tế bào “con” được sinh ra. Trong tất cả các tế bào khác trong cơ thể, tế bào “con” và tế bào “mẹ” có cùng một lượng nguyên liệu nhiễm sắc thể. (Nếu bạn cảm thấy khó hiểu, hãy nhớ rằng tế bào “mẹ” chỉ là một tế bào bất kì đang tồn tại và nó phân đôi thành hai tế bào “con”. Chúng nằm trên khắp cơ thể và không liên quan gì đến những bà mẹ và những đứa con ngoài đời thực.) Vì vậy, khi tế bào trứng và tinh trùng hợp nhất, hai nửa của nguyên liệu nhiễm sắc thể sẽ tạo thành một bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh trong trứng đã được thụ tinh. Những tế bào sinh sản này khác với tất cả tế bào khác trong cơ thể. Weismann lập luận rằng tất cả những gì xảy ra với tế bào cơ, hay xương, hay mạch máu, hay thần kinh, đều không hề quan trọng: chỉ những tế bào sinh sản này mới chứa những thứ mà con cái của một cá nhân sẽ được thừa hưởng. Vì vậy, trong trường hợp của cổ hươu cao cổ, sự kéo dãn mà người ta giả thuyết sẽ không gây ra ảnh hưởng nào lên tế bào trứng và tinh trùng, và chính những tế bào này chứa cái mà ông gọi là “chất mầm nguyên sinh”. Chính chất mầm nguyên sinh trên nhiễm sắc thể của tế bào trứng và tinh trùng sẽ được con cái thừa hưởng, và ông gợi ý tưởng về di truyền này của mình là “tính liên tục của chất mầm nguyên sinh”.

Năm 1900, không chỉ một mà ba nhà khoa học độc lập đã tìm lại những bản in của số báo khoa học có bài nghiên cứu của Mendel. Họ loan báo cho giới khoa học kết quả các thí nghiệm trên cây đậu của Mendel. Các nhà sinh học nhận ra rằng Mendel đã cung cấp những bằng chứng thực nghiệm tốt nhất cho giả thuyết về “tính liên tục của chất mầm nguyên sinh” của Weismann và rằng “thuyết Mendel”, cái tên mà người ta nhanh chóng dùng để gọi tên học thuyết này, có một cơ sở khoa học hợp lý.

Cộng đồng khoa học nhanh chóng chia thành hai nhóm, nhóm những người theo thuyết Mendel và những nhà sinh trắc học. Nhóm những nhà sinh trắc học, dẫn đầu là chuyên gia về khoa học thống kê Karl Pearson (1857–1936), tin vào sự thừa hưởng “liên tục”. Họ cho rằng những gì chúng ta thừa hưởng là trung bình cộng của tất cả các đặc điểm của bố mẹ. Họ thực hiện những nghiên cứu hiện trường quan trọng, đo đạc những điểm khác biệt rất nhỏ trên sinh vật biển và ốc sên. Họ chứng minh rằng những khác biệt nhỏ đó có thể đóng vai trò rất quan trọng trong việc quyết định bao nhiêu con của thế hệ sau sẽ sống sót – khái niệm này sau này được gọi là thành công sinh sản của loài. Những người theo thuyết Mendel được dẫn đầu bởi nhà sinh học từ Cambridge, William Bateson (1861–1926). Ông đã đặt ra thuật ngữ “di truyền học”. Những người theo thuyết Mendel nhấn mạnh sự thừa kế những đặc tính rời rạc (riêng lẻ) mà vị tu sĩ đã minh chứng. Họ lập luận rằng các thay đối sinh học xuất hiện theo các bước nhảy, thay vì các thay đổi chậm và liên tục như giả thuyết của những nhà sinh trắc học. Cả hai nhóm đều công nhận sự thật về sự tiến hóa: họ chỉ tranh cãi nhau về cách nó diễn ra mà thôi.

Những tranh cãi này diễn ra dữ dội trong khoảng 20 năm. Sau đó, vào những năm 1920, một số người chứng minh rằng mỗi nhóm đều cùng lúc đúng và sai. Họ chỉ đang nhìn vào hai mặt khác nhau của cùng một vấn đề. Nhiều đặc tính sinh học được thừa hưởng theo cách “hòa trộn” và “sinh trắc học”. Một người cha cao và một người mẹ thấp sẽ sinh ra con có chiều cao là trung bình cộng hay có thể gọi là “hòa trộn” chiều cao của họ. Một số đứa trẻ có thể cao bằng bố (hoặc thậm chí cao hơn), nhưng chiều cao trung bình có xu hướng ở giữa chừng chiều cao của bố và mẹ. Các đặc tính khác, ví dụ như màu mắt, hoặc màu của hạt đậu, được thừa kế theo hướng hoặc/hoặc, chứ không phải cả/lẫn. Những điểm khác biệt giữa nhóm theo thuyết Mendel và nhóm những nhà sinh trắc học được giải quyết khi họ đo đạc toàn bộ số cá thể trong một loài, và áp dụng suy luận toán học vào vấn đề. Những nhà sinh học mới này, như J.B.S. Haldane (1892–1964), đánh giá cao sự xuất sắc của những phát hiện sâu sắc độc đáo của Darwin. Họ nhận ra rằng trong bất cứ quần thể nào cũng tồn tại những biến dị ngẫu nhiên có thể được di truyền. Nếu chúng mang lại lợi thế, những thực vật và động vật sở hữu chúng sẽ sống sót và những biến dị khác sẽ biến mất.

Làm thế nào chúng ta thừa hưởng được những đặc điểm chúng ta nhận được cũng là một vấn đề quan trọng không kém. Đây là phần tiếp theo của câu đố. Phần nhiều những nghiên cứu đầu tiên về vấn đề này đã được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Thomas Hunt Morgan (1866–1945), tại Đại học Columbia ở Thành phố New York. Ông bắt đầu sự nghiệp với việc quan sát động vật bắt đầu sự sống và phát triển ở dạng phôi thai như thế nào. Ông chưa bao giờ hoàn toàn đánh mất mối quan tâm đối với phôi học, nhưng vào những năm 1900 ông chuyển sự chú ý sang bộ môn khoa học mới, di truyền học. Phòng thí nghiệm của Morgan không phải là một nơi bình thường. Được đặt biệt danh là “Phòng Ruồi”, nó trở thành ngôi nhà của hàng nghìn thế hệ ruồi giấm thông thường (Drosophila melanogaster). Ruồi giấm là một loài động vật thuận tiện cho thí nghiệm. Những con ruồi này chỉ có 4 nhiễm sắc thể trong mỗi nhân của tế bào, và điều Morgan muốn tìm hiểu chính là vai trò của nhiễm sắc thể: nhiễm sắc thể đóng vai trò quan trọng thế nào trong việc truyền lại những đặc điểm có tính di truyền? Các nhiễm sắc thể của ruồi giấm lớn và dễ dàng quan sát dưới kính hiển vi, Ruồi giấm sinh sản cũng rất nhanh – cứ để một đĩa hoa quả ra đó và xem điều gì xảy ra. Người ta có thể nghiên cứu nhiều thế hệ ruồi giấm trong một khoảng thời gian ngắn, để xem điều gì xảy ra khi những con ruồi với những đặc điểm nhất định được lại với những con ruồi khác. Cứ tưởng tượng phải làm nghiên cứu này với những con voi và bạn sẽ hiểu tại sao họ đã chọn ruồi giấm.

Phòng ruồi của Morgan trở nên nổi tiếng, thu hút cả sinh viên lẫn các nhà khoa học khác. Nó là mô hình nguyên mẫu của phương pháp mà nhiều nghiên cứu khoa học ngày nay được thực hiện: một nhóm các nhà nghiên cứu làm việc dưới một “sếp”, Morgan, người hỗ trợ họ xác định các vấn đề nghiên cứu. Sếp giám sát công việc của nhóm các nhà nghiên cứu trẻ, tức những người thực sự làm các thí nghiệm. Morgan động viên mọi người nói chuyện và làm việc cùng nhau, do đó rất khó để phân định chính xác ai đã làm công việc gì. (Khi Morgan được trao giải Nobel, ông chia sẻ tiền thưởng với hai cộng sự trẻ hơn của ông.)

Gần như do một sự tình cờ, Morgan đã đi đến một khám phá có tính quyết định. Ông phát hiện ra một con ruồi trong nhóm mới nở có mắt màu đỏ, thay vì màu trắng như thường lệ. Ông cách ly con ruồi này trước khi lại nó với những con ruồi mắt màu trắng bình thường khác. Khi ông quan sát những con ruồi con có mắt đỏ thế hệ sau, ông phát hiện ra rằng, thứ nhất, tất cả những con ruồi mắt đỏ đều là ruồi cái. Điều này cho thấy có khả năng gien quy định màu mắt đỏ nằm trên nhiễm sắc thể giới tính, tức nhiễm sắc thể quyết định việc ruồi con sẽ mang giới tính đực hay cái. Thứ hai, quy luật thừa hưởng màu mắt tuân theo những quy luật giống những hạt đậu của Mendel – màu mắt là trắng hoặc đỏ, nhưng không bao giờ là màu hồng hoặc một màu nào đó ở giữa hai màu này. Morgan xem xét các quy luật của các tính trạng được di truyền khác của những con ruồi nhỏ này, ví dụ như kích thước và hình dạng cánh. Ông và các đồng nghiệp kiểm tra các nhiễm sắc thể dưới kính hiển vi và bắt đầu xây dựng những bản đồ của mỗi nhiễm sắc thể, thể hiện vị trí của các đơn vị di truyền (các “gien”, như chúng vẫn được gọi). Các đột biến (thay đổi), ví dụ như sự xuất hiện đột ngột của mắt đỏ, có thể giúp xác định vị trí của gien, khi họ cẩn thận phân tích hoạt động của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào. Một trong những học trò của Morgan, H.J. Muller (1890–1967), phát hiện rằng tia X gây ra đột biến nhanh hơn. Muller được trao giải Nobel năm 1948, và nghiên cứu của ông cảnh báo thế giới về sự nguy hiểm của bức xạ từ bom nguyên tử và thậm chí từ tia X đang được dùng trong y học. Morgan cũng chứng minh rằng nhiễm sắc thể đôi khi trao đổi nguyên liệu di truyền khi chúng chia đôi. Đây được gọi là “trao đổi chéo”, và đây cũng là một cách khác mà nhờ đó tự nhiên gia tăng số lượng biến dị ở thực vật và động vật.

Morgan và nhóm của ông, cùng với nhiều nhóm khác trên thế giới, đã biến di truyền học thành một trong những môn khoa học lý thú nhất trong khoảng giữa năm 1910 và năm 1940. “Gien” ngày càng được thừa nhận là một yếu tố vật chất§. Nằm trên một số nhiễm sắc thể của tế bào, các gien được di truyền, thông qua một tế bào trứng của con cái được thụ tinh với tinh trùng của con đực, đến thế hệ sau, trong đó cha và mẹ góp phần ngang nhau. Đột biến được chứng minh là thứ thúc đẩy những biến đổi mang tính tiến hóa. Chúng tạo ra những biến dị và xuất hiện theo cách tự nhiên cũng như bằng những phương pháp nhân tạo Muller đã nghiên cứu, Môn di truyền học mới này đóng vai trò trung tâm trong tư duy về tiến hóa. Mặc dù bản chất chính xác của “gien” vẫn chưa được xác định, sự tồn tại của nó là không có gì phải bàn cãi.

Tư duy di truyền học mới này mang một mặt tối hơn trong xã hội. Nếu không có cái gọi là di truyền mềm, để việc ăn những thức ăn tốt hơn, chơi thể thao hoặc làm một người tốt tạo ra ảnh hưởng tốt lên gien của con chúng ta, các phương pháp khác sẽ phải được sử dụng nếu bạn muốn cải thiện các thế hệ tương lai. “Chọn lọc nhân tạo” của Darwin đã được thực hiện trong nhiều thế kỷ, bởi những người lai tạo gia súc và cây trồng cố gắng cải tiến những đặc điểm họ mong muốn trên bất kể loài nào họ đang lại tạo. Người ta có thể lai bò để chúng cho nhiều sữa hơn, lại cà chua để chúng mọng nước hơn. Vào năm 1904, Francis Galton (em họ của Darwin) đã thành lập một phòng thí nghiệm “thuyết ưu sinh”. Ông là người đặt ra thuật ngữ “ưu sinh”, có nghĩa là “sự sinh sản tốt”. Tại đây, ông cố gắng thay đổi tập tính sinh sản của con người. Nếu có thể chứng minh rằng trí thông minh, tính sáng tạo, sự xấu xa, sự điên khùng, hoặc tính lười biếng di truyền trong gia đình (và Galton tin rằng có thể), việc khuyến khích những người “tốt” sinh nhiều con hơn (ưu sinh “tích cực”), và ngăn cản những người “xấu” có quá nhiều con (ưu sinh “tiêu cực”) là có lý. Ưu sinh tích cực đã từng là dạng sinh đẻ phổ biến nhất ở Vương quốc Anh. Các chiến dịch khuyến khích những cặp đôi trung lưu được giáo dục tốt có nhiều con hơn, dựa trên giá thiết rằng những cặp này theo cách nào đó “tốt hơn” một người lao động chân tay bình thường và vợ anh ta. Vào những năm 1890, chính phủ đã hoảng sợ trước chất lượng rất thấp của tân binh cho cuộc chiến Boer ở Nam Phi. Một số lượng lớn người tình nguyện nhập ngũ đã bị loại do thể chất không đạt yêu cầu, thậm chí không mang nổi một khẩu súng trường. Sau đó, Thế chiến thứ nhất, từ năm 1914 đến năm 1918, chứng kiến sự thảm sát hàng loạt trên các mặt trận ở châu Âu. Nhiều người cho rằng đa số những người hy sinh là những người giỏi nhất. Mọi quốc gia thuộc thế giới phương Tây đều lo lắng về chất lượng và thể lực của toàn dân.

Uu sinh tiêu cực còn hung hiểm hơn. Nhiều người cho rằng việc cô lập những người bất ổn về tâm thần hoặc “dưới chuẩn”, tội phạm, thậm chí những người khuyết tật và những người khác trong các nhóm bị bỏ lại bên lề xã hội, là việc làm hợp lý. Ở Hoa Kỳ, nhiều bang thông qua các đạo luật buộc người ta tuân theo quy định về triệt sản để ngăn những người này sinh con. Từ những năm 1930 cho đến khi bại trận trong Thế chiến thứ hai vào năm 1945, nhóm những người theo chủ nghĩa Quốc xã ở nước Đức đã thực hiện những tội ác tồi tệ nhất. Nhân danh Nhà nước, đầu tiên họ bắt giam, sau đó giết hại hàng triệu người mà họ cho rằng không đáng được sống. Người Do Thái, người Gipsies, người đồng tính, người bất ổn tâm thần hoặc thiểu năng trí tuệ, tội phạm: tất cả bị dồn lại thành bầy như vật nuôi rồi bị đưa vào trại tập trung hoặc bị hành quyết.

Thời kỳ Quốc xã khiến “thuyết ưu sinh” trở thành một từ mang nghĩa xấu xa, bẩn thỉu. Như chúng ta sẽ thấy ở một phần sau của cuốn sách này, một số người tin rằng thuyết ưu sinh có thể quay trở lại một cách bí mật, khi các nhà khoa học càng ngày càng biết nhiều hơn về những gì chúng ta thừa hưởng, và cách chúng ảnh hưởng tới bản chất con người chúng ta. Tất cả chúng ta đều cần tới khoa học, nhưng phải đảm bảo rằng nó được sử dụng cho mục đích tốt đẹp.

Nguyên văn: material substance. “Material substance” là một khái niệm triết học xuất hiện trong nhiều lý thuyết và bàn luận triết học của Descartes, Spinoza, và Locke. Theo triết học nhị nguyên của Descartes, “material substance” là yếu tố mang tính vật chất, trái ngược và tách biệt với “mental substance”, tức yếu tố mang tính tinh thần. Ví dụ: cơ thể là yếu tố vật chất, linh hồn là yếu tố tinh thần.

Chương 35

Chúng ta đến từ đâu

Ngày nay chúng ta biết rằng con người và tinh tinh, loài động vật họ hàng gần nhất với chúng ta, có bộ gien giống nhau đến 98%. Đó là sự tương đồng rất lớn, nhưng có một số điểm khác biệt mang tính quyết định. Dù tinh tinh có giao tiếp, chúng không nói chuyện với nhau như con người. Và chúng ta có thể đọc và viết. Lùi lại một bước để nhìn bao quát hơn và chúng ta sẽ thấy con người và tinh tinh, cùng với khỉ đột và đười ươi, tạo thành họ Hominidae, thường được biết đến với cái tên “khỉ dạng người loại lớn”. Loài người chúng ta ít liên quan tới khỉ đột và đười ươi hơn, nhưng ở một thời điểm nào đó trong quá khứ, cả bốn nhóm này đều có chung tổ tiên, mà từ đó mỗi nhóm tiến hóa. Đó là thời điểm rất xa trở về trước, có thể là cách đây 15 triệu năm.

