Chương 6 Hoàn thiện bảng tuần hoàn… bằng một vụ nổ

Một vụ nổ siêu tân tinh đã gieo mầm mọi nguyên tố hóa học tự nhiên vào Hệ Mặt Trời, và khuấy đều chúng trong quá trình “nấu” các hành tinh đá sơ sinh để đảm bảo các nguyên tố này được trộn đều vào lòng đất. Nhưng chỉ riêng quá trình này thì không đủ để cho ta biết mọi điều về sự phân bố các nguyên tố trên Trái Đất. Sau vụ nổ siêu tân tinh, cả một họ nguyên tố đã “tuyệt chủng” vì hạt nhân của chúng quá kém bền nên không thể “sống sót” trong tự nhiên. Sự kém bền này làm chấn động giới khoa học và để lại những ô trống không thể khỏa lấp trong bảng tuần hoàn. Và không như thời Mendeleev, họ không thể tìm được các nguyên tố còn thiếu dù có gắng sức thế nào chăng nữa. Các ô trống này cuối cùng cũng được lấp đầy, nhưng đó là câu chuyện sau khi các lĩnh vực mới được phát triển cho phép giới khoa học tự tạo ra nguyên tố hóa học, và họ nhận ra rằng sự kém bền của một số nguyên tố tiềm ẩn hiểm họa khôn lường. Việc tạo ra và phá vỡ các nguyên tử liên quan mật thiết với nhau đến mức vượt xa tưởng tượng của bất kỳ ai.

Ngọn ngành câu chuyện này xuất phát từ Đại học Manchester (Anh) ngay trước Thế Chiến I. Manchester lúc đó quy tụ những nhà khoa học lỗi lạc, gồm cả Ernest Rutherford (bấy giờ đang là giám đốc phòng thí nghiệm nơi này). Sinh viên triển vọng nhất có lẽ là Henry Moseley. Là con trai của một nhà tự nhiên học được Charles Darwin ngưỡng mộ, Moseley rất say mê ngành vật lý. Ông làm việc liên tục trong phòng thí nghiệm suốt 15 giờ, như thể bản thân đang trải qua những ngày cuối đời và không còn đủ thời gian làm những việc muốn làm. Trong lúc đó, ông chỉ ăn xa lát trái cây và phô mai. Như nhiều thiên tài khác, Moseley cũng là một người khó gần, cứng nhắc và cổ hủ; ông tỏ thái độ ghê tởm với “thứ mùi bẩn thỉu” của người nước ngoài tại Manchester.

Nhưng tài năng của Moseley đã bù đắp lại nhiều điều. Tuy việc mình làm bị Rutherford phản đối vì coi là phí thời gian, nhưng Moseley vẫn nhiệt tình nghiên cứu các nguyên tố bằng cách bắn phá chúng bằng chùm electron. Ông cộng tác với cháu của Darwin (một nhà vật lý), và bắt đầu thăm dò mọi nguyên tố đã biết (cho đến vàng) một cách có hệ thống từ năm 1913. Như ta đã biết, khi dùng chùm electron bắn phá một nguyên tử, các electron của nguyên tử sẽ bật ra và để lại lỗ trống. Các electron và hạt nhân nguyên tử hút lẫn nhau vì electron và proton có điện tích trái dấu, và việc tách các electron khỏi hạt nhân là một hành động thô bạo. Do tự nhiên ghét cay ghét đắng chân không nên các electron khác sẽ lao vào để lấp đầy lỗ trống và việc này giải phóng tia X năng lượng cao. Thú vị thay, Moseley đã tìm thấy mối quan hệ toán học giữa bước sóng của tia X, số proton trong hạt nhân và số hiệu nguyên tử (chính là vị trí của nguyên tố trên bảng tuần hoàn).

Đã có nhiều thay đổi kể từ khi Mendeleev công bố bảng tuần hoàn nổi tiếng của ông vào năm 1869. Bảng tuần hoàn đầu tiên được đặt nằm ngang, nhưng sau đó có người đã cho Mendeleev thấy rằng xoay dọc nó ra mới là hợp lý. Suốt 40 năm sau đó, các nhà hóa học vẫn tiếp tục mày mò với bảng tuần hoàn, thêm cột và sắp xếp lại các nguyên tố. Trong khi đó, những bất thường nảy ra bắt đầu khiến mọi người hoài nghi rằng mình có thực sự hiểu bảng tuần hoàn hay không. Hầu hết nguyên tố trên bảng tuần hoàn được sắp xếp theo chiều tăng dần nguyên tử khối. Theo nguyên lý đó thì niken nên ở trước coban; nhưng để cho các nguyên tố ở vị trí phù hợp (tức coban ở trên các nguyên tố tương tự coban và niken trên các nguyên tố tương tự niken), các nhà hóa học phải đổi chỗ coban và niken cho nhau. Không ai biết tại sao cần làm vậy, và đây cũng chỉ là một trong nhiều trường hợp khiến họ phải vò đầu bứt tóc. Để giải quyết vấn đề này, giới khoa học đã phát minh ra số hiệu nguyên tử làm công cụ xác định vị trí của các nguyên tố. Điều này càng cho thấy rằng không ai hiểu về ý nghĩa thực sự của số hiệu nguyên tử.

