Chương 2 Cặp song sinh và kẻ lạc loài: Gia phả của các nguyên tố

Shakespeare đã thử với từ “honorificabilitudinitatibus” mà với từng người có thể mang nghĩa là “trạng thái được vinh danh”, hoặc được viết ngược thành tuyên bố rằng Francis Bacon đã viết những vở kịch đó chứ không phải Shakespeare.* Nhưng từ có 27 chữ cái này vẫn chưa đủ dài để trở thành từ tiếng Anh dài nhất.

Tất nhiên, xác định từ dài nhất cũng như cố gắng vượt qua một cơn sóng dữ. Chẳng mấy mà bạn sẽ mất kiểm soát, vì dòng chảy ngôn ngữ liên tục đổi hướng. Tùy ngữ cảnh mà một từ có được xem là tiếng Anh hay không. Từ của Shakespeare do một chàng hề nói trong vở kịch Love’s Labour’s Lost (tạm dịch: Uổng sức yêu đương), và rõ ràng là bắt nguồn từ tiếng Latin. Nhưng những từ tiếng nước ngoài – ngay cả trong câu tiếng Anh – không nên được tính đến. Ngoài ra, nếu tính cả những từ chỉ gồm hậu tố và tiền tố ghép lại (“antidisestablishmentarianism”: 28 chữ cái) hoặc vô nghĩa (“supercalifragilisticexpialidocious”: 34 chữ cái) thì các nhà văn có thể dắt mũi độc giả cho đến khi tay họ mỏi nhừ.

Nhưng nếu áp dụng một định nghĩa hợp lý thì từ dài nhất trong tài liệu tiếng Anh – không nhằm mục đích lập kỷ lục – đã tồn tại từ năm 1964 trong Chemical Abstracts (tạm dịch: Toát yếu Hóa học), một nguồn tham khảo dạng từ điển cho các nhà hóa học. Từ này mô tả một protein quan trọng mà giới sử học thường coi là virus đầu tiên được phát hiện (virus khảm thuốc lá, phát hiện năm 1892). Hít thật sâu vào nhé.

acetylseryltyrosylserylisoleucylthreonylserylprolylserylgluta- minylphenylalanylvalylphenylalanylleucylserylserylvalyltryp- tophylalanylaspartylprolylisoleucylglutamylleucylleucylaspa- raginylvalylcysteinylthreonylserylserylleucylglycylasparagi- nylglutaminylphenylalanylglutaminylthreonylglutaminylglu- taminylalanylarginylthreonylthreonylglutaminylvalylgluta- minylglutaminylphenylalanylserylglutaminylvalyltryptophyl- lysylprolylphenylalanylprolylglutaminylserylthreonylvalyl- arginylphenylalanylprolylglycylaspartylvalyltyrosyllysylvalyl- tyrosylarginyltyrosylasparaginylalanylvalylleucylaspartylp- rolylleucylisoleucylthreonylalanylleucylleucylglycylthreonyl- phenylalanylaspartylthreonylarginylasparaginylarginyliso- leucylisoleucylglutamylvalylglutamylasparaginylglutaminyl- glutaminylserylprolylthreonylthreonylalanylglutamylthreo- nylleucylaspartylalanylthreonylarginylarginylvalylaspartylas- partylalanylthreonylvalylalanylisoleucylarginylserylalanylas- paraginylisoleucylasparaginylleucylvalylasparaginylglutamyl- leucylvalylarginylglycylthreonylglycylleucyltyrosylasparagi- nylglutaminylasparaginylthreonylphenylalanylglutamylseryl- methionylserylglycylleucylvalyltryptophylthreonylserylalany- lprolylalanylserine

“Con trăn khổng lồ” này dài 1.185 chữ cái.*

Hẳn là ai cũng sẽ chỉ lướt mắt qua từ này thôi, nên ta cùng quay lại và nhìn lần nữa. Bạn sẽ thấy việc phân phối các chữ cái khá buồn cười. Chữ “e” phổ biến nhất trong tiếng Anh xuất hiện 65 lần, “y” kém phổ biến xuất hiện 183 lần, còn chữ “l” chiếm 22% (255 lần). Ngoài ra, “y” và “l” không xuất hiện ngẫu nhiên mà thường nằm cạnh nhau (166 cặp, sau mỗi sáu chữ cái). Đây không phải là sự trùng hợp. Từ này mô tả một protein, và các protein được tạo nên từ nguyên tố thứ sáu (cũng là nguyên tố linh hoạt nhất) trên bảng tuần hoàn: cacbon.

