Chương 16 Hóa học ở nhiệt độ âm cùng cực
Röntgen không chỉ là một ví dụ điển hình về sự tỉ mỉ đáng quý trong khoa học; ông cũng nhắc nhở các nhà khoa học rằng bảng tuần hoàn không bao giờ thiếu những bất ngờ. Ngay cả ngày nay thì các nguyên tố vẫn luôn có điều mới lạ để khám phá. Tuy nhiên, do hầu hết các mục tiêu dễ dàng đều đã đạt được từ thời của Röntgen nên để khám phá được những điều mới cần có các phương pháp mạnh mẽ. Các nhà khoa học đã phải “chất vấn” các nguyên tố trong những điều kiện ngày càng khắc nghiệt – đặc biệt là cực lạnh – để chúng bộc lộ những tính chất kỳ lạ. Điều kiện cực lạnh cũng không phải luôn luôn suôn sẻ cho người thực hiện khám phá. Dù những người kế thừa của Lewis và Clark sau này đã khám phá phần lớn châu Nam Cực vào năm 1911, nhưng chưa từng có ai đặt chân đến Cực Nam. Vậy nên một cuộc đua lịch sử giữa các nhà thám hiểm xem ai có mặt tại đây trước là không thể tránh khỏi. Và một bài học cảnh tỉnh nghiệt ngã về hóa học ở nhiệt độ cực đoan cũng không thể tránh khỏi.
Năm đó rất lạnh (ngay cả theo chuẩn Nam Cực), nhưng nhóm thám hiểm người Anh do Robert Falcon Scott dẫn đầu vẫn tin rằng họ sẽ là những người đầu tiên đặt chân đến 90 độ vĩ nam. Đoàn của họ khởi hành tới Nam Cực bằng xe chó kéo cùng đồ tiếp tế vào tháng 11. Phần lớn đoàn là đội hỗ trợ; họ đã để lại thức ăn và nhiên liệu trên đường đi để nhóm nhỏ cuối cùng đến đích có thêm đồ tiếp tế khi trở về.
Thành viên trong đoàn rơi rụng từng chút một, và sau hàng tháng trời đi bộ, chỉ còn năm người đàn ông do Scott dẫn đầu đến cực nam vào tháng 1 năm 1912 – chỉ để thấy một túp lều màu nâu, một lá cờ Na Uy và một lá thư thân thiện đến khó chịu. Scott đã thua Roald Amundsen và nhóm của ông (đến trước nhóm Scott một tháng). Scott ghi lại cảm giác chua chát đó trong nhật ký: “Điều tồi tệ nhất đã xảy ra. Tất cả mộng tưởng đều tan biến”. Và ngay sau đó: “Chúa ơi! Nơi này thật khủng khiếp. Giờ thì đến lúc phải về nhà – một cuộc hành trình đầy gian khổ. Tôi không chắc chúng ta có thể làm được”.
Nhóm Scott vốn đã chán nản vì những khó khăn trong hành trình trở về, mà Nam Cực còn ra sức quấy rối và trừng phạt họ. Họ phải mò mẫm nhiều tuần trong gió tuyết, và nhật ký (được tìm ra sau đó) cho thấy họ đã phải đối mặt với đói khát, thiếu vitamin C, mất nước, hạ thân nhiệt và hoại tử. Khắc nghiệt nhất là thiếu nhiên liệu sưởi ấm. Scott đã tới Bắc Cực một năm trước và phát hiện ra rằng lớp gioăng bằng da bịt hộp dầu hỏa của mình bị rò rỉ nghiêm trọng. Ông thường xuyên bị mất một nửa lượng dầu. Trong cuộc đua tới Nam Cực, nhóm ông đã thử dùng thiếc tinh khiết để hàn hộp đựng đồ. Nhưng khi lếch thếch tới chỗ những chiếc hộp tiếp tế dành cho chuyến trở về, họ phát hiện ra nhiều hộp đã trống rỗng. Tệ hơn, dầu thường ngấm vào thực phẩm.
Không có dầu hỏa, mọi người không thể nấu thức ăn hoặc làm tan băng để uống. Một người bị ốm chết; một người khác phát điên và bỏ đi trong giá lạnh. Ba người cuối cùng (bao gồm Scott) tiếp tục hành trình. Họ đã chết vì môi trường khắc nghiệt vào cuối tháng 3 năm 1912 khi chỉ còn cách trạm của Anh 18 km, mà không thể trụ được nốt những đêm cuối cùng để về tới nơi.
Vào thời đó, Scott nổi tiếng chẳng kém gì Neil Armstrong (người đầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng sau này – BTV). Người dân Anh rất đau xót khi hay tin ông qua đời; một nhà thờ thậm chí còn lắp cửa sổ kính màu vinh danh ông vào năm 1915. Do đó, mọi người luôn tìm cách bào chữa cho mọi lời buộc tội ông, và bảng tuần hoàn trở thành một “kẻ phản diện” thích hợp. Thiếc mà Scott sử dụng làm mối hàn đã được đánh giá cao từ xa xưa, bởi nó rất dễ tạo hình. Trớ trêu thay, thiếc càng trở nên tinh khiết (nhờ sự phát triển của công nghệ luyện kim) thì lại càng tệ khi sử dụng hằng ngày. Bất cứ khi nào các công cụ, đồng xu hoặc đồ chơi bằng thiếc nguyên chất gặp lạnh, gỉ trắng sẽ dần bao phủ toàn bộ vật như sương muối bám trên cửa sổ vào mùa đông vậy. Các vết gỉ trắng sẽ ăn mòn thiếc cho đến khi nó trở nên giòn và vỡ vụn.
Đây không phải là một phản ứng hóa học giống như gỉ sắt. Hiện nay, giới khoa học đã biết điều này xảy ra do các nguyên tử thiếc trong một vật rắn có thể có hai dạng thù hình, và chúng chuyển từ dạng beta bền sang dạng alpha bột dễ vỡ khi gặp lạnh. Để dễ hình dung, hãy tưởng tượng nguyên tử như các quả cam được xếp trong thùng lớn. Đáy thùng được lót bằng một lớp các quả cam hình cầu chỉ chớm chạm vào nhau. Mỗi nguyên tử của lớp thứ hai, thứ ba và thứ tư được xếp lên đỉnh một nguyên tử ở lớp liền dưới. Đó là một dạng thù hình (hay cấu trúc tinh thể). Hoặc nguyên tử của lớp thứ hai nằm ở khe giữa hai nguyên tử của lớp thứ nhất, nguyên tử lớp ba nằm ở khe giữa hai nguyên tử của lớp hai và cứ thế... Điều đó tạo ra cấu trúc tinh thể thứ hai có mật độ và tính chất khác. Đây chỉ là hai trong số nhiều cách để sắp xếp các nguyên tử.
Điều mà nhóm Scott hiểu được (trong gian khó) là các nguyên tử của một nguyên tố chuyển đổi ngẫu nhiên từ dạng tinh thể yếu sang bền, và ngược lại. Thông thường, cần có các điều kiện khắc nghiệt để thúc đẩy quá trình tái cấu trúc (như nhiệt độ và áp suất rất cao trong lòng đất biến than chì thành kim cương). Thiếc “biến hình” ở ngay 13°C. Ngay cả một buổi tối se lạnh tháng mười cũng có thể khiến điều này xảy ra, và nhiệt độ càng lạnh thì tốc độ chuyển đổi càng nhanh. Va đập hoặc gây biến dạng ở bất kỳ hình thức nào (như vết móp trên những chiếc hộp bị ném vào đá) đều có thể châm ngòi cho hiện tượng này, cho dù thiếc vốn “miễn nhiễm” với va đập trong điều kiện bình thường. Tình trạng này không chỉ xuất hiện cục bộ trên bề mặt. Nó đôi khi được gọi là “bệnh dịch thiếc” vì sẽ ăn sâu vào bên trong. Năng lượng giải phóng từ quá trình chuyển đổi dạng thù hình beta-alpha thậm chí đủ để gây ra âm thanh nghe thấy được (gọi một cách hình tượng là “tiếng thét của thiếc”, mặc dù nghe như tiếng nhiễu đài).
Sự chuyển đổi dạng thù hình beta-alpha của thiếc là một “vật tế thần” về mặt hóa học tiện lợi xuyên suốt lịch sử. Nhiều thành phố châu Âu với mùa đông khắc nghiệt (như St. Petersburg) có truyền thuyết về những ống thiếc đắt tiền trong cỗ đại phong cầm mới của nhà thờ tan thành tro ngay khi người chơi đàn dạo hợp âm đầu tiên. (Một số công dân ngoan đạo sẽ đổ lỗi điều này cho quỷ dữ.) Điều tương tự cũng tác động mạnh mẽ vào lịch sử thế giới khi Napoléon dại dột tấn công Nga vào mùa đông năm 1812: những cái khuy cài bằng thiếc trên áo khoác của lính Pháp được ghi lại là đã (nhiều nhà sử học vẫn tranh cãi về điều này) vỡ tan và khiến lính Pháp bị lạnh do phanh áo ngoài trời khi gió lùa. Và cũng giống như hoàn cảnh khủng khiếp mà nhóm thám hiểm của Scott gặp phải, ta có thể hiểu khả năng chiến thắng trên đất Nga của quân Pháp lúc đó thấp tới mức nào. Sự chuyển đổi giữa hai dạng thù hình beta-alpha của nguyên tố thứ 50 khiến mọi thứ khó khăn hơn, nên đổ lỗi cho hóa học vô tư* cũng dễ hơn đưa ra những phán xét không tốt về những người hùng.
Chắc chắn là nhóm Scott đã tìm thấy những chiếc hộp rỗng (như trong nhật ký của ông ghi lại), nhưng sự rò rỉ qua mối hàn bằng thiếc vẫn gây tranh cãi. Bệnh dịch thiếc nghe rất hợp lý, nhưng hộp của các đội khác được phát hiện nhiều thập kỷ sau vẫn còn nguyên mối hàn. Quả thực Scott đã dùng thiếc tinh khiết làm mối hàn, dù nó sẽ phải cực kỳ tinh khiết để bệnh dịch thiếc xảy ra. Tuy nhiên, phá hoại là lý do hợp lý duy nhất, và chẳng có bằng chứng nào của việc chơi xấu cả. Dù sao thì nhóm thám hiểm đã thiệt mạng vì băng giá của Scott phần nào vẫn là nạn nhân của bảng tuần hoàn.
Những điều kỳ quặc xảy ra khi vật chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác ở nhiệt độ cực lạnh. Học sinh được tìm hiểu về ba trạng thái có thể chuyển đổi lẫn nhau của vật chất: rắn, lỏng và khí. Đến trung học phổ thông, giáo viên thường giới thiệu trạng thái thứ tư: plasma* – khi liên kết của các electron với hạt nhân bị mất, nguyên tử sẽ chuyển thành ion ở nhiệt độ cực cao tại tâm các ngôi sao. Ở đại học, sinh viên được tiếp xúc với chất siêu dẫn và heli siêu lỏng. Ở bậc sau đại học, các giáo sư đôi khi đánh đố sinh viên với các trạng thái như plasma quark-gluon 1 hoặc vật chất suy biến 2 . Ngoài ra, một vài người luôn hỏi tại sao thạch rau câu không được coi là một trạng thái đặc biệt. (Vì các chất keo như thạch rau câu là sự pha trộn của hai trạng thái.* Hỗn hợp nước và gelatin này có thể được coi là một chất rắn rất dẻo hoặc một chất lỏng rất đặc.)
1 . Plasma quark-gluon (QGP) là một khái niệm trong ngành Sắc động học lượng tử (QCD), khi đó vật chất tồn tại ở nhiệt độ và mật độ cực kỳ lớn. (BTV)
2 . Vật chất suy biến (Degenerate matter) là một trạng thái vô cùng đậm đặc fermion mà trong đó các hạt phải có mức năng lượng cao để thỏa mãn Nguyên lý Loại trừ Pauli. (BTV)
Vấn đề là số lượng trạng thái vật chất – sự sắp xếp của các hạt vi mô – trong vũ trụ có thể vượt xa con số 3 mà ta thường gặp (rắn, lỏng, khí). Và những trạng thái mới này không phải là các thể hỗn hợp như thạch rau câu. Trong một số trường hợp, sự phân biệt giữa khối lượng và năng lượng bị phá vỡ. Albert Einstein đã phát hiện ra một trạng thái như vậy khi đang loay hoay với một số phương trình cơ học lượng tử vào năm 1924. Sau đó, ông đã tự bác bỏ các tính toán và khám phá lý thuyết của mình vì cho rằng nó quá kỳ dị để tồn tại. Kỳ thực trạng thái này vẫn là bất khả cho đến khi có người tạo ra được nó vào năm 1995.
Theo một nghĩa nào đó, chất rắn là trạng thái cơ bản nhất của vật chất. (Nói cho cẩn thận thì đại đa số nguyên tử đều trống rỗng; nhưng tốc độ cực lớn của electron khiến các giác quan “ngờ nghệch” của chúng ta liên tục lầm tưởng rằng nguyên tử là đặc.) Các nguyên tử trong chất rắn sắp xếp thành những kiểu mạng tinh thể ba chiều đều đặn; và chất rắn tẻ ngắt cũng có nhiều loại mạng tinh thể chứ không chỉ một. Các nhà khoa học hiện có thể tạo ra băng với 15 kiểu mạng tinh thể riêng biệt bằng buồng áp suất cao. Một số dạng băng chìm trong nước chứ không nổi, và số khác không tạo thành bông tuyết sáu mặt mà có dạng như lá cọ hoặc bông súp lơ. Dạng Băng 10 lạ lùng chỉ tan chảy ở 2.038°C. Ngay cả các chất phức tạp và không tinh khiết như sô cô la cũng tạo thành các dạng giống tinh thể có thể chuyển đổi lẫn nhau. Bạn đã từng mở một viên sô cô la Hershey’s Kiss cũ ra và thấy nó trông chẳng ngon lành gì chưa? Chúng ta có thể gọi đó là “bệnh dịch sô cô la”, nguyên nhân cũng là sự chuyển đổi giữa hai dạng thù hình đã gây ra tai họa cho Scott ở Nam Cực.
Các chất rắn tinh thể hình thành dễ dàng nhất ở nhiệt độ thấp; và tùy thuộc nhiệt độ thấp đến mức nào, các nguyên tố mà bạn nghĩ mình biết có thể đổi khác đến mức gần như không nhận ra nổi. Khi đã bị ép thành thể rắn thì ngay cả các loại khí trơ (vốn thích cô độc) cũng sẽ cho rằng kết hợp với các nguyên tố khác cũng là điều hay. Nhà hóa học Neil Bartlett đã phá bỏ định kiến kéo dài nhiều thập kỷ khi tạo ra hợp chất khí trơ đầu tiên: một tinh thể rắn màu cam chứa xenon vào năm 1962.* Điều đặc biệt là quá trình này diễn ra ngay ở nhiệt độ phòng chỉ với bạch kim hexaflorua (PtF 6 ) – một chất oxy hóa cực mạnh. Thêm nữa, xenon (khí trơ bền có nguyên tử lớn nhất) phản ứng dễ hơn các anh em khác trong nhóm rất nhiều vì các electron của nó chỉ liên kết lỏng lẻo với hạt nhân. Để các loại khí trơ có nguyên tử nhỏ hơn phản ứng, các nhà hóa học phải giảm mạnh nhiệt độ. Krypton sẽ chống cự cho đến khoảng -151°C; tại nhiệt độ đó, nguyên tử flo hoạt động hóa học cực mạnh có thể bám vào nó.
Tuy nhiên, khiến krypton phản ứng chỉ là trò trẻ con nếu so với cuộc vật lộn để ghép một nguyên tố khác vào agon. Sau tinh thể xenon của Bartlett vào năm 1962 và hợp chất krypton rắn đầu tiên vào năm 1963, các nhà khoa học Phần Lan đã phải vật lộn thêm 37 năm nữa thì mới tìm được đúng quy trình cho agon vào năm 2000. Đây là một thí nghiệm tinh xảo chẳng kém gì các tác phẩm của nghệ nhân Fabergé với sự tham gia của agon rắn, khí hydro, khí flo, chất xúc tác hoạt tính cao CsI và các chùm tia cực tím được định thời gian chính xác để làm nên kiệt tác này ở -265°C. Hợp chất agon này sẽ bị phá hủy nếu nhiệt độ cao hơn mức ấy.
Nhưng ở dưới ngưỡng đó thì agon flohydrua (HArF) là một tinh thể bền. Các nhà khoa học Phần Lan công bố kỳ tích này trong một bài báo với tiêu đề cực dễ hiểu: “Hợp chất Agon bền”. Chỉ tuyên bố rất đơn giản là đã đủ khoa trương. Các nhà khoa học tự tin rằng ngay cả ở những vùng lạnh nhất vũ trụ, heli và neon xíu xiu cũng chưa bao giờ liên kết với các nguyên tố khác, nên hiện nay agon chính là nguyên tố khó tạo thành hợp chất nhân tạo nhất.
Tạo ra được một hợp chất agon quả là kỳ tích vì tính trơ hóa học của agon rất lớn. Tuy nhiên, các nhà khoa học không coi các hợp chất khí trơ, hoặc chuyển đổi dạng thù hình alpha-beta ở thiếc thực sự là các trạng thái khác nhau của vật chất. Các trạng thái khác nhau đòi hỏi năng lượng khác nhau đáng kể, cách thức tương tác của các nguyên tử cũng khác. Đó là lý do tại sao ta chỉ phân ra ba trạng thái vật chất riêng biệt: chất rắn với các phần tử (hầu hết) cố định; chất lỏng với các phần tử chảy trượt lên nhau; và chất khí với các phần tử tự do.
Chất rắn, chất lỏng và chất khí vẫn có rất nhiều điểm chung. Đầu tiên, các phần tử của chúng được xác định rõ và rời rạc. Nhưng đặc điểm đó gây ra tình trạng hỗn loạn khi nhiệt độ của vật đủ nóng để đạt đến trạng thái plasma và các nguyên tử trở thành ion; hoặc khi hạ nhiệt độ xuống đủ thấp và các trạng thái vật chất tập thể xuất hiện – khi các phần tử bắt đầu chồng chéo và kết hợp theo những cách kỳ lạ.
Hãy cùng xem xét chất siêu dẫn. Điện là dòng electron di chuyển dễ dàng trong một mạch. Bên trong một dây đồng, các electron di chuyển giữa và xung quanh các nguyên tử đồng, và điện năng sẽ bị hao phí thành nhiệt khi electron va vào nguyên tử đồng. Nhưng trong chất siêu dẫn, hẳn đã có gì đó ngăn điều này vì các electron chạy bon bon trong chất siêu dẫn mà dòng điện không hề hao phí. Trên thực tế, dòng điện có thể chạy mãi mãi (chỉ cần chất siêu dẫn còn được làm lạnh). Tính chất này được phát hiện lần đầu tiên trong thủy ngân ở -268°C vào năm 1911. Trong nhiều thập kỷ, hầu hết các nhà khoa học cho rằng các electron trong chất siêu dẫn có nhiều không gian vận động hơn. Theo nghĩa hẹp thì đó là lời giải thích đúng. Nhưng vào năm 1957, ba nhà khoa học đã tìm ra rằng: thực sự chính các electron đã biến hình ở nhiệt độ thấp.
Khi phóng qua các nguyên tử trong chất siêu dẫn, các electron đang hút nhẹ các hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân mang điện dương trôi nhẹ về phía electron, khiến mật độ điện tích dương cao hơn. Mật độ điện tích dương cao hơn này lại thu hút electron khác, và nó sẽ tạo cặp với electron đầu tiên theo một nghĩa nào đó. Đây không phải một loại liên kết mạnh giữa các electron, mà giống liên kết yếu giữa agon và flo hơn. Đó là lý do tại sao liên kết này chỉ xuất hiện ở nhiệt độ thấp: khi nguyên tử không dao động quá nhiều và khiến các electron cách xa nhau. Ở nhiệt độ đó, bạn không thể nghĩ rằng các electron cách xa nhau nữa: chúng “dính” nhau và “làm việc” theo nhóm. Trong mạch, nếu một electron va vào một nguyên tử, các electron đồng đội sẽ kéo nó đi trước khi nó chậm lại. Điều này khá giống một chiến thuật bóng bầu dục thường được dùng để lách luật hồi trước, khi những cầu thủ không đội mũ bảo hộ khoác tay nhau tràn qua phần sân đối phương – như một đội hình electron theo hình tam giác, trạng thái vi mô này chuyển thành siêu dẫn khi hàng tỷ tỷ cặp hoạt động tương tự.
Thật trùng hợp, lời giải thích này được gọi là lý thuyết siêu dẫn BCS, ghép từ họ của những người phát triển nó: John Bardeen, Leon Cooper (các cặp electron được gọi là cặp Cooper) và Robert Schrieffer.* Đây chính là John Bardeen đã đồng phát minh transistor gecmani, giành được giải Nobel và đánh rơi món trứng bác khi ông nghe được tin này. Bardeen tập trung nghiên cứu về chất siêu dẫn sau khi rời Phòng thí nghiệm Bell đến Illinois vào năm 1951 và bộ ba BCS đã đưa ra lý thuyết đầy đủ sau sáu năm. Lý thuyết này rất hiệu quả và chính xác nên đã giúp ba người ẵm giải Nobel Vật lý 1972. Bardeen “kỷ niệm” dịp này với việc bỏ lỡ một cuộc họp báo tại trường đại học vì ông không thể mở cánh cửa gara điện mới (chạy bằng transistor) của mình. Nhưng khi đến Stockholm lần thứ hai, ông đã dẫn theo hai con trai tới diện kiến nhà vua Thụy Điển, lời hứa từ lần nhận giải trước vào những năm 1950.
Nếu nguyên tố được làm lạnh xuống dưới cả nhiệt độ siêu dẫn, các nguyên tử sẽ chồng lên nhau và nuốt chửng lẫn nhau, một trạng thái gọi là “tính kết hợp” ( coherence ). Tính kết hợp rất quan trọng để hiểu về trạng thái vật chất bất khả thi mà Einstein phát hiện ra ở phần trước. Để hiểu được tính kết hợp, ta cần rẽ ngang và đi đường vòng một chút để tìm hiểu về bản chất của ánh sáng, cùng với những nguyên tố liên quan và một phát minh cũng từng được cho là bất khả thi khác: laser.
Hiếm có thứ gì khiến con mắt thẩm mỹ lạ lùng của các nhà vật lý sáng rực lên như bản chất lưỡng tính mơ hồ của ánh sáng. Chúng ta thường coi ánh sáng là sóng. Trên thực tế, Einstein đưa ra được Thuyết Tương đối Hẹp phần nào là nhờ nghĩ về việc không gian sẽ ra sao, thời gian sẽ trôi (hoặc không trôi) như thế nào nếu ông cưỡi trên những sóng đó. (Đừng hỏi tôi ông tưởng tượng ra những điều này như thế nào.) Đồng thời, Einstein đã chứng minh rằng ánh sáng đôi khi cũng hoạt động dưới dạng hạt là photon. Kết hợp các quan điểm sóng và hạt (lưỡng tính sóng-hạt), ông suy luận chính xác rằng ánh sáng không chỉ nhanh nhất vũ trụ, mà nó thực sự là thứ nhanh nhất có thể với tốc độ 300.000 km/s trong chân không. Ánh sáng xuất hiện dưới dạng sóng hay photon phụ thuộc cách đo, vì ánh sáng không hoàn toàn là sóng hay hạt.
Dù đạt được tốc độ cực hạn trong chân không nhưng ánh sáng bị chậm lại khi tương tác với một số nguyên tố. Natri có thể làm chậm ánh sáng xuống chỉ còn khoảng 16,98 m/s, chậm hơn âm thanh cỡ 20 lần. Praseodymi thậm chí có thể “bắt” được ánh sáng như bắt một quả bóng chày, giữ nó trong vài giây rồi “ném” sang một hướng khác.
Laser kiểm soát ánh sáng theo những cách tinh tế hơn. Electron cũng giống như thang máy vậy: chúng chỉ di chuyển giữa các “tầng” nguyên (như từ 2 lên 4), mà không bao giờ đi từ 1 lên 3,5 hay từ 5 xuống 1,8. Khi các electron bị kích thích trở lại trạng thái ban đầu, chúng sẽ phát xạ năng lượng dư thừa dưới dạng ánh sáng; và do chuyển động của electron bị hạn chế, màu của ánh sáng tạo ra cũng vậy. Nó là ánh sáng đơn sắc (ít nhất là theo lý thuyết). Trong thực tế, các electron trong các nguyên tử khác nhau đồng thời chuyển từ mức như 3 xuống 1 và 4 xuống 2... và mỗi khoảng chuyển khác nhau lại tạo ra một màu khác. Thêm vào đó, mỗi loại nguyên tử có một thời điểm phát xạ ánh sáng riêng. Trước mắt chúng ta, ánh sáng này trông đồng nhất, nhưng ở cấp độ photon thì chúng lại bất đồng và lộn xộn.
Laser giải quyết sự khác biệt về thời điểm phát xạ bằng cách giới hạn các “tầng thang máy” dừng của electron trong nguyên tử (người anh em maser của laser cũng hoạt động theo cùng một cách nhưng tạo ra ánh sáng không nhìn thấy). Các tia laser mạnh nhất, ấn tượng nhất hiện nay sử dụng các tinh thể ytri có gắn neodymi. Trong một khoảnh khắc vô cùng ngắn, chúng có thể tạo ra các chùm tia có năng lượng lớn hơn toàn bộ sản lượng năng lượng của nước Mỹ. Bên trong tia laser, một ống đèn nháy cuộn quanh tinh thể neodymi-ytri lóe lên cực nhanh với cường độ cực mạnh. Ánh sáng này kích thích các electron trong neodymi và khiến chúng nhảy lên mức cao hơn bình thường rất nhiều. Nói tiếp chuyện thang máy trước đó thì điều này giống như electron có thể vọt thẳng từ tầng 1 lên tầng 10 vậy. Vì “chóng mặt” nên chúng lập tức quay xuống tầng 2 (chẳng hạn) cho an toàn. Quá trình đột ngột này khiến các electron bị “sang chấn” mạnh đến mức không thể giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng ánh sáng được nữa; chúng dao động và giải phóng nó dưới dạng nhiệt. Ngoài ra, vì đã an toàn ở tầng 2 nên electron ra khỏi thang máy để đi dạo và chẳng còn vội vã đi xuống tầng 1 nữa.
Trên thực tế, trước khi chúng có thể quay xuống, ánh đèn nháy lại xuất hiện. Điều này sẽ đẩy thêm nhiều electron của neodymi bay lên tầng 10 và rơi xuống. Điều này xảy ra liên tục và tầng 2 trở nên đông đúc. Khi electron ở tầng 2 nhiều hơn 1, tia laser đã đạt được trạng thái “đảo ngược mật độ”. Lúc này, bất kỳ electron la cà nào muốn nhảy xuống tầng 1 đều sẽ làm phiền những người hàng xóm đang chịu cảnh chật chội. Các electron đang ở tầng 2 sẽ đá electron muốn xuống tầng 1 theo lối ban công. Các electron khác muốn xuống tầng 1 sau đó cũng đi theo cùng một cách. Và hãy để ý vẻ đẹp của lần chuyển mức này: tất cả electron của neodymi đều rơi từ mức 2 xuống mức 1 cùng lúc nên ánh sáng tạo ra có cùng một màu. Tính kết hợp này là mấu chốt làm nên laser. Phần còn lại của thiết bị làm sạch các tia sáng và thu gom chùm tia bằng cách dội chúng qua lại giữa hai gương. Tại thời điểm đó, ánh sáng do tinh thể neodymi-ytri tạo ra đã kết hợp và cùng hướng đến mức có thể tạo ra phản ứng hợp hạch bằng nhiệt độ cực cao. Chúng còn có thể “khắc” giác mạc mà không đốt cháy phần mắt còn lại.
Theo mô tả trên, laser dường như là một thách thức về kỹ thuật hơn các tuyệt tác khoa học. Tuy nhiên, laser (và maser trước nó) đã vấp phải định kiến khoa học mạnh mẽ khi chúng được phát triển vào những năm 1950. Charles Townes hồi tưởng rằng kể cả sau khi hoàn thiện chiếc máy phát maser vận hành được đầu tiên, một số nhà khoa học tiền bối vẫn nhìn ông đầy ngao ngán và nói: “Xin lỗi Charles, chứ cái này bất khả thi”. Và đây không phải là những tay mơ chỉ biết nói “không” đầu óc hẹp hòi, thiếu trí tưởng tượng để chứng kiến Phát minh Vĩ đại Tiếp theo. Họ là John von Neumann (người đã giúp thiết kế kiến trúc cơ bản của máy tính hiện đại và bom hạt nhân) và Niels Bohr (người đã bỏ nhiều tâm sức cho cơ học lượng tử hơn bất cứ ai).
Bohr và von Neumann đã phản bác vì một lý do đơn giản: họ quên mất lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng. Cụ thể hơn, Nguyên lý Bất định lừng danh của cơ học lượng tử đã khiến họ lạc lối. Nguyên lý Bất định của Werner Heisenberg rất dễ hiểu sai, nhưng một khi hiểu được thì đó là một công cụ mạnh mẽ để tạo ra các dạng vật chất mới. Đoạn sau sẽ giải thích cho bí ẩn nho nhỏ này.
Nếu lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng khiến ánh mắt của các nhà vật lý sáng rực lên, thì những người áp dụng bừa bãi Nguyên lý Bất định vào các trường hợp không thể áp dụng luôn khiến gương mặt họ méo xệch đi. Khác với những gì mà có thể bạn đã biết, nguyên lý này (hầu như*) chẳng liên quan gì đến chuyện “quan sát gây ảnh hưởng đến hệ quả” cả. Toàn bộ Nguyên lý Bất định như sau:
Chỉ có vậy.
Nếu diễn giải ngôn ngữ cơ học lượng tử thành lời (một việc khó khăn) thì hệ thức trên nói rằng: sự bất định về vị trí của vật (Δx) nhân với sự bất định về động lượng (Δp) luôn lớn hơn hoặc bằng “h/4π.” (h là Hằng số Planck có trị số vô cùng, vô cùng nhỏ: 6,625 × 10 -34 . Nó cho thấy Nguyên lý Bất định chỉ có ý nghĩa khi áp dụng cho những vật cực nhỏ: như electron hay photon.) Nói cách khác, nếu bạn biết càng rõ vị trí của hạt thì càng biết ít về động lượng của nó và ngược lại.
Những sự bất định này không xuất phát từ dụng cụ đo (như bạn có một chiếc thước “rởm”), mà nó thuộc bản chất tự nhiên. Hãy nhớ về lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng. Khi phủ nhận tia laser, Bohr và von Neumann đã vô thức mặc định rằng ánh sáng là photon (hạt). Theo quan điểm của họ, chùm tia laser quá chính xác và tập trung, đến mức sự bất định về tọa độ của các photon bằng không. Điều đó nghĩa là sự bất định về động lượng phải cực lớn: các photon có thể bay ra với năng lượng hoặc hướng bất kỳ – mâu thuẫn với ý tưởng về chùm tia cùng hướng.
Họ quên rằng ánh sáng cũng là sóng và các quy tắc của sóng thì khác. Đầu tiên, làm thế nào bạn biết sóng ở đâu? Bản chất của nó là lan truyền – vốn là một nguồn bất định. Và không giống như hạt, sóng có thể triệt tiêu hoặc kết hợp với các sóng khác. Hai hòn đá ném xuống ao sẽ dậy nên những gợn sóng lớn ở giữa chúng. Điều này là do chúng nhận năng lượng từ những đợt sóng nhỏ từ hai bên.
Trong trường hợp của laser, không chỉ có hai mà là hàng ngàn tỷ tỷ “hòn đá” (electron) tạo nên các sóng ánh sáng, tất cả giao thoa với nhau. Điểm mấu chốt là Nguyên lý Bất định chỉ áp dụng cho các hạt riêng lẻ mà không áp dụng cho tập hợp hạt. Trong một chùm sáng (tập hợp các hạt) thì khó mà biết chính xác từng photon ở đâu; nếu độ bất định về tọa độ của mỗi photon lớn như vậy (nghĩa là độ bất định về động lượng sẽ rất nhỏ), ta hoàn toàn có thể gom năng lượng và hướng một cách vô cùng chính xác để tạo thành tia laser. Lỗ hổng này rất khó khai thác, nhưng sẽ đem lại hiệu quả vô cùng mạnh mẽ khi bạn nắm được nó. Đây chính là lý do Townes được tạp chí Time vinh danh trong danh sách “Nhân vật của năm” (cùng với Pauling và Segrè) vào năm 1960, và giành được giải Nobel năm 1964 với công trình về maser.
Trên thực tế, các nhà khoa học sớm nhận ra có nhiều thứ ứng với ngoại lệ này ngoài photon. Giống như các chùm sáng với lưỡng tính sóng-hạt, bạn càng tìm hiểu sâu về các electron, proton (cũng như các hạt được cho là xác định khác), chúng càng trở nên bất