Chương 1: Nguyên tử trong chuyển động

1–1  Giới thiệu

Khóa học vật lý kéo dài hai năm này được trình bày từ quan điểm rằng bạn, người đọc, sẽ trở thành một nhà vật lý. Dĩ nhiên điều đó không nhất thiết đúng, nhưng đó là điều mọi giáo sư ở mọi môn học đều giả định! Nếu bạn sẽ trở thành một nhà vật lý, bạn sẽ có rất nhiều thứ phải học: hai trăm năm của lĩnh vực tri thức phát triển nhanh nhất hiện có. Nhiều tri thức đến mức, trên thực tế, bạn có thể nghĩ rằng mình không thể học hết trong bốn năm, và quả thật bạn không thể; bạn sẽ còn phải học tiếp ở bậc sau đại học nữa!

Đáng ngạc nhiên là, bất chấp khối lượng công việc khổng lồ đã được thực hiện trong suốt thời gian dài như vậy, người ta vẫn có thể cô đọng phần lớn khối kết quả đồ sộ đó — nghĩa là, tìm ra các định luật tóm tắt toàn bộ tri thức của chúng ta. Dù vậy, các định luật này khó nắm bắt đến mức sẽ là không công bằng với bạn nếu bắt đầu khám phá môn học mênh mông này mà không có một thứ bản đồ hay dàn ý nào về mối quan hệ giữa phần này với phần khác của môn khoa học. Sau những lời mở đầu này, ba chương đầu tiên vì thế sẽ phác thảo mối quan hệ của vật lý với các ngành khoa học còn lại, mối quan hệ giữa các ngành khoa học với nhau, và ý nghĩa của khoa học, để giúp chúng ta hình thành một “cảm giác” về môn học.

Bạn có thể hỏi vì sao chúng ta không thể dạy vật lý bằng cách đơn giản là đưa ra các định luật cơ bản ngay ở trang một rồi chỉ ra cách chúng hoạt động trong mọi hoàn cảnh có thể, như ta làm trong hình học Euclid, nơi ta phát biểu các tiên đề rồi thực hiện đủ loại suy diễn. (Vậy là, chưa thỏa mãn với việc học vật lý trong bốn năm, bạn lại muốn học nó trong bốn phút?) Chúng ta không thể làm theo cách đó vì hai lý do. Thứ nhất, chúng ta chưa biết hết mọi định luật cơ bản: vẫn còn một biên giới tri thức chưa biết đang mở rộng. Thứ hai, cách phát biểu đúng các định luật vật lý liên quan đến một số ý tưởng rất xa lạ, đòi hỏi toán học cao cấp mới mô tả được. Do đó, người ta cần một lượng đào tạo chuẩn bị đáng kể ngay cả chỉ để hiểu ý nghĩa của các từ ngữ. Không, không thể làm theo cách đó được. Chúng ta chỉ có thể làm từng mảnh một.

Mỗi mảnh, hay mỗi phần, của toàn thể tự nhiên luôn chỉ là một xấp xỉ của sự thật trọn vẹn, hay của sự thật trọn vẹn trong chừng mực chúng ta biết tới nay. Trên thực tế, mọi điều chúng ta biết chỉ là một dạng xấp xỉ nào đó, bởi vì chúng ta biết rằng chúng ta chưa biết hết mọi định luật. Vì vậy, mọi thứ đều phải được học chỉ để rồi lại phải bỏ đi mà học lại, hoặc, nhiều khả năng hơn, để được sửa lại cho đúng.

Nguyên tắc của khoa học, gần như có thể nói là định nghĩa của nó, là như sau: Phép thử cho mọi tri thức là thực nghiệm. Thực nghiệm là thẩm phán duy nhất của “sự thật” khoa học. Nhưng nguồn gốc của tri thức là ở đâu? Các định luật cần được đem ra kiểm thử đến từ đâu? Bản thân thực nghiệm giúp tạo ra các định luật này, theo nghĩa là nó cho chúng ta những gợi ý. Nhưng cũng cần có trí tưởng tượng để từ những gợi ý đó tạo ra những khái quát hóa vĩ đại — để đoán ra những khuôn mẫu kỳ diệu, đơn giản nhưng rất lạ lùng ẩn bên dưới tất cả, rồi lại thực nghiệm để kiểm tra xem lần này chúng ta có đoán đúng không. Quá trình tưởng tượng này khó đến mức trong vật lý có sự phân công lao động: có các nhà vật lý lý thuyết, những người tưởng tượng, suy diễn và đoán ra các định luật mới nhưng không làm thực nghiệm; và rồi có các nhà vật lý thực nghiệm, những người làm thực nghiệm, tưởng tượng, suy diễn và đoán.

Chúng ta đã nói rằng các định luật của tự nhiên là xấp xỉ: rằng trước hết ta tìm ra những định luật “sai”, rồi sau đó ta tìm ra những định luật “đúng”. Nay, làm sao một thực nghiệm có thể “sai” được? Thứ nhất, theo một cách tầm thường: nếu có gì đó trục trặc ở thiết bị mà bạn không để ý. Nhưng những thứ đó dễ sửa, và được kiểm tra đi kiểm tra lại. Vậy, không vin vào những chuyện nhỏ nhặt như thế, làm sao kết quả của một thực nghiệm có thể sai được? Chỉ bằng cách là nó không chính xác. Ví dụ, khối lượng của một vật dường như không bao giờ thay đổi: một con quay đang quay có cùng trọng lượng như một con quay đứng yên. Thế là một “định luật” được phát minh ra: khối lượng là hằng số, không phụ thuộc vào vận tốc. “Định luật” đó nay bị phát hiện là không đúng. Người ta thấy khối lượng tăng theo vận tốc, nhưng mức tăng đáng kể đòi hỏi vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Một định luật đúng là: nếu một vật chuyển động với vận tốc nhỏ hơn một trăm dặm một giây thì khối lượng là hằng số với độ chính xác tới một phần triệu. Ở dạng xấp xỉ như vậy, đây là một định luật đúng. Vậy trên thực tế, người ta có thể nghĩ rằng định luật mới chẳng tạo ra khác biệt đáng kể nào. Chà, vừa đúng vừa không. Với các vận tốc thông thường, ta chắc chắn có thể quên nó đi và dùng định luật đơn giản về khối lượng hằng số như một xấp xỉ tốt. Nhưng với vận tốc cao, chúng ta sai, và vận tốc càng cao, chúng ta càng sai nhiều.