Cụ thể, cacbon tạo thành xương sống của amino axit. Các amino axit nối chuỗi với nhau để tạo nên protein. (Protein của virus khảm thuốc lá gồm 159 amino axit.) Do thường phải đếm rất nhiều amino axit, nên các nhà hóa sinh phân loại chúng với một quy tắc ngôn ngữ đơn giản. Họ xén “ ine ” (như “serine” hoặc “isoleucine”) của amino axit trong tiếng Anh và đổi thành “ yl ” để phù hợp với cách đọc thông thường (“seryl” hoặc “isoleucyl”). Đọc theo đúng thứ tự, đuôi “ yl ” sẽ mô tả chính xác cấu trúc của protein. Cũng như người bình thường đoán được ý nghĩa của từ ghép “hộp diêm”, các nhà hóa sinh trong những năm 1950 và đầu những năm 1960 đã dùng cách mới này làm danh pháp chính thức cho các phân tử như “acetyl…serine” để tái tạo được toàn bộ chỉ nhờ cái tên. Hệ thống này rất chính xác, chỉ là nghe mắc mệt. Trong lịch sử, xu hướng ghép từ phản ánh ảnh hưởng mạnh mẽ của nước Đức và thói cuồng ghép từ của tiếng Đức trong hóa học.

Nhưng tại sao các amino axit lại xâu chuỗi được với nhau? Đó là do vị trí của cacbon trên bảng tuần hoàn, và nhu cầu cần lấp đầy tám electron ở mức năng lượng ngoài cùng (quy tắc bát tử) của nó. Trong thang đo cường độ liên kết, các amino axit liên kết không quá chặt chẽ. Một đầu của amino axit có các nguyên tử oxy, đầu kia là nitơ, còn phần thân chính ở giữa chứa hai nguyên tử cacbon. (Chúng cũng chứa hydro và một nhánh phụ có thể chứa tới 20 phân tử khác nhau, nhưng ta không cần quan tâm.) Cacbon, nitơ và oxy đều muốn có tám electron ở lớp ngoài cùng, nhưng oxy lại dễ đạt được điều này hơn hai nguyên tố còn lại. Oxy (nguyên tố thứ tám) có tổng cộng tám electron. Hai electron thuộc mức năng lượng thấp nhất được lấp đầy đầu tiên. Vì còn sáu electron ở mức ngoài nên oxy luôn tìm thêm hai electron nữa. Hai electron không quá khó tìm: oxy hung hăng có thể đề ra luật chơi và bắt nạt các nguyên tử khác. Nhưng bài toán tương tự cho thấy cacbon tội nghiệp (nguyên tố thứ sáu) còn bốn electron sau khi lấp đầy mức năng lượng đầu tiên, nên nó cần thêm bốn electron để có đủ tám. Điều này khó hơn, khiến cacbon có tiêu chuẩn liên kết rất thấp. Nó bám vào hầu hết mọi thứ.

Sự lăng nhăng đó là đặc tính của cacbon. Không giống oxy, cacbon phải liên kết với các nguyên tử khác theo bất kỳ hướng nào có thể. Trên thực tế, cacbon chia sẻ electron với tối đa bốn nguyên tử khác cùng lúc, giúp nó xây dựng các chuỗi phức tạp và thậm chí là cả mạng phân tử ba chiều. Vì chia sẻ nhưng không thể đánh cắp electron, nên liên kết của cacbon bền và ổn định. Dù hoàn cảnh của nitơ không đến mức lâm ly bi đát như cacbon, nó cũng phải tạo ra nhiều liên kết để duy trì sự bền vững của mình. Các protein dài như con trăn ở trên chỉ tận dụng các quy tắc cơ bản này. Một nguyên tử cacbon trong thân amino axit chia sẻ một electron với nitơ ở đuôi một amino axit khác, và khi các nguyên tử cacbon và nitơ được xâu chuỗi tới gần như vô tận (như các chữ cái trong một từ rất, rất dài), protein sẽ hình thành.

Các nhà khoa học ngày nay đã có thể giải mã những phân tử dài hơn “acetyl…serine” rất nhiều. Kỷ lục hiện tại thuộc về một protein khổng lồ mà tên đầy đủ của nó gồm 189.819 chữ cái. Nhưng khi một số công cụ giải nhanh trình tự amino axit ra đời trong những năm 1960, giới khoa học nhận ra rằng họ sẽ sớm có được những danh pháp hóa học dài bằng chính cuốn sách này (và việc kiểm tra chính tả sẽ là một cơn ác mộng). Vì vậy, họ đã bỏ hệ thống danh pháp cồng kềnh kiểu Đức để quay lại với những cái tên ngắn và ít đao to búa lớn hơn, ngay cả trong văn bản chính thức. Ngày nay, protein dài 189.819 chữ cái kia thật may đã có tên là titin.* Nói chung, sẽ chẳng có ai buồn viết (thậm chí là chỉ thử viết) tên đầy đủ của virus khảm thuốc lá dài ngoằng đó lên giấy cả.

