NGUYÊN TỬ HIỆN RA
“Cơ sở của vũ Trụ là các nguyên tử và chân không. Tất cả những thứ còn lại chỉ tồn tại trong ý nghĩ ''
(Democritus)
''Con người theo bản tính luôn vươn tới tri thức... - nhà bác học Hi Lạp cổ đại Aristotle viết – Sự ngạc nhiên khiến cho con người ưa triết lý. Người thông minh, ở chùng mực có thể, sẽ hiểu biết mọi điều, mặc dù anh ta không có tri thức về từng đối tượng riêng biệt... Gần gũi hơn cả với trí tuệ chính là thứ khoa học nào mà ước vọng của nó là vì chính bản thân nó và vì sự hiểu biết – chứ không phải những thứ khoa học chỉ ham hố lợi ích thực dụng. Người nào biết tìm kiếm tri thức vì chính tri thức thì sẽ nhận biết thứ khoa học hoàn hảo nhất – thứ khoa học xứng đáng nhất cho sự nhận thức. Mà xứng đáng nhất cho sự nhận thức chính là cái khởi nguyên ban đầu và những nguyên nhân chính vì qua đó và nhờ đó ta sẽ hiểu biết về mọi thú còn lại''.
Ông tổ của khoa học cổ đại, nhà triết học Hi Lạp Thales (khoảng 625 - 547 tr. CN) xem nước là nguyên tố cơ sở. Nén chặt lại thì nước tạo thành vật rắn, khi bay hơi nước tạo thành không khí... Thales nói là nước sinh ra mọi thứ và Trái Đất nổi trên mặt nước giống như một khúc gỗ.
Sau đó Empedocle ở Agrigentum (khoảng 490 - khoảng 430 tr. CN) đã tăng số các nguyên tố cơ sở là nguồn gốc của thế giới lên con số 4.
Ông lập luận: khi đốt cây thì khói (không khí) bốc lên, sau đó xuất hiện ngọn lửa (lửa). Khi đó trên mặt vật lạnh bên cạnh nước xuất hiện hơi ẩm (nước) và sau khi cây cháy hết sẽ còn lại tro (đất). Và do đó lửa, không khí, nước và đất được coi là các yếu tố cơ bản (ông gọi là ''nguồn gốc'') làm nên thế giới. Rồi ông thêm vào bốn yếu tố này hai ''tác nhân chuyển động'': ''yêu'' - có xu hướng liên kết các yếu tố khác nhau lại và ''ghét” là tác nhân có khuynh hướng tách rời các yếu tố đó ra.
Song việc coi tất cả mọi thứ là biểu hiện của bốn yếu tố trên không làm thỏa mãn tất cả mọi người. Người ta đưa ra những vấn đề: vật chất tạo nên thế giới có liên tục hay không? Có tồn tại một chân không – nơi không có vật chất hay không? Bốn nguyên tố cơ bản này có phải còn được tạo nên từ những yếu tố bản chất hơn nào nữa hay không? Điều gì sẽ xảy ra nếu ta phân chia yếu tố nước ra thành những phần ngày càng nhỏ hơn? Sự phân chia này có thể là vô tận hay khi phân nhỏ tới một hạt nhỏ nhất nào đó, người ta sẽ không thể phân chia tiếp được nữa? Về những vốn đề này không chỉ một thế hệ các nhà triết học suy nghĩ.
Vào thế kỷ V trước công nguyên nhà bác học Hi Lạp Leucippus và sau đó học trò của ông trở thành phố Abdera (xứ Thrace) là Démocritus (khoảng 460 – 371 tr. CN) đã đưa ra giả thuyết về nguyên tử. Theo giả thuyết này thì mọi vật trên thế giới đều cấu tạo từ các nguyên tử, khác nhau về hình dáng độ lớn và hướng của nó trong vật thể. Giữa các nguyên tử là chân không.