Cuối cùng, và thú vị nhất, về mặt triết học, chúng ta hoàn toàn sai với định luật xấp xỉ đó. Toàn bộ bức tranh của chúng ta về thế giới phải thay đổi, mặc dù khối lượng chỉ thay đổi một chút xíu. Đây là một điều rất kỳ lạ về triết học, hay các ý tưởng, đằng sau các định luật. Ngay cả một hiệu ứng rất nhỏ đôi khi cũng đòi hỏi những thay đổi sâu sắc trong ý tưởng của chúng ta.

Nay, chúng ta nên dạy cái gì trước? Nên dạy định luật đúng nhưng xa lạ, với những ý tưởng khái niệm lạ lùng và khó khăn của nó, ví dụ như thuyết tương đối, không-thời gian bốn chiều, và vân vân? Hay nên dạy trước định luật đơn giản về “khối lượng hằng số”, vốn chỉ là xấp xỉ nhưng không dính dáng đến những ý tưởng khó như vậy? Cách thứ nhất thú vị hơn, kỳ diệu hơn và vui hơn, nhưng cách thứ hai dễ tiếp cận hơn lúc đầu, và là bước đầu tiên để thật sự hiểu được ý tưởng thứ nhất. Vấn đề này xuất hiện hết lần này đến lần khác trong việc dạy vật lý. Ở những thời điểm khác nhau, chúng ta sẽ phải giải quyết nó theo những cách khác nhau, nhưng ở mỗi giai đoạn đều đáng để học những gì hiện nay đã biết, nó chính xác đến đâu, nó khớp với mọi thứ còn lại như thế nào, và nó có thể thay đổi ra sao khi chúng ta học thêm được nhiều hơn.

Bây giờ chúng ta hãy tiến hành với dàn ý, hay tấm bản đồ tổng quát, về sự hiểu biết của chúng ta về khoa học ngày nay (đặc biệt là vật lý, nhưng cũng gồm các ngành khoa học khác ở vùng ngoại vi), để khi sau này chúng ta tập trung vào một điểm cụ thể nào đó, chúng ta sẽ có chút ý niệm về bối cảnh, vì sao điểm cụ thể đó thú vị, và nó khớp vào cấu trúc lớn như thế nào.

Vậy, bức tranh tổng thể của chúng ta về thế giới là gì?

1–2  Vật chất được tạo thành từ nguyên tử

Nếu, trong một thảm họa nào đó, toàn bộ tri thức khoa học bị phá hủy, và chỉ có một câu duy nhất được truyền lại cho các thế hệ sinh vật tiếp theo, thì phát biểu nào sẽ chứa đựng nhiều thông tin nhất trong ít chữ nhất? Tôi tin đó là giả thuyết nguyên tử (hay sự thật nguyên tử, hay bất cứ tên gọi nào bạn muốn dành cho nó) rằng mọi vật đều được tạo thành từ các nguyên tử — những hạt nhỏ di chuyển không ngừng trong chuyển động vĩnh cửu, hút nhau khi ở cách nhau một khoảng nhỏ, nhưng đẩy nhau khi bị ép sát vào nhau. Chỉ trong một câu đó thôi, bạn sẽ thấy, có chứa một lượng thông tin khổng lồ về thế giới, nếu ta chịu vận dụng thêm một chút trí tưởng tượng và suy nghĩ.

Để minh họa sức mạnh của ý tưởng nguyên tử, giả sử ta có một giọt nước có kích thước mỗi chiều khoảng một phần tư inch. Nếu nhìn nó thật gần, ta chẳng thấy gì ngoài nước — nước trơn mượt, liên tục. Ngay cả khi ta phóng to nó bằng kính hiển vi quang học tốt nhất hiện có — khoảng hai nghìn lần — thì giọt nước sẽ rộng khoảng bốn mươi feet, to bằng một căn phòng lớn, và nếu ta nhìn khá kỹ, ta vẫn sẽ thấy nước tương đối trơn mượt — nhưng đó đây có những vật nhỏ hình quả bóng bầu dục đang bơi qua bơi lại. Rất thú vị. Đó là các trùng đế giày (paramecia). Bạn có thể dừng lại ở điểm này và trở nên tò mò về những trùng đế giày với những lông mao ngoe nguẩy và thân hình uốn éo của chúng đến mức không đi xa hơn nữa, ngoại trừ có lẽ là phóng to trùng đế giày thêm nữa để nhìn vào bên trong. Dĩ nhiên, đó là một chủ đề của sinh học, nhưng lúc này ta hãy bỏ qua và nhìn còn gần hơn nữa vào chính vật chất nước, phóng to nó thêm hai nghìn lần nữa. Lúc này giọt nước trải rộng khoảng mười lăm dặm, và nếu nhìn thật kỹ, ta sẽ thấy một kiểu cảnh tượng nhộn nhịp chen chúc, thứ gì đó không còn vẻ trơn mượt nữa — nó trông giống như một đám đông tại một trận bóng bầu dục nhìn từ khoảng cách rất xa. Để thấy rõ cảnh chen chúc này là cái gì, ta sẽ phóng to nó thêm hai trăm năm mươi lần nữa và sẽ thấy thứ gì đó tương tự như Hình 1–1. Đây là một bức tranh về nước được phóng to một tỷ lần, nhưng đã được lý tưởng hóa theo vài cách. Thứ nhất, các hạt được vẽ theo cách đơn giản với các cạnh sắc nét, điều này không chính xác. Thứ hai, để đơn giản, chúng được phác họa gần như theo sơ đồ trong một bố cục hai chiều, nhưng dĩ nhiên chúng đang di chuyển trong không gian ba chiều. Hãy chú ý rằng có hai loại “khối tròn” hay vòng tròn để biểu diễn các nguyên tử của ôxy (màu đen) và hiđrô (màu trắng), và mỗi nguyên tử ôxy có hai nguyên tử hiđrô gắn với nó. (Mỗi nhóm nhỏ gồm một ôxy cùng hai hiđrô của nó được gọi là một phân tử.) Bức tranh còn được lý tưởng hóa thêm ở chỗ các hạt thật trong tự nhiên liên tục lúc lắc và nảy qua lại, quay và xoắn quanh nhau. Bạn sẽ phải tưởng tượng đây là một bức tranh động chứ không phải tĩnh. Một điều khác không thể minh họa trong hình vẽ là thực tế rằng các hạt “dính vào nhau” — rằng chúng hút nhau, hạt này bị kéo bởi hạt kia, vân vân. Toàn bộ nhóm được “dán lại với nhau”, có thể nói như vậy. Mặt khác, các hạt không lách qua được nhau. Nếu bạn cố ép hai hạt lại quá gần nhau, chúng sẽ đẩy nhau.