Điều này không có nghĩa là những nhà từ điển học nên dừng nghiên cứu về hóa sinh. Y học luôn là mảnh đất màu mỡ cho những từ dài lố bịch sinh sôi: từ không chuyên ngành dài nhất trong Từ điển tiếng Anh Oxford có liên quan tới họ hàng gần nhất của cacbon về phương diện hóa học. Nguyên tố này thường được coi là ứng viên sẽ thế chỗ cacbon để tạo nên sự sống ở các thiên hà khác: silic – nguyên tố thứ 14.

Trong phả hệ, các bậc cha mẹ thường sinh ra con cái giống mình. Tương tự, cacbon cũng có nhiều điểm chung với silic (nguyên tố ngay bên dưới nó) hơn là với bo và nitơ (hai nguyên tố nằm cạnh cacbon trên cùng hàng ngang). Nguyên do thì đã rõ. Cacbon là nguyên tố thứ sáu, silic là nguyên tố thứ mười bốn và khoảng cách bằng tám (lại là bát tử) không phải ngẫu nhiên. Với silic, hai electron lấp đầy mức năng lượng đầu tiên và tám electron lấp đầy mức thứ hai. Bốn electron còn dư khiến silic lâm vào tình trạng tương tự cacbon. Tuy nhiên, cũng nhờ đó mà nó có tính linh hoạt như cacbon. Do tính linh hoạt của cacbon liên quan trực tiếp đến khả năng hình thành sự sống của nó, nên khả năng bắt chước cacbon đã biến silic thành nơi gửi gắm giấc mơ của nhiều thế hệ người hâm mộ khoa học viễn tưởng thích thú với các dạng sống khác (ngoài vũ trụ) không tuân theo quy tắc trên Trái Đất. Đồng thời, phả hệ cũng không phải là định mệnh vì con trẻ không bao giờ giống hệt cha mẹ mình. Tuy có liên hệ mật thiết nhưng cacbon và silic vẫn là các nguyên tố riêng biệt và tạo thành các hợp chất riêng biệt. Và không may cho những người hâm mộ khoa học viễn tưởng, silic không thể làm được những điều kỳ diệu như cacbon.

Thật kỳ lạ, ta có thể tìm hiểu về các hạn chế của silic nhờ phân tích một từ dài kỷ lục khác, cũng dài lố bịch y như protein cấu thành từ cacbon gồm 1.185 chữ cái ở trên. Thực ra, protein đó có một cái tên khá “khuôn mẫu”, chỉ thú vị vì nó lạ mà thôi (như cách tính số π đến hàng ngàn tỷ chữ số sau dấu phẩy). Ngược lại, từ không chuyên ngành dài nhất trong Từ điển tiếng Anh Oxford là “pneumonoultramicroscopicsilicovolcanoconiosis” dài 45 chữ cái – là tên một căn bệnh có từ “silic” ở lõi. Các nhà ngôn ngữ học chơi chữ gọi pneumonoultramicroscopicsilicovolcanoconiosis là “p45”, nhưng giới y khoa vẫn hoài nghi về việc p45 có phải một căn bệnh thực sự hay không, vì nó chỉ là một biến thể của bệnh phổi nan y pneumonoconiosis (p16). Bệnh p16 có biểu hiện giống viêm phổi và nguyên nhân là do hít phải amiăng. Hít phải silic dioxit (thành phần chính của cát và thủy tinh) cũng có thể bị p16. Công nhân xây dựng phun cát cả ngày và công nhân làm việc ở xưởng chất cách nhiệt hít phải bụi thủy tinh thường bị bệnh p16. Nhưng vì silic dioxit (SiO 2 ) là khoáng chất phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất nên còn một nhóm khác cũng dễ bị ảnh hưởng: những người sống gần núi lửa đang hoạt động. Các núi lửa mạnh nhất nghiền mịn silic dioxit và phun hàng triệu tấn vào không khí. Bụi này luồn lách vào phế nang. Do phổi của con người thường xuyên tiếp xúc với CO 2 , nên chúng cũng thấy thoải mái khi hấp thụ người họ hàng SiO 2 (có thể gây tử vong) của nó. Nhiều loài khủng long có thể đã vì thế mà chết khi một tiểu hành tinh (hoặc sao chổi) to bằng cả thành phố va vào Trái Đất cách đây 65 triệu năm.