Moseley bấy giờ chỉ mới 25 tuổi đã giải được câu đố ấy nhờ thay đổi cách tiếp cận vấn đề: từ hóa học sang vật lý. Điều cốt yếu là khi ấy có rất ít nhà khoa học tin vào hạt nhân nguyên tử. Rutherford đưa ra ý tưởng về hạt nhân nguyên tử mang điện dương từ năm 1911, nhưng đến năm 1913 nó vẫn chưa được chứng minh; quá mông lung nên khó mà khiến giới khoa học công nhận. Nghiên cứu của Moseley đã cung cấp bằng chứng xác thực đầu tiên. Niels Bohr (một đồ đệ khác của Rutherford) nhớ lại: “Ngày nay chúng ta không thể hiểu nổi, nhưng khi ấy [nghiên cứu của Rutherford] đã không được nhìn nhận nghiêm túc... Chính Moseley đã khiến cục diện xoay chuyển”. Đó là nhờ Moseley đã đồng nhất số hiệu nguyên tử (vị trí của nguyên tố trên bảng tuần hoàn) với điện tích dương của hạt nhân (một đặc tính vật lý). Và ông làm vậy bằng một thí nghiệm mà bất cứ ai cũng có thể lặp lại. Điều này chứng tỏ thứ tự của các nguyên tố không hề ngẫu hứng mà xuất phát từ hiểu biết đúng đắn về thuộc tính nguyên tử. Các trường hợp “xoắn não” như coban và niken đột nhiên trở nên dễ hiểu: vì niken (nguyên tử khối nhỏ hơn) nhiều proton hơn nên điện tích dương cao hơn, do đó phải xếp sau coban. Nếu Mendeleev và những người khác phát hiện ra khối rubic của các nguyên tố thì chính Moseley là người đã đưa ra lời giải cuối cùng cho nó.

Hơn nữa, giống như máy quang phổ, phương pháp chùm tia electron của Moseley đã giúp sắp xếp gọn gàng bảng tuần hoàn thông qua việc đặt một loạt nguyên tố phóng xạ khó hiểu vào đúng chỗ và bác bỏ tuyên bố sai về các nguyên tố mới. Moseley cũng tìm ra bốn ô trống còn lại trong bảng tuần hoàn là 43, 61, 72 và 75. (Các nguyên tố nặng hơn vàng quá đắt để kiếm nổi mẫu thí nghiệm chuẩn vào năm 1913. Nếu điều kiện cho phép, Moseley hẳn đã tìm được các ô trống 85, 87 và 91.)

Thật không may, đó không phải là thời đại mà các nhà hóa học và vật lý sẵn sàng tin tưởng lẫn nhau. Một số nhà hóa học nổi tiếng ngờ rằng Moseley đã bịa ra những kết quả to lớn mà ông tuyên bố. Georges Urbain người Pháp đã thách thức chàng trai trẻ bằng cách mang đến một hỗn hợp chứa các nguyên tố đất hiếm mơ hồ (giống như hỗn hợp ở đảo Ytterby ngày trước). Urbain nghiên cứu đất hiếm suốt 20 năm và đã mất nhiều tháng để xác định bốn nguyên tố trong mẫu của mình; ông muốn làm Moseley khó xử, thậm chí là bẽ mặt. Sau khi gặp mặt, Moseley đã trả về cho Urbain một danh sách đầy đủ và chính xác chỉ trong một giờ.* Việc xác định những nguyên tố đất hiếm từng khiến Mendeleev nản lòng giờ đã dễ như ăn kẹo.

Nhưng chúng được xác định bởi những người khác chứ không phải Moseley. Mặc dù là người tiên phong trong khoa học hạt nhân, nhưng cũng như titan Prometheus trong thần thoại Hy Lạp, Moseley đã bị các vị thần “trừng phạt” vì chính công trình có ý nghĩa khai sáng cho các thế hệ sau của mình. Khi Thế Chiến I nổ ra, Moseley gia nhập quân đội Anh (bất chấp sự can ngăn từ chính quân đội) và chiến đấu trong chiến dịch thảm họa Gallipoli (thất bại năm 1915). Khi quân của đế chế Ottoman (ngày nay là Thổ Nhĩ Kỳ) công phá quân Anh bằng các đội hình phalanx tám tấm khiên, trận chiến đã biến thành loạn đả trên đường phố với dao, đá và răng. Trong cuộc ẩu đả man rợ đó, Moseley đã ngã xuống khi mới 27 tuổi. Cuộc chiến vô nghĩa được mô tả rõ nhất qua nhiều thi sĩ người Anh cũng đã gục ngã trên chiến trường. Tuy vậy, một người cộng sự lại cho rằng việc Henry Moseley hy sinh đã khẳng định rằng Thế Chiến I chính là “một trong những tội ác ghê tởm nhất trong lịch sử mà không gì bù đắp được.”*

Cách tri ân tốt nhất mà giới khoa học có thể dành cho Moseley là săn lùng tất cả nguyên tố còn thiếu mà ông chỉ ra. Thật vậy, Moseley đã truyền cảm hứng cho các “thợ săn nguyên tố” – những người đột nhiên có ý tưởng rõ ràng về điều cần tìm – đến nỗi “khu rừng nguyên tố” nhanh chóng lâm vào tình cảnh đất chật người đông. Người ta tranh nhau tìm ra hafni, protactini và tecneti trước tiên. Các nhóm nghiên cứu khác lấp đầy ô trống thứ 85 và 87 của bảng tuần hoàn vào cuối những năm 1930 nhờ tạo ra những nguyên tố này trong phòng thí nghiệm. Đến năm 1940, chỉ còn một nguyên tố tự nhiên – phần thưởng duy nhất cho các thợ săn nguyên tố – vẫn chưa được phát hiện: nguyên tố thứ 61.