Theo truyền thuyết thì ý tưởng về sự tồn tại các nguyên tử xuất hiện ở tác giả khi ông ta bổ một quả táo. Một quả táo có thể được cắt nhỏ ra từng phần đến khi nào? ý nghĩa về sự tồn tại một giới hạn của việc cắt nhỏ này nảy sinh trong ông việc đặt tên cho các hạt nhỏ nhất (rồi sau đó là không thể tách được nữa) của vật chất là các nguyên tử (Chữ ''nguyên tử - atom'' theo tiếng Hi Lạp cổ có nghĩa là không thể chia nhỏ'').
Phát triển ý tưởng về nguyên tử của Leucippus, Democritus xây nên một hệ thống khoa học bao quát, trong đó có Vũ Trụ học, nhận thức luận, lôgic học, luân lý học, toán học và tâm lý học.
Theo học thuyết của ông thì trong thiên nhiên chỉ tồn tại hai khởi nguyên - đó là chân không và nguyên tử. Các nguyên tử có những chỗ lồi ra, chỗ lõm vào và những cái móc làm chúng móc nối vào nhau tạo thành những hợp chất bền vững. Nhà triết học tin tưởng vào thuyết nguyên tử đến mức quan niệm rằng ngay cả linh hồn và thần thánh cũng đều được tổ hợp từ các nguyên tử.
Người kế tục Leucippus và Democritus là Epicurus (341 - 270 tr.CN). Học thuyết của họ về những phần tử nhỏ nhất không thể phân chia được nữa là trái ngược với một ý tưởng khác, ý tướng về tính phân chia vô hạn của vật chất của triết gia Anaxagoras (khoảng 500 - 428 tr.CN) ở thành phố Clazomenae thuộc Tiểu Á. Các lập luận bênh vực học thuyết nguyên tử có thể tìm thấy trong bản trường thi nổi tiếng ''Về bản chất của sự vật, của nhà thơ, nhà triết học La Mã cổ đại Tius Lucretius Carus (thế kỷ thứ nhất tr.CN).
Số phận giả thuyết nguyên tử thật kỳ lạ! Chỉ vài chục năm sau cái chết của Democrius giả thuyết nguyên tử bị phê phán mạnh mẽ bởi Aritstotle (384 - 322 trước CN): Nếu các nguyên tử là những hạt nhỏ nhất và không thể phân chia thì chúng có thể khác nhau như thế nào với nhau? Chẳng nhẽ có thể nói về hình dáng và hướng tính của một cái gì đó không có các bộ phận? Aristotle nhấn mạnh: ''ở cái không thể phân chia thì cũng không thể có ranh giới và bộ phận nào''. Ông nhận xét thêm rằng những ai tin vào tính phân chia vô tận của vật chất cũng sai lầm nốt. Bởi sẽ còn lại cái gì sau sự phân chia vô tận ấy? Những ''điểm'' không có kích thước chăng? Nhưng có là ''hư vô''. ''Vậy, - Aritstotle viết, - sẽ không còn gì cả và vật thể bị biến mất, biến thành cái phi vật thể (hư vô). Rồi nó lại có thể xuất hiện hoặc từ các ''điểm'', hoặc nói chung từ hư vô. Chẳng nhẽ lại có thể như vậy? Cho dù tất cả các điểm được tập trung hết lại với nhau thì chúng cũng không tạo nên được độ lớn nào''.
Theo Aristotle, có một vật chất sơ cấp nào đó lò cơ sở của thế giới. Nó liên tục, tức là trong nó nguyên tử và chân không đều không tồn tại. Vật chất sơ cấp có thể có dạng của một trong bốn yếu tố cơ bản: lửa, không khí, nước, đất. Nhờ vào các liên kết khả dĩ chúng tạo nên những chất khác nhau.
Những ý tưởng về nguyên tử cũng được những nhà tư tưởng cổ của Ấn Độ phát triển. Trước Democritus rất lâu nhà triết học Kanabhuj có biệt danh là Kanada ở thế kỷ VII trước công nguyên đã phát triển học thuyết valsheshika, mà trong đó khái niệm về nguyên tử là cơ bản. Kanada nói: ''Về sự tồn tại của các nguyên tử ta biết được không phải bằng cảm nhận mà bằng lập luận''.