Những điều này sẽ giúp việc phân tích các tiền tố và hậu tố của p45 dễ dàng hơn rất nhiều. Bệnh phổi p45 do hít phải bột silic dioxit mịn từ núi lửa khi mọi người hổn hển bỏ chạy khỏi hiện trường có tên pneumono-ultra-microscopic-silico-volcano-coniosis 1 . Tuy nhiên, trước khi xài từ này, bạn nên biết rằng nhiều người theo chủ nghĩa từ ngữ thuần túy ghét nó. Năm 1935, có người đã nêu ra p45 trong cuộc họp của Hội giải ô chữ Mỹ và một số vẫn chế nhạo rằng đó chỉ là một “từ để trưng”. Ngay cả các biên tập viên nghiêm cẩn của Từ điển tiếng Anh Oxford cũng hạ thấp từ này khi định nghĩa nó là “một từ khó chịu”, chỉ “sinh ra để mang nghĩa đó”. Nguồn cơn của sự ghét bỏ này là do p45 được mở rộng từ một từ “đúng nghĩa”. P45 đã được sửa đổi (như một dạng sống nhân tạo) thay vì sinh ra tự nhiên từ ngôn ngữ hằng ngày.

1 . pneumono-ultra-microscopic-silico-volcano-coniosis bao gồm: pneumono (liên quan đến viêm phổi), ultra-microscopic-silico (silic dioxit siêu hiển vi), volcano (núi lửa) và coniosis (tình trạng bệnh do hít phải bụi). (BTV)

Đào sâu hơn về silic, ta có thể khám phá liệu những tuyên bố về sự sống từ silic có khả dĩ hay không. Mặc dù xuất hiện nhan nhản trong khoa học viễn tưởng (cũng như súng bắn tia năng lượng vậy) nhưng sự sống từ silic thực sự là một ý tưởng quan trọng, vì nó mở rộng khái niệm sự sống xoay-quanh-cacbon. Dân cuồng silic thậm chí còn viện dẫn một số loài động vật trên Trái Đất có silic trong cơ thể như nhím biển (với gai silic) và trùng tia nguyên sinh (sinh vật đơn bào dùng silic để tạo ra khung xương ngoài). Những tiến bộ về điện toán và trí tuệ nhân tạo cũng cho thấy silic có thể hình thành nên những “bộ não” phức tạp không kém bất kỳ dạng sống dựa trên cacbon nào. Về lý thuyết, không gì có thể ngăn bạn thay thế mọi tế bào thần kinh trong não bằng transistor silic.

Tuy nhiên, bài học về hóa học thực nghiệm rút ra từ p45 đã đập tan mọi hy vọng cho dạng sống silic. Rõ ràng dạng sống silic sẽ phải luân chuyển silic ra vào cơ thể để sửa chữa các mô hoặc bất cứ thứ gì (giống như sinh vật trên Trái Đất vận chuyển cacbon đi khắp nơi). Trên Trái Đất, các sinh vật ở tầng thấp nhất của chuỗi thức ăn (trong nhiều trường hợp, đây là dạng sống quan trọng nhất) làm điều đó thông qua khí cacbon dioxit. Silic hầu như cũng luôn liên kết với oxy trong tự nhiên, thường dưới dạng SiO 2 . Nhưng không giống cacbon dioxit (chất khí), silic dioxit (dù có là bụi núi lửa mịn) là chất rắn, và dù ở bất kỳ nhiệt độ nào thì nó đều không thân thiện với sự sống. (Nó chỉ chuyển thành dạng khí ở 2.204°C!) Ở cấp độ hô hấp tế bào, chất rắn không thể giúp ích gì vì bị gắn vào nhau. Chúng không lưu thông và rất khó tách thành từng phân tử mà tế bào cần. Ngay cả sự sống silic dạng thô sơ (tương đương váng tảo) cũng sẽ khó mà thở được, và các dạng sống lớn hơn với cấu trúc tế bào đa lớp còn tệ hơn rất nhiều. Nếu không trao đổi khí được với môi trường, sự sống silic dạng thực vật sẽ chết đói và sự sống silic dạng động vật sẽ nghẹt thở vì khí thải, như p45 làm nghẹt phổi dùng cacbon của con người vậy.

Nhưng liệu vi sinh vật silic có thể hít thở silic dioxit theo những cách khác không? Có lẽ có, nhưng silic dioxit không tan trong nước – chất lỏng dồi dào nhất vũ trụ tính đến hiện giờ. Vì vậy, chúng phải từ bỏ những lợi thế tiến hóa của máu hay bất kỳ chất lỏng nào dùng để vận chuyển dưỡng chất và chất thải. Các dạng sống silic sẽ phải dựa vào chất rắn (không thể trộn lẫn dễ dàng), nên ta không thể tưởng tượng ra chúng sẽ làm được những gì.