Điều kỳ lạ là chỉ có vài nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đang săn tìm nó. Một nhóm (do nhà vật lý người Ý Emilio Segrè đứng đầu) cố gắng tạo ra một mẫu nhân tạo của nguyên tố này và suýt nữa đã thành công vào năm 1942, nhưng họ lại từ bỏ sau vài lần nỗ lực phân lập nó. Bảy năm sau, ba nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (Tennessee, Mỹ) đứng dậy trong một cuộc hội thảo khoa học ở Philadelphia và tuyên bố tìm ra nguyên tố thứ 61 khi sàng lọc một số quặng urani đã qua sử dụng. Kể từ khi hóa học hiện đại ra đời vài trăm năm trước, ô trống cuối cùng trong bảng tuần hoàn đã được lấp đầy.

Nhưng thông báo này không thu hút nhiều sự chú ý. Bộ ba này tuyên bố đã phát hiện ra nguyên tố thứ 61 từ hai năm trước và đã trì hoãn công bố kết quả vì quá bận rộn với urani, công việc chính của họ. Báo chí khá hờ hững với phát hiện này. Trên tờ The New York Times , “mắt xích còn thiếu” này được đưa tin chung với một kỹ thuật khai thác dầu mỏ đáng ngờ, hứa hẹn cả trăm năm khai thác dầu không bị gián đoạn. Tạp chí Time chôn vùi tin này trong bài báo tổng kết hội nghị và khinh miệt nguyên tố thứ 61 rằng nó “chỉ là đồ bỏ”*. Sau đó, nhóm khoa học nọ tuyên bố họ dự định gọi nó là prometi. Các nguyên tố được phát hiện vào đầu thế kỷ đã được đặt cho những cái tên hoa mỹ hoặc dễ hiểu, nhưng prometi – được đặt theo tên titan Prometheus, người bị trừng phạt (bằng cách cho một con đại bàng rỉa sống lá gan mỗi ngày) vì đã đánh cắp ngọn lửa của các vị thần Olympus cho loài người – lại gợi ra một câu chuyện bi thương và có phần tội lỗi.

Vậy chuyện gì đã xảy ra từ thời của Moseley tới khi nguyên tố thứ 61 được phát hiện? Tại sao việc săn lùng các nguyên tố từ chỗ quan trọng đến mức một đồng nghiệp gọi cái chết của Moseley là “một tội ác không thể bù đắp” giờ lại chỉ đáng giá vài dòng trên báo? Tất nhiên prometi vô dụng, nhưng các nhà khoa học chính là người luôn cổ vũ những khám phá không thực tế hơn bất cứ ai khác; và việc hoàn tất bảng tuần hoàn là một thành tựu lịch sử – kết tinh của hàng triệu giờ nghiên cứu. Mọi người không hẳn là mệt mỏi với việc tìm kiếm nguyên tố mới, dù nó đã gây ra tranh cãi giữa giới khoa học Mỹ và Liên Xô trong gần suốt Chiến tranh Lạnh. Thay vào đó, bản chất và tầm vóc của khoa học hạt nhân đã thay đổi. Con người đã thấy đủ các nguyên tố nên một nguyên tố tầm trung như prometi không còn gây phấn khích như các nguyên tố nặng plutoni và urani, chứ chưa kể đến hậu duệ nổi tiếng của chúng: bom nguyên tử.

Một buổi sáng năm 1939, một nhà vật lý trẻ tại Đại học California ở Berkeley tới hội sinh viên để cắt tóc. Chẳng ai nhớ nổi chủ đề cuộc trò chuyện ngày đó nữa: có thể là về “tên khốn Hitler” hay liệu đội bóng chày Yankees có thể giành chức vô địch giải World Series tới lần thứ tư liên tiếp không. Dù sao đi nữa, anh chàng Luis Alvarez (vẫn chưa nổi tiếng với lý thuyết về sự tuyệt chủng của khủng long) đã tình cờ đọc được tin về các thí nghiệm phản ứng phân hạch urani của Otto Hahn ở Đức trong khi đang vừa tán gẫu vừa lật đi lật lại tờ Thời báo San Francisco. Một người bạn hồi tưởng: Alvarez đã ngăn người thợ lại khi vừa chạm kéo, giật phăng khăn choàng và tức tốc lao đến phòng thí nghiệm. Anh lấy một máy đếm Geiger và đi tìm một số mẫu urani.

Mặc cho mái tóc đang cắt dở dang, anh hét lên gọi mọi người tới xem điều mà Hahn đã phát hiện ra.

Không chỉ hài hước mà sự hăm hở của Alvarez còn tượng trưng cho tình trạng vật lý hạt nhân thời bấy giờ. Quá trình tìm hiểu về cách thức hoạt động của hạt nhân nguyên tử trong giới khoa học diễn ra ổn định nhưng mà chậm. Những mẩu kiến thức nhỏ rải rác đó đây, rồi chỉ với một khám phá, họ cũng thành công đến bất ngờ.

Moseley đã mang đến cho ngành nguyên tử và hạt nhân chỗ đặt chân hợp lý, và vô số tài năng đã tham gia hai lĩnh vực này trong những năm 1920. Tuy nhiên, sự phát triển của ngành này lại khó khăn hơn dự kiến. Điều khó hiểu là hiện tượng đó lại do chính Moseley gián tiếp gây ra. Công trình của ông đã chứng minh rằng các đồng vị như Pb-204 và Pb-206 có tổng điện tích dương bằng nhau nhưng lại khác nhau về nguyên tử khối. Thế giới lúc đó mới chỉ biết về proton và electron, nên ý tưởng kỳ cục rằng proton dương nuốt trọn electron âm giống trò chơi Pac-Man đã khiến các nhà khoa học bối rối.* Ngoài ra, để hiểu được cách các hạt hạ nguyên tử hoạt động, giới khoa học phải nghĩ ra công cụ toán học hoàn toàn mới (cơ học lượng tử) và mất thêm nhiều năm nữa để áp dụng được nó, thậm chí chỉ với nguyên tử hydro cực kỳ đơn giản và tách biệt.