Các nguyên tử có bán kính là 1 hoặc 2 × 10⁻⁸ cm. Nay 10⁻⁸ cm được gọi là một angstrom (chỉ là một tên gọi khác), nên ta nói chúng có bán kính là 1 hoặc 2 angstrom (Å). Một cách khác để nhớ kích thước của chúng là như thế này: nếu một quả táo được phóng to đến kích thước của trái đất, thì các nguyên tử trong quả táo xấp xỉ bằng kích thước của quả táo ban đầu.

Bây giờ hãy tưởng tượng giọt nước lớn này với tất cả các hạt đang lúc lắc đó dính vào nhau và níu kéo nhau chuyển động theo nhau. Nước giữ nguyên thể tích của nó; nó không tan rã, vì các phân tử hút lẫn nhau. Nếu giọt nước ở trên một mặt dốc, nơi nó có thể di chuyển từ chỗ này sang chỗ khác, nước sẽ chảy, nhưng nó không biến mất một cách đơn thuần — mọi vật không tự dưng bay tản ra — vì lực hút phân tử. Nay, chuyển động lúc lắc chính là thứ ta biểu diễn là nhiệt: khi ta tăng nhiệt độ, ta tăng chuyển động. Nếu ta đun nóng nước, sự lúc lắc tăng lên và thể tích giữa các nguyên tử tăng lên, và nếu việc đun nóng tiếp tục thì sẽ đến lúc lực kéo giữa các phân tử không đủ mạnh để giữ chúng lại với nhau nữa và chúng sẽ bay tản ra và tách khỏi nhau. Dĩ nhiên, đây chính là cách ta tạo ra hơi nước từ nước — bằng cách tăng nhiệt độ; các hạt bay tản ra vì chuyển động tăng lên.

Trong Hình 1–2, bức tranh về hơi nước này sai ở một điểm: ở áp suất khí quyển thông thường chắc chắn sẽ không có tới ba phân tử nước trong một hình như vậy. Hầu hết các ô vuông có kích thước như thế sẽ không chứa phân tử nào cả — nhưng tình cờ ta có hai rưỡi hoặc ba phân tử trong bức tranh (chỉ để nó không hoàn toàn trống rỗng). Nay trong trường hợp hơi nước, ta thấy các phân tử đặc trưng rõ ràng hơn so với trường hợp nước lỏng. Để đơn giản, các phân tử được vẽ sao cho có một góc 120° giữa các nguyên tử hiđrô. Trên thực tế, góc là 105°3′, và khoảng cách giữa tâm của một nguyên tử hiđrô và tâm của nguyên tử ôxy là 0,957 Å, nên ta biết phân tử này rất rõ.

Hãy xem một số tính chất của hơi nước hay bất kỳ chất khí nào khác là gì. Các phân tử, vì tách rời nhau, sẽ nảy vào thành bình. Hãy tưởng tượng một căn phòng với một số quả bóng tennis (khoảng một trăm quả) đang nảy qua nảy lại trong chuyển động vĩnh cửu. Khi chúng bắn phá vào tường, điều này đẩy tường ra xa. (Dĩ nhiên ta sẽ phải đẩy tường trở lại.) Điều này có nghĩa là chất khí tạo ra một lực rung giật mà các giác quan thô sơ của ta (khi bản thân ta không được phóng to lên một tỷ lần) chỉ cảm nhận như một lực đẩy trung bình. Để giữ một chất khí lại, ta phải áp dụng một áp suất. Hình 1–3 cho thấy một bình tiêu chuẩn để chứa khí (được dùng trong mọi sách giáo khoa), một xi-lanh có một pít-tông ở trong. Nay, hình dạng của các phân tử nước là gì không quan trọng, nên để đơn giản ta sẽ vẽ chúng như những quả bóng tennis hoặc những chấm nhỏ. Những vật này đang ở trong chuyển động vĩnh cửu theo mọi hướng. Rất nhiều trong số chúng luôn đập vào pít-tông ở phía trên đến mức, để giữ cho pít-tông không bị hất ra khỏi bình một cách kiên nhẫn bởi sự đập phá liên tục này, ta sẽ phải giữ pít-tông xuống bằng một lực nhất định, mà ta gọi là áp suất (thật ra, áp suất nhân với diện tích chính là lực). Rõ ràng, lực tỉ lệ với diện tích, vì nếu ta tăng diện tích nhưng giữ nguyên số phân tử trên mỗi centimét khối, ta tăng số va chạm với pít-tông theo cùng tỉ lệ với diện tích đã tăng.

Bây giờ hãy đặt gấp đôi số phân tử vào bình này, để tăng gấp đôi mật độ, và để chúng có cùng tốc độ, tức là cùng nhiệt độ. Khi đó, với một xấp xỉ khá tốt, số va chạm sẽ tăng gấp đôi, và vì mỗi va chạm sẽ “mạnh” đúng như trước, nên áp suất tỉ lệ với mật độ. Nếu ta xét bản chất thật của các lực giữa các nguyên tử, ta sẽ kỳ vọng áp suất giảm nhẹ vì lực hút giữa các nguyên tử, và tăng nhẹ vì thể tích hữu hạn mà chúng chiếm. Tuy nhiên, với một xấp xỉ xuất sắc, nếu mật độ đủ thấp để không có nhiều nguyên tử, thì áp suất tỉ lệ với mật độ.

Ta cũng có thể thấy một điều khác: Nếu ta tăng nhiệt độ mà không thay đổi mật độ của chất khí, tức là nếu ta tăng tốc độ của các nguyên tử, chuyện gì sẽ xảy ra với áp suất? Chà, các nguyên tử đập mạnh hơn vì chúng di chuyển nhanh hơn, và thêm vào đó chúng đập thường xuyên hơn, nên áp suất tăng lên. Bạn thấy các ý tưởng của thuyết nguyên tử đơn giản biết bao.