Hơn nữa, vì chứa nhiều electron hơn cacbon nên silic cồng kềnh hơn. Đôi khi đó không phải là vấn đề lớn. Silic có thể thay thế cacbon trong các dạng tương tự chất béo hoặc protein trên Sao Hỏa. Nhưng cacbon còn có khả năng tự uốn thành các phân tử đường dạng mạch vòng (trạng thái có sức căng lớn, nghĩa là trữ được rất nhiều năng lượng), còn silic không đủ mềm để uốn cong thành vòng. Một vấn đề tương tự là: nguyên tử silic không thể dồn ép các electron vào một không gian chật hẹp để hình thành liên kết đôi – điều xuất hiện trong hầu hết phân tử sinh hóa phức tạp. (Hai nguyên tử chia sẻ hai electron để tạo ra một liên kết đơn, bốn electron là một liên kết đôi.) Do đó, số lượng phương án lưu trữ năng lượng hóa học và tạo ra hormone hóa học của dạng sống silic sẽ ít hơn dạng sống cacbon rất nhiều. Nhìn chung, chỉ có mô hình sinh hóa đột phá mới có thể giúp dạng sống silic phát triển, phản ứng, sinh sản và chiến đấu được. (Nhím biển và trùng tia chỉ sử dụng silic dioxit hỗ trợ cấu trúc, chứ không phải hô hấp hay lưu trữ năng lượng.) Và sự sống từ cacbon phát triển rực rỡ trên Trái Đất đã chứng thực điều này, dù cacbon ít phổ biến hơn silic rất nhiều.* Tôi không dại dột đến mức dự đoán sự sống từ silic là bất khả nhưng nguyên tố này hẳn chưa thể tạo nên sự sống, trừ khi những sinh vật ấy thải ra cát và sống trên các hành tinh với núi lửa liên tục phun ra silic dioxit siêu nhỏ.

May mắn thay, silic đã đảm bảo sự bất tử của mình theo cách khác. Giống như virus (thực thể gần như một dạng sống), nó luồn lách trong ngách tiến hóa và sống sót nhờ ký sinh trên nguyên tố ngay dưới mình.

* * *  

Cột của cacbon và silic trong bảng tuần hoàn không chỉ chứa đựng một bài học về phả hệ. Dưới silic là gecmani. Ngay dưới gecmani, ta bất ngờ thấy thiếc. Dưới nữa là chì. Dọc theo cột này từ trên xuống, ta đi từ cacbon (nguyên tố tạo nên sự sống); silic và gecmani (tạo nên thiết bị điện tử hiện đại); thiếc (kim loại xám xỉn dùng làm vỏ đồ hộp) đến chì (ít nhiều bất lợi với sự sống). Mỗi bước dù nhỏ, nhưng vẫn đủ để nhắc ta rằng đột biến đang tích tụ, dù ngoài mặt các nguyên tố vẫn tương đồng.

Một bài học khác là mỗi gia đình đều có một kẻ lạc loài ít nhiều bị ruồng bỏ. Ở cột thứ mười bốn của bảng tuần hoàn, gecmani là kẻ đáng thương, đen đủi ấy. Chúng ta sử dụng silic trong máy tính, vi mạch, ô tô và máy tính bỏ túi. Chất bán dẫn silic đưa con người lên Mặt Trăng và lướt Internet. Nhưng nếu mọi chuyện khác đi vào 60 năm trước, hẳn tất cả chúng ta ngày nay đều đang nói về Thung lũng Gecmani ở miền bắc California rồi.

Ngành công nghiệp bán dẫn hiện đại khởi đầu vào năm 1945 tại Phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey, chỉ cách nơi Thomas Alva Edison thành lập nhà máy phát minh 70 năm trước đó vài cây số. Kỹ sư điện kiêm nhà vật lý William Shockley đã thử chế tạo một bộ khuếch đại silic nhỏ để thay thế ống chân không trong những máy tính lớn. Các kỹ sư chán ghét ống chân không vì lớp vỏ thủy tinh dài (giống bóng đèn) rất cồng kềnh, dễ vỡ và dễ quá tải nhiệt. Dù ghét, họ vẫn cần những ống này bởi không còn thứ gì thực hiện được nhiệm vụ kép: vừa khuếch đại tín hiệu điện yếu để chúng không mất đi, vừa hoạt động như cổng dòng điện một chiều để electron trong mạch không thể chảy ngược. (Nếu ống thoát nước nhà bạn chảy cả hai chiều, bạn sẽ hiểu vấn đề ngay.) Shockley bắt đầu cải tiến ống chân không giống những gì Edison đã làm với nến, và ông biết các nguyên tố bán dẫn chính là câu trả lời. Chỉ chúng mới có thể đạt được sự cân bằng mà các kỹ sư mong muốn: cho đủ số electron đi qua để tạo ra mạch điện (phần “dẫn”), nhưng không nhiều electron đến mức không điều khiển được (phần “bán”). Mặc dù Shockley có tầm nhìn xa hơn kỹ sư nhưng bộ khuếch đại silic của ông chẳng khuếch đại được bất cứ thứ gì. Thất vọng sau hai năm không thành công, ông đã giao nhiệm vụ cho hai nhân viên John Bardeen và Walter Brattain.