Về sau Giáo hội Thiên chúa giáo đã biến học thuyết của Aritstotle thành giáo điều: không được thay đổi gì hết, phải tin vào nó một cách mù quáng. Vào thế kỷ XI Hồng y giáo chủ Pierre Damien (1007 - 1072) tuyên bố rằng ''khoa học là nô bộc của thần học''. Sự tồn tại các nguyên tử không được chấp nhận trong hệ thống các quan niệm củaa Giáo hội về thế giới (nếu Chúa Trời do các nguyên tử tạo thành thì khi nào và ai đã tạo nên các nguyên tử?) và một thời gian dài người ta đã quên đi khái niệm về các hạt nhỏ nhất của vật chất.
Nhà thơ và nhà tự nhiên học người Ba Tư và Tatgic là Omar Khayyam (tên thật là Ghiyasaddin Abul Fath Omar ibn lbrahim: khoảng 1048 - 1122) đã viết hồi thế kỷ XI: “Chúng ta là chứng nhân cho cái chết của các nhà khoa học vốn đã chẳng còn được mấy người. Số phận nghiệt ngã ở thời đại này đã ngăn cản họ hiến dâng hoàn toàn cho việc hoàn thiện và đào sâu khoa học của mình. Phần nhiều những kẻ đóng bộ khoa học gia ngày nay đều che đậy bản chất bằng bộ cánh rêu, và cái khoa học của họ thì chỉ là ngụy tạo và giả dối, họ chuyên dùng chút tri thức nhặt nhạnh để mưu cầu lợi ích vật chất thấp hèn''.
Chỉ đến thế kỷ XIII và XIV mới lại xuất hiện lẻ tẻ những người ủng hộ thuyết nguyên tử. Ví dụ nhà bác học người Pháp Nicolas ở Autrecour (khoảng l300 - sau 1350) cho rằng trong các hiện tượng của tự nhiên không có gì khác ngoài sự chuyển động, sự kết hợp và tách rời của các nguyên tử. Nhưng vào năm 1347 ông buộc phải công khai chối bỏ các quan điểm của mình, còn công trình của ông thì bị Giáo hội lên án và thiêu huỷ hết.
Phải mất 300 năm nữa mới thấy xuất hiện một cuốn sách ''Chỉ dẫn về vật lý học'' (1638) của Johann Sperling (1603 - 1658). Trong cuốn sách đó ông đã khẳng định: học thuyết về nguyên tử không phải là cái gì gớm ghiếc như nhiều người tưởng. Vết nhơ nhục nhã của thế kỷ chúng ta là sự nhạo báng sự phản đối, sự lên án bất cứ những gì mà ta chưa thể lập tức đưa ra lời giải thích... Thật vô nghĩa khi hò hét rằng Epicurus thì mê sảng, Democrius thì điên loạn những người cổ xưa thì ngu xuẩn.. .''.
Đầu thế kỷ XVII nhà bác học người Pháp Pierre Gassendi ( 1592 - 1655) lần đầu tiên đưa vào thuật ngữ phân tử'' (gốc tiếng La tinh ''mole-cule'' có nghĩa là khối bé nhỏ'') để chỉ các hạt được tạo nên từ vài nguyên tử. Các quan niệm nguyên tử phân tử bắt đầu thu hút sự chú ý của các nhà hóa học và vật lý học. Tuy nhiên cho đến khi Democritus được “minh oan” thì còn xa vì Giáo hội ngoan cố bám vào quan điểm của Aristotle và trừng trị bất cứ kẻ nào dám có quan điểm khác.