Chúng ta thấy những “anh em họ” khỉ dạng người loại lớn của chúng ta vừa thú vị, vừa hơi phiền phức. Những người viết về chúng và nghiên cứu chúng trong quá khứ cũng cảm thấy vậy. Họ đặt câu hỏi rằng động vật thô bạo này, dường như rất giống nhưng cũng rất khác chúng ta, có thể nằm ở đâu trong tạo hóa. Năm 1699, nhà giải phẫu học người Anh, Edward Tyson (1651–1708), có được thi thể của một con tinh tinh. Ông cẩn thận giải phẫu con vật kì lạ này và so sánh những gì ông tìm thấy với những gì ông biết về giải phẫu của con người. Đây là lần đầu tiên có người xem xét một con tinh tinh tỉ mỉ đến vậy. Ông đặt nó vào Chuỗi Sinh vật của Aristotle, ngay dưới loài người chúng ta. Ông lý luận rằng việc một loài động vật nào đó lấp vào khoảng trống giữa con người và các loài khác trong giới động vật là một điều hết sức tự nhiên. Ông không phát biểu điều này, nhưng Tyson đề xuất cần có một “mắt xích còn thiếu” trong Chuỗi Sinh vật, một thứ gì đó liên kết chúng ta với các loài động vật khác.

Ở Vương quốc Anh, Đức, và Pháp, ngày càng nhiều đồ tạo tác của con người như các mũi tên và đầu rìu bằng đá được tìm thấy. Đây là những bằng chứng thú vị chứng minh sự xuất hiện của con người từ hàng nghìn năm trước. Những công cụ này thường được tìm thấy trong các hang động và các điểm khai quật hóa thạch, nằm giữa những phần còn sót lại đã hóa thạch của các loài động vật đã tuyệt chủng, ví dụ như loài hổ răng kiếm đáng sợ hay loài voi mammoth rậm lông khổng lồ. Những động vật đã tuyệt chủng này và những người thời Đồ đá đã tạo ra các công cụ trên hiển nhiên đã cùng tồn tại trong một khoảng thời gian. Con người đã sống trên Trái Đất được hàng chục nghìn năm… chứ không chỉ trong khoảng thời gian ngắn hơn nhiều mà nhiều người vẫn tin. Không phải mọi người đều đồng ý, tất nhiên, nhưng bạn của Darwin, Thomas Henry Huxley (1825–1895) không hề nghi ngờ điều này. Huxley phấn khích trước việc khám phá ra “người Neanderthal” vào năm 1856 trong một hang ở thung lũng Neander ở nước Đức. Ông viết về hóa thạch này, và về những con người hiện đại và khỉ dạng người loại lớn trong cuốn sách của ông mang tên Vị trí của con người trong tự nhiên (Man’s Place in Nature, 1863). Ngày nay chúng ta biết rằng đây là mẫu hóa thạch đầu tiên của một hominin không thuộc loài chúng ta, tức loài Homo sapiens, cái tên sinh học mà Linnaeus đã đặt (Chương 19). Hominin là từ ngày nay được dùng để gọi chính chúng ta và những tổ tiên đã tuyệt chủng của chúng ta, và khi ngày càng nhiều bằng chứng hóa thạch được khai quật, nhóm hominin ngày càng mở rộng. Cây sự sống đang lớn lên, và những khoảng trống của nó dần được lấp đầy.

Vào thời điểm đó, Huxley đủ tỉnh táo để nhận ra rằng chỉ một phát hiện đơn lẻ không thể cho người ta biết được mọi điều về cả một loài, và vì thế ông đặt người Neanderthal trong cùng một loài với con người hiện đại. Nhưng ông tự tin rằng đây là một mẫu vật rất cổ, đã tồn tại đủ lâu để sự tiến hóa diễn ra. Chắc chắn đã có những thay đổi nhất định, vì dù người Neanderthal tương đối giống chúng ta, anh ta cũng rất khác biệt. Sọ của anh ta có gờ xương lông mày nhô cao và một khoang mũi lớn hơn nhiều. Tỉ lệ giữa các chi và cơ thể của anh ta khác với chúng ta. Thậm chí đây có thể là một cơ thể người đã bị biến dạng chứ không phải của một loài khác. Dần dần sau này, chúng ta mới biết rằng người Neanderthal là những hominin đầu tiên chôn cất đồng loại đã khuất.

Huxley biết tất cả về những giả thuyết của Darwin về sự tiến hóa của loài người trước khi Darwin vĩ đại xuất bản hai cuốn sách liên tiếp giải thích rõ ràng những ý tưởng và bằng chứng của ông về tổ tiên của chúng ta. Năm 1871, cuốn Dòng dõi con người đã làm được điều mà Darwin phải né tránh trong cuốn Nguồn gốc muôn loài, nó đưa những lập luận thuyết phục của ông về thế giới tập trung vào chủng loài con người. Năm 1872, cuốn sách Biểu hiện cảm xúc ở người và động vật (The Expression of the Emotions in Man and Animals) của ông bổ sung một khía cạnh tâm lý học quan trọng vào lý lẽ của ông. Ông dựa trên những quan sát cẩn trọng của mình trên những đứa con của chính ông, những nụ cười và điệu bộ cau có của chúng cũng như rất nhiều hành vi khác, để viết cuốn sách này. Con người là một phần của sự sống trên Trái Đất, như tất cả các loài thực vật và động vật khác. Darwin kết luận rằng tổ tiên của chúng ta có thể đã sống ở châu Phi, nơi con người tiến hóa lần đầu tiên.

Mô tả của Darwin rằng sự tiến hóa giống như một “cây sự sống” mang ý nghĩa rằng chúng ta không thể là con cháu của những loài khỉ hiện đại. Nhưng chính mối quan hệ “người vượn” đã ngay lập tức khơi nguồn trí tưởng tượng của công chúng. Những giả thuyết của ông về sự tiến hóa được đưa ra tranh luận công khai lần đầu tiên trong một cuộc họp đông người ở Oxford, do Hiệp hội vì tiến bộ khoa học Anh tổ chức. Hiệp hội có mục tiêu đưa những kiến thức khoa học mới nhất đến với tất cả mọi người và tổ chức một cuộc họp mặt hằng năm, nơi các nhà khoa học phát biểu và bàn luận về những vấn đề mới. Cuộc họp mặt năm 1860 đầy những câu chuyện kịch tính và giả thuyết về “người vượn” đã gây xôn xao. Cuộc thảo luận về những giả thuyết về tiến hóa của Darwin được mọi người hào hứng chờ đợi, với Giám mục Samuel Wilberforce là thủ lĩnh nhóm những người chống lại thuyết Darwin và Huxley lãnh đạo nhóm ủng hộ thuyết Darwin. Tưởng rằng mình thông minh, Wilberforce đã hỏi Huxley mang gốc gác loài vượn từ phía dòng dõi của cha hay dòng dõi của mẹ. Huxley trả lời rằng ông thà mang gốc gác từ một con vượn còn hơn phí phạm thời gian và trí óc cho một câu hỏi ngớ ngẩn như vậy: Wilberforce không hiểu được bản chất vấn đề. Wilberforce vẫn không cảm thấy bị thuyết phục, nhưng Huxley và tiến hóa đã chiến thắng vào ngày hôm đó.

Những khám phá về sự tồn tại từ lâu của nhân loại trên Trái Đất đã khích lệ các nhà tự nhiên học, nhân chủng học (những người nghiên cứu nhân loại) và khảo cổ học đặt câu hỏi: điều kiện sống ban đầu của loài người là gì? “Người thượng cổ” được nhiều người biết đến trong thời kỳ này nhờ những khám phá trong các hang ở đảo Anh và châu Âu. Rõ ràng, những người sống trong hang này đã sử dụng lửa. Các vũ khí, công cụ bằng đá và các dụng cụ nấu ăn đã được tìm thấy. Các nhà nhân chủng học và nhà thám hiểm cũng phát hiện ra những nhóm săn bắt–hái lượm ở châu Phi, châu Á và Nam Mỹ, và đề xuất giả thuyết rằng tất cả các xã hội loài người đều đã trải qua những giai đoạn phát triển xã hội giống nhau. E.B. Tylor (1832–1917) trở thành giáo sư nhân chủng học đầu tiên ở Oxford. Ông sử dụng một ý tưởng về “những thứ sống sót” để trình bày một giả thuyết về con đường tiến hóa xã hội và văn hóa vĩ đại của loài người. Qua ý tưởng này, ông muốn nói đến các hành vi tôn giáo và xã hội, sự mê tín, và những cách tổ chức quan hệ gia đình khác nhau. Theo Tylor, những thứ sống sót được đóng băng trong những người “nguyên thủy” ở châu Phi chẳng hạn, và cho chúng ta những manh mối về quá khứ chung của nhân loại. Tylor và những người khác muốn tìm hiểu nguồn gốc của ngôn ngữ và xem xét những cử chỉ, điệu bộ và các hình thức giao tiếp khác.

Nhân chủng học vào thời kỳ đầu này đối chiếu châu Âu, Bắc Mỹ, Úc và New Zealand năng động với những cuộc đời được cho là không hề thay đổi của những người “nguyên thủy”, hoặc thậm chí với những nền văn hóa phức tạp và đã được công nhận từ lâu như văn hóa Ấn Độ và văn hóa Trung Quốc. Ngày nay, chúng ta coi đó là sự kiêu ngạo. Áp dụng vào xã hội phương Tây, giả thuyết về cạnh tranh và đấu tranh trong quá trình tiến hóa dường như giải thích được tại sao một số cá nhân thành công phát đạt và một số thì không. Khi chủ nghĩa tư bản công nghiệp có được sức mạnh, “thuyết Darwin xã hội”, tức thuyết tiến hóa áp dụng cho văn hóa loài người, bắt đầu được sử dụng để giải thích tại sao một số người giàu và những người khác nghèo, và tại sao một số quốc gia hùng mạnh và các quốc gia khác lại không như vậy. Thuyết Darwin xã hội biện luận cho tính tất yếu trong chiến thắng của những cá nhân, chủng tộc, hoặc quốc gia hùng mạnh trước những đối tượng yếu hơn.

Trong khi một số người tranh luận về thuyết Darwin xã hội, những người khác thảo luận về tiến hóa sinh học. Cho đến những năm 1890, tất cả những di phần hóa thạch của con người đã được khai quật đều được coi là thuộc về loài Homo sapiens. Thân thế chính thức của người Neanderthal vẫn không được rõ ràng. Sau đó, một nhà nhân chủng học người Hà Lan, Eugène Dubois (1858–1940) đã đến vùng Đông Ấn thuộc Hà Lan, tìm kiếm bằng chứng cho sự tiến hóa của loài người trên vùng đất của đười ươi. Ở Java (nay là Indonesia), ông tìm thấy phần trên của một hộp sọ đã hóa thạch thuộc về một sinh vật không phải người nhưng đã đi bộ với dáng thẳng. Ông gọi sinh vật này là “người Java”. Sự chú ý được chuyển sang châu Á, được coi là nơi loài người hẳn đã tiến hóa. Người Java, cùng với một bộ xương người cổ khác được tìm thấy ở Cro-Magnon, Pháp, khuyến khích người ta đặt ra những câu hỏi về chuyện gì đã xảy ra trước tiên. Có phải là việc con người đi thẳng đứng, trên hai chân? Hay một bộ não lớn? Hay ngôn ngữ và đời sống trong các quần xã?

Đến nay đã có thêm nhiều phát hiện về các hominin tiền nhân loại ở châu Á. Nhưng vào thế kỷ 20, chính châu Phi đã chứng minh những tiên đoán của Darwin sắc sảo đến thế nào. Năm 1924, một hóa thạch được nhà giải phẫu học người Úc Raymond Dart (1993–1988) phát hiện. Sau này, hóa thạch được biết đến với cái tên “em bé Taung”, và tầm quan trọng của nó được bác sĩ người Nam Phi, Robert Broom (1866–1951) chứng minh. Em bé Taung có răng giống một em bé loài người nhưng bộ não của nó giống một con vượn đến mức không thể coi là con người được. Broom tin rằng mẫu hóa thạch của Dart (và một vài mẫu nữa được tìm thấy sau đó, bao gồm một mẫu sinh vật trưởng thành) là tổ tiên cổ xưa của loài người. Dart đặt tên nó là Australopithecus africanus, nghĩa đen là “vượn không đuôi phương Nam của châu Phi”. Hiện nay người ta cho rằng nó có niên đại vào khoảng 2,4 triệu đến 3 triệu năm trước. Sau em bé Taung, châu Phi còn cho chúng ta nhiều hóa thạch quan trọng khác, giúp chúng ta hoàn chỉnh dòng tiến hóa của loài người. Louis và Mary Leakey (1903–1972; 1913–1996) khiến cho câu chuyện loài người thậm chí còn nổi tiếng hơn nữa. Vào những năm 1950, khi họ đang nghiên cứu tại Hẻm núi Olduvai Kenya, Louis và Leakey nhấn mạnh rằng những hominin sơ khai là những người làm ra công cụ. Ông gọi một trong những hominin đã hóa thạch sống vào khoảng 1,6 đến 2,4 triệu năm trước là Homo habilis, nghĩa là người khéo léo. Vào những năm 1970, Mary Leakey phát hiện ra một số dấu chân có niên đại khoảng 3,6 triệu năm trước, được bảo quản trong tro núi lửa đã rắn lại. Những dấu chân này thuộc về ba hominin đứng thẳng cùng những động vật khác, và gợi ra rằng việc đi bằng hai chân đã xuất hiện đầu tiên, trước khi các hominin tiến hóa để có một bộ não lớn.

Trong nửa đầu của thế kỷ 20, việc nghiên cứu xương hóa thạch của con người bị làm nhiễu bởi một số phát hiện gây tò mò trong một bãi khai thác sỏi ở làng Piltdown, Đông Sussex, ở miền Nam nước Anh. Các khám phá bắt đầu từ năm 1908. Sau đó vào năm 1912, một nhà khảo cổ học nghiệp dư địa phương, Charles Dawson (1864–1916), tuyên bố tìm được một chiếc sọ ở Piltdown. Phát hiện này gây phấn khích tột độ. “Người Piltdown” có hộp sọ giống người hiện đại và xương hàm giống vượn. Nó trông giống như một mắt xích còn thiếu thực sự, một loại “người vượn”. Một số nhà khoa học xuất sắc xuất bản các bài nghiên cứu về hóa thạch kì lạ này. Nhưng người ta khó có thể đặt nó vào chuỗi những hóa thạch vượn cổ và hominin mới đang càng ngày càng nhiều. Piltdown vẫn luôn tỏa ra sự mờ ám, và vào đầu những năm 1950, các kỹ thuật xác định niên đại, vốn chưa được phát minh vào năm 1908, đã chứng minh rằng người Piltdown là một trò giả mạo. Người Piltdown là sự kết hợp của một sọ người hiện đại với xương hàm của một con đười ươi, được ngâm trong hóa chất để khiến chúng trông cũ. Các chiếc răng cũng đã bị giũa mòn đi. Không ai rõ thủ phạm chính xác, một vài người bị nghi ngờ nhưng không có kết luận chắc chắn. Chính Dawson nằm gần đầu danh sách nghi phạm.

Khi Piltdown bị vạch trần là một trò lừa đảo, những mẫu hóa thạch hominin khác mới có thể được đặt vào một trật tự hợp lý hơn, bằng cách sử dụng phương pháp xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ để biết được tuổi của chúng, và so sánh những đặc tính vật lý của chúng. Đặc biệt, một mẫu hóa thạch, với biệt danh Lucy, đã trở thành một nhân vật nổi tiếng, được đi “lưu diễn” và được viết cho hẳn một “tiểu sử”. Lucy được khai quật ở Ethiopia vào năm 1978, và bộ xương của cô hoàn chỉnh hơn một nửa. Cô sống vào khoảng 3 đến 4 triệu năm trước, trước em bé Taung rất lâu. Giống em bé Taung, cô thuộc chi Australopithecus nhưng ở một loài ra đời sớm hơn, afarensis, tức “vượn ở Afar”. Hai chân, xương chậu, và bàn chân của Lucy cho thấy cô có thể đã đi với dáng thẳng và leo trèo trên cây hoặc vách đá. Khoang chứa não của cô không lớn hơn một con tinh tinh hiện đại là bao, nhưng não của cô lớn hơn não của một con tinh tinh, xét theo tỉ lệ giữa kích thước não và kích thước cơ thể cô. (So với kích thước tuyệt đối, tỉ lệ não/cơ thể là một chỉ dẫn ưu việt hơn khi cần xem xét các chức năng thần kinh: voi có bộ não lớn hơn người, nhưng có tỉ lệ não/cơ thể nhỏ hơn. Tất nhiên có nhiều yếu tố khác liên quan đến “trí thông minh” hơn là kích thước não đơn thuần.) Lucy thật sự đã cho thấy những đặc điểm “hỗn hợp”, còn chưa đáng được gọi là “người” ngay cả ở mức thô sơ, nhưng vẫn là một sinh vật thành công với đúng những gì cô có.