Hãy xét một tình huống khác. Giả sử pít-tông di chuyển vào trong, sao cho các nguyên tử bị nén từ từ vào một không gian nhỏ hơn. Chuyện gì xảy ra khi một nguyên tử đập vào pít-tông đang chuyển động? Rõ ràng nó sẽ nhận thêm tốc độ từ va chạm. Bạn có thể thử điều đó bằng cách làm nảy một quả bóng bàn từ một vợt đang di chuyển về phía trước, chẳng hạn, và bạn sẽ thấy nó bật ra với tốc độ lớn hơn tốc độ khi nó đập vào. (Ví dụ đặc biệt: nếu một nguyên tử tình cờ đang đứng yên và pít-tông đập vào nó, nó chắc chắn sẽ chuyển động.) Vậy các nguyên tử “nóng hơn” khi chúng rời khỏi pít-tông so với trước khi đập vào nó. Do đó mọi nguyên tử trong bình đều sẽ nhận thêm tốc độ. Điều này có nghĩa là khi ta nén một chất khí từ từ, nhiệt độ của chất khí tăng lên. Vậy, dưới sự nén chậm, một chất khí sẽ tăng nhiệt độ, và dưới sự giãn nở chậm nó sẽ giảm nhiệt độ.

Bây giờ ta quay lại giọt nước của mình và nhìn theo một hướng khác. Giả sử ta giảm nhiệt độ của giọt nước. Giả sử sự lúc lắc của các phân tử — của các nguyên tử trong nước — đang giảm dần đều. Ta biết rằng có các lực hút giữa các nguyên tử, nên sau một lúc chúng sẽ không thể lúc lắc tốt như trước nữa. Điều sẽ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp được chỉ ra trong Hình 1–4: các phân tử khóa lại vào một kiểu mẫu mới, đó là băng. Sơ đồ minh họa cụ thể về băng này là sai vì nó là hai chiều, nhưng nó đúng về mặt định tính. Điểm thú vị là vật liệu có một vị trí xác định cho mỗi nguyên tử, và bạn có thể dễ dàng nhận thấy rằng nếu bằng cách nào đó ta giữ mọi nguyên tử ở một đầu của giọt nước theo một sự sắp xếp nhất định, mỗi nguyên tử ở một vị trí nhất định, thì vì cấu trúc liên kết, vốn là cứng, đầu còn lại cách xa nhiều dặm (ở thang phóng đại của ta) sẽ có một vị trí xác định. Vậy nếu ta giữ một cây kim băng ở một đầu, đầu còn lại chống lại việc ta đẩy nó sang bên, khác với trường hợp nước, trong đó cấu trúc bị phá vỡ vì sự lúc lắc tăng lên khiến các nguyên tử đều di chuyển theo những cách khác nhau. Sự khác biệt giữa chất rắn và chất lỏng, do đó, là ở chỗ trong một chất rắn các nguyên tử được sắp xếp theo một kiểu mảng nào đó, gọi là mảng tinh thể, và chúng không có vị trí ngẫu nhiên ở các khoảng cách xa; vị trí của các nguyên tử ở một phía của tinh thể được quyết định bởi vị trí của các nguyên tử khác cách đó hàng triệu nguyên tử ở phía bên kia của tinh thể. Hình 1–4 là một sự sắp xếp được sáng tác ra cho băng, và mặc dù nó chứa nhiều đặc điểm đúng của băng, nó không phải là sự sắp xếp thật. Một trong các đặc điểm đúng là có một phần của tính đối xứng là hình lục giác. Bạn có thể thấy rằng nếu ta quay bức tranh quanh một trục một góc 60°, bức tranh trở lại như cũ. Vậy có một tính đối xứng trong băng giải thích cho vẻ ngoài sáu cạnh của bông tuyết. Một điều khác ta có thể thấy từ Hình 1–4 là vì sao băng co lại khi nó tan chảy. Kiểu mẫu tinh thể cụ thể của băng được vẽ ở đây có nhiều “lỗ hổng” trong nó, cũng như cấu trúc băng thật. Khi tổ chức này sụp đổ, các lỗ hổng này có thể bị các phân tử chiếm lấy. Hầu hết các chất đơn giản, ngoại trừ nước và kim loại dùng để đúc chữ in, đều giãn nở khi tan chảy, vì các nguyên tử được đóng gói chặt chẽ trong tinh thể rắn và khi tan chảy cần thêm chỗ để lúc lắc quanh, nhưng một cấu trúc hở sẽ sụp xuống, như trong trường hợp của nước.

Nay mặc dù băng có dạng tinh thể “cứng”, nhiệt độ của nó có thể thay đổi — băng có nhiệt. Nếu muốn, ta có thể thay đổi lượng nhiệt. Nhiệt trong trường hợp băng là gì? Các nguyên tử không đứng yên. Chúng đang lúc lắc và rung động. Vậy ngay cả dù có một trật tự xác định đối với tinh thể — một cấu trúc xác định — mọi nguyên tử đều đang rung động “tại chỗ”. Khi ta tăng nhiệt độ, chúng rung động với biên độ ngày càng lớn hơn, cho đến khi chúng tự lắc mình ra khỏi vị trí. Ta gọi đây là sự tan chảy. Khi ta giảm nhiệt độ, sự rung động giảm và giảm cho đến khi, ở độ không tuyệt đối, có một lượng rung động tối thiểu mà các nguyên tử có thể có, nhưng không phải bằng không. Lượng chuyển động tối thiểu này mà các nguyên tử có thể có không đủ để làm tan chảy một chất, với một ngoại lệ: hêli. Hêli chỉ đơn thuần giảm các chuyển động nguyên tử xuống hết mức nó có thể, nhưng ngay cả ở độ không tuyệt đối vẫn còn đủ chuyển động để giữ cho nó không bị đóng băng. Hêli, ngay cả ở độ không tuyệt đối, cũng không đóng băng, trừ khi áp suất được làm đủ lớn để ép các nguyên tử lại với nhau. Nếu ta tăng áp suất, ta có thể làm cho nó hóa rắn.