Theo một nhà viết tiểu sử, Bardeen và Brattain “có tình bạn khăng khít tột bậc… như thể Bardeen là bộ óc còn Brattain là tay chân trong cùng một cơ thể”.* Mối quan hệ cộng sinh này rất thuận tiện, vì Bardeen (có lẽ là hình mẫu cho cụm từ “mọt sách”) không khéo tay cho lắm. Họ sớm xác định silic quá giòn và khó tinh chế để làm bộ khuyếch đại. Thêm nữa, họ biết rằng các electron lớp ngoài cùng của gecmani nằm ở mức năng lượng cao hơn các electron lớp ngoài cùng của silic, nên các electron đó của gecmani liên kết lỏng lẻo hơn và dẫn điện dễ hơn. Bardeen và Brattain đã dùng gecmani chế tạo ra bộ khuếch đại dạng rắn đầu tiên của thế giới (trái ngược với chân không) vào tháng 12 năm 1947. Họ gọi đó là transistor.

Shockley đáng ra phải vui mừng, nhưng bấy giờ ông đang ở Paris vào dịp Giáng sinh nên khó lòng tuyên bố mình đã góp sức cho phát minh này (chưa kể ông còn dùng sai nguyên tố). Vì vậy, Shockley bắt đầu bày trò nhằm “ăn chặn” công lao của Bardeen và Brattain. Shockley không phải người xấu, nhưng khi tin là mình đúng thì không nể nang ai và ông cho rằng mình đáng được nhận phần lớn công lao cho phát minh transistor. (Niềm tin này lần nữa xuất hiện trong những năm cuối đời của Shockley, sau khi ông từ bỏ vật lý chất rắn và chuyển sang “khoa học” ưu sinh – nghiên cứu chọn giống người thượng đẳng. Ông tin vào tư tưởng giai cấp tri thức của Bà La Môn và bắt đầu cống hiến cho “ngân hàng tinh trùng thiên tài”*, chủ trương trợ cấp cho người nghèo và những nhóm dân tộc thiểu số đi đình sản để họ ngừng làm giảm chỉ số IQ chung của loài người.)

Shockley vội vã quay về từ Paris để “hòa mình” vào bức tranh transistor, thường là theo đúng nghĩa đen. Trong các bức ảnh truyền thông của Phòng thí nghiệm Bell chụp ba người đang có vẻ làm việc, Shockley luôn chen vào giữa bộ đôi Bardeen và Brattain, đặt tay mình lên thiết bị, buộc hai người còn lại ngước nhìn qua vai ông như trợ lý. Những hình ảnh đó đã thay đổi sự thật và cộng đồng khoa học ghi nhận công lao cho cả ba người. Hành xử như một lãnh chúa nhỏ mọn, Shockley trục xuất đối thủ chính (Bardeen) đến một phòng thí nghiệm không liên quan khác thuộc hệ thống của Phòng thí nghiệm Bell để tự mình phát triển một thế hệ transistor gecmani thân thiện hơn về mặt thương mại. Không có gì đáng ngạc nhiên khi Bardeen sớm rời Phòng thí nghiệm Bell để giảng dạy ở Illinois. Thực ra, ông đã căm phẫn đến mức quyết định từ bỏ việc nghiên cứu chất bán dẫn.

Mọi thứ với gecmani rồi cũng trở nên chua chát. Đến năm 1954, ngành công nghiệp transistor đã mọc lên như nấm sau mưa. Tốc độ xử lý của máy vi tính tăng lên rất nhiều lần và các dòng sản phẩm hoàn toàn mới đã ra đời (như radio bỏ túi). Nhưng trong suốt thời kỳ này, các kỹ sư vẫn tiếp tục tơ tưởng về silic. Họ làm vậy một phần vì gecmani rất thất thường. Dẫn điện rất tốt cũng kèm theo nhiệt lượng không mong muốn, khiến transistor gecmani bị ngưng trệ ở nhiệt độ cao. Quan trọng hơn, silic (thành phần chính của cát) có lẽ còn rẻ hơn cả đất. Dẫu vẫn trung thành với gecmani nhưng các nhà khoa học đã dành rất nhiều thời gian mộng mơ về silic.