Hàng trăm hominin hóa thạch từ nhiều nơi trên thế giới đã cho phép chúng ta có được một hình dung rất rõ ràng về con đường tiến hóa dẫn đến người hiện đại. Chúng ta thậm chí có thể khẳng định được tổ tiên chúng ta ăn gì và loài kí sinh nào đã nhiễm vào cơ thể họ. Bức tranh ghép vẫn còn nhiều mảnh chưa được tìm thấy, và vẫn còn nhiều tranh luận về những chi tiết: chiếc răng này hay hình dạng của chiếc xương đùi đó cho ta biết điều gì? Cũng sẽ còn nhiều bất ngờ nữa chưa được khám phá, vì các hóa thạch liên tục được khai quật. Ở Indonesia năm 2003, nhà khảo cổ học người Úc Mike Morwood và các cộng sự đã tìm thấy những hóa thạch của các hominin nhỏ trên đảo Flores. Họ đã sống vào thời gian khoảng 15.000 năm trước, nhưng có thể thuộc một loài chưa được biết đến. Thân thế chính xác của Homo floresiensi (“người Flores”, biệt danh là “người Hobbit”) vẫn chưa được xác định chắc chắn. Các nỗ lực phân tích ADN (phương pháp đáng tin cậy nhất để thiết lập những mối liên hệ sinh học) cho đến nay vẫn không thành công.

Điều tra xem người Neanderthal liên hệ thế nào với người hiện đại cũng là một thử thách lý thú. Loài này chắc chắn đã sống cùng thời với Homo sapiens ở châu Âu, khoảng 50.000 năm trước. Chúng ta mang một số gien của họ. Có phải sự xuất hiện của Homo sapiens, “người hiện đại”, góp phần vào sự tuyệt chủng của người Neanderthal? Chúng ta không chắc chắn. Họ có lai với nhau không? Có khả năng cao. Cả người Neanderthal và Homo sapiens đều hứng chịu thời tiết châu Âu cực lạnh vào lần cuối cùng những con sông băng bao phủ châu Âu, và người Neanderthal đã không sống sót.

Để tái dựng cây phả hệ của loài người từ những hóa thạch có niên đại khác nhau và được phát hiện tại các địa điểm khác nhau, chúng ta sử dụng những công cụ và kỹ thuật mà chúng ta dùng với các động vật khác như ngựa hay hà mã. Tất nhiên, ta có nhiều cảm xúc hơn khi đó là con người chứ không phải hà mã. Nhưng bằng chứng nằm ở đó, và các nhà cổ sinh học, nhân chủng học, khảo cổ học và các chuyên gia khác tiếp tục ghép các manh mối lại với nhau. Họ đã sử dụng bằng chứng để tìm ra rằng các hominin, gồm cả Homo sapiens, đầu tiên sống ở châu Phi và bắt đầu di cư từ đó. Vẫn có nhiều điều chúng ta chưa biết về các cuộc di cư của những hominin đầu tiên. Có phải đã có một vài cuộc di cư khỏi châu Phi? Điều gì dẫn đến sự tiến hóa rất nhanh của bộ não khiến cho loài người chúng ta khác biệt hẳn so với những người anh em hominin khác? Khoa học xử lý câu hỏi như thế nào, chứ không phải câu hỏi tại sao. Điều này dường như đặc biệt đúng khi chúng ta nghĩ về tổ tiên của mình và về, như Huxley đã gọi, “vị trí của con người trong tự nhiên”.

Chương 36

Thần dược

Có khoảng 5 triệu nghìn tỉ nghìn tỉ vi khuẩn trên Trái Đất. Tức là 5 × 10^30 hay chữ số 5 cùng với 30 chữ số 0 đằng sau nó, một con số đáng kinh ngạc. Vi khuẩn có thể sống ở gần như bất cứ nơi nào trên Trái Đất: trong đất, trong các đại dương, trên đá ở sâu dưới lòng đất, trong băng ở Bắc Cực, trong nước sôi sùng sục ở mạch nước phun lộ thiên, trên da và trong cơ thể chúng ta. Vi khuẩn làm đủ thứ có ích, không có chúng thì chuyện gì sẽ xảy ra với tất cả những thứ rác rưởi mà chúng vẫn tiêu hóa? Chúng ta cũng hưởng lợi từ trò tiêu hóa đó. Những vi khuẩn sống trong ruột giúp chúng ta phân tách các thức ăn mà ta ăn vào để giải phóng protein và vitamin. Một số vi khuẩn thậm chí còn tạo ra những dược phẩm có ích, cùng một số vi sinh vật khác, tức các loài nấm. Đa số chúng ta đã từng được kê vài loại trong số những thuốc kháng sinh này.

Vào thế kỷ 19, các nhà khoa học đã phát hiện ra một số loài vi khuẩn nguy hại ra sao, chúng gây ra bệnh tật và nhiễm trùng các vết thương. Chương 27 kể câu chuyện “thuyết vi trùng” về bệnh tật đã dần được chấp nhận như thế nào. Ngay lập tức, họ bắt đầu tìm kiếm những dược phẩm có thể tiêu diệt những vi khuẩn xâm nhập mà không gây hại lên các tế bào của cơ thể. Nó là một hành trình tìm kiếm “viên đạn bạc”, theo lời bác sĩ người Đức, Paul Ehrlich (1854–1915). Ông tìm ra một loại thuốc chữa bệnh giang mai, nhưng nó chứa asen, một chất rất độc, nên nó phải được sử dụng một cách hết sức thận trọng và vẫn gây ra những tác dụng phụ nghiêm trọng.

Vào giữa những năm 1930, nhà dược lý học người Đức Gerhard Domagk (1895–1964) bắt đầu sử dụng nguyên tố hóa học lưu huỳnh. (Dược lý học là môn nghiên cứu thuốc.) Ông tao ra một hợp chất gọi là Prontosil, chống lại một vài loại vi khuẩn gây bệnh một cách hiệu quả. Một trong những bệnh nhân thử nghiệm đầu tiên là con gái của ông, người có bàn tay bị nhiễm Streptococcus, một loại vi khuẩn kinh tởm gây nhiễm trùng da. Các bác sĩ đã nói rằng cách duy nhất để thử và cứu cô khỏi tình trạng nhiễm trùng đe dọa tính mạng là cắt bỏ cánh tay. Prontosil quét sạch nhiễm trùng thành công. Nó cũng trị hiệu quả sốt tinh hồng nhiệt và một loại nhiễm trùng chết người do vi khuẩn gây ra, gọi là sốt sản, giết chết phụ nữ sau khi họ sinh con. Prontosil bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ năm 1936 và góp phần vào sự giảm mạnh số người chết do các căn bệnh trên. Nó và các loại thuốc chứa lưu huỳnh khác nằm trong số những thuốc tốt nhất mà các bác sĩ có thể kể chống lại một số loại vi khuẩn. Domagk được trao giải Nobel năm 1939 (mặc dù thời gian đó những người Quốc xã cấm người Đức nhận giải).

Giải Nobel tiếp theo cho khám phá về một loại thuốc được trao vào năm 1945. Ba người đàn ông, Alexander Fleming (1881–1955) từ Scotland, Howard Florey (1898–1968) từ Úc, và Ernst Chain (1906–1979) một người Đức tị nạn, cùng chia sẻ giải này vì đã khám phá ra penicillin, thuốc “kháng sinh” đầu tiên. Thuốc kháng sinh là một chất do một vi sinh vật sản xuất, có khả năng tiêu diệt các vi sinh vật khác. Nó kiểm soát và tận dụng một thứ vẫn luôn diễn ra trong thế giới tự nhiên để mang lại lợi ích cho chúng ta. Penicillin được tinh chế từ một nguồn tự nhiên, vi sinh vật Penicillium notatum, một loại mốc hoặc nấm. Bạn có thể thấy những vòng nấm xanh mọc trên bánh mì cũ mốc. Nếu bạn thích ăn nấm, hiển nhiên bạn đang ăn một loại nấm khác. Người ta đoán có khoảng 1,5 triệu loài nấm trên Trái Đất. Chúng có những vòng đời phức tạp, bao gồm giai đoạn bào tử, tương tự như hạt giống của các loài cây. Ngày nay kháng sinh cũng có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm thay vì từ một nguồn tự nhiên, nhưng vẫn tuân theo cùng một nguyên lý cơ bản.

Câu chuyện của thuốc penicillin bắt đầu vào những năm 1920. Giống tất cả các câu chuyện hay nhất, luôn có một vài phiên bản. Một trong số đó là vào năm 1928, một bào tử nấm mốc bay qua một khung cửa sổ để mở vào phòng thí nghiệm của Alexander Fleming ở Bệnh viện Thánh Mary tại London. Ông nhận ra một vài vi khuẩn ông đang nuôi trên một đĩa Petri đã ngừng phát triển ở đúng nơi bào tử đậu vào. Ông xác định bào tử đến từ nấm Penicillium, nghiên cứu nó nhiều hơn và xuất bản kết quả của ông để chia sẻ với các nhà vi khuẩn học khác. Nhưng ông không thể tìm được cách tạo đủ cái thứ mà bào tử này đã sinh ra để có bất cứ ứng dụng nào. Vì thế, ông từ bỏ nó, coi nó chỉ như một quan sát kỳ thú, có thể có tiềm năng, trong phòng thí nghiệm.

Một thập kỷ sau, châu Âu lại bị đẩy vào Thế chiến thứ hai. Chiến tranh luôn đem đến những trận bùng phát bệnh nhiễm trùng cho cả những người lính lẫn thường dân. Vì thế nhà bệnh lý học Howard Florey, người đã định cư ở Anh, được yêu cầu tìm kiếm những loại thuốc hiệu quả chống lại nhiễm trùng. Một trong những cộng sự của ông, Ernst Chain, bắt đầu đọc bất cứ thứ gì ông có thể tìm được, bao gồm cả bài nghiên cứu cũ của Fleming. Tiếp đó, ông thử chiết xuất hoạt chất do nấm penicillin tạo ra. Vào tháng Ba năm 1940, trợ lý phòng thí nghiệm của họ, Norman Heatley (1911–2004), tìm ra một cách tốt hơn để thu được hoạt chất đầy hứa hẹn này. Làm việc trong điều kiện thời chiến khó khăn, họ phải làm ra sản phẩm với rất ít tài nguyên, sử dụng cả bô dành cho người bệnh và xô đựng sữa làm bình chứa để nuôi các dung dịch nấm. Bất chấp khó khăn, họ vẫn thu được một lượng penicillin tương đối tinh khiết. Các lần thử nghiệm trên chuột cho thấy nó kiểm soát nhiễm trùng rất hữu hiệu. Tinh chế chất kỳ diệu này là việc cực kì khó: người ta cần một tấn dung dịch penicillin thô chỉ để tạo ra 2 gam thuốc. Bệnh nhân đầu tiên là một cảnh sát bị nhiễm trùng sau một vết xước do gai hoa hồng. Khi được cho thuốc, tình trạng của anh ta cải thiện rất nhanh. Ho lọc nước tiểu của anh ta để thu hồi thứ thuốc quý giá, nhưng anh ta qua đời khi nguồn cung cấp thuốc cạn kiệt.

Liên hiệp Anh thời chiến không có nguồn nguyên liệu công nghiệp để sản xuất đủ penicillin. Vì thế, vào tháng Bảy năm 1941, Florey và Heatley bay đến Hoa Kỳ để động viên các công ty dược phẩm Mỹ nhận công việc này. Florey là một nhà khoa học kiểu cổ điển. Ông tin rằng những khám phá như của nhóm ông là để phục vụ lợi ích của mọi người và không nên mang bản quyền. (Bản quyền là một cách để bảo vệ các ý tưởng của nhà phát minh và đảm bảo không người nào khác có thể sao chép chúng.) Những người Mỹ có những suy nghĩ khác. Đặc biệt có hai công ty đã phát triển các phương pháp đặc biệt để sản xuất penicillin trên diện rộng. Để lấy lại toàn bộ số tiền họ đã đầu tư vào nghiên cứu, họ đăng ký bản quyền, có nghĩa là không ai khác có thể sử dụng phương pháp của họ để sản xuất thuốc này. Đến năm 1943, penicillin đã sẵn có để phục vụ mục đích quân sự và một số mục đích dân sự. Nó được chứng minh là có thể chống lại một cách hiệu quả vi khuẩn Streptococcus, cùng với một số vi sinh vật khác gây viêm phổi, rất nhiều chứng nhiễm trùng vết thương, và một số bệnh truyền nhiễm qua đường tình dục. Không lâu sau, người ta sản xuất ra được đủ thuốc để chắc chắn rằng những người có thể được chữa trị sẽ sống, giữa thời điểm mà nếu không có thuốc hẳn nhiều người sẽ chết, đặc biệt là những người lính đang chiến đấu để kết thúc cuộc chiến.

Trong khi Florey và nhóm của ông bận rộn với penicillin, Selman Waksman (1888–1973) nghiên cứu những đặc điểm kháng sinh của vi khuẩn. Waksman chuyển từ Ukraine đến Hoa Kỳ năm 1910. Ông bị những vi sinh vật sống trong đất thu hút, và đã chứng kiến một số vi sinh vật trong số này tiêu diệt những vi khuẩn khác trong đất như thế nào. Từ cuối những năm 1930, ông cố gắng tách những hợp chất có thể được dùng như những chất kháng sinh từ những vi khuẩn này. Cùng với những sinh viên của mình, ông đã tách được một số chất có công hiệu, nhưng chúng quá độc đến nỗi không thể sử dụng trên con người. Sau đó, vào năm 1943, một trong những sinh viên của ông tách được Streptomyces, và thuốc streptomycin được làm từ đó. Nó có hiệu quả và không quá độc hại đối với người bệnh. Đáng ngạc nhiên hơn, nó chống lại hiệu quả vi khuẩn gây ra bệnh lao, căn bệnh chết người đã gây tử vong cho nhiều người hơn bất cứ căn bệnh nào khác trong phần lớn thế kỷ 19. Mặc dù đến những năm 1940 bệnh này trở nên ít phổ biến hơn ở phương Tây, nó vẫn gây chết người ở khắp mọi nơi. Các nạn nhân thường là người mới trưởng thành, để lại mất mát cho những người thân yêu, và khiến trẻ em mồ côi cha mẹ.

Penicillin và streptomycin chỉ là sự khởi đầu của một loạt thuốc kháng sinh và hóa chất khác có khả năng chữa khỏi các bệnh nhiễm trùng. Trong những năm sau Thế chiến thứ hai, chúng khiến mọi người rất lạc quan về sức mạnh của y học trong việc chống lại, thậm chí xóa sổ bệnh tật. Số người chết vì bệnh nhiễm trùng ở phương Tây ít đi, và ngoại trừ các chứng nhiễm trùng mới như AIDS, xu hướng này vẫn tiếp tục. Rõ ràng, nhiều người trẻ ở thế kỷ 21 có thể sống khỏe mạnh hơn cha mẹ hay ông bà của họ.

Nhưng nếu những người lạc quan trong những năm 1960 xem xét kĩ càng hơn câu chuyện về một loại “thần dược” ra đời trước đó, họ có thể đã nhận ra rằng chẳng có loại thuốc nào trên đời này là tự dưng được thần thánh ban cho cả. Thứ thuốc đó là insulin, dùng để chữa bệnh tiểu đường từ những năm 1920. Tiểu đường là một chứng bệnh kinh khủng. Nếu không được chữa trị, cơ thể người bệnh dần suy kiệt, những nạn nhân của nó gầy một cách đau đớn, luôn khát nước, đi tiểu nhiều và cuối cùng rơi vào hôn mê sâu trước khi qua đời. Đa số bệnh nhân của nó là người trẻ, và họ qua đời chỉ trong vài năm. Nó là một chứng bệnh phức tạp, nhưng những tế bào đặc biệt sản xuất insulin tự nhiên trong tuyến tụy – một cơ quan gần dạ dày – ngừng làm nhiệm vụ. Insulin là một hormone, một “người đưa tin” dạng hóa chất, và nó giữ lượng đường (glucose) trong máu luôn ở mức hợp lý.