Mùa hè năm 1624 một nhóm các nhà khoa học người Pháp quyết định tổ chức tại Paris một cuộc tranh luận công khai. Họ định phê phán nghiêm khắc học thuyết của Aritstotle. Điều thứ 14 của dự thảo chương trình là khôi phục lại học thuyết về nguyên tử. Song họ đã không tổ chức được. Vào đúng ngày định tổ chức cuộc tranh luận thì một trong những người tổ chức là De Clave bị bắt và người thứ hai là Villon buộc phải đi trốn. Còn những người tham gia khác thì bị
buộc phải rời khỏi Paris trong vòng 24 giờ. Và khi đó nghị viện Pháp đã đưa ra phán quyết cấm tổ chức các cuộc tranh luận kiểu như vậy và cấm truyền bá học thuyết nguyên tử, bằng không sẽ bị án treo cổ.
Qua 100 năm nữa thì Mikhail Vasilyevlch Lomonosov (1711 - 1765) bắt đầu phát triển ý tưởng về những hạt nhỏ nhất của vật chất. Ông phân biệt hai loại ''hạt không nhạy cảm'' và gọi chúng là “nguyên tố” (element, tương đương khái niệm ''nguyên tử'') và ''hạt nhỏ'' (corpus-cule tương đương khái niệm ''phân tử”). Theo Lomonosov thì “nguyên tố” là phần vật thể không được tạo nên từ các vật thể nhỏ hơn và khác nhau'', còn hạt nhỏ là tập hợp các nguyên tố thành một khối nhỏ''.
Song trong việc tái sinh khái niệm về nguyên tử thì loài người phải chịu ơn nhiều nhất nhà bác học người Anh John Dalton ( 1766 - 1844), người đầu tiên đã thử mô tả các tính chất của chúng về mặt định lượng. Chính ông đã đưa ra khái niệm nguyên tử lượng và lập bảng nguyên tử lượng các nguyên tố hóa học đầu tiên.
Nhưng cũng chính Dalton đã đưa vào khoa hóa học khái niệm về ''những nguyên tử phức tạp'', còn nhà vật lý học và hóa học người Amedeo Avogadro (1776 - 1856) thì đưa vào khái niệm về các phân tử cơ bản''. Sự lẫn lộn trong các khái niệm và sự thiếu vắng một thuật ngữ thống nhất chung đã cản trở sự phát triển tiếp theo của ngành hoá học. Hội nghị quốc tế về hóa học năm 1860 có 140 nhà bác học từ nhiều nước tham gia đã đóng vai trò quan trọng trong việc chính xác hóa các khái niệm đang thịnh hành. Sau báo cáo xuất sắc và ''đầy hứng khởi'' (theo lời của Dmitri Ivanovich Menđeleyev) của nhà hóa học người Ý Stanislao Cannizzaro (1826 - 1910), hội nghị bằng cách biểu quyết đã đưa ra nghị quyết về sự phân biệt giữa các khái niệm ''nguyên tử” và “phân tử” và sự lẫn lộn tồn tại trước đó được kết thúc hoàn toàn.
Tuy nhiên sau đó vẫn còn nhiều nhà bác học cho rằng nguyên tử và phân tử là những phần tử không tồn tại trong thực tế, mà chỉ có trong giả định để dễ hình dung.
Ví dụ, nhà hóa học và vật lý học người Đức Wilhelm Ostwald (1853 - 1932) khẳng định rằng ''nguyên tử chỉ tồn tại trong các hạt bụi ở thư viện''. Một nhà bác học nổi tiếng khác, nhà vật lý và triết học người áo Ernst Mach (1838 - 1916) thường căn vặn những ai ủng hộ nguyên tử luận: “Thế ngài đã nhìn thấy cho dù chỉ một nguyên tử nào chưa?''