Đột nhiên, tại một cuộc họp về ngành bán dẫn cùng năm, một kỹ sư táo bạo đến từ Texas đã đứng dậy sau bài phát biểu chán ngắt về sự bất khả thi của transistor silic và tuyên bố rằng mình thực sự có một transistor silic trong túi. Liệu đám đông có thích thú thử nghiệm chăng? Anh chàng ra vẻ P. T. Barnum 1 này (tên thật là Gordon Teal) đã nối một máy nghe nhạc chạy bằng gecmani với loa ngoài và nhúng thẳng bộ phận bên trong vào thùng dầu sôi. Đúng như dự đoán, nó ngắc ngứ rồi tịt ngóm. Teal nhấc máy nghe nhạc khỏi dầu, lấy transistor gecmani ra và lắp transistor bằng silic vào. Anh thả nó vào dầu một lần nữa. Tiếng nhạc vẫn vang lên. Khi đám đông nhân viên bán hàng đang chen lấn đến được các bốt điện thoại sau hội trường thì gecmani đã thành phế liệu.

1 . Phineas Taylor Barnum (1810-1891) là chủ rạp xiếc, chính khách và thương nhân người Mỹ. Tên ông được đặt cho Hiệu ứng Barnum. (BTV)

May mắn cho Bardeen, câu chuyện về transistor của ông đã kết thúc có hậu, dù có vụng về. Công trình về chất bán dẫn gecmani quan trọng đến mức ông, Brattain và cả (hầyyy) Shockley đều đoạt giải Nobel Vật lý năm 1956. Bardeen biết tin này qua radio (lúc đó hẳn chạy bằng silic) khi đang chuẩn bị bữa sáng. Quá bối rối, ông đã đánh rơi món trứng bác của gia đình xuống sàn. Đó không phải khoảnh khắc hậu đậu duy nhất xung quanh giải Nobel của ông. Vài ngày trước lễ trao giải ở Thụy Điển, ông giặt nơ và áo vest trắng với quần áo màu khiến chúng bị nhuộm thành màu xanh lá cây (giống trang phục của sinh viên). Vào ngày diễn ra buổi lễ, ông và Brattain căng thẳng trước việc diện kiến đức vua Thụy Điển Gustaf VI Adolf đến mức phải dùng thuốc ký ninh để ổn định bụng dạ. Nhưng cũng chẳng ích gì khi nhà vua trách Bardeen vì đã bắt các con trai ở lại Harvard học thay vì đến Thụy Điển cùng ông (Bardeen sợ con mình bỏ lỡ một bài kiểm tra). Trước lời quở trách này, Bardeen cười gượng và đùa rằng ông sẽ mang họ theo vào lần nhận giải Nobel tới.

Gạt những câu chuyện hài hước sang một bên, buổi lễ đã đánh dấu một tầm cao mới cho chất bán dẫn nhưng chỉ trong một thời gian ngắn ngủi. Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển (nơi trao giải Nobel Hóa học và Vật lý) có xu hướng tôn vinh nghiên cứu thuần túy hơn là kỹ thuật, và chiến thắng cho transistor là một sự công nhận hiếm hoi với khoa học ứng dụng. Tuy nhiên đến năm 1958, ngành công nghiệp transistor lại phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng khác. Do Bardeen đã rời khỏi lĩnh vực này, nên cánh cửa đã mở ra để chào đón một người hùng khác.

Jack Kilby nhanh chóng bước qua “cánh cửa” này dù có thể phải khom lưng đôi chút (ông cao đến 2 m). Là một người Kansas có khuôn mặt sần sùi và nói năng chậm rãi, Kilby đã làm việc suốt một thập kỷ ở vùng Milwaukee nghèo công nghệ trước khi tìm được việc tại công ty Texas Instruments (TI) năm 1958. Tuy được đào tạo về kỹ thuật điện nhưng Kilby lại được nhận để giải quyết một vấn đề phần cứng máy tính: tính chuyên chế số lượng (tyranny of numbers) . Về cơ bản, dù transistor silic giá rẻ hoạt động tốt nhưng các mạch máy tính cao cấp cần rất nhiều transistor. Do đó, các công ty như TI phải sử dụng nhiều nhà xưởng toàn những kỹ thuật viên nữ với mức lương bèo bọt, cả ngày chỉ biết cắm mặt vào kính hiển vi, lầm bầm chửi bới và đổ mồ hôi trong bộ đồ bảo hộ khi hàn các mảnh silic với nhau. Quy trình này không chỉ đắt đỏ mà còn không hiệu quả. Không thể tránh khỏi việc một dây dẫn mỏng manh trong mỗi mạch bị đứt hoặc bung ra khi vận hành, và khi đó toàn bộ mạch sẽ chết. Tuy nhiên, các kỹ sư lại không thể tránh được việc phải dùng rất nhiều transistor. Điều này gây ra tính chuyên chế số lượng.