Trong khi penicillin ra đời từ một sự tình cờ may mắn, câu chuyện của insulin lại là một nghiên cứu vô cùng bền bỉ và tỉ mỉ về cách hoạt động của một số bộ phận trong cơ thể con người. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh vai trò của tuyến tụy bằng cách lấy bộ phận này ra khỏi một số con chó (hoặc các động vật khác), những con vật này sau đó mắc một căn bệnh giống bệnh tiểu đường. Vào mùa hè năm 1921, tại Đại học Toronto, J.R. Macleod (1876–1935) đang đi vắng. Một phẫu thuật viên trẻ tên là Frederick Banting (1891–1941) và người trợ lý của ông, khi đó là sinh viên y khoa, Charles Best (1899–1978) thực hiện một loạt thí nghiệm đơn giản. Với sự giúp đỡ của một nhà hóa sinh, James Collip (1892–1965), họ cố gắng xoay xở để chiết và tinh chế insulin từ tuyến tụy của các con chó. Khi họ truyền insulin cho các con vật thí nghiệm đã bị lấy đi tuyến tụy, chúng phục hồi.

Insulin được mô tả là một “sức mạnh của hoạt động ma thuật”. Nó thật sự có thể cứu những nạn nhân của bệnh tiểu đường dạng này thoát khỏi cái chết đã được báo trước. Một trong số họ là Leonard Thompson, 14 tuổi, người đầu tiên được chữa bằng phương pháp tiêm insulin vào năm 1922. Leonard thiếu cân trầm trọng và phải gắn bó với giường bệnh vì cậu quá yếu. Những lần tiêm thuốc đưa lượng đường trong máu cậu về mức bình thường, cậu tăng cân, và có khả năng xuất viện với nguồn cung cấp xilanh và insulin của mình.

Một năm sau, Banting và Giáo sư Macleod được trao giải Nobel, và họ chia sẻ tiền thưởng với Best và Collip. Sự công nhận nhanh chóng ấy cho thấy mọi người coi trọng nghiên cứu của họ đến mức nào. Insulin đúng là rất quan trọng. Nó kéo thêm hàng năm trời tuổi đời cho những người trẻ tuổi, những người hẳn đã ra đi nếu không có insulin. Cái nó không thể cho người ta là một cuộc sống bình thường. Những người mắc bệnh tiểu đường phải kiểm soát thức ăn của họ, tự tiêm insulin định kì, và thường xuyên kiểm tra nước tiểu xem có đường trong đó không. Như vậy vẫn còn tốt hơn nhiều so với không có insulin. Nhưng một hay hai thập kỷ sau đó, nhiều người trong số những bệnh nhân tiểu đường đầu tiên này bắt đầu hứng chịu những vấn đề sức khỏe khác: suy thận giai đoạn cuối, bệnh tim, các vấn đề về thị lực và các vết loét đau đớn không thể lành lại trên đôi chân. Insulin biến một trong bệnh cấp tính chết người thành một vấn đề sức khỏe suốt đời, đòi hỏi sự kiểm soát vĩnh viễn. Các vấn đề y hệt cũng xuất hiện ở bệnh tiểu đường thuộc loại còn lại, hầu như chỉ xuất hiện ở những người trưởng thành thừa cân và được gọi là tiểu đường loại II. Ngày nay, nó là dạng bệnh tiểu đường phổ biến nhất, và ngày càng nhiều người mắc bệnh này. Các chế độ ăn thời nay chứa quá nhiều đường và thức ăn đã qua tinh chế, và chứng béo phì đã trở thành một dịch bệnh toàn cầu. Y học vẫn luôn có ích: các viên thuốc có thể làm giảm lượng đường trong máu. Nhưng các bệnh nhân tiểu đường loại II gặp cùng một loại vấn đề khi về già. Thuốc men đơn giản là không thể nào ưu việt bằng hệ thống điều tiết mức đường tự nhiên trong chính cơ thể chúng ta.

Tự nhiên đã cho chúng ta thấy rằng ta không thể phụ thuộc vào penicillin và các chất kháng sinh khác. Những thuốc này có ích, nhưng vi khuẩn gây bệnh đã thích nghi với chúng. Quy luật chọn lọc tự nhiên mà Darwin đã phát hiện ra áp dụng cho mọi thứ trong tự nhiên, và nhiều vi khuẩn đã tự phát triển các hình thức phòng vệ để chống lại các kháng sinh đã từng tiêu diệt chúng. Vi khuẩn Staphylococci và khuẩn hình que gây bệnh lao đã cho thấy chúng có khả năng thích nghi đặc biệt tốt. Giống tất cả các sinh vật khác, gien của chúng đôi khi đột biến, và những đột biến giúp chúng sống sót sẽ được di truyền cho thế hệ tiếp theo. Chữa trị các bệnh nhiễm trùng ngày nay đã trở thành một trò chơi mèo-và-chuột: phát triển những loại thuốc mới để tấn công những mầm bệnh có khả năng tiến hóa để kháng lại gần như bất cứ thứ gì chúng ta có thể tung ra đối phó với chúng. Một vấn đề gần đây là MRSA (vi khuẩn Staphylococcus aureus kháng methicillin). S. aureus là một trong những vi khuẩn bình thường sống trong cơ thể chúng ta, mặc dù nó có thể gây nhiễm trùng nhẹ ở vết xước. Dạng kháng kháng sinh của nó rất nguy hiểm. Dạng này thường được tìm thấy trong bệnh viện vì nhiều loại kháng sinh được sử dụng ở đó, và những vi khuẩn sống sót được thường là những vi khuẩn đã hình thành được khả năng kháng thuốc. Và, không chỉ có vi khuẩn mới chống lại nỗ lực kiểm soát bệnh tật của chúng ta. Một số loài kí sinh gây ra bệnh sốt rét cũng kháng lại gần như mọi loại thuốc mà chúng ta có.

Hiện tại chúng ta đã biết rằng các vi khuẩn thường hình thành khả năng kháng thuốc khi các bệnh nhân không hoàn thành đủ liệu trình uống thuốc, hoặc khi liều lượng thuốc bị kê sai. Nó cũng xảy ra khi thuốc bị sử dụng sai: kháng sinh thường được kê cho bệnh nhân một cách không phù hợp cho các trường hợp viêm nhiễm, cảm lạnh, hoặc viêm họng do virus gây ra. (Kháng sinh chống lại vi khuẩn, và không có tác dụng chống virus.) Nếu liều kháng sinh của bạn không đủ để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh, thì thay vì chữa bệnh, nó lại có thể giúp vi khuẩn kháng kháng sinh sống sót. Những vi khuẩn đó có thể gây ra bệnh vô phương cứu chữa trong tương lai.

Bất chấp tất cả những vấn đề trên, các bác sĩ nắm trong tay những loại thuốc mạnh và hiệu quả hơn bao giờ hết. Một số loại, giống insulin, giúp kiểm soát hơn là chữa lành bệnh, nhưng dù sao tất cả các loại thuốc hiện đại này vẫn cho công dân các nước “phát triển” cơ hội được sống lâu hơn. Tại nhiều nước “đang phát triển”, tuổi thọ trung bình của người dân cũng đã tăng lên. Nhưng ở đó, những vấn đề nghiêm trọng vẫn tồn tại: không phải lúc nào người ta cũng dễ dàng đi khám bác sĩ, kiếm đủ thức ăn, được uống nước sạch, hay có một ngôi nhà đủ tiện nghi. Từ những năm đầu thập niên 90 của thế kỷ 20, khoảng cách giữa người giàu và người nghèo ở các nước giàu đã tăng lên, và khoảng cách giữa nước giàu và nước nghèo cũng tăng lên. Điều này không nên tồn tại.

Ngày nay, người ta phải chi rất nhiều tiền để cung cấp dịch vụ y tế. Chúng ta sử dụng nhiều công nghệ thông minh để chẩn đoán bệnh và sau đó chữa trị nó. Việc phát triển và thử nghiệm các thuốc mới ngày nay tiêu tốn nhiều tiền của hơn rất nhiều so với thời người ta nghiên cứu để sản xuất penicillin. Vì thế, chúng ta cần tự chăm sóc bản thân nếu có thể. Bất kể thuốc có tuyệt vời ra sao, câu “phòng bệnh hơn chữa bệnh” vẫn đúng.

Chương 37

Những khối cơ bản

Thời gian dần trôi qua, các nhà khoa học có xu hướng chuyên môn hóa trong lĩnh vực họ đã chọn. Các nhà sinh học vẫn theo truyền thống nghiên cứu sinh học, các nhà hóa học nghiên cứu hóa học, và các nhà vật lý học nghiên cứu vật lý học. Vậy điều gì đã xảy ra vào những năm 1930, khi đầu tiên là những nhà hóa học, sau đó đến những nhà vật lý học, quả quyết rằng đó là thời điểm thích hợp để họ nghiên cứu các vấn đề sinh học? Hóa học là môn nghiên cứu cách các chất kết hợp và phản ứng với nhau. Nhưng người ta ngày càng nhận ra rõ ràng rằng các sinh vật, đối tượng nghiên cứu của các nhà sinh học, được tạo thành từ một số nguyên tố trong bảng tuần hoàn của các nhà hóa học, ví dụ như carbon, hydro, oxy và nitro. Vật lý học là môn nghiên cứu vật chất và năng lượng, mà vào thời điểm đó các đối tượng nghiên cứu đều là nguyên tử và hạt hạ nguyên tử. Chẳng phải đó là một cách để người ta hiểu sâu hơn về các nguyên tố của các nhà hóa học sao? Tóm lại, chẳng lẽ hóa học và vật lý học lại không thể giải thích được các sinh vật dưới dạng một loạt những phản ứng hóa học và các cấu trúc nguyên tử? Và phải chăng việc đó có thể cho chúng ta một câu trả lời cho một trong những câu hỏi lâu đời nhất trong khoa học: Sự sống là gì?

Trong những thập niên đầu của thế kỷ 20, Thomas Hunt Morgan đã sử dụng những con ruồi giấm của ông để chứng minh rằng các nhiễm sắc thể trong nhân tế bào mang “chất” di truyền. “Chất” là một từ phù hợp. Các nhà di truyền học đã rất xuất sắc trong việc cho chúng ta biết chất này có tác dụng gì. Họ có thể cho ta thấy các gien khác nhau trên các phần khác nhau của một nhiễm sắc thể có thể dẫn đến sự hình thành của một con mắt hay một chiếc cánh như thế nào. Họ thậm chí có thể chứng minh rằng các đột biến do các tia X gây ra có thể dẫn đến những chiếc cánh có những hình dạng bất thường như thế nào, vì theo các nhà di truyền học, các tia X ảnh hưởng đến gien. Nhưng họ không biết gien là gì.

Có phải chất gien này là protein không? Protein đóng vai trò thiết yếu trong nhiều phản ứng diễn ra trong cơ thể chúng ta. Protein là nhóm hợp chất đầu tiên được các nhà sinh học phân tử nghiên cứu một cách hệ thống. Đúng như cái tên, sinh học phân tử là một môn khoa học tìm hiểu tính chất hóa học của các phân tử bên trong sinh vật, và cách chúng hoạt động. Đa số các protein là các phân tử rất lớn và phức tạp. Chúng được hình thành từ các nhóm amino acid, là những hợp chất nhỏ hơn và đơn giản hơn protein. Vì chúng là hợp chất đơn giản hơn, người ta gặp ít khó khăn hơn khi tìm hiểu xem amino acid được cấu tạo từ những gì, bằng cách sử dụng phương pháp phân tách và tổng hợp hóa học thông thường. Khoảng 20 amino acid là những khối cơ bản mà khi được kết hợp theo những cách khác nhau sẽ tạo nên tất cả các loại protein trong thực vật và động vật.

Làm sao những amino acid này liên kết với nhau để tạo thành protein là một câu hỏi khó hơn nhiều. Đây chính là lúc vật lý học bắt đầu phát huy vai trò – hóa ra tia X lại mang đến manh mối. Việc đầu tiên là phải tạo ra một tinh thể của protein mà bạn muốn nghiên cứu. Tiếp theo, bạn bắn phá tinh thể này bằng các tia X. Khi các tia X chạm vào tinh thể, chúng sẽ bị bẻ cong khi đi qua tinh thể, hoặc sẽ bật ngược lại theo một quy luật nhất định, được gọi là phổ nhiễu xạ. Người ta có thể ghi lại phổ nhiễu xạ trên một tấm phim.

Đọc phổ nhiễu xạ thu được trên tấm phim là một việc phức tạp. Thứ bạn nhìn thấy là một bức ảnh rắc rối của vô cùng nhiều chấm và bóng đen. Bạn đang nhìn một hình ảnh phẳng, hai chiều, nhưng bạn phải tư duy ba chiều, và việc đeo kính 3D cũng không có tác dụng gì. Cùng với khả năng hình dung, bạn cũng cần có kiến thức tốt về hóa học và hiểu cách các nguyên tố liên kết với nhau. Và bạn cũng phải giỏi toán. Một người dám đương đầu với thử thách này là nhà hóa học Dorothy Hodgkin (1910–1994), làm việc tại Đại học Oxford. Chúng ta mắc nợ nghiên cứu tinh thể học tia X của bà, phần nào nhà nghiên cứu đó mà giờ chúng ta biết về cấu trúc của penicillin, vitamin B12 và insulin. Bà được trao giải Nobel năm 1964.

Linus Pauling (1901–1994) cũng giỏi sử dụng các tia X để tìm ra cấu trúc của các hợp chất hóa học phức tạp. Trong một loạt thí nghiệm xuất sắc, ông và các cộng sự đã chứng minh rằng nếu phân tử hemoglobin trong tế bào hồng cầu của chúng ta chỉ thiếu một amino acid, một chứng bệnh nghiêm trọng sẽ phát sinh: bệnh thiếu máu hồng cầu hình lưỡi liềm. (Thay vì có hình tròn, các tế bào hồng cầu chứa hemoglobin này có hình lưỡi liềm.) Khiếm khuyết phân tử này thường được phát hiện châu Phi, nơi bệnh sốt rét luôn hiện diện. Ngày nay người ta thấy rằng khiếm khuyết này lại có ích với những người mang nó, vì các tế bào hình lưỡi liềm góp phần bảo vệ cơ thể trước dạng nguy hiểm nhất của bệnh sốt rét. Đây là một ví dụ về sự tiến hóa của loài người trong thực tế. Những người chỉ mang tính trạng này (từ một gien đơn lẻ, được thừa hưởng theo nguyên lý mà Mendel đã khám phá ra đầu tiên khi nghiên cứu trên các cây đậu)§ tương đối thiếu máu, nhưng họ có khả năng kháng lại sốt rét cao hơn. Những cá nhân thừa hưởng gien hồng cầu hình lưỡi liềm từ cả cha và mẹ thường mắc bệnh thiếu máu trầm trọng. Các triệu chứng của thiếu máu do tế bào hồng cầu hình lưỡi liềm đã được xác định từ đầu thế kỷ 20. Năm mươi năm sau, Pauling sử dụng những kỹ thuật sinh học phân tử mới để tìm hiểu chuyện gì đang xảy ra, và nghiên cứu của ông mở đầu một kỷ nguyên mới trong y học: y học phân tử.

Sau thành công với protein, Pauling gần như đã đạt được thành tựu lớn nhất: khám phá ra cấu trúc phân tử của gien. Các thí nghiệm sử dụng tia X của ông cho thấy nhiều protein, như các protein tạo nên tóc và cơ, hoặc protein mang oxy trên phân tử hemoglobin, có hình dạng đặc biệt. Chúng thường bện thành một dạng xoắn. Đến đầu những năm 1950, nhiều nhà khoa học đã nghĩ rằng gien được tạo thành từ acid deoxyribonucleic. Cái tên phổ biến hơn được dùng để nhắc đến hợp chất này là ADN, và nó cũng dễ phát âm hơn rất nhiều. ADN đã được phát hiện năm 1869, nhưng người ta đã mất một thời gian rất dài để hiểu chức năng và hình dạng của nó. Năm 1952, Pauling đưa ra ý kiến rằng nó là một phân tử dài, hình xoắn, được tạo thành từ ba mạch xoắn lại với nhau – gọi là chuỗi xoắn ba.

Khi Pauling đang làm việc tại California, hai nhóm ở nước Anh cũng đuổi theo ông sát nút. Tại King’s College, London, nhà vật lý học Maurice Wilkins (1916–2004) và nhà hóa học Rosalind Franklin (1920–1958) đang biến bản thân thành những nhà sinh học phân tử. Franklin đặc biệt giỏi tạo ra và đọc những tấm hình do tinh thể học tia X tạo ra. Tại Cambridge, một người Mỹ trẻ có tên James Watson (sinh năm 1928), đã từ bỏ mối quan tâm khoa học trước đó của cậu với điểu học (bộ môn nghiên cứu chim) và lập nhóm với Francis Crick (1916–2004). Crick từng nghiên cứu vật lý, và sau khi làm việc với tư cách một nhà vật lý học cho Tổng bộ Hải quân Anh trong Thế chiến thứ hai, ông quay lại đại học với tư cách một sinh viên quá tuổi, lần này nghiên cứu sinh học. Watson và Crick sau này trở thành một trong những bộ đôi nổi tiếng nhất trong giới khoa học.