Nhà vật lý lý thuyết người Áo Ludwig Boltzmann (1844 - 1906) thì lại có quan điểm khác. Mặc dù ông thân quen với Ostwald và kính trọng Mach, nhưng khác với họ, ông là người ủng hộ nhiệt thành và tin tưởng vững chắc vào học thuyết phân tử và nguyên tử và đã làm rất nhiều cho sự phát triển học thuyết này. Một lần trong lúc đang thảo luận về lý thuyết nguyên tử ở Viện Hàn lâm khoa học Len ông bỗng nghe thấy Mach nói như đinh đóng cột: ''Tôi không tin là nguyên tử có thật”. ''Lời phát biểu này - Ludwig Boltzmann về sau nhớ lại đã làm tôi chóng cả mặt…''
Boltzmann đã không sống đến khi người ta thực hiện thành công những thí nghiệm có tính chất quyết định chứng minh một cách chắc chắn sự tồn tại hiện thực của các nguyên tử. Ông đã rất phiền muộn vì sự bất đồng ý kiến với những đồng nghiệp đương thời và do đó năm 1906 ông đã tự vẫn. Boltzmann đã viết: ''Điều mà nhà thơ than phiền cũng đúng đối với nhà lý thuyết: tác phẩm của họ được viết bằng máu từ trái tim của họ, và cái thông thái nhất thì kề cận với sự điên rồ nhất”.
Ngày nay thì không còn người nào nghi ngờ về sự tồn tại của các nguyên tử, tuy nhiên những nguyên tử tồn tại thực tế không giống như Democritus tưởng. Boltzmann vào thời của mình đã viết về vấn đề này: ''Ngày nay không một nhà vật lý nào còn tin vào sự không phân chia được của nguyên tử”.
Tuy nhiên phải 5 năm sau khi ông chết người ta mới xác định được cấu trúc thực của nguyên tử. Trên cơ sở những thực nghiệm bền bỉ và tinh tế, nhà vật lý người Anh Ernst Rutherford (187l - 1937) đã đi đến kết luận: nguyên tử gồm một hạt nhân tích điện dương và được bao quanh bởi lớp vỏ điện tử tích điện âm.
Sự phát hiện cấu trúc này đánh dấu việc sinh ra học thuyết nguyên tử lần thứ ba. Như vậy từ một giả thuyết tư biện trừu tượng nó đã biến thành một đơn vị vật chất thực sự và sờ mó được.
HÃY LẮNG NGHE TÔI NÓI
Trong bản trường thi ''Về bản chất của sự vật'' Titus Lucretius Carus đã tiên đoán không chỉ về sự tồn tại các nguyên tử và sự chuyển động của chúng, mà cả về một tính quy luật của thế giới nguyên tử mà ngày nay ta gọi là chuyển động Brown:
| Cái gì từ hư vô? Không thể là gì hết Dù chia nhỏ mãi ra Vẫn chỉ là vật chất! Sự vật có sinh huỷ Tự nó cứ diễn ra Từ quá khứ xa xưa Biến đổi và bất diệt Đừng bảo không tồn tại Điều mắt ta không thấy Ta gặp chúng luôn luôn Sao vẫn còn nghi ngại?- Bạn không nhìn thấy gió? Vậy mà nó vẫn có Nó thổi sóng đại dương Lật tầu thuyền đồ sộ! Gió xua đám mây bay Phá đổ nhà, gãy cây Mắt ta không nhìn thấy Nhưng vật chất là đây! Nước có thua gì gió Ta biết nó sờ sờ Nước làm ướt áo ta Lại khô ngay dưới nắng. Bạn đã từng cố gắng Tăm hơi nước bốc lên Vậy là nước phân chia Thành hạt vô cùng nhỏ Mà mắt ta chẳng rõ Chiếc nhẫn nơi ngón tay Cứ mòn dần mỗi ngày Vải giặt đi giặt lại Thưa mỏng dần trên vai Nhẫn mòn, vải sờn đi Mất bao phần li ti Mắt ta không thể thấy Nhưng biết chúng chuyển đi. Mọi vật đâu chứa đầy Và đặc sít trong nhau Mà tồn tại chân không Những khoảng