1–3  Các quá trình nguyên tử

Phần mô tả chất rắn, chất lỏng và chất khí từ quan điểm nguyên tử đến đây là đủ. Tuy nhiên, giả thuyết nguyên tử cũng mô tả các quá trình, và vì vậy bây giờ chúng ta sẽ xét một số quá trình từ quan điểm nguyên tử. Quá trình đầu tiên chúng ta xét liên quan đến bề mặt của nước. Điều gì xảy ra ở bề mặt của nước? Bây giờ chúng ta sẽ làm cho bức tranh phức tạp hơn — và thực tế hơn — bằng cách tưởng tượng rằng bề mặt này nằm trong không khí.

Hình 1–5 cho thấy bề mặt của nước trong không khí. Ta thấy các phân tử nước như trước, tạo thành một khối nước lỏng, nhưng bây giờ ta cũng thấy bề mặt của nước. Phía trên bề mặt, ta thấy một số thứ: Trước hết có các phân tử nước, như trong hơi nước. Đây là hơi nước, thứ luôn có mặt phía trên nước lỏng. (Có một trạng thái cân bằng giữa hơi nước và nước, sẽ được mô tả sau.) Thêm vào đó, ta thấy một số phân tử khác — ở đây hai nguyên tử ôxy dính với nhau một mình, tạo thành một phân tử ôxy, ở kia hai nguyên tử nitơ cũng dính với nhau để tạo thành một phân tử nitơ. Không khí gồm gần như hoàn toàn là nitơ, ôxy, một ít hơi nước, và một lượng nhỏ hơn các-bon đi-ô-xít, argon và những thứ khác. Vậy phía trên bề mặt nước là không khí, một chất khí, chứa một ít hơi nước. Nay điều gì đang xảy ra trong bức tranh này? Các phân tử trong nước luôn lúc lắc quanh. Thỉnh thoảng, một phân tử ở bề mặt tình cờ bị đập mạnh hơn bình thường một chút, và bị hất văng ra. Khó mà thấy điều đó xảy ra trong bức tranh vì đây là một bức tranh tĩnh. Nhưng ta có thể tưởng tượng rằng một phân tử gần bề mặt vừa bị đập và đang bay ra, hoặc có lẽ một phân tử khác vừa bị đập và đang bay ra. Như vậy, từng phân tử một, nước biến mất — nó bay hơi. Nhưng nếu ta đậy kín bình ở phía trên, sau một lúc ta sẽ thấy một số lượng lớn phân tử nước xuất hiện giữa các phân tử không khí. Thỉnh thoảng, một trong những phân tử hơi nước này lại bay xuống nước và bị giữ lại. Vậy ta thấy rằng thứ trông như một vật chết lặng, không có gì thú vị — một ly nước có nắp đậy, đã để yên ở đó có lẽ hai mươi năm — thật ra chứa đựng một hiện tượng động và thú vị đang diễn ra liên tục. Đối với mắt ta, đôi mắt thô sơ của ta, không có gì thay đổi, nhưng nếu ta có thể nhìn nó ở độ phóng đại một tỷ lần, ta sẽ thấy rằng từ quan điểm của chính nó, nó luôn thay đổi: các phân tử rời khỏi bề mặt, các phân tử quay trở lại.

Vì sao chúng ta thấy không có thay đổi nào? Bởi vì số phân tử rời đi vừa đúng bằng số phân tử quay trở lại! Về lâu dài, “không có gì xảy ra”. Nếu sau đó ta mở nắp bình ra và thổi không khí ẩm đi, thay bằng không khí khô, thì số phân tử rời đi vẫn đúng như trước, bởi vì điều này phụ thuộc vào sự lúc lắc của nước, nhưng số phân tử quay trở lại giảm đi rất nhiều vì có ít phân tử nước hơn hẳn ở phía trên mặt nước. Do đó số đi ra nhiều hơn số đi vào, và nước bay hơi. Vì vậy, nếu bạn muốn làm nước bay hơi, hãy bật quạt lên!

Đây là một điều khác nữa: Những phân tử nào rời đi? Khi một phân tử rời đi, đó là do một sự tích lũy năng lượng ngẫu nhiên, vượt mức bình thường một chút, mà nó cần có nếu muốn thoát khỏi lực hút của các phân tử lân cận. Do đó, vì những phân tử rời đi có năng lượng cao hơn mức trung bình, những phân tử ở lại có chuyển động trung bình thấp hơn so với trước. Vậy chất lỏng dần dần nguội đi nếu nó bay hơi. Dĩ nhiên, khi một phân tử hơi nước từ không khí đi tới mặt nước ở phía dưới, có một lực hút lớn đột ngột khi phân tử tiến gần bề mặt. Điều này làm tăng tốc phân tử đang đi vào và dẫn đến việc sinh ra nhiệt. Vậy khi chúng rời đi, chúng mang nhiệt theo; khi chúng quay lại, chúng sinh ra nhiệt. Dĩ nhiên khi không có sự bay hơi ròng thì kết quả là không có gì cả — nước không thay đổi nhiệt độ. Nếu ta thổi lên nước để duy trì liên tục ưu thế về số phân tử bay hơi, thì nước sẽ nguội đi. Vì vậy, hãy thổi vào bát súp để làm nó nguội!

Dĩ nhiên bạn nên nhận ra rằng các quá trình vừa mô tả phức tạp hơn những gì chúng ta đã chỉ ra. Không chỉ nước đi vào không khí, mà thỉnh thoảng, một trong các phân tử ôxy hay nitơ cũng sẽ đi vào và “lạc mất” trong khối phân tử nước, và len lỏi vào trong nước. Như vậy không khí hòa tan trong nước; các phân tử ôxy và nitơ sẽ len lỏi vào nước và nước sẽ chứa không khí. Nếu ta đột ngột lấy không khí ra khỏi bình, thì các phân tử không khí sẽ rời đi nhanh hơn là chúng đi vào, và khi làm vậy chúng sẽ tạo thành các bọt khí. Điều này rất nguy hại cho thợ lặn, như bạn có thể biết.