Crick chia sẻ kinh nghiệm của ông về phân tích cấu trúc protein bằng tia X. Ông và Watson biết rằng ADN được tìm thấy trên nhiễm sắc thể trong nhân tế bào, cũng chính là thành phần của tế bào mà Morgan đã phân tích 30 năm trước đó. Họ đã tạo ra các hình cắt giấy và các mô hình để giúp bản thân nhìn thấy những cấu trúc khả dĩ của ADN. Họ cũng được hưởng lợi từ những tấm ảnh mà Franklin đã tạo ra. Đầu năm 1953, họ tạo ra một mô hình mới, khớp với tất cả những dữ liệu trên các tấm ảnh tinh thể học tia X. Họ nói mô hình này là mô hình chính xác. Ăn mừng trong quán rượu đêm đó, như người ta đồn, họ tuyên bố đã tìm ra “bí mật của sự sống”.

Nếu những khách uống rượu khác đêm đó có chút mơ hồ, phân vân chưa hiểu ý họ, thì những độc giả của tuần san khoa học Nature sẽ sớm hiểu ra. Crick và Watson công bố các phát hiện của họ trong số báo ra ngày 25 tháng Tư năm 1953, cũng là số báo có một bài nghiên cứu được nhóm Wilkins và Franklin London thực hiện. Nhưng chính Crick và Watson là những người chứng minh rằng ADN được tạo thành từ hai mạch xoắn với nhau, chứ không phải ba mạch như Pauling đã từng phát biểu. Hai mạch này được nối bởi những đoạn ngang – vì thế nó trông như một cái thang dài mềm dẻo, bị xoắn lại thành một dải xoắn dài. Hai thanh trụ đứng của thang này là một loại đường – kí hiệu D, tức phần deoxyribo của phân tử ADN và các photphat. Mỗi bậc thang được tạo thành từ một cặp phân tử: một cặp adenine và thymine hoặc một cặp cytosine và guanine. Những cặp này được gọi là các “cặp base” của các phân tử. Nếu đây chính là cấu trúc của gien thì nó giúp giải thích “bí mật của sự sống” như thế nào?

Các cặp base liên kết với nhau bằng các liên kết hydro. Khi các tế bào phân chia, chuỗi ADN này tháo xoắn, gần như thể đang “mở phéc-mơ-tuya”. Hai nửa của ADN lúc này là hai bản mẫu để tế bào từ đó tạo ra hai chuỗi ADN giống hệt nhau. Như vậy Watson và Crick đã cho chúng ta thấy các gien có thể được di truyền từ cha mẹ sang con như thế nào và làm sao các tế bào “con” lại chứa bộ gien giống tế bào “mẹ” ban đầu. Mô hình này đơn giản và tinh nhã, và nó dường như ngay lập tức trở thành điều hiển nhiên, không cần bàn cãi. Năm 1962, khi cộng đồng khoa học đã hoàn toàn công nhận cấu trúc và vai trò của ADN, Crick, Watson, và Wilkins cùng chia sẻ giải Nobel. Chỉ ba người có thể chính thức chia sẻ một giải Nobel. Nhưng không phải người ta cố tình phớt lờ công lao của Rosalind Franklin: bà đã qua đời do ung thư buồng trứng vào năm 1958, khi bà mới 38 tuổi.

Cùng với những người khác, Francis Crick tiếp tục giải thích tại sao gien quan trọng với các sinh vật đến vậy, bên cạnh vai trò của chúng trong di truyền. Hoạt động hằng ngày của gien là tạo ra protein. “Mã gien” này được tạo thành bởi ba bậc thang liên tiếp, và mỗi bộ ba bậc thang (hay còn gọi là một codon) chịu trách nhiệm về một amino acid riêng lẻ. Crick chỉ ra cách những phần nhỏ của phân tử ADN cung cấp mã cho các amino acid, thành phần cấu tạo nên các protein như hemoglobin và insulin. Các nhà di truyền học nhận ra rằng thứ tự của các cặp base trong phân tử ADN đóng vai trò quan trọng sống còn, vì thứ tự này quyết định amino acid nào sẽ được tổng hợp và ghép vào protein. Protein là các phân tử rất phức tạp, đôi khi có tới nhiều tá amino acid, vì thế một chuỗi ADN dài là thứ cần thiết để tạo ra một protein như vậy.

Khi đã hiểu những chức năng cơ bản của ADN, các nhà khoa học lúc này đã có thể lý giải những gì Morgan đã nhìn thấy trong phòng ruồi của ông. Morgan đã quan sát những đặc điểm có thể nhìn thấy bằng mắt của toàn bộ sinh vật – trong trường hợp này, là ruồi với những đôi mắt màu trắng bình thường hoặc đôi mắt màu đỏ đột biến. Loại tính trạng quan sát được bằng mắt này được gọi là kiểu hình. Từ nay, các nhà khoa học có thể bắt đầu nghiên cứu ở một cấp độ sâu hơn cấp toàn bộ cơ thể, tức ở cấp độ của gien, thứ sau này được biết đến với thuật ngữ kiểu gien.

Việc khám phá ra cấu trúc của ADN là một bước ngoặt lớn trong lịch sử sinh học hiện đại. Nó cho thấy các nhà sinh học có thể tìm hiểu mọi sinh vật ở góc độ phân tử trong tế bào, trước đây là lãnh địa của các nhà hóa học. Giờ đây nó trở thành lĩnh vực mà mọi người đều muốn nghiên cứu. Các nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng các amino acid và cả các protein được tạo thành trong tế bào chết, tức phần chất lỏng bao quanh nhân tế bào. Việc tìm hiểu cách hoạt động của nhà máy protein tí hon này bao gồm việc khám phá ra ARN. Đây là acid ribonucleic, tương tự ADN, nhưng chỉ có một mạch, thay vì hai, và một loại đường khác. ARN có vai trò quan trọng trong dòng lưu chuyển thông tin từ ADN trong nhân tế bào đến nhà máy protein trong tế bào chất.

Các nhà sinh học phân tử khi ấy sắp thay đổi hoàn toàn những kiến thức loài người đã biết về nguồn gốc của bệnh tật. Họ đã chỉ ra các protein như hormone insulin hoạt động như thế nào để điều tiết lượng đường trong máu. Họ hiểu rõ hơn về ung thư, một trong những căn bệnh thời hiện đại đáng sợ nhất. Mặc dù mọi loại ung thư có thể lan tràn khắp cơ thể, và vì thế trở thành một căn bệnh tổng quát, chúng đều bắt đầu từ chỉ một tế bào đột biến, vận hành không đúng quy luật và không chịu dừng phân chia khi đáng ra phải dừng lại. Những tế bào vô kiểm soát này rất tham lam. Chúng làm cạn kiệt dưỡng chất của cơ thể, và nếu chúng lan đến một cơ quan quan trọng của cơ thể, các tế bào ung thư sẽ ngăn cản hoạt động của cơ quan đó, dẫn đến tình trạng bệnh nghiêm trọng hơn. Việc tìm hiểu quá trình này xảy ra như thế nào ở cấp độ phân tử là thiết yếu trước khi người ta có thể phát triển các thuốc tốt hơn để làm chậm, hoặc thậm chí dừng quá trình này.

Nghiên cứu những quá trình năng động này ở những động vật lớn và phức tạp như con người là việc khó khăn, vì thế đa số nghiên cứu của các nhà sinh học phân tử phụ thuộc vào việc dùng các sinh vật đơn giản hơn. Nhiều nghiên cứu ban đầu về vai trò thực của ADN và ARN đã được thực hiện trên vi khuẩn, và các nghiên cứu về ung thư sử dụng các động vật như chuột chẳng hạn. Chuyển những phát hiện này sang con người là không hề dễ, nhưng đó là cách khoa học hiện đại vận hành: đi từ thứ đơn giản hơn đến thứ phức tạp hơn. Phương pháp này đã giúp chúng ta hiểu được những quá trình đã thúc đẩy sự tiến hóa trong hàng triệu năm. Thì ra, ADN chính là phân tử kiểm soát vận mệnh của chúng ta.

Tác giả đang nói đến những người chỉ thừa hưởng gien hồng cầu hình lưỡi liềm từ cha hoặc mẹ (mà không phải cả hai).

Chương 38

“Đọc cuốn sách sự sống”

Dự án bản đồ gien người

Con người có khoảng 22.000 gien (con số chính xác đang được các nhà khoa học tìm kiếm và sẽ được tương lai ghi nhận như một mốc quan trọng). Làm sao chúng ta biết được điều này? Vì các nhà khoa học trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới đã cộng tác với nhau trong Dự án Bản đồ gien người. Dự án đầy tham vọng này đếm số lượng gien người bằng phương pháp giải trình tự ADN, và trả lời một câu hỏi còn bỏ ngỏ từ khi Crick và Watson tìm ra cấu trúc của ADN. Từ “giải trình tự” chỉ vị trí trên nhiễm sắc thể của từng cặp trong ba tỉ cặp base của những phân tử tạo nên bộ gien của chúng ta. Đó là vô số phân tử adenine và thymine, cytosine và guanine, được sắp xếp trong chuỗi xoắn kép trong nhân mỗi tế bào của chúng ta.

Nếu việc hiểu được ADN đã cho chúng ta “bí mật của sự sống”, thì Dự án Bản đồ gien người là về việc đọc “cuốn sách sự sống”. Vì đó chính là bản chất của bộ gien của chúng ta, những gien quy định tất cả những gì thuộc về bạn, từ màu tóc đến hình dạng của ngón chân út. Nó cũng quy định những thứ không dễ dàng nhìn được: những hướng dẫn để một tế bào trứng đã được thụ tinh nhân đôi thành hai, thành bốn, và rồi cứ thế thành cả một em bé trong tử cung. Nó điều khiển những chương trình sinh học trong các tế bào tạo ra protein như hormone insulin để điều tiết lượng đường trong máu. Nó chạy những chương trình điều khiển các hóa chất trong não truyền các thông điệp từ một dây thần kinh sang dây thần kinh tiếp theo.

Dự án Bản đồ gien người bắt đầu năm 1990 và được cho là sẽ kết thúc vào năm 2005. Nhưng trong một khoảnh khắc kịch tính của khoa học, vào ngày 26 tháng Sáu năm 2000, tức 5 năm trước kế hoạch, một điều bất thường xảy ra. Giữa những kèn trống và phô trương, trên truyền hình trực tiếp, Tổng thống Hợp chúng quốc Hoa Kỳ và Thủ tướng Vương quốc Anh tuyên bố rằng bản dự thảo đầu tiên của dự án đã được hoàn thành. Họ đi cùng một số nhà khoa học đã tham gia vào dự án, nhưng sự hiện diện của hai nhà lãnh đạo thế giới là biểu thị cho tầm quan trọng của việc hiểu được bộ gien người.

Người ta cần đến ba năm nữa, đến năm 2003, để tạo ra được một phiên bản tốt hơn của cuốn sách sự sống này – điền vào những khoảng trống lớn và chỉnh sửa phần lớn những lỗi sai. Ngay cả thế, họ đã hoàn thành sớm hai năm so với thời hạn ban đầu. Trong những năm dự án được thực hiện, những phương pháp và công nghệ được các nhà khoa học sử dụng, đặc biệt là sự hỗ trợ của các máy tính, cũng đã có những bước tiến.

Dự án Bản đồ gien đã bắt nguồn từ nhiều thập kỉ nghiên cứu kế tiếp sự kiện phát hiện ra ADN. Sau khám phá của Crick và Watson vào năm 1953, một việc quan trọng cần làm là “nhân bản vô tính” các dải ADN, để thu được thêm nhiều bản sao của một đoạn phân tử ADN cụ thể mà bạn muốn nghiên cứu. Vào những năm 1960, các nhà sinh học phân tử khám phá ra rằng có thể thực hiện điều này bằng cách sử dụng các enzyme và vi khuẩn. Enzyme là các protein có thể làm đủ thứ, tùy thuộc vào cấu trúc riêng của chúng. Chúng được sử dụng ở đây để thực hiện một trong những nhiệm vụ tự nhiên của chúng: cắt ADN thành nhiều đoạn nhỏ. Sau đó, những đoạn nhỏ này được đưa vào các vi khuẩn theo một cách đặc biệt. Các vi khuẩn sinh sản rất nhanh, và khi những vi khuẩn đã mang đoạn ADN này sinh sản, chúng tạo ra các bản sao của các đoạn ADN được đưa vào cơ thể chúng. Những bản sao này, còn được gọi là bản sao vô tính, có thể được các nhà khoa học thu hoạch để nghiên cứu. Quy trình này tạo ra nhiều phấn khích nhưng đó chỉ là khởi đầu. Toàn bộ tế bào cũng như các đoạn ADN đều có thể được nhân bản. Một con cừu tên Dolly đã trở thành động vật có vú đầu tiên được nhân bản từ một tế bào của một con cừu trưởng thành. Dolly sinh năm 1996 và mất năm 2003. Các kỹ thuật nhân bản vô tính tiếp tục phát triển và là một trong những lĩnh vực có những tin tức hấp dẫn báo chí nhất trong cả ngành nghiên cứu sinh học phân tử.

Giờ đây khi đã có nhiều đoạn ADN để thí nghiệm, các nhà khoa học bắt đầu cố gắng giải quyết vấn đề của phương pháp giải trình tự ADN: tìm ra thứ tự của các cặp base trong phân tử ADN. Đây là công việc dành cho nhà sinh học phân tử người Anh, Frederick Sanger (1918–2013), làm việc ở Cambridge. Sanger đã được trao giải Nobel năm 1958 nhờ thành tựu tìm ra thứ tự các amino acid trong protein insulin.

Một trong những điểm khác biệt quan trọng giữa các amino acid và ADN là phân tử ADN dài hơn nhiều, và số cặp base trong ADN lớn hơn số lượng amino acid trong protein rất rất nhiều. Các amino acid cũng ít tương đồng về mặt hóa học hơn, trong khi đó các cặp base của ADN lại rất giống nhau, khiến cho người ta khó xác định chúng hơn. Phát triển trên nền tảng nghiên cứu trước đó của chính ông và của những người khác, Sanger đã tìm ra một cách chuẩn bị những chuỗi ADN ngắn, sử dụng các chất đánh dấu phóng xạ, hóa chất và enzyme. Ông đã điều chỉnh nhiều phương pháp hóa sinh khác nhau cho phù hợp với nghiên cứu của mình nhằm tìm ra một cách tách adenine, thymine, cytosine, và guanine ra khỏi nhau. Để làm việc này, ông đã khai thác thực tế rằng, vì là những hợp chất hóa học, các chất này có những đặc tính vật lý học và hóa học hơi khác nhau. Các kết quả tốt nhất đến từ một quy trình được gọi là điện di.

Để đảm bảo các kết quả đủ chính xác, Sanger và nhóm của ông xử lý nhiều bản sao của mỗi chuỗi một vài lần và so sánh các kết quả. Đó là một quy trình lặp đi lặp lại, rất tốn thời gian. Nhưng, bằng cách sử dụng nhiều chuỗi ngắn trong một phân tử dài, sau đó xem xét điểm chúng bắt đầu và kết thúc, họ đã ghép được các đoạn và tạo ra một chuỗi ADN có thể đọc được. Vào năm 1977, họ có được thành công đầu tiên trong việc đọc bộ gien của một sinh vật. Nó là một sinh vật có địa vị khiêm tốn trong giới khoa học, một thể thực khuẩn có tên ϕX174. Các thể thực khuẩn là những virus xâm nhiễm vi khuẩn, và ϕX174 là loại thường xuyên được sử dụng như một công cụ trong các phòng thí nghiệm sinh học phân tử. Vào năm 1980, Sanger được trao giải Nobel thứ hai cho nghiên cứu có giá trị khoa học quan trọng này.

Những bộ gien được nhắm tới tiếp theo cũng là những sinh vật trong phòng thí nghiệm. Bất chấp việc tạo ra một chuỗi ADN có thể đọc được khó khăn đến đâu, các nhà sinh học phân tử vẫn tiếp tục nghiên cứu của họ. Trong khi đó, các đột phá trong điện toán hỗ trợ họ phân tích mô hình sắp xếp của các cặp base trên các chuỗi ngắn. Các nhà khoa học quyết tâm tiếp tục một cách say mê. Nếu họ biết chính xác một sinh vật có gien nào, và mỗi gien đó có thể sản xuất ra loại protein nào, họ sẽ có thể hiểu được những điều rất cơ bản về cách sinh vật đó được tạo ra, tường tận đến từng tế bào theo đúng nghĩa đen, từ một quả trứng đã được thụ tinh cho đến khi trưởng thành.