trống mênh mông Tràn ngập khắp thế giới. Nếu không có chân không Vật chất chẳng tồn tại. Vật chất chia nhỏ mãi Vẫn có cái nhỏ hơn Chia nhỏ đến vô cùng Xen kẽ với chân không Nơi các hạt vận động. Thế giới không trống rỗng Chỉ toàn có khoảng không Nó cũng không sít đặc Chỉ vật chất vô cùng. Có câu hỏi rất hay: Những cái vô cùng bé Sơ cấp và sơ khai Làm sao kết hợp lại Thành mây bay nước chảy Thành Đất và thành Trời Thành muôn loài hoa trái Tất thảy có trên đời Bài thơ đang viết đây Gồm vô vàn từ ngữ Thành hình từ nhiều chữ Những chữ cái giống nhau Nhưng chỗ đứng trước sau Lại có riêng ý nghĩa Khác âm và khác từ Chúng làm thành bài thơ Do trật tự không ngờ Của bấy nhiêu chữ cái |
Điều đó chỉ muốn nói Từ yếu tố nguyên khởi Vật chất và Thế giới Do kết hợp mà thành. Ta cũng đừng ngạc nhiên Cái hợp thành đứng yên Mà sơ cấp chuyển dịch Cái hợp thành thì tĩnh Sơ cấp linh động hơn Sơ cấp chuyển luôn luôn Thế nhưng nằm không thấy Hợp thành thì tĩnh tại Và phong phú vô cùng! Thậm chí vật nhìn thấy Nhưng ở tầm quá xa Hoà vào nền bao la Chẳng thấy đâu chuyển động Ví như đàn cừu kia Gặm cỏ tít trên đồi Tưởng chúng như vết trắng Hoà nhập lẫn vào nhau ăn trên một nền xanh Trong toàn thể bức tranh Chẳng thấy cừu thấy cỏ Chỉ như hình gì đó ! Chỉ bằng vào mắt nhìn Tưởng sự vật đứng yên Là xa rời chân lý ! Vật sơ cấp năng động Di dời trong chân không Nhờ tự có sức nặng Hay do sự va chạm Của những vật xung quanh Va chạm rồi xa nhau Cái sơ cấp là vậy Ở vật thể kết hợp Có đủ độ chắc bền Chúng chỉ rời rất ít Chúng cố kết cùng nhau Vững như đá như sắt Và bao thứ bền lâu. Còn những vật thể khác Bay bổng rất nhẹ nhàng Hạt nhỏ sau va chạm Bay xa vào mênh mông! ĐÓ là không khí loãng Là ánh sáng long lanh Mọi điều vừa mô tả Bạn luôn gặp quanh mình Bạn hãy nhìn tia nắng Rọi ánh sáng vào buồng Hiển hiện trong vệt sáng Bao hạt nhỏ quay cuồng Thế giới chúng ta đấy Cái sơ cấp không thấy Tự chúng động luôn luôn Va chạm và hợp lại Tạo chuyển động dần dần Bằng các lực của mình Cái hợp thành chuyển động Tác động vào giác quan Ta cảm nhận xung quanh Từ hạt bụi nho nhỏ Lơ lửng trong ánh nắng Giúp hiểu điều lớn lao Ta tìm hiểu Vũ Trụ Chân lý là thế nào! |
THÔNG ĐIỆP QUAN TRỌNG NHẤT
Giả thiết là nếu sau một tai họa toàn cầu nào đó xảy ra mà tạt cả kiến thức khoa học tích lũy được đều bị hủy diệt hết, chỉ còn lại một câu truyền tới cho các thế hệ sau, mà câu đó được viết bằng số lượng từ ít nhất, nhưng lại mang lại nhiều thông tin nhất, đó là câu nào? Tôi cho rằng: đó là học thuyết về nguyên tử (có thể không gọi là học thuyết, mà là sự kiện, song điều đó không làm thay đổi ý nghĩa của câu): mọi vật đều cấu tạo từ các nguyên tử - những vật thể nhỏ bé, chuyển động liên tục, hút vào nhau khi trên khoảng cách nhỏ, và đẩy nhau một trong những vật này tiến sát vật thể kia. Trong câu này chứa lượng thông tin khổng lồ về thế giới. Ta chỉ cần thêm vào nó một chút tưởng tượng và chút suy luận.
Từ quyển “Các bài giảng vật lý của Feynman”