Trong khi đó, lĩnh vực phóng xạ (nghiên cứu về cách thức hạt nhân phân rã) có liên quan cũng đang được các nhà khoa học phát triển. Bất kỳ nguyên tử đã biết nào cũng có thể cho hoặc nhận electron, nhưng những ngôi sao sáng như Marie Curie và Ernest Rutherford đã nhận ra rằng một số nguyên tố hiếm cũng thay đổi hạt nhân của chúng bằng cách bắn ra các mảnh nguyên tử. Đặc biệt hơn, Rutherford đã phân loại và đặt tên các mảnh này bằng chữ cái Hy Lạp: alpha, beta và gamma. Phân rã gamma là đơn giản và nguy hiểm nhất vì nó phát ra các tia có năng lượng rất cao – nỗi kinh hoàng trong những thảm họa hạt nhân ngày nay. Hai loại phóng xạ kia liên quan đến việc chuyển đổi nguyên tố này thành nguyên tố khác – điều không ngừng giày vò giới khoa học trong những năm 1920. Nhưng mỗi nguyên tố phóng xạ lại có cách phân rã đặc trưng, nên bản chất của phân rã alpha và beta tiếp tục làm khó các nhà khoa học vốn đang ngày càng chán nản với bản chất của đồng vị. Mô hình Pac-Man đã thất bại, và vài người liều lĩnh cho rằng cách duy nhất để xử lý các đồng vị đang xuất hiện ngày một nhiều là loại bỏ bảng tuần hoàn.

Những bộ óc kiệt xuất cùng suy nghĩ và khoảnh khắc “Eureka!” đã đến. Năm 1932, James Chadwick (một sinh viên khác của Rutherford) đã phát hiện ra neutron có khối lượng nhưng không mang điện. Cùng với phát kiến của Moseley về số hiệu nguyên tử, nguyên tử (ít nhất là các nguyên tử đơn lẻ) đột nhiên trở nên dễ hiểu. Sự tồn tại của neutron giúp Pb-204 và Pb-206 đều là chì, vẫn cùng điện tích dương trong hạt nhân và ở cùng ô trên bảng tuần hoàn dù khác nguyên tử khối. Bản chất của phóng xạ cũng sáng tỏ. Phân rã beta được hiểu là sự chuyển đổi neutron thành proton (hoặc ngược lại); và do số proton thay đổi nên phân rã beta đã chuyển đổi nguyên tử của nguyên tố này thành nguyên tử của nguyên tố khác. Phân rã alpha cũng vậy và là sự thay đổi mạnh mẽ nhất ở cấp hạt nhân: hai neutron và hai proton bị tách bỏ.

Trong vài năm sau đó, neutron không còn là một công cụ lý thuyết đơn thuần. Một mặt, nó là cách tuyệt vời để thăm dò các thành phần của nguyên tử, do các nhà khoa học có thể bắn chùm neutron vào nguyên tử mà không sợ lực điện ảnh hưởng đến nó giống như các hạt tích điện. Neutron cũng giúp giới khoa học tạo ra một loại phóng xạ mới. Các nguyên tố (đặc biệt là các nguyên tố nhẹ) luôn cố gắng duy trì tỷ lệ neutron-proton là 1/1. Nếu một nguyên tử có quá nhiều neutron, nó sẽ tự giải phóng lượng neutron dư thừa (kèm theo năng lượng) ra ngoài. Các nguyên tử gần đó hấp thụ những neutron này sẽ trở nên kém bền và phát ra nhiều neutron hơn nữa, hình thành phản ứng dây chuyền. Nhà vật lý Leo Szilard đã nảy ra ý tưởng về phản ứng hạt nhân dây chuyền vào khoảng năm 1933 khi đang dừng đèn đỏ tại London vào một buổi sáng. Năm 1934, ông đăng ký bằng sáng chế và đã cố gắng (nhưng bất thành) dùng một số nguyên tố nhẹ để tạo ra phản ứng dây chuyền từ năm 1936.

Nhưng hãy nhớ những mốc thời gian này. Ngay khi các nhà khoa học hiểu được bản chất của electron, proton và neutron, trật tự chính trị cũ của thế giới cũng sắp chấm dứt. Thời điểm Alvarez vừa cắt tóc vừa đọc về sự phân hạch urani cũng chính là lúc châu Âu đang lâm nguy.

Trào lưu săn lùng các nguyên tố trước đây cũng kết thúc cùng lúc. Với mô hình cấu trúc nguyên tử mới, các nhà khoa học nhận ra một số nguyên tố trên bảng tuần hoàn vẫn chưa được phát hiện vì chúng vốn không bền. Cho dù có tồn tại nhiều trên Trái Đất từ thuở sơ khai thì chúng cũng đã tan rã từ lâu. Tuy điều này giải thích hợp lý các ô còn trống trong bảng tuần hoàn, nhưng hóa ra lại không phải là điều tốt. Các nguyên tố không bền nhanh chóng dẫn các nhà khoa học đến với phản ứng phân hạch và phản ứng phân hạch dây chuyền (mà neutron là một tác nhân quan trọng). Và ngay khi họ hiểu rằng hạt nhân nguyên tử có thể phân rã – cả về ý nghĩa khoa học lẫn chính trị – việc thu thập các nguyên tố mới để trưng bày chỉ còn là sở thích của kẻ nghiệp dư (giống như sinh học lỗi thời bắn-rồi-nhồi những năm 1800 so với sinh học phân tử ngày nay). Đứng trước Thế Chiến II và khả năng bị bom nguyên tử đe dọa vào năm 1939, giới khoa học chẳng buồn bận tâm đến prometi cho tới tận một thập kỷ sau.