Ruồi giấm là một ứng cử viên hiển nhiên cho nghiên cứu của họ. Thomas Hunt Morgan và nhóm của ông trước đó đã nghiên cứu nhiều về mô hình di truyền của nó, và đã phần nào ghi lại bản đồ gien ở mức thô sơ trước năm 1950. Một ứng cử viên khác là một loài giun tròn nhỏ xíu có tên khoa học Caenorhabditis elegans. Chỉ dài 1 milimet, nó có chính xác 959 tế bào, bao gồm một hệ thần kinh đơn giản. Có thể nó không giống một con vật nuôi trong nhà, nhưng C. elegans là động vật phòng thí nghiệm mà Sydney Brenner (sinh năm 1927) ưa thích nhất trong rất nhiều năm. Từ Nam Phi, Brenner đến Phòng thí nghiệm Sinh học phân tử ở Cambridge năm 1956. Từ những năm 1960, ông đã nghiên cứu sự phát triển của loài giun tròn này, vì các tế bào của nó rất dễ quan sát. Ông cho rằng có thể xác định chính xác mỗi tế bào của phôi giun sẽ trở thành thứ gì ở con giun trưởng thành. Ông hy vọng rằng nếu ông có thể khám phá được bộ gien của loài giun này, ông sẽ có thể liên hệ gien của nó đến cách con giun trưởng thành thực hiện những chức năng sống.

Trong thời gian thực hiện nghiên cứu, Brenner và nhóm của ông cũng học được rất nhiều về những vòng đời bình thường của các tế bào trong một động vật, bao gồm một việc rất quan trọng mà tế bào phải thực hiện: chết đi khi đến thời điểm để chết. Thực vật và động vật luôn luôn tạo ra các tế bào mới: hãy nghĩ đến da của bạn và cách nó bong ra khi bạn ngồi trong bồn tắm lâu. Chúng ta thải những thứ đã chết, và những tế bào mới đầy sức sống, sẽ thế chỗ tế bào chết từ bên dưới. Tất cả quá trình sinh ra rồi chết đi ấy trong cơ thể một sinh vật là một đặc điểm bình thường của tự nhiên, và các gien lập trình quá trình này. Đó là lý do vì sao các tế bào ung thư nguy hiểm đến vậy: chúng không biết khi nào là thời điểm chúng phải chết đi. Việc cố gắng tác động lên phần gien không hoàn thành nhiệm vụ báo cho tế bào biết thời điểm để dừng phân chia là một phần quan trọng trong nghiên cứu ung thư hiện đại. Brenner và hai cộng sự của ông đã được trao giải Nobel vào năm 2002 cho nghiên cứu của họ trên loài giun tròn nhỏ bé khiêm nhường.

Đến thời điểm này, một trong những cộng sự đó, John Sulston (1942–2018), đang dẫn đầu một nhóm người Anh tham gia vào Dự án Bản đồ gien người. Dự án này mang ý nghĩa biểu tượng của khoa học hiện đại. Thứ nhất, nó tốn kém và hàng nghìn người đã tham gia vào dự án. Nhà khoa học thời hiện đại hiếm khi làm việc đơn độc, và chuyện một bài nghiên cứu khoa học ngày nay có hàng chục, thậm chí hàng trăm tác giả là một việc hết sức bình thường. Nghiên cứu có thể đòi hỏi nhiều cá nhân với những kĩ năng khác nhau. Một quãng thời gian dài đã trôi qua kể từ thời William Harvey một mình nghiên cứu quả tim, hay Lavoisier làm việc trong phòng thí nghiệm với trợ lý duy nhất là vợ ông. Một vài phòng thí nghiệm cộng tác với nhau trong việc giải trình tự bộ gien người. Họ chia các nhiễm sắc thể thành nhiều phần để giao cho các phòng thí nghiệm, vì thế tinh thần hợp tác và sự tin tưởng lẫn nhau là cần thiết, và mọi phòng thí nghiệm phải tạo ra những chuỗi trình tự đạt được những tiêu chuẩn cao giống nhau. Điều này đòi hỏi ADN được chia thành nhiều phần nhỏ hơn nữa, và sau đó phân tích bằng máy tính để ghép chúng lại với nhau thành một trình tự duy nhất. Việc vận hành các phòng thí nghiệm này rất tốn kém, vì thế người ta cần đến nguồn tài trợ hào phóng. Tại Hoa Kỳ, nguồn tài trợ này được cung cấp bởi các phòng thí nghiệm được chính phủ hỗ trợ, thuộc Viện Y học Quốc gia và các nơi khác. Tại Liên hiệp Anh, đầu tiên là hỗ trợ tài chính của chính phủ, sau đó là một quỹ từ thiện tư nhân lớn phục vụ nghiên cứu y học, Quỹ Wellcome, trang trải kinh phí cho nghiên cứu này. Chính phủ Pháp và Nhật cũng cấp kinh phí cho các phòng thí nghiệm nhỏ, khiến dự án này thật sự có tính quốc tế.

Thứ hai, dự án này, và chính nền khoa học hiện đại, sẽ là bất khả thi nếu không có máy tính. Các nhà khoa học phải phân tích những lượng thông tin lớn khi họ xem xét từng đoạn ADN và cố gắng tìm xem nó bắt đầu và kết thúc ở đâu. Đối với con người việc này là quá tải, nhưng máy tính lại thực hiện nó rất nhanh. Nhiều dự án khoa học hiện nay tuyển những người chỉ có nhiệm vụ chăm sóc các máy tính và các chương trình máy tính, chứ không phải các con ruồi giấm hay ống nghiện.

Thứ ba, khoa học hiện đại là một ngành kinh doanh lớn, sinh ra cũng như tiêu tốn rất nhiều tiền. Dự án Bản đồ gien người trở thành một cuộc đua giữa những nhóm nhận được tài trợ từ nguồn tài chính công với một công ty tư nhân do một doanh nhân người Mỹ Craig Venter (sinh năm 1946) thành lập. Venter, một nhà khoa học có tài năng thiên bẩm, đã góp phần phát triển một số thiết bị có thể tăng tốc quá trình giải trình tự ADN. Ông muốn trở thành người đầu tiên giải mã được bộ gien người, đăng kí bản quyền kiến thức này và thu phí từ những nhà khoa học và công ty dược phẩm sử dụng thông tin của ông. Kết quả cuối cùng là một sự thỏa hiệp. Toàn bộ bộ gien người sẵn có để truy cập miễn phí, nhưng một vài phương pháp sử dụng thông tin này có thể được đăng kí bản quyền, và các dược phẩm hoặc phương pháp xét nghiệm bắt nguồn từ các thông tin ấy có thể được bán để thu lợi nhuận. Và tất nhiên, ngày nay người ta trả tiền để ADN của họ được giải trình tự, với hy vọng rằng những gì họ biết được sẽ giúp họ duy trì sức khỏe và tránh được những căn bệnh có thể ảnh hưởng đến họ trong tương lai.

Cuối cùng, dự án bản đồ gien là một ví dụ xác thực về “cơn sốt” xung quanh ngành khoa học quan trọng thời nay. Các nhà khoa học phải cạnh tranh để lấy những khoản trợ cấp hiếm hoi, và đôi khi phóng đại tầm quan trọng của nghiên cứu của họ để lấy được những khoản hỗ trợ tài chính. Các nhà báo tường thuật lại những câu chuyện của họ, gán cho chúng những thứ hào nhoáng kịch tính nhất mà nhà báo có thể gán, vì khoa học bình thường không phải là tin tức. Mỗi công bố mới về một khám phá hoặc đột phá làm tăng sự kỳ vọng từ công chúng, rằng một phương pháp chữa lành hoặc điều trị sẽ sớm xuất hiện. Nhưng trong hầu hết các trường hợp, khoa học cần nhiều thời gian để người ta nhận ra những tác dụng dài hạn của nó. Kiến thức mới luôn được bổ sung mỗi ngày, và các phương pháp điều trị mới luôn được giới thiệu đều đặn. Nhưng phần lớn khoa học tiến lên từng chút một, và những cơn sốt truyền thông hiếm khi tập trung vào đúng vấn đề.

Tuy nhiên, việc có thể đọc được bộ gien người vẫn là một thành tựu to lớn, vì nó có thể cho chúng ta hiểu biết chính xác hơn rất nhiều về sức khỏe và bệnh tật. Vào thời điểm thích hợp, nó sẽ giúp chúng ta phát triển những loại thuốc mới chống ung thư, bệnh tim, tiểu đường, chứng suy giảm trí nhớ, và các căn bệnh chết người khác của thời hiện đại. Chúng ta đều sẽ có được cuộc sống lành mạnh hơn nhờ nghiên cứu quan trọng này, trong đó có sự góp sức của các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực và nhiều quốc gia.

Chương 39

Vụ nổ Lớn

Nếu người ta làm một bộ phim về lịch sử Vũ Trụ, điều gì sẽ xảy ra nếu bạn xem nó ngược dòng thời gian? Khoảng năm tỉ năm trước, hành tinh của chúng ta sẽ biến mất từ những mảnh vụn của hệ Mặt Trời, và đây có lẽ là lúc nó được hình thành. Tiếp tục đi ngược về điểm khởi đầu và chuyện gì xảy ra vào lúc đó? Vụ nổ Lớn: một vụ nổ mạnh đến nỗi người ta vẫn cảm thấy nhiệt độ và lực của nó vào thời điểm 13,8 tỉ năm sau đó.

Ít nhất, đây cũng là giả thuyết mà các nhà khoa học từ những năm 1940 bắt đầu đề xuất với niềm tin ngày càng tăng. Vũ Trụ đã bắt đầu từ một điểm, một trạng thái đậm đặc, nóng đến mức không thể tưởng tượng, và sau đó Vụ nổ Lớn xảy ra. Kể từ thời khắc đó, nó vẫn đang nguội lại và mở rộng, đưa các thiên hà ra xa điểm khởi đầu này. Vũ Trụ của chúng ta năng động và lý thú, mà trong đó chúng ta chỉ là những hạt bụi nhỏ nhất trong những hạt rất nhỏ. Nó được cấu thành từ các ngôi sao, hành tinh và sao chổi, tạo thành các thiên hà mà con người có thể quan sát, cũng có rất nhiều thứ ta không thể quan sát được – các hố đen, và cả lượng “vật chất tối” lẫn “năng lượng tối” nhiều hơn hẳn.

Vậy, có phải Vụ nổ Lớn thực sự đã xảy ra, và nó có thể giải thích được Vũ Trụ không? Dĩ nhiên, không ai có mặt ở đó vào thời điểm đó để bắt đầu ghi hình. Và điều gì xảy ra ngay trước Vụ nổ Lớn? Đây là những câu hỏi mà người ta không thể trả lời chắc chắn, nhưng chúng liên quan rất nhiều đến vật lý học tân tiến nhất và Vũ Trụ học (bộ môn nghiên cứu Vũ Trụ). Chúng đã dẫn đến nhiều cuộc tranh luận trong khoảng nửa thế kỷ vừa qua. Và hiện tại các tranh luận vẫn đang tiếp diễn.

Vào khoảng năm 1800, Laplace, một người Pháp tin theo thuyết Vũ Trụ của Newton, đã phát triển thuyết tinh vân của mình (Chương 18). Ông chủ yếu nhắm đến lập luận rằng hệ Mặt Trời đã phát triển từ một đám mây khí khổng lồ. Giả thuyết này đã thuyết phục được nhiều người rằng Trái Đất có một lịch sử cổ xưa và giúp giải thích những tính chất của nó, Ví dụ như nhiệt lượng tại lõi của Trái Đất, hóa thạch và các đặc điểm địa chất khác. Nhiều nhà khoa học thế kỷ 19 đã tranh luận sôi nổi về tuổi của Trái Đất và của thiên hà chúng ta, dải Ngân Hà. Trong những thập niên đầu thế kỷ 20, hai bước tiến mới đã khiến các câu hỏi thay đổi hoàn toàn.

Đầu tiên là Thuyết Tương đối rộng của Einstein, với những gợi ý quan trọng cho thời gian và không gian (Chương 32). Bằng việc nhấn mạnh rằng hai thứ này liên kết mật thiết với nhau, thực chất chỉ là một “không gian–thời gian”, Einstein đã bổ sung một chiều mới cho Vũ Trụ. Nghiên cứu bằng toán học của Einstein cũng gợi ý rằng không gian là cong, vì thế hình học Euclid không thể cho chúng ta những giải thích thỏa đáng với những khoảng cách cực lớn trong không gian. Trong Vũ Trụ Euclid, các đường song song kéo dãi mãi mãi, và không bao giờ gặp nhau. Nhưng Vũ Trụ ấy giả thiết rằng không gian là phẳng. Trong một thế giới phẳng và tuân theo giả thuyết của Euclid, tổng các góc trong của một tam giác luôn bằng 180 độ. Nhưng nếu bạn đo một tam giác trên một mặt cầu, với bề mặt cong của nó, nguyên lý của Euclid không giải quyết được vấn đề. Và nếu chính không gian là cong, thì chúng ta cần đến những dạng toán học khác để tính toán.

Khi đã chấp nhận những sự thật quan trọng trong nghiên cứu xuất sắc của Einstein, các nhà vật lý học và Vũ Trụ học có những tư duy mới để triển khai. Trong khi cuộc cách mạng mà Einstein mang đến hầu như mang tính lý thuyết, bước tiến quan trọng thứ hai trong Vũ Trụ học không hề như vậy. Nó dựa vững chắc trên những quan sát thực tế, đặc biệt là những quan sát của nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble (1889–1953). Hubble được vinh danh vào năm 1990 khi một tàu con thoi đưa một kính viễn vọng Vũ Trụ mang tên ông vào quỹ đạo quanh Trái Đất. Kính viễn vọng Không gian Hubble gần đây đã tiết lộ nhiều điều, thậm chí nhiều hơn những gì ông đã có thể quan sát với kính viễn vọng ở đài quan sát trên núi Wilson California, nơi ông làm việc. Vào những năm 1920, Hubble đã quan sát được xa hơn bất cứ nhà thiên văn nào trước đó. Ông cho chúng ta thấy rằng thiên hà của chúng ta (dài Ngân Hà) thậm chí còn không phải là điểm khởi đầu của phần kết của Vũ Trụ. Nó là một trong hàng nghìn thiên hà khác mà ta không thể đếm xuể, trải ra trong không gian xa hơn cả những nơi mà kính viễn vọng có thể quan sát.

Các nhà Vũ Trụ học cũng nhớ đến Hubble qua con số đặc biệt, “hằng số” gắn liền với tên ông. (Có thể bạn nhớ hằng số Planck, cũng là một ý tưởng tương tự.) Khi ánh sáng đi theo chiều ra xa chúng ta, nó chuyển phổ sóng của nó sang vùng biên màu đỏ trong phổ ánh sáng con người nhìn thấy được. Đây được gọi là “dịch chuyển đỏ”. Nếu ánh sáng đi về phía chúng ta, phổ sóng của nó chuyển về vùng biên còn lại trong phổ ánh sáng con người nhìn thấy được, tức “dịch chuyển xanh”. Đây là một hiệu ứng mà các nhà thiên văn học có thể dễ dàng đo được, và nó sinh ra nhờ chính thứ khiến cho âm thanh con tàu phát ra khi nó đi về phía bạn nghe khác với âm thanh khi nó đi ra xa bạn. Điều Hubble nhìn thấy là ánh sáng từ những ngôi sao rất xa có dịch chuyển đỏ, và ngôi sao ở càng xa thì sự dịch chuyển càng lớn. Điều này nói cho ông biết rằng các ngôi sao đang dịch chuyển ra xa khỏi chúng ta, và càng xa chúng ta, chúng càng dịch chuyển nhanh hơn. Vũ Trụ đang mở rộng, và nó có vẻ đang mở rộng với tốc độ ngày càng cao. Hubble đo khoảng cách từ các ngôi sao đến chúng ta và mức độ của sự dịch chuyển đỏ. Các kết quả đo của ông nằm trên một đường gần như thẳng khi ông biểu diễn chúng trên một biểu đồ. Dựa vào đây, ông tính được “hằng số Hubble” mà sau này ông công bố trong một bài báo khoa học rất quan trọng vào năm 1929. Con số phi thường này cho các nhà Vũ Trụ học một phương pháp tính tuổi của Vũ Trụ.