Kilby đến TI vào một ngày tháng sáu ngột ngạt. Nhân viên mới không có thời gian nghỉ phép, nên ông chỉ còn lại một mình sau khi hàng ngàn đồng nghiệp đã nghỉ phép bắt buộc vào tháng bảy. Chính sự vắng lặng này đã thuyết phục ông rằng thuê hàng ngàn người để nối transistor là điều ngớ ngẩn, và sự vắng mặt của cấp trên đã cho ông khoảng thời gian tự do để theo đuổi ý tưởng mới: mạch tích hợp. Transistor silic không phải bộ phận duy nhất của mạch điện cần được hàn thủ công. Các điện trở cacbon và tụ điện sứ cũng phải được nối với nhau bằng dây đồng. Kilby đã loại bỏ việc lắp các bộ phận riêng biệt và khắc mọi thứ – điện trở, transistor, tụ điện – vào một khối bán dẫn vững chắc. Một ý tưởng tuyệt vời, là sự khác biệt cả về mặt cấu trúc và nghệ thuật – giống như tạc một bức tượng từ đá cẩm thạch nguyên khối thay vì chạm khắc từng chi tiết rồi cố ghép nối bằng dây. Không tin tưởng vào độ tinh khiết của silic được dùng để chế tạo điện trở và tụ điện, ông đã chuyển sang dùng gecmani cho nguyên mẫu.

Cuối cùng, mạch tích hợp này đã giải phóng các kỹ sư khỏi sự chuyên chế số lượng do lắp ráp thủ công gây ra. Do mọi bộ phận đều được làm từ cùng một khối nên không cần hàn chúng với nhau nữa. Trên thực tế, chẳng còn ai làm được điều này, vì mạch tích hợp cũng cho phép kỹ sư tự động hóa quá trình khắc và tạo ra các bộ transistor siêu nhỏ – các chip máy tính thực sự đầu tiên. Kilby chưa từng được ghi công đầy đủ cho phát minh của mình (vài tháng sau, một học trò của Shockley nộp bằng sáng chế cạnh tranh chi tiết hơn chút và đã cướp trắng quyền sở hữu trí tuệ từ tay công ty của Kilby), nhưng những người đam mê kỹ thuật ngày nay vẫn dành tặng cho ông những lời tri ân sâu sắc nhất. Trong một lĩnh vực mà vòng đời sản phẩm được đo bằng tháng này, mãi 50 năm sau, các con chip vẫn được sản xuất dựa trên thiết kế cơ bản của Kilby. Và năm 2000, ông mới được nhận giải Nobel muộn màng cho mạch tích hợp của mình.*

Mặc dù vậy, đáng buồn là không gì có thể phục hồi danh tiếng của gecmani. Mạch gecmani nguyên gốc của Kilby được đặt ở Viện Smithsonian, nhưng gecmani không thể trụ được trước silic (quá rẻ và sẵn có) trong một thị trường cạnh tranh khốc liệt. Isaac Newton có câu nói nổi tiếng rằng ông đạt được mọi thứ nhờ đứng trên vai những người khổng lồ – các tiền bối khoa học với các phát minh làm nền tảng cho những công trình của Newton. Ta có thể nói điều tương tự về silic. Silic trở thành một biểu tượng sau khi gecmani làm mọi việc (và bị lu mờ trên bảng tuần hoàn).

Thực ra, đó là số phận chung của những gì liên quan đến bảng tuần hoàn. Hầu hết nguyên tố đều chịu kiếp vô danh mà chúng không đáng phải nhận. Thậm chí, tên các nhà khoa học phát hiện ra nhiều nguyên tố và những người sắp xếp chúng vào các bảng tuần hoàn đầu tiên cũng bị lãng quên từ lâu. Nhưng cũng giống như silic, vài cái tên đã lưu danh sử sách dù không phải luôn nhờ ý tốt. Những nhà khoa học nghiên cứu các bảng tuần hoàn sơ khai đều nhận ra sự giống nhau giữa một số nguyên tố nhất định. “Bộ ba hóa học” (như ví dụ thời nay về cacbon, silic và gecmani) là đầu mối đầu tiên gợi mở về sự tồn tại của bảng tuần hoàn. Tuy nhiên, một số nhà khoa học đã nhanh nhạy hơn khi nhận ra những đặc điểm tinh tế – “tính trạng” trong các nhóm của bảng tuần hoàn (tương tự lúm đồng tiền hay mũi vẹo ở người). Do biết cách truy tìm và dự đoán những điểm tương đồng như vậy mà chẳng bao lâu sau, nhà khoa học Dmitri Mendeleev đã ghi tên mình vào lịch sử với tư cách cha đẻ của bảng tuần hoàn.