Bây giờ chúng ta chuyển sang một quá trình khác. Trong Hình 1–6, ta thấy, từ quan điểm nguyên tử, một chất rắn đang hòa tan trong nước. Nếu ta thả một tinh thể muối vào nước, chuyện gì sẽ xảy ra? Muối là một chất rắn, một tinh thể, một sự sắp xếp có tổ chức của các “nguyên tử muối”. Hình 1–7 là hình minh họa cấu trúc ba chiều của muối ăn thông thường, natri clorua. Nói một cách chặt chẽ, tinh thể này không được tạo thành từ các nguyên tử, mà từ cái mà ta gọi là các ion. Ion là một nguyên tử hoặc có thêm vài electron, hoặc đã mất đi vài electron. Trong một tinh thể muối, ta thấy các ion clo (nguyên tử clo có thêm một electron) và các ion natri (nguyên tử natri thiếu một electron). Các ion đều dính lại với nhau nhờ lực hút điện trong muối rắn, nhưng khi ta thả chúng vào nước, ta thấy rằng, vì lực hút của ôxy mang điện âm và hiđrô mang điện dương đối với các ion, một số ion lúc lắc và rời ra. Trong Hình 1–6, ta thấy một ion clo đang rời ra, và các nguyên tử khác đang trôi trong nước dưới dạng ion. Bức tranh này được vẽ với ít nhiều cẩn thận. Ví dụ, hãy chú ý rằng các đầu hiđrô của các phân tử nước có khả năng ở gần ion clo hơn, trong khi gần ion natri ta có nhiều khả năng thấy đầu ôxy hơn, bởi vì natri mang điện dương còn đầu ôxy của nước mang điện âm, và chúng hút nhau về mặt điện. Ta có thể nói từ bức tranh này muối đang hòa tan trong nước hay đang kết tinh ra khỏi nước không? Dĩ nhiên ta không thể nói được, bởi vì trong khi một số nguyên tử đang rời khỏi tinh thể, các nguyên tử khác đang quay lại nhập vào nó. Quá trình này là một quá trình động, giống như trong trường hợp bay hơi, và nó phụ thuộc vào việc có nhiều hay ít muối trong nước hơn lượng cần thiết cho sự cân bằng. Ý ta nói cân bằng là tình huống trong đó tốc độ các nguyên tử rời đi vừa đúng khớp với tốc độ chúng quay trở lại. Nếu hầu như không có muối trong nước, số nguyên tử rời đi nhiều hơn số quay lại, và muối hòa tan. Ngược lại, nếu có quá nhiều “nguyên tử muối”, số quay lại nhiều hơn số rời đi, và muối đang kết tinh.

Nhân tiện, chúng ta nhắc đến rằng khái niệm phân tử của một chất chỉ là xấp xỉ và chỉ tồn tại đối với một lớp chất nhất định nào đó. Trong trường hợp nước, rõ ràng là ba nguyên tử thật sự dính lại với nhau. Điều đó không rõ ràng như vậy trong trường hợp natri clorua ở trạng thái rắn. Ở đó chỉ có một sự sắp xếp của các ion natri và clo theo kiểu mẫu lập phương. Không có cách tự nhiên nào để nhóm chúng thành các “phân tử muối”.

Quay lại với phần thảo luận của chúng ta về sự hòa tan và kết tủa, nếu ta tăng nhiệt độ của dung dịch muối, thì tốc độ các nguyên tử bị lấy đi sẽ tăng, và tốc độ các nguyên tử được mang trở lại cũng tăng. Nói chung, hóa ra rất khó dự đoán đường nào sẽ thắng, là sẽ có nhiều hơn hay ít hơn chất rắn hòa tan. Hầu hết các chất hòa tan nhiều hơn, nhưng một số chất hòa tan ít hơn, khi nhiệt độ tăng.

1–4  Phản ứng hóa học

Trong mọi quá trình đã được mô tả cho đến nay, các nguyên tử và ion không đổi “đối tác”, nhưng dĩ nhiên có những hoàn cảnh trong đó các nguyên tử thật sự thay đổi sự kết hợp, tạo thành các phân tử mới. Điều này được minh họa trong Hình 1–8. Một quá trình trong đó sự sắp xếp lại các đối tác nguyên tử xảy ra là cái mà ta gọi là một phản ứng hóa học. Các quá trình khác đã mô tả cho đến nay được gọi là các quá trình vật lý, nhưng không có sự phân biệt rạch ròi giữa hai loại. (Tự nhiên không quan tâm ta gọi nó là gì, nó cứ tiếp tục làm việc của nó.)

Hình này được cho là biểu diễn carbon đang cháy trong ôxy. Trong trường hợp ôxy, hai nguyên tử ôxy dính với nhau rất chặt. (Vì sao không phải ba hay thậm chí bốn nguyên tử dính với nhau? Đó là một trong những đặc điểm rất kỳ lạ của các quá trình nguyên tử như vậy. Các nguyên tử rất đặc biệt: chúng ưa thích những đối tác cụ thể nhất định, những hướng cụ thể nhất định, và vân vân. Nhiệm vụ của vật lý là phân tích vì sao mỗi nguyên tử muốn cái mà nó muốn. Dù sao đi nữa, hai nguyên tử ôxy tạo thành, thỏa mãn và hạnh phúc, một phân tử.)

Các nguyên tử carbon được cho là nằm trong một tinh thể rắn (có thể là than chì hoặc kim cương²). Nay, ví dụ, một trong các phân tử ôxy có thể đi tới nguyên tử carbon, và mỗi nguyên tử có thể nhặt lấy một nguyên tử carbon rồi bay đi trong một kết hợp mới — “carbon-ôxy” — vốn là một phân tử của chất khí gọi là carbon monoxide (các-bon mô-nô-xít). Nó được đặt tên hóa học là CO. Rất đơn giản: các chữ cái “CO” thực tế là một bức tranh của phân tử đó. Nhưng carbon hút ôxy mạnh hơn nhiều so với ôxy hút ôxy hay carbon hút carbon. Do đó trong quá trình này, ôxy có thể đến với chỉ một ít năng lượng, nhưng ôxy và carbon sẽ khớp vào nhau với một sự mãnh liệt và náo động khủng khiếp, và mọi thứ ở gần chúng sẽ nhận lấy năng lượng. Một lượng lớn năng lượng chuyển động, động năng, như vậy được sinh ra. Dĩ nhiên đây là sự cháy; chúng ta thu được nhiệt từ sự kết hợp của ôxy và carbon. Nhiệt thông thường ở dạng chuyển động phân tử của khí nóng, nhưng trong một số hoàn cảnh nó có thể lớn đến mức sinh ra ánh sáng. Đó là cách người ta có được ngọn lửa.