Kể từ đó, hằng số Hubble vẫn luôn được tinh chỉnh. Những quan sát mới đã tìm thấy những ngôi sao thậm chí ở xa hơn, và hiện nay chúng ta có thể thực hiện những phép đo dịch chuyển đỏ chính xác hơn. Một vài ngôi sao trong số này cách chúng ta hàng triệu năm ánh sáng. Một năm ánh sáng dài khoảng 9,5 nghìn tỉ kilomet trên Trái Đất. Một tia sáng chỉ cần 8 phút để đi từ Mặt Trời đến Trái Đất. Nếu tia sáng đó bật ngược trở lại Mặt Trời, nó có thể thực hiện 32.000 hành trình khứ hồi như vậy trong một năm – đây là một cách khác để đánh giá đúng những khoảng cách cực lớn trong các hành trình trên. Và cả những khoảng thời gian cực lớn. Một phần những thứ chúng ta nhìn thấy trên bầu trời đêm là những tia sáng bắt đầu hành trình của chúng rất rất lâu trước khi chúng tới mắt chúng ta, phát ra từ các ngôi sao đã biến mất kể từ khi những tia sáng đó đi khỏi. Để có được một giá trị thực sự chính xác của hằng số Hubble, chúng ta cần biết chính xác khoảng cách từ những ngôi sao và các thiên hà này đến chúng ta. Nhưng bất chấp những khó khăn đó, vai trò quan trọng của hằng số Hubble chính là việc nó có thể cho chúng ta biết tương đối chính xác những ngôi sao và thiên hà kia đã di chuyển được bao lâu. Điều này cho chúng ta biết được tuổi của Vũ Trụ – bắt đầu từ Vụ nổ Lớn.

Thuyết Vụ nổ Lớn được phổ biến vào những năm 1940 nhờ công của George Gamow (1904–1968). Gamow là một nhà vật lý học gốc Nga thú vị, đến nước Mỹ vào đầu thập niên 30 của thế kỷ 20. Ông có một tư duy sáng tạo tuyệt vời, đóng góp các ý tưởng cho sinh học phân tử, cũng như vật lý học và thuyết tương đối. Cùng với một cộng sự, ông khám phá ra rằng ở cấp độ siêu nhỏ, hạt nhân nguyên tử phóng ra các electron (các hạt beta) như thế nào. Ở quy mô lớn, ông quan sát cách các tinh vân, những đám mây khổng lồ gồm các hạt nóng và bụi Vũ Trụ, hình thành. Thuyết Vụ nổ Lớn của ông, được ông cùng các cộng sự khởi đầu từ năm 1948, được xây dựng dựa trên kiến thức về những thành phần nhỏ nhất cấu thành nên nguyên tử, kết hợp với một mô hình của những gì có thể đã xảy ra khi Vũ Trụ khởi đầu.

Đầu tiên, các thành phần: các hạt và các lực. Vào những năm cuối của thập niên 40, phân nhánh này của vật lý học được gọi là điện động lực học lượng tử hay ngắn gọn là QED. Người đàn ông đã giúp chúng ta hiểu rõ bản chất của nó là nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman (1918–1988). Ông nổi tiếng với những biểu đồ ông vẽ (đôi khi trên những chiếc khăn ăn ở nhà hàng) nhằm giải thích những lý thuyết và nguyên lý toán học của ông, và với cả khả năng chơi trống bongo. Ông được trao giải Nobel năm 1965, chủ yếu nhờ nghiên cứu của ông về QED, bộ môn cung cấp những nguyên lý toán học phức tạp để mô tả những lực và hạt thậm chí còn nhỏ hơn nguyên tử mà chúng ta sẽ xem xét dưới đây.

Sau Thế chiến thứ hai, các nhà vật lý học nghiên cứu hạt tiếp tục công việc gia tốc nguyên tử và sau đó là gia tốc các hạt trong những máy gia tốc ngày càng mạnh hơn. Các máy gia tốc có thể phá vỡ các nguyên tử thành các hạt hạ nguyên tử, việc này giống như đảo ngược lại những gì đã xảy ra ngay sau Vụ nổ Lớn. Ngay sau Vụ nổ Lớn, khi quá trình nguội đi bắt đầu diễn ra, các khối cơ bản của vật chất bắt đầu hình thành. Các nguyên tử ra đời từ các hạt, các nguyên tố ra đời từ các nguyên tử, và cứ thế cho tới các hành tinh và các ngôi sao, Như công thức E = mc2 của Einstein đã cho chúng ta biết, những vận tốc liên tục tăng cao, gần bằng vận tốc ánh sáng, trong các máy gia tốc, khối lượng hầu như được chuyển hết thành năng lượng. Các nhà vật lý học phát hiện ra rằng những hạt cực nhanh này làm những điều cực kì thú vị. Electron đi ra từ máy gia tốc mà không hề thay đổi và hoàn toàn không được cấu thành từ bất cứ thứ gì khác ngoài chính nó. Nó là một thành viên trong gia đình các hạt lực – các hạt lepton. Các hạt proton và neutron hóa ra được cấu thành bởi các hạt còn nhỏ hơn gọi là hạt quark. Có một số loại hạt quark khác nhau. Mỗi loại mang một điện tích. Kết hợp với nhau thành các bộ ba, chúng tạo ra một neutron hay một proton.

Vũ Trụ có bốn lực cơ bản.§ Tìm hiểu cách chúng liên hệ với nhau là một trong những hành trình vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Lực hấp dẫn là lực yếu nhất, nhưng có tác dụng ở khoảng cách vô hạn. Người ta vẫn chưa hoàn toàn hiểu được nó, mặc dù chúng ta đã chính thức trăn trở về nó từ thời quả táo của Newton. Điện từ liên quan đến nhiều khía cạnh của tự nhiên. Nó giữ các electron nằm trong quỹ đạo của chúng bên trong nguyên tử, và, ở dạng ánh sáng, báo tin cho chúng ta hằng ngày rằng Mặt Trời vẫn đang chiếu sáng. Cũng nằm bên trong nguyên tử là các lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Hai lực này ràng buộc các hạt bên trong hạt nhân nguyên tử.

Ngoại trừ lực hấp dẫn, các lực khác vận động dựa trên sự trao đổi của các hạt đặc biệt, các hạt mang lực, gọi là các boson. Những hạt này bao gồm photon, tức lượng tử ánh sáng của Einstein, cũng chính là hạt boson của điện từ. Tuy nhiên, có lẽ hạt boson nổi tiếng nhất là hạt boson chưa được tìm thấy: hạt Higgs. Các nhà vật lý hạt vẫn luôn tìm kiếm nó từ những năm 1960. Hạt boson này được cho là tạo ra khối lượng cho các hạt khác. Việc tìm được nó sẽ giúp giải thích làm thế nào các hạt có được khối lượng ngay lập tức sau vụ nổ. Trong máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, máy gia tốc hạt lớn Hadron (LHC) gần Geneva, Thụy Sỹ, các nhà khoa học nghĩ rằng họ đã chớp được một thoáng nó xuất hiện trên các dụng cụ của họ vào năm 2012. Máy LHC được Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN)§ xây dựng từ năm 1998 đến năm 2008. CERN được thành lập năm 1954, Nó là một tổ chức khoa học hợp tác của một vài quốc gia châu Âu, ra đời do vấn đề chi phí cao của nghiên cứu vật lý học, và do cả nhu cầu về số lượng lớn các nhà khoa học, kỹ thuật viên, và nhân viên máy tính để triển khai và giải nghĩa các thí nghiệm này ở các cực hạn của vật chất và năng lượng.

Hạt Higgs sẽ là một mảnh cực kì hữu ích (nhưng không phải mảnh cuối cùng) trong một bức tranh ghép hình lớn được biết đến với cái tên Mô hình tiêu chuẩn, thứ giải thích được mọi điều ngoại trừ lực hấp dẫn. Và một Mô hình tiêu chuẩn được xác nhận sẽ tiến gần tới một “Thuyết Vạn vật”, có thể là thông qua lý thuyết dây, một phương pháp phân tích tất cả những lực và hạt nói trên. Lý thuyết dây dựa trên giá thiết rằng những lực cơ bản của tự nhiên này có thể được xem như những sợi dây, có tính một chiều trong không gian, đang rung động. Nó sử dụng những kiến thức toán học rất phức tạp. Lý thuyết khoa học này vẫn đang trong giai đoạn hình thành.

Khó có thể liên hệ nhiều kiến thức trong vật lý hạt ở cấp độ siêu nhỏ này với thế giới bình thường mà chúng ta đang sống, Nhưng các nhà khoa học đang tìm ra ngày càng nhiều ứng dụng cho chúng trong lĩnh vực năng lượng nguyên tử, truyền hình, máy tính, tính toán lượng tử và trang thiết bị kiểm tra y tế. Vượt ra ngoài giới hạn của những công dụng quan trọng này trong đời sống hằng ngày của chúng ta, vẫn còn nhiều điều để tìm hiểu, khi mà giả thuyết về Vụ nổ Lớn đã tìm được chỗ đứng trong việc lý giải những thứ nhìn thấy được lẫn không nhìn thấy được ở những miền không gian xa xôi.

Vào những năm 1920, nhà vật lý học người Nga, Alexander Friedman (1888–1925) là một trong những người nhanh chóng tiếp thu Thuyết Tương đối rộng của Einstein vào kiến thức có tính toán học của riêng ông về Vũ Trụ. Các phương trình Friedman của ông đã cung cấp những quy luật cho một Vũ Trụ đang giãn nở. Friedman cũng tự hỏi việc chúng ta quan sát các ngôi sao từ Trái Đất có phải là vấn đề quan trọng không. Trái Đất là một nơi đặc biệt đối với chúng ta, nhưng có phải nó đã cho chúng ta một địa điểm độc nhất vô nhị để quan sát Vũ Trụ? Ông trả lời: không, nó không quan trọng. Nó chỉ là nơi mà chúng ta tình cờ tồn tại. Mọi thứ trông sẽ không khác đi nếu chúng ta ở trên một hành tinh nào đó khác, ở cách Trải Đất nhiều năm ánh sáng. Đây được gọi là hằng số Vũ Trụ học Friedman. Nó cho chúng ta một ý tưởng quan trọng khác: vật chất được phân bố đồng đều trong khắp Vũ Trụ. Tất nhiên, có những khác biệt mang tính cục bộ, ví dụ như Trái Đất có mật độ vật chất cao hơn hẳn vùng không gian xung quanh nó. Nhưng trải rộng trên tất cả không gian, nguyên lý này có vẻ chính xác. Ngày nay, các nhà Vũ Trụ học vẫn lấy các mô hình của Friedman làm cơ sở cho nhiều khám phá của họ. Họ cũng phải đương đầu với những thứ kì bí như các hố đen và vật chất tối.

Hai thành viên của Hội Hoàng gia đã từng thảo luận về ý tưởng một “ngôi sao tối” trong thế kỷ 18. Việc mô tả khái niệm tương đương của nó trong khoa học hiện đại, “hố đen”, là công của một thiên tài toán học hiện đại, Roger Penrose (sinh năm 1931), và một nhà vật lý lý thuyết xuất sắc, Stephen Hawking (1942–2018). Cho đến khi nghỉ hưu, Hawking giữ vị trí cũ của Newton, Giáo sư Toán học Lucasian tại Đại học Cambridge. Cùng nhau, họ đã giải thích tại sao người ta dễ dàng tưởng tượng ra các hố đen, nhưng dĩ nhiên không thể nhìn thấy chúng. Đó là do chúng được tạo ra bởi các vùng trong không gian mà tại đó các ngôi sao sắp chết dần dần co lại. Khi vật chất còn lại của các ngôi sao này nén đậm đặc lại với nhau, các lực hấp dẫn trở nên mạnh đến nỗi các hạt photon của ánh sáng bị giữ lại và không thể thoát ra.

Tồn tại cả các hố đen siêu lớn. Vào năm 2008, siêu hố đen của chính dải Ngân Hà, hố đen Sagittarius A*, được xác định tồn tại sau một cuộc săn tìm kéo dài 16 năm với các kính viễn vọng ở Chile. Các nhà thiên văn học, dẫn đầu bởi một người Đức, Reinhard Genzel (sinh năm 1952) đã quan sát các quy luật di chuyển của các ngôi sao có quỹ đạo xoay quanh hố đen trung tâm của thiên hà này. Họ sử dụng các phép đo ánh sáng hồng ngoại vì có quá nhiều bụi Vũ Trụ giữa các hố đen và chúng ta, những người cách hố đen đó đến 27.000 năm ánh sáng.

Những hố đen siêu lớn có thể đóng một vai trò nào đó trong sự hình thành các thiên hà và liên quan đến một phần khác của không gian mà chúng ta không thể nhìn thấy trực tiếp: vật chất tối. Vật chất tối được cho là chiếm phần lớn Vũ Trụ, ở mức 80% vật chất của Vũ Trụ, so với con số 4% của khí và bụi Vũ Trụ cùng với các ngôi sao và hành tinh mà chúng ta nhìn thấy được. Vật chất tối lần đầu tiên được nghĩ đến vào những năm 1930, để giải thích tại sao những mảng lớn của Vũ Trụ lại không vận động chính xác như những gì người ta đã dự đoán. Các nhà khoa học nhận ra rằng có một sự không trùng khớp giữa khối lượng của các phần nhìn thấy được và hiệu ứng hấp dẫn của chúng: còn thiếu một thứ gì đó. Vào những năm 1970, nhà thiên văn học Vera Rubin (1928–2016) đã lập biểu đồ tốc độ của các ngôi sao ở rìa các thiên hà. Chúng di chuyển nhanh hơn vận tốc mà người ta tính toán ra cho chúng. Theo tư duy truyền thống, người ta nghĩ rằng càng xa trung tâm của dải ngân hà, các ngôi sao phải di chuyển càng chậm. Vật chất tối hẳn đã cung cấp phần lực hấp dẫn bổ sung cần thiết để tăng tốc cho các ngôi sao. Như vậy, một cách gián tiếp, bằng chứng về sự tồn tại của vật chất tối đã được cung cấp và nhìn chung, nó được chấp nhận. Nhưng bản chất của vật chất tối vẫn là một bí ẩn, và là một thứ gì đó khác sẽ được tìm thấy hoặc bị bác bỏ trong tương lai.

Vũ Trụ học hiện đại đã ra đời từ các học thuyết của Einstein, từ hàng nghìn hàng nghìn quan sát, với các máy tính để phân tích dữ liệu của các quan sát đó, và từ ý tưởng của Gamow về Vụ nổ Lớn. Giống bất cứ lý thuyết tốt nào trong khoa học, Vu nổ Lớn vẫn luôn thay đổi kể từ thời của Gamow. Trên thực tế, trong hai thập kỷ từ khi nó được công bố vào năm 1948, các nhà vật lý học gần như không bận tâm đến nghiên cứu nguồn gốc Vũ Trụ. Vụ nổ Lớn phải cạnh tranh với một mô hình Vũ Trụ khác, được gọi là mô hình “trạng thái dừng”, chủ yếu gắn với tên tuổi nhà thiên văn học Fred Hoyle (1915–2001). Mô hình của Hoyle được một số người ủng hộ vào những năm 1950. Nó đề xuất một Vũ Trụ vô tận, với sự hình thành liên tục của vật chất mới. Trong trạng thái này, Vũ Trụ không có điểm khởi đầu và điểm kết thúc. Giả thuyết về trạng thái dừng có quá nhiều lỗ hổng đến nỗi nó có một đời sống khoa học cực ngắn.

Các nhà vật lý học hiện nay đã có thông tin về những hạt và lực chỉ tồn tại trong thời gian ngắn, tập trung trong các máy gia tốc hạt. Họ đã quan sát được các miền không gian xa xôi. Họ đã có thể tinh chỉnh những gì chúng ta biết về Vụ nổ Lớn. Vẫn còn nhiều bất đồng ý kiến về các chi tiết, và thậm chí về một số nguyên lý cơ bản, nhưng điều này không hề bất thường trong khoa học. Mô hình Vụ nổ Lớn có thể giúp giải thích nhiều thứ mà hiện nay con người đã có thể đo lường, bao gồm các dịch chuyển đỏ của các ngôi sao ở xa, bức xạ nền Vũ Trụ và các lực nguyên tử cơ bản. Nó cũng đưa ra lý giải về hố đen và vật chất tối một vị trí trong hệ thống lý thuyết của nó. Điều mà mô hình này không làm, là giải thích tại sao Vụ nổ Lớn xảy ra. Nhưng, xét cho cùng, khoa học trả lời câu hỏi như thế nào, chứ không phải câu hỏi tại sao. Giống như trong mọi nhánh của khoa học, một số nhà vật lý học và Vũ Trụ học có đức tin tôn giáo và nhiều người khác lại không. Nó cần phải như vậy. Khoa học tốt nhất luôn được tiến hành trong một bầu không khí của sự dung hòa.

Còn được gọi là bốn tương tác cơ bản.

Nguyên văn: European Organisation for Nuclear Research. CERN là tên thông dụng của tổ chức này, là viết tắt của Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire.