Dù các nhà khoa học cực kỳ phấn khích trước khả năng chế tạo bom phân hạch nhưng cơ sở lý thuyết vẫn còn xa rời thực tế. Ngày nay có lẽ hơi khó hình dung, nhưng bom hạt nhân bị coi là chuyện xa vời vào thời điểm đó, đặc biệt là bởi các chuyên gia quân sự. Như thường lệ, giới lãnh đạo háo hức chiêu mộ các nhà khoa học, và công nghệ do họ tìm ra (như những loại thép tốt hơn) đã khiến chiến tranh càng thảm khốc. Nhưng hai quả bom nguyên tử góp phần đặt dấu chấm hết cho chiến tranh suýt nữa đã không xuất hiện nếu thay vì chỉ đòi hỏi những món vũ khí ăn liền vừa to vừa khỏe, chính phủ Mỹ lại kêu gọi sự đồng thuận chính trị để đầu tư hàng tỷ đô la Mỹ vào lĩnh vực khoa học bấy giờ vẫn còn thuần túy và phi thực tế: khoa học hạ nguyên tử. Cho dù vậy, phản ứng phân hạch có kiểm soát vẫn vượt xa khả năng của khoa học thời đó, đến mức Dự án Manhattan phải áp dụng một cách nghiên cứu hoàn toàn mới để thành công: phương pháp Monte Carlo. Cũng từ đây, quan niệm của con người về “nghiên cứu khoa học” đã thay đổi hoàn toàn.

Như đã nói, cơ học lượng tử áp dụng hiệu quả với các nguyên tử đơn lẻ; và đến năm 1940, các nhà khoa học biết rằng hấp thụ thêm neutron khiến nguyên tử kém bền hơn. Nó sẽ phân rã và giải phóng thêm càng nhiều neutron. Theo dõi quỹ đạo của một neutron xác định không hề khó hơn theo dõi một quả bóng bi-a. Nhưng một phản ứng dây chuyền đòi hỏi phải có sự xuất hiện của hàng tỷ tỷ neutron di chuyển theo mọi hướng với tốc độ khác nhau. Điều này khiến các nhà khoa học rất khó xây dựng một công cụ lý thuyết thích hợp. Đồng thời, urani và plutoni không chỉ rất đắt mà còn nguy hiểm nên việc tiến hành thử nghiệm chi tiết là không thể.

Nhưng các nhà khoa học của Dự án Manhattan đã được yêu cầu tìm ra chính xác lượng plutoni và urani cần thiết để chế tạo bom: nếu quá ít thì bom sẽ không nổ. Quá nhiều thì bom vẫn nổ, nhưng hậu quả là chiến tranh sẽ kéo dài thêm nhiều tháng vì làm giàu hai nguyên tố này vô cùng phức tạp và tốn thời gian (cần tổng hợp được plutoni trước, rồi mới làm giàu nó được). Để khắc phục, một số nhà khoa học với suy nghĩ thực tế đã quyết định từ bỏ cả hai cách truyền thống – lý thuyết và thử nghiệm – để tiên phong trên con đường thứ ba.

Để bắt đầu, họ chọn một neutron chuyển động với tốc độ ngẫu nhiên quanh một thanh chứa plutoni (hoặc urani). Hướng của neutron cũng được chọn ngẫu nhiên cùng nhiều tham số ngẫu nhiên khác (như lượng plutoni, xác suất neutron thoát khỏi plutoni trước khi bị hấp thụ, thậm chí cả hình dạng thanh plutoni). Lưu ý rằng chọn các tham số cụ thể nghĩa là các nhà khoa học đã từ bỏ tính phổ quát của mỗi phép tính, vì chúng chỉ áp dụng được cho vài neutron trong thiết kế cụ thể. Các nhà lý thuyết ghét việc phải từ bỏ những kết quả có thể áp dụng phổ quát nhưng họ không có lựa chọn nào khác.

Vậy là các phòng làm việc đầy rẫy những phụ nữ trẻ tay cầm bút chì (nhiều người là vợ các nhà khoa học, được thuê để hỗ trợ vì dù sao thì cuộc sống ở Los Alamos cũng nhàm chán tới phát điên). Họ lấy một tờ giấy có viết các số ngẫu nhiên (mà đôi khi không biết ý nghĩa chính xác của việc này) và bắt đầu tính toán cách neutron va chạm với một nguyên tử plutoni; liệu neutron có bị hấp thụ; bao nhiêu neutron mới (nếu có) được giải phóng; và các neutron mới này tiếp tục giải phóng thêm bao nhiêu neutron nữa... Mỗi người trong số hàng trăm phụ nữ thực hiện một phép tính nhỏ của một bài toán lớn và các nhà khoa học sẽ tổng hợp kết quả. Nhà sử học George Dyson mô tả quá trình này là việc chế tạo bom “bằng số học: từng neutron, từng nano giây…[một phương pháp] xấp xỉ thống kê, trong đó việc lấy mẫu ngẫu nhiên các sự kiện được theo dõi thông qua... một loạt khoảng thời gian mang tính đại diện, nhằm tìm ra kiểu thiết kế bom khả dụng trong thực tế.”*

Phản ứng hạt nhân trên lý thuyết đôi khi đã xảy ra, và được tính là một thành công. Hết phép tính này, những người phụ nữ lại chuyển sang những con số khác. Họ tính, tính và tính. Rosie the Riveter 1 có thể là biểu tượng tiêu biểu của quyền bình đẳng lao động với phụ nữ trong chiến tranh, nhưng Dự án Manhattan sẽ không đi đến đâu nếu không có những phụ nữ đã tính toán bằng tay các bảng dữ liệu dài dằng dặc. Họ được gọi với một tên gọi mới: “máy tính”.

Nhưng tại sao cách tiếp cận này lại khác biệt tới vậy? Về cơ bản, các nhà khoa học đã coi mỗi tính toán tương đương với một thí nghiệm và chỉ thu thập dữ liệu ảo cho bom plutoni và urani. Họ bỏ qua sự tương hỗ giữa lý thuyết-thực nghiệm và áp dụng các phương pháp mà một nhà sử học đã mô tả chân thực là “vượt khỏi các phương pháp thường thấy… một thực tế mô phỏng vay mượn từ cả thực nghiệm và lý thuyết, kết hợp chúng với nhau để tạo nên một phương pháp mới không giống bất cứ cách thức thông thường nào.”*

1 . Hình ảnh tiêu biểu của nữ công nhân Mỹ trong Thế Chiến II. (BTV)

Tất nhiên, những tính toán như vậy chỉ giống như những phương trình ban đầu của các nhà khoa học, nhưng họ đã gặp may. Các hạt ở cấp lượng tử chịu sự chi phối của các định luật thống kê và cơ học lượng tử (dù có đặc tính rất kỳ lạ và trái với thường lý) – lý thuyết khoa học chính xác nhất từng được phát minh. Thêm vào đó, lượng phép tính khổng lồ trong Dự án Manhattan mang lại cho họ niềm tin rất lớn. Điều này đã được chứng minh khi cuộc thử nghiệm Trinity (ở New Mexico) thành công vào giữa năm 1945. Sự phát nổ nhanh chóng, hoàn hảo của bom urani ở Hiroshima và bom plutoni ở Nagasaki vài ngày sau đó cũng chứng minh tính chính xác của phương pháp tiếp cận dựa trên tính toán phi truyền thống này.

Sau khi Dự án Manhattan tuyệt mật kết thúc, các nhà khoa học trở về nhà và nhìn lại những gì đã làm (một số tự hào, một số thì không). Nhiều người vui mừng vì đã có thể quên đi khoảng thời gian trong các phòng tính toán. Tuy nhiên, một số người lại bị thu hút bởi những gì mình học được, trong đó có Stanislaw Ulam (một người tị nạn Ba Lan). Ulam đã dành hàng giờ ở New Mexico để chơi bài. Vào một ngày nọ năm 1946, khi đang chơi xếp bài solitaire, ông tự hỏi về tỷ lệ thắng của bất kỳ ván bài ngẫu nhiên nào. Điều mà Ulam yêu thích hơn cả chơi bài là các phép tính, nên ông bắt đầu viết các phương trình xác suất lên rất nhiều trang giấy. Vì vấn đề quá phức tạp nên Ulam nhanh chóng từ bỏ. Ông quyết định chơi một trăm ván bài và lập bảng phần trăm số lần thắng. Cách này dễ hơn rất nhiều.

Neuron thần kinh của hầu hết mọi người (ngay cả số đông các nhà khoa học) có lẽ sẽ khó mà hình dung ra mối liên hệ này, nhưng Ulam đã nhận ra rằng mình đang dùng phương pháp tiếp cận tương tự như các “thí nghiệm” chế tạo bom ở Los Alamos khi chơi bài solitaire.

(Mối liên hệ ở đây cũng khá trừu tượng: thứ tự và cách bố trí của các lá bài giống như thông số ngẫu nhiên, và “tính toán” là tập hợp bài trên tay.) Ông thảo luận chủ đề này cùng người bạn yêu tính toán John von Neumann (một người tị nạn châu Âu khác và cũng từng thuộc Dự án Manhattan). Ulam và von Neumann nhận ra rằng: nếu họ có thể khái quát hóa và áp dụng vào các tình huống khác (với rất nhiều biến ngẫu nhiên) thì phương pháp này mạnh tới không tưởng. Thay vì lo ngại hiệu ứng cánh bướm 1 và cố gắng tính đến mọi sự phức tạp, chỉ cần xác định vấn đề, nhập dữ liệu đầu vào ngẫu nhiên rồi tính. Những kết quả này không chắc chắn (không như thực nghiệm), nhưng với số lần thử đủ lớn thì xác suất tính được là khá đáng tin.

1 . Cụm từ để mô tả khái niệm trong lý thuyết hỗn loạn về độ nhạy cảm của hệ với điều kiện gốc (sensitivity on initial conditions). Hiệu ứng này được nhà toán học Edward Norton Lorenz đặt tên. Nguồn gốc tên gọi này dựa trên quan sát của ông về một cơn bão chịu sự ảnh hưởng của một con bươm bướm vỗ cánh ở một nơi nào đó rất xa cơn bão. (ND)

Trong một sự trùng hợp tới khó tin, Ulam và von Neumann lại quen biết các kỹ sư người Mỹ đang phát triển các máy tính điện tử đầu tiên (như ENIAC ở Philadelphia). Trước đây, các “máy tính” của Dự án Manhattan dùng hệ thống thẻ đục lỗ cơ học để tính; nhưng trong những công việc lặp lại tẻ nhạt (mà Ulam và von Neumann hình dung), ENIAC không biết mệt sẽ hứa hẹn hơn nhiều. Trong lịch sử, ngành xác suất bắt nguồn từ sòng bạc của giới quý tộc, còn tên phương pháp tiếp cận của Ulam và von Neumann bắt nguồn từ đâu thì vẫn chưa rõ. Nhưng Ulam thích khoe khoang rằng ông đặt tên “phương pháp Monte Carlo” để tưởng nhớ một người chú thường mượn tiền để đánh bạc trên “các máy tạo số ngẫu nhiên nổi tiếng (bàn cò quay, từ 0 đến 36) ở một công quốc bên bờ Địa Trung Hải”.

Dù gì đi nữa thì phương pháp Monte Carlo vẫn nhanh chóng được áp dụng. Nó cắt giảm các thí nghiệm đắt tiền, và nhu cầu về các thiết bị mô phỏng theo phương pháp Monte Carlo chất lượng cao đã mở đường cho sự phát triển của máy tính, thúc đẩy chúng trở nên nhanh và hiệu quả hơn. Thêm vào đó, sự ra đời của máy tính điện tử giá rẻ khiến các thí nghiệm, mô phỏng và mô hình kiểu Monte Carlo dần chiếm lĩnh ngành hóa học, thiên văn, vật lý (chưa kể đến phân tích thị trường chứng khoán và kỹ thuật). Mới chỉ hai thế hệ trôi qua, phương pháp Monte Carlo (dưới nhiều hình thức) đã thống trị một số lĩnh vực, đến nỗi nhiều nhà khoa học trẻ ngày nay không nhận ra rằng họ đã xa rời lý thuyết hoặc thực nghiệm truyền thống đến mức nào. Nhìn chung, phương pháp thiết thực tưởng như tạm thời này – mục đích ban đầu là tính toán các khả năng xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền của những nguyên tử plutoni và urani – đã trở thành một phần không thể thay thế của khoa học. Nó không chỉ chinh phục khoa học mà còn ổn định, đồng hóa và kết hợp với các phương pháp khác.

Tuy nhiên, vào năm 1949 thì sự chiếm lĩnh đó vẫn còn chưa xảy ra. Lúc ấy, phương pháp Monte Carlo chủ yếu được dùng để chế tạo vũ khí hạt nhân thế hệ tiếp theo. Von Neumann, Ulam và cộng sự đã tìm đến các phòng máy to như nhà thi đấu và ra vẻ thần bí hỏi rằng liệu họ có thể chạy vài chương trình trong khoảng thời gian từ 12 giờ đêm trở đi hay không. Vũ khí tuyệt mật mà họ phát triển trong khoảng thời gian ấy được gọi là siêu vũ khí (super) : nhiều giai đoạn và mạnh hơn bom hạt nhân cũ (bom A) cả ngàn lần. Siêu vũ khí dùng plutoni và urani để kích hoạt phản ứng hợp hạch hydro lỏng siêu nặng (thường xảy ra tại lõi các ngôi sao). Quá trình phức tạp này hẳn đã “nằm chết” trên những trang báo cáo quân sự tuyệt mật và không thể tới được các bệ phóng tên lửa nếu không có máy tính kỹ thuật số. Nhà sử học George Dyson tóm lược về lịch sử công nghệ của thập kỷ đó như sau: “Máy tính tạo ra bom hạt nhân, rồi bom hạt nhân lại ‘nổ’ ra máy tính”.

Sau nhiều lần vật lộn bất thành nhằm tìm ra thiết kế phù hợp cho siêu vũ khí, các nhà khoa học lại tình cờ tìm được câu trả lời vào năm 1952. Cũng cùng năm đó, việc đảo Elugelab (thuộc quần đảo san hô Eniwetok) ở Thái Bình Dương bị xóa sổ trong một lần thử nghiệm loại siêu vũ khí ấy đã cho thấy rằng phương pháp Monte Carlo tuy “thô sơ” nhưng rất chuẩn. Tuy nhiên, những người chế tạo bom còn ấp ủ một thứ đáng sợ hơn cả siêu vũ khí nói trên.

Có hai cách sử dụng bom hạt nhân. Nếu chỉ muốn thấy người chết và nhà cửa bị san phẳng, một kẻ điên có thể dùng bom phân hạch một giai đoạn thông thường. Nó dễ chế tạo hơn và vụ nổ kinh hoàng sẽ thỏa mãn nhu cần phô trương của hắn: những đợt sóng xung kích cực mạnh sẽ đánh sập các tòa nhà trong nháy mắt, thổi bay mọi người như “gió to quét sạch lá khô”; và những cơn sóng nhiệt nóng cả ngàn độ sẽ khiến nạn nhân bỏng nghiêm trọng. Nhưng nếu kiên nhẫn và quỷ quyệt hơn nữa, hắn sẽ kích nổ một quả “bom bẩn” coban-60 để bao phủ mặt đất bằng bụi phóng xạ.

Bom hạt nhân thông thường sát thương bằng nhiệt, còn bom bẩn sát thương bằng bức xạ gamma (còn nguy hiểm hơn cả tia X). Tia gamma là bức xạ năng lượng cao thuần túy. Chúng không chỉ khiến con người bị bỏng nặng mà còn khoét sâu tận xương tủy, làm xáo trộn các nhiễm sắc thể trong tế bào bạch cầu. Các tế bào có thể lập tức chết đi hoặc trở thành ung thư; hoặc tăng sinh không kiểm soát như người mắc bệnh khổng lồ (gigantism) , sau đó biến dạng tới mức mất khả năng chống nhiễm trùng. Mọi quả bom hạt nhân ít nhiều đều giải phóng bức xạ, nhưng cái mà bom bẩn giải phóng thì hoàn toàn chỉ là bức xạ mà thôi.

Nhưng ngay cả những căn bệnh trên cũng không phải là mục đích chính khi đặt ra các tiêu chuẩn để chế tạo loại bom này. Một nhà vật lý tị nạn từ châu Âu khác làm việc trong Dự án Manhattan là Leo Szilard (sau này rất ân hận vì ý tưởng về phản ứng hạt nhân dây chuyền tự duy trì vào khoảng năm 1933 của ông) tính – bằng trí tuệ và sự tỉnh táo của mình – rằng: nếu rải khoảng 1 g Co-60 trên mỗi kilomet vuông của Trái Đất thì lượng tia gamma sinh ra sẽ đủ để khiến loài người tuyệt diệt. Đây là phiên bản hạt nhân của đám mây bụi khổng lồ đã khiến khủng long tuyệt chủng. Thiết bị của ông gồm một đầu đạn nhiều giai đoạn, được lớp Co-59 bao quanh. Phản ứng phân hạch plutoni sẽ kích hoạt phản ứng hợp hạch hydro. Một khi chúng xảy ra, lớp coban và mọi thứ khác sẽ bị thổi bay. Nhưng trước đó, các nguyên tử Co-59 bền sẽ hấp thụ neutron từ quá trình phân hạch và hợp hạch (bước này được gọi là salting ) để trở thành coban-60 không bền rồi rải bụi phóng xạ xuống mặt đất.

Rất nhiều nguyên tố phóng xạ phát ra tia gamma, nhưng coban là một thứ đặc biệt. Con người có thể tránh được tác hại của bom A thông thường nhờ nấp trong các hầm trú ẩn dưới lòng đất, vì bụi phóng xạ của chúng sẽ lập tức phát ra tia gamma và trở nên vô hại. Chỉ vài ngày sau vụ nổ năm 1945, Hiroshima và Nagasaki ít nhiều đã có thể ở được. Quá trình hấp thụ thêm neutron của các nguyên tố phóng xạ cũng giống như việc những tay bợm rượu nốc thêm vài chén vậy. Cùng lắm thì họ chỉ nằm bẹp vài ngày mà thôi. Mức phóng xạ không bao giờ tăng quá cao sau vụ nổ.

Bom coban nằm giữa những thái cực đó, trường hợp hiếm hoi mà điều tuyệt vời nhất lại chính là điều tệ hại nhất. Lượng lớn Co-60 sẽ lập tức phân rã và khiến ta phải di tản. Lượng còn lại sẽ lắng xuống đất như những bãi địa lôi nhỏ, và mức phóng xạ chỉ giảm đi một nửa sau khoảng mỗi 5 năm 1 . Vì tia gamma có mức năng lượng rất cao, nên việc đợi đến khi những ảnh hưởng của bom coban mất đi hay chịu đựng chúng là điều không thể. Sẽ mất cả đời người để đất phục hồi. Điều này khiến bom coban không thể trở thành vũ khí chiến tranh, bởi phe xâm lược cũng chẳng chiếm được lãnh thổ đó. Nhưng một kẻ điên cuồng sẽ chẳng bận tâm điều này.

1 . Chu kỳ bán rã của Co-60 là 5,27 năm. (BTV)

Để bảo vệ mình trước công luận, Szilard ước gì bom coban của mình (“vũ khí tận thế” đầu tiên) sẽ không được chế tạo và chưa có quốc gia nào (theo như công chúng biết) thử nó. Trên thực tế, chính Szilard đã gợi lên viễn cảnh kinh hoàng của chiến tranh hạt nhân, và mọi người đều hiểu được hậu quả của nó. Trong phim Tiến sĩ Strangelove , Liên Xô có bom coban. Trước Szilard, vũ khí hạt nhân rất kinh khủng nhưng chưa tới mức tận thế. Sau lời đề nghị khiêm tốn của mình, Szilard hy vọng mọi người sẽ hiểu rõ hơn và từ bỏ vũ khí hạt nhân. Điều này khó mà xảy ra. Ngay sau khi cái tên đầy ám ảnh “prometi” được công nhận chính thức, Liên Xô đã sở hữu quả bom này. Chính phủ Mỹ và Liên Xô sớm chấp nhận học thuyết MAD 1 ít bảo đảm nhưng có cái tên nói lên tất cả: dù kết quả ra sao, cả hai bên đều thua trong chiến tranh hạt nhân. Nghe có vẻ ngu ngốc nhưng MAD đã ngăn con người triển khai vũ khí hạt nhân làm vũ khí chiến thuật. Thay vào đó, những căng thẳng quốc tế đã dồn vào Chiến tranh Lạnh – cuộc giằng co đã ảnh hưởng sâu rộng tới xã hội đến mức ngay cả bảng tuần hoàn nguyên sơ cũng không thể thoát khỏi.

1 . MAD (Mutual Assured Destruction): đảm bảo hủy diệt lẫn nhau. Theo học thuyết này, chỉ cần một nước phóng tên lửa đạn đạo liên lục địa, họ sẽ bị những nước còn lại phóng toàn bộ kho tên lửa hạt nhân vào. (BTV)