Thêm vào đó, carbon monoxide chưa hoàn toàn thỏa mãn. Nó có thể gắn thêm một ôxy nữa, để rồi ta có thể có một phản ứng phức tạp hơn nhiều, trong đó ôxy đang kết hợp với carbon, đồng thời lại tình cờ có một va chạm với một phân tử carbon monoxide. Một nguyên tử ôxy có thể gắn mình vào CO và cuối cùng tạo thành một phân tử, gồm một nguyên tử carbon và hai nguyên tử ôxy, được ký hiệu là CO₂ và gọi là carbon dioxide (các-bon đi-ô-xít). Nếu ta đốt carbon với rất ít ôxy trong một phản ứng rất nhanh (ví dụ, trong một động cơ ô tô, nơi vụ nổ diễn ra nhanh đến mức không có thời gian để tạo thành carbon dioxide) thì một lượng đáng kể carbon monoxide được tạo thành. Trong nhiều sự sắp xếp lại như vậy, một lượng năng lượng rất lớn được giải phóng, tạo thành các vụ nổ, ngọn lửa, v.v., tùy thuộc vào các phản ứng. Các nhà hóa học đã nghiên cứu những sự sắp xếp này của các nguyên tử, và đã tìm thấy rằng mọi chất đều là một kiểu sắp xếp nào đó của các nguyên tử.

Để minh họa ý tưởng này, chúng ta hãy xét một ví dụ khác. Nếu ta đi vào một cánh đồng hoa violet nhỏ, ta biết “mùi hương đó” là gì. Đó là một loại phân tử, hay sự sắp xếp của các nguyên tử, nào đó đã len lỏi được vào mũi của chúng ta. Trước hết, nó len lỏi vào bằng cách nào? Điều đó khá dễ. Nếu mùi hương là một loại phân tử nào đó trong không khí, đang lúc lắc quanh và bị đập qua đập lại đủ mọi hướng, nó có thể đã vô tình len lỏi được vào mũi. Chắc chắn nó chẳng có mong muốn gì đặc biệt là chui vào mũi của chúng ta. Nó chỉ đơn thuần là một phần bất lực của một đám đông phân tử chen lấn xô đẩy, và trong cuộc lang thang vô định của mình, mẩu vật chất cụ thể này tình cờ thấy mình đang ở trong mũi.

Nay các nhà hóa học có thể lấy những phân tử đặc biệt như mùi hương của hoa violet, phân tích chúng và cho chúng ta biết sự sắp xếp chính xác của các nguyên tử trong không gian. Chúng ta biết rằng phân tử carbon dioxide là thẳng và đối xứng: O—C—O. (Điều đó cũng có thể được xác định một cách dễ dàng bằng các phương pháp vật lý.) Tuy nhiên, ngay cả đối với những sự sắp xếp nguyên tử phức tạp hơn rất nhiều trong hóa học, người ta vẫn có thể, bằng một quá trình truy tìm thám tử dài và đáng kinh ngạc, tìm ra sự sắp xếp của các nguyên tử. Hình 1–9 là một bức tranh về không khí ở vùng lân cận của một bông hoa violet; một lần nữa ta thấy nitơ và ôxy trong không khí, và hơi nước. (Vì sao lại có hơi nước? Bởi vì bông hoa violet ẩm ướt. Mọi loài cây đều thoát hơi nước.) Tuy nhiên, ta cũng thấy một “con quái vật” gồm các nguyên tử carbon, các nguyên tử hiđrô và các nguyên tử ôxy, chúng đã chọn một kiểu mẫu cụ thể nào đó để sắp xếp. Đó là một sự sắp xếp phức tạp hơn rất nhiều so với sự sắp xếp của carbon dioxide; trên thực tế, đó là một sự sắp xếp phức tạp khủng khiếp. Đáng tiếc, chúng ta không thể vẽ ra mọi điều thật sự đã biết về nó về mặt hóa học, bởi vì sự sắp xếp chính xác của mọi nguyên tử thật sự được biết trong không gian ba chiều, trong khi bức tranh của chúng ta chỉ có hai chiều. Sáu nguyên tử carbon tạo thành một vòng không tạo thành một vòng phẳng, mà là một kiểu vòng “nhăn nheo”. Mọi góc và khoảng cách đều đã được biết. Vậy một công thức hóa học chỉ đơn thuần là một bức tranh của một phân tử như vậy. Khi nhà hóa học viết một thứ như vậy lên bảng đen, ông ta đang cố “vẽ”, nói một cách gần đúng, trong không gian hai chiều. Ví dụ, ta thấy một “vòng” gồm sáu nguyên tử carbon, và một “chuỗi” carbon treo ở đầu mút, với một ôxy ở vị trí thứ hai tính từ đầu mút, ba hiđrô gắn vào nguyên tử carbon đó, hai carbon và ba hiđrô nhô lên ở chỗ này, v.v.

Làm thế nào nhà hóa học tìm ra sự sắp xếp là gì? Ông ta trộn các chai đầy những chất khác nhau lại với nhau, và nếu nó chuyển sang màu đỏ, điều đó cho ông ta biết rằng nó gồm một hiđrô và hai carbon gắn ở chỗ này; nếu nó chuyển sang màu xanh, ngược lại, thì hoàn toàn không phải như vậy. Đây là một trong những công trình thám tử kỳ diệu nhất từng được thực hiện — hóa học hữu cơ. Để khám phá sự sắp xếp của các nguyên tử trong những mảng phức tạp khủng khiếp này, nhà hóa học nhìn vào điều xảy ra khi ông ta trộn hai chất khác nhau lại với nhau. Nhà vật lý không bao giờ có thể hoàn toàn tin rằng nhà hóa học biết mình đang nói gì khi ông ta mô tả sự sắp xếp của các nguyên tử. Trong khoảng hai mươi năm nay, trong một số trường hợp, người ta đã có thể nhìn vào những phân tử như vậy (không hoàn toàn phức tạp như phân tử này, nhưng có chứa một số phần của nó) bằng một phương pháp vật lý, và đã có thể xác định vị trí của mọi nguyên tử, không phải bằng cách nhìn vào màu sắc, mà bằng cách đo xem chúng ở đâu. Và lạ thay!, các nhà hóa học hầu như luôn đúng.

Hóa ra, trên thực tế, trong mùi hương của hoa violet có ba phân tử hơi khác nhau một chút, chỉ khác nhau ở sự sắp xếp của các nguyên tử hiđrô.

Một vấn đề của hóa học là đặt tên cho một chất, để chúng ta sẽ biết nó là gì. Hãy tìm một cái tên cho hình dạng này! Không chỉ cái tên phải nói lên hình dạng, mà nó còn phải nói rằng đây là một nguyên tử ôxy, kia là một nguyên tử hiđrô — chính xác mỗi nguyên tử là gì và ở đâu. Vậy ta có thể thấy rõ rằng các tên hóa học phải phức tạp mới có thể đầy đủ được. Bạn thấy rằng tên của chất này, ở dạng đầy đủ hơn sẽ cho bạn biết cấu trúc của nó, là 4-(2, 2, 3, 6-tetramethyl-5-cyclohexenyl)-3-buten-2-one, và điều đó cho bạn biết đây là sự sắp xếp như thế nào. Chúng ta có thể thông cảm với những khó khăn mà các nhà hóa học gặp phải, và cũng thông cảm với lý do của những cái tên dài như vậy. Không phải họ muốn tỏ ra khó hiểu, mà họ có một bài toán cực kỳ khó khi cố mô tả các phân tử bằng lời!

Làm sao chúng ta biết rằng có các nguyên tử? Bằng một trong những mánh đã nhắc đến trước đó: chúng ta đưa ra giả thuyết rằng có các nguyên tử, và hết kết quả này đến kết quả khác xuất hiện đúng như chúng ta dự đoán, như chúng phải thế nếu mọi vật đều được tạo thành từ các nguyên tử. Cũng có bằng chứng có phần trực tiếp hơn, một ví dụ tốt về nó là như sau: Các nguyên tử nhỏ đến mức bạn không thể nhìn thấy chúng bằng kính hiển vi quang học — trên thực tế, ngay cả bằng kính hiển vi điện tử cũng không. (Bằng kính hiển vi quang học, bạn chỉ có thể nhìn thấy những thứ lớn hơn nhiều.) Nay nếu các nguyên tử luôn chuyển động, chẳng hạn trong nước, và chúng ta đặt một quả bóng lớn của một thứ gì đó vào nước, một quả bóng lớn hơn nhiều so với các nguyên tử, quả bóng sẽ lúc lắc qua lại — rất giống trong một trò chơi bóng đẩy, nơi một quả bóng rất lớn bị rất nhiều người đẩy qua lại. Mọi người đang đẩy theo nhiều hướng khác nhau, và quả bóng di chuyển quanh sân theo một cách không đều. Vậy, theo cùng một cách, “quả bóng lớn” sẽ di chuyển vì sự không đều của các va chạm ở một phía so với phía kia, từ khoảnh khắc này sang khoảnh khắc khác. Do đó, nếu chúng ta nhìn vào những hạt rất nhỏ (các hạt keo) trong nước qua một kính hiển vi xuất sắc, chúng ta thấy một sự lúc lắc vĩnh cửu của các hạt, vốn là kết quả của sự bắn phá của các nguyên tử. Điều này được gọi là chuyển động Brown.

Chúng ta có thể thấy bằng chứng nữa cho các nguyên tử trong cấu trúc của các tinh thể. Trong nhiều trường hợp, các cấu trúc được suy ra bằng phân tích tia X khớp, về “hình dạng” không gian của chúng, với các dạng thật sự được thể hiện bởi các tinh thể như chúng xuất hiện trong tự nhiên. Các góc giữa các “mặt” khác nhau của một tinh thể khớp, với độ chính xác tới từng giây cung, với các góc được suy ra trên giả định rằng một tinh thể được tạo thành từ nhiều “lớp” nguyên tử.

Mọi vật đều được tạo thành từ các nguyên tử. Đó là giả thuyết then chốt. Ví dụ, giả thuyết quan trọng nhất trong toàn bộ sinh học là mọi điều động vật làm, các nguyên tử đều làm. Nói cách khác, không có điều gì các sinh vật sống làm mà lại không thể được hiểu từ quan điểm rằng chúng được tạo thành từ các nguyên tử hành xử theo các định luật của vật lý. Điều này không được biết ngay từ đầu: phải mất ít nhiều thực nghiệm và lý thuyết mới gợi ra giả thuyết này, nhưng nay nó đã được chấp nhận, và nó là lý thuyết hữu ích nhất để tạo ra những ý tưởng mới trong lĩnh vực sinh học.

Nếu một miếng thép hay một miếng muối, gồm các nguyên tử nằm cạnh nhau, có thể có những tính chất thú vị như vậy; nếu nước — vốn chẳng là gì ngoài những khối tròn nhỏ này, dặm này qua dặm khác cùng một thứ trên khắp trái đất — có thể tạo thành sóng và bọt, và tạo ra những tiếng ào ào cùng những khuôn mẫu lạ lùng khi nó chảy trên xi măng; nếu tất cả những điều này, toàn bộ đời sống của một dòng nước, không là gì ngoài một đống nguyên tử, thì còn biết bao nhiêu điều nữa là có thể? Nếu thay vì sắp xếp các nguyên tử thành một kiểu mẫu xác định nào đó, lặp đi lặp lại không ngừng, hoặc thậm chí tạo thành những cục phức tạp nhỏ như mùi hương của hoa violet, chúng ta tạo ra một sự sắp xếp luôn khác nhau từ nơi này sang nơi khác, với các loại nguyên tử khác nhau được sắp xếp theo nhiều cách, liên tục thay đổi, không lặp lại, thì thứ đó có thể hành xử kỳ diệu hơn biết bao? Liệu có thể nào “thứ” đang đi qua đi lại trước mặt bạn, đang nói chuyện với bạn, là một khối lớn gồm các nguyên tử này trong một sự sắp xếp rất phức tạp, đến mức chính sự phức tạp của nó làm choáng ngợp trí tưởng tượng về những điều nó có thể làm? Khi chúng ta nói chúng ta là một đống nguyên tử, chúng ta không có ý nói chúng ta chỉ đơn thuần là một đống nguyên tử, bởi vì một đống nguyên tử không lặp lại từ phần này sang phần khác rất có thể có những khả năng mà bạn thấy trước mặt mình trong gương.