Chương 40

Khoa học trong thời đại số

Lần tiếp theo bạn bật máy tính của mình lên chắc không phải để “tính”. Bạn có thể tra cứu thứ gì đó, gửi thư điện tử cho bạn bè, hoặc xem cập nhật kết quả bóng đá. Nhưng các máy tính ban đầu là các cỗ máy chỉ có thể tính, tức tính toán, mọi thứ nhanh hơn hoặc chính xác hơn bộ não của chúng ta.

Chúng ta nghĩ về máy tính như một công nghệ hiện đại nhất, nhưng ý tưởng về máy tính đã có từ rất lâu. Vào thế kỷ 19, nhà toán học người Anh Charles Babbage (1792–1871) đã phát minh ra một cỗ máy tính toán mà có thể được “lập trình” để thực hiện các trò đùa. Ví dụ, ông có thể thiết lập nó đếm từng số cho đến 1.000.000, và khi đến con số đó, nó nhảy luôn sang 1.000.002. Bất cứ ai kiên nhẫn nhìn nó đếm đến 1.000.000 hẳn sẽ bị bất ngờ bởi con số bị bỏ sót. Ý của Babbage là cỗ máy của ông có thể làm những việc mà chúng ta sẽ không nghĩ có thể xảy ra trong sự vận hành bình thường của tự nhiên.

Cuối thế kỷ 19, nhà toán học người Mỹ, Herman Hollerith (1860–1929) đã phát minh ra một cỗ máy chạy bằng điện sử dụng các tấm bìa đục lỗ để phân tích rất nhiều dữ liệu. Nếu các tấm bìa được đục lỗ chính xác và đưa vào máy, nó có thể “đọc” chúng và xử lý thông tin. Cỗ máy Hollerith rất hữu dụng trong việc phân tích thông tin mà mọi người điền vào các phiếu điều tra dân số, được tập hợp để giúp chính phủ hiểu hơn về dân cư. Rất nhanh chóng, nó có thể tính được những dữ liệu cơ bản như người ta có thu nhập bao nhiêu, có bao nhiêu người sống trong mỗi hộ gia đình, tuổi tác và giới tính của họ. Tấm bìa đục lỗ vẫn là phương thức làm việc của đa số máy tính cho tới Thế chiến thứ hai.

Trong cuộc chiến đó, các máy tính cực kỳ thành công khi phục vụ các mục đích quân sự. Chúng có thể tính các quả bom sẽ đi bao xa, và chúng đóng một vai trò quan trọng hơn nhiều trong những nỗ lực tối mật nhằm giải mã những thông điệp của kẻ địch. Người Đức, Anh, và Mỹ đều phát triển những máy tính để hỗ trợ an ninh thời chiến. Đây là một sự mỉa mai kì diệu: máy tính hiện đại mở rộng thế giới của mọi người, nhưng khởi đầu nó lại là thứ mà chỉ vài người, thỏa mãn những điều kiện an ninh ngặt nghèo nhất, mới có thể tiếp cận.

Người Anh và Mỹ sử dụng máy tính để phân tích những thông điệp đã được mã hóa của người Đức. Nơi tập trung nỗ lực của người Anh trong việc bẻ khóa những mật mã của người Đức là một dinh thự nông thôn cũ, mang tên Bletchley Park, ở Buckinghamshire. Người Đức sử dụng hai cỗ máy tạo mật mã (mã hóa), Enigma và Lorenz. Mỗi ngày, các mã được thay đổi, đòi hỏi khả năng thích ứng cực tốt của các cỗ máy giải mã. Người Anh thiết kế hai máy giải mã, Bombe và Colossus. Colossus được đặt tên rất hợp, vì những máy tính này là những cỗ máy khổng lồ, lấp đầy nhiều phòng và tiêu thụ những lượng điện cực lớn.§ Những máy tính này sử dụng một loạt ống chân không để bật, tắt các tín hiệu điện. Những ống này tạo ra lượng nhiệt rất lớn và liên tục gặp lỗi. Những lối đi rộng chia tách các hàng ống để các kỹ thuật viên có thể dễ dàng thay thế các dây tóc đã cháy rụi. Vào thời đó, “gỡ lỗi” – “debug”§ – không có nghĩa là chạy một chương trình phần mềm, nó có nghĩa là đưa tay vào trong máy và tống sạch ra ngoài những con bọ, ngài hoặc ruồi, đã bay vào trong những ống thủy tinh nóng kia và làm hệ thống bị đoản mạch. Các máy bẻ khóa đã rút ngắn thời gian cuộc chiến diễn ra và không có gì phải nghi ngờ khi nói rằng chúng đã giúp phe Đồng minh chiến thắng.

Một nhà toán học xuất sắc đã làm việc ở Bletchley Park: Alan Turing (1912–1954). Ông được đào tạo tại trường đại học trước đây của tôi ở Cambridge, trường King’s College, nơi sự xuất sắc của ông được công nhận từ khi ông còn là sinh viên vào đầu những năm 1930. Ông công bố những ý tưởng quan trọng về toán học máy tính, và đóng góp của ông tại Bletchley Park thực sự xuất chúng. Sau cuộc chiến, ông tiếp tục phát triển các ý tưởng của mình. Ông có những kiến thức sâu sắc tuyệt vời về mối quan hệ giữa cách máy tính làm việc với cách bộ não của chúng ta làm việc; về “trí tuệ nhân tạo” (AI); và thậm chí về việc phát triển một cỗ máy có thể chơi cờ vua. Các đại kiện tướng cờ vua vẫn thường thắng một chiếc máy tính, nhưng các máy tính đang ngày càng giỏi hơn trong việc tạo ra được nước cờ tối ưu. Turing đã phát triển một mẫu máy tính điện tử sơ khai có tên ACE ở Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Teddington, London. Nó có khả năng tính toán lớn hơn rất nhiều. Nhưng cuộc đời ông lại có một kết thúc bi thảm. Ông là một người đồng tính, ở cái thời mà hành vi đồng tính là phạm pháp ở Vương quốc Anh. Bị cảnh sát bắt, ông trải qua một quá trình điều trị bằng hormone giới tính, để “chữa” thiên hướng tình dục của ông. Người ta gần như chắc chắn rằng ông đã tự tử bằng cách ăn một quả táo tẩm chất độc strychnine. Cuộc đời và cái chết của ông là một lời nhắc nhở rằng những nhà khoa học xuất chúng có thể là bất cứ ai, thuộc bất cứ chủng tộc, giới tính, tôn giáo và khuynh hướng tình dục nào.

Những cỗ máy khổng lồ được xây dựng trong cuộc chiến cực kì quý giá, nhưng chúng bị giới hạn bởi các van luôn rơi vào tình trạng nóng quá mức như đã nói ở trên. Một phát minh tiếp theo đã thay đổi máy tính và hầu như mọi thứ khác: linh kiện bán dẫn. Được John Bardeen (1908–1991), Walter Brattain (1902–1987) và William Shockley (1910–1989) phát triển từ cuối năm 1947, thiết bị này có thể khuếch đại và bật tắt các tín hiệu điện. So với ống chân không, linh kiện bán dẫn nhỏ rất hơn nhiều và sinh ra ít nhiệt hơn hẳn. Chúng đã khiến tất cả các loại thiết bị điện, ví dụ như các máy radio bán dẫn, nhỏ hơn và hoạt động hiệu quả hơn nhiều. Ba người đàn ông ấy chia nhau giải Nobel Vật lý học cho nghiên cứu của họ, và Bardeen tiếp tục nghiên cứu để rồi nhận được giải Nobel thứ hai trong sự nghiệp cho nghiên cứu của ông về “chất bán dẫn”, vật liệu cho phép các linh kiện bán dẫn và các mạch hiện đại ra đời.

Quân đội tiếp tục phát triển khoa học máy tính trong Chiến tranh Lạnh từ năm 1945 đến 1991. Hai siêu cường, Hợp chúng quốc Hoa Kỳ và Liên bang các nước cộng hòa Xã hội Chủ nghĩa Xô viết, không tin tưởng lẫn nhau, bất chấp việc cả hai từng là đồng minh trong Thế chiến thứ hai. Các máy tính được sử dụng để phân tích dữ liệu mà mỗi nước thu thập được về hoạt động của nước kia. Nhưng những chiếc máy tính ngày càng mạnh mẽ, có khả năng thực hiện cực nhiều phép tính đơn giản cũng là sự hỗ trợ to lớn đối với các nhà khoa học. Các nhà vật lý học đã tận dụng tối đa những cỗ máy mới và ngày càng được cải tiến này trong những năm 1960. Các máy gia tốc hạt năng lượng cao tạo ra nhiều dữ liệu đến mức đến cả một đội quân con người với bút chì và giấy cũng không thể nào xử lý được hết.

Ngày càng nhiều nhà khoa học máy tính trở thành các thành viên của những nhóm nghiên cứu khoa học, và các ngân quỹ cho nghiên cứu luôn bao gồm tiền lương và chi phí cho thiết bị của họ. Vì thế, việc một nhóm có thể nói chuyện với một nhóm khác không chỉ theo cách trực tiếp giữa người với người, mà còn theo cách giữa máy tính với máy tính, là hoàn toàn dễ hiểu. Thực ra việc này không đáng ngạc nhiên: điện thoại cũng đã được phát minh trước đó cả thế kỷ, và việc gửi thông điệp qua các đường dây điện tin thậm chí còn lâu đời hơn. Sau đó, vào đầu những năm 1960, “chuyển mạch gói” (packet switching) đã ra đời. Các thông điệp số có thể được phân thành những đơn vị nhỏ hơn, và mỗi đơn vị sẽ di chuyển theo tuyến đường thuận tiện nhất, rồi được ráp lại với nhau ở điểm đến, tức màn hình của máy tính nhận thông điệp. Khi bạn đang nói chuyện qua một đường dây điện thoại, bạn đang ở trong “thời gian thực” và không người nào khác có thể gọi cho bạn. Nhưng bạn có thể gửi và nhận một thông điệp trên một máy tính, ví dụ như thư điện tử hoặc bài đăng trên một trang web, và nó sẽ nằm sẵn sàng ở đó bất cứ khi nào ai đó muốn đọc.

Chuyển mạch gói được phát triển đồng thời ở Hoa Kỳ và Vương quốc Anh. Là một tính năng phục vụ an ninh quốc gia, nó cho phép các lãnh đạo quân sự hoặc lãnh đạo chính trị liên lạc với nhau, và sẽ hoạt động bình thường ngay cả khi một số trong nhiều cơ sở hỗ trợ thông tin liên lạc đã bị phá hủy. Chuyển mạch gói khiến việc kết nối các nhóm máy tính trở nên dễ dàng hơn: nối mạng chúng. Một lần nữa, những nhóm người phi quân sự đầu tiên nối mạng là các nhà khoa học. Rất nhiều ngành khoa học hiện đại hưởng lợi từ việc hợp tác. Các cộng đồng hàn lâm là những nhóm hưởng lợi chủ yếu từ những máy tính ngày càng trở nên nhỏ và mạnh hơn của những năm 1960. So với những máy tính chúng ta dùng ngày nay, chúng là những cỗ máy cực lớn, cực chậm, và cực đắt. Nhưng bạn sẽ thở phào khi biết rằng người ta đã có thể chơi trò chơi máy tính vào thời điểm đó, vì thế trò vui đã bắt đầu từ rất sớm. Tốc độ thay đổi của máy tính tăng vọt vào những năm 1970. Các máy tính – hay máy vi tính, như cách mà người ta gọi chúng – với một màn hình và bàn phím đã trở nên đủ nhỏ để nằm vừa vặn trên một bàn làm việc. Khi những con chíp vi xử lý mà chúng mang trở nên mạnh mẽ hơn, cuộc cách mạng máy tính cá nhân bắt đầu. Phần lớn các nghiên cứu được thực hiện ở thung lũng Silicon ở bang California, Hoa Kỳ.

Máy tính tiếp tục thay đổi cách các cộng đồng hàn lâm làm việc và giao tiếp với nhau. Một trong những nhóm tập hợp nhiều nhà vật lý học nhất thế giới làm việc tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN), nơi có máy gia tốc hạt lớn Hadron, máy gia tốc hạt nhanh nhất thế giới (Chương 39). Các chuyên gia máy tính tại CERN đưa nối mạng và phân tích dữ liệu lên những tầm cao mới vào những năm 1980 và 1990. Một chuyên gia trong số đó là Tim Berners-Lee (sinh năm 1955). Berners-Lee luôn bị thu hút bởi các máy tính. Ông lớn lên cùng với chúng, bởi cả cha và mẹ ông đều là những người tiên phong trong lĩnh vực máy tính. Berners-Lee nghiên cứu vật lý học tại Oxford rồi chuyển đến làm việc tại CERN. Năm 1989, ông đề nghị những khoản kinh phí nghiên cứu cho đề tài “Quản lý Thông tin”. Các cấp trên của ông ở CERN đã giúp ông được phần nào, nhưng ông kiên trì với ý tưởng làm cho lượng thông tin sẵn có và ngày càng nhiều trên Internet trở nên dễ dàng tiếp cận đối với bất cứ ai có một chiếc máy tính và một đường dây điện thoại. Cùng với cộng sự của mình là Robert Cailliau (sinh năm 1947), ông phát minh ra mạng toàn cầu – World Wide Web. Ban đầu, nó chỉ được sử dụng tại CERN và một hoặc hai phòng thí nghiệm vật lý học khác. Sau đó, vào năm 1993, nó trở thành mạng công cộng. Sự kiện này trùng hợp với sự phát triển ồ ạt của các máy tính cá nhân, không chỉ ở nơi làm việc mà còn tại nhà. Những người dẫn đầu cuộc cách mạng máy tính cá nhân, như Bill Gates (sinh năm 1955) của Microsoft và Steve Jobs (1955–2011) của Apple là những anh hùng khoa học hiện đại (và trở nên rất giàu có). Như vậy, năm 1955 hóa ra là một năm tốt lành cho máy tính: Berners-Lee, Bill Gates và Steve Jobs đều sinh năm này.

Tốc độ phát triển máy tính từ những năm 1970 trùng khớp với tốc độ phát minh ra những phương pháp để giải trình tự bộ gien. Việc hai sự kiện này diễn ra cùng lúc không phải là một sự trùng hợp ngẫu nhiên. Không thể tưởng tượng ra khoa học hiện đại mà không có máy tính hiện đại. Nhiều vấn đề nền tảng và quan trọng của khoa học hiện đại, từ thiết kế những loại thuốc mới cho đến mô hình hóa biến đổi khí hậu, đều phụ thuộc vào những cỗ máy này. Tại các hộ gia đình, chúng ta sử dụng chúng để làm bài tập về nhà, đặt vé cho các kì nghỉ và chơi trò chơi máy tính. Những hệ thống máy tính nhúng điều khiển các máy bay của chúng ta, hỗ trợ công tác tạo hình ảnh y khoa và giặt quần áo cho chúng ta. Giống khoa học hiện đại, đời sống hiện đại cũng dựa vào máy tính.

Chúng ta không có gì phải ngạc nhiên với điều này. Một trong những điều tôi đã cố gắng trình bày trong cuốn sách này là ở bất cứ thời điểm nào trong lịch sử, khoa học vẫn luôn là sản phẩm của đúng thời điểm đó. Thời điểm của Hippocrates khác với thời điểm của Galileo hay Lavoisier. Họ ăn mặc, ăn uống và suy nghĩ như những người khác ở cùng thời với họ. Những người xuất hiện trong cuốn sách này tư duy sắc sảo hơn đa số những người cùng thời, và có khả năng truyền đạt các ý tưởng của mình. Đó là lý do vì sao những gì họ tư duy và viết ra đáng để chúng ta ghi nhớ.

Tuy nhiên khoa học của thời đại chúng ta mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Máy tính là công cụ hữu ích với tội phạm và tin tặc cũng như với các nhà khoa học và sinh viên. Khoa học và công nghệ có thể bị sử dụng vào mục đích xấu một cách dễ dàng không kém gì khi chúng được sử dụng cho lợi ích chung của chúng ta. Chúng ta cần những nhà khoa học tốt, nhưng chúng ta cũng cần những công dân tốt, những người sẽ đảm bảo rằng khoa học của chúng ta sẽ biến thế giới thành một nơi tốt đẹp hơn để sống.

Từ “colossus” trong tiếng Anh có nghĩa là một người hoặc một vật khổng lồ.

Từ “debug” bắt nguồn từ cách chơi chữ của Đô đốc Grace Hopper khi bà kết hợp tiền tố “de” (loại bỏ) với từ “bug” (bọ, côn trùng) thành từ “debug” để mô tả việc người ta bắt một con ngài ra khỏi cỗ máy tính. Sau này nó được dùng để chỉ việc gỡ lỗi máy tính, và cả việc tìm kiếm, gỡ bỏ hoặc vô hiệu hóa các thiết bị nghe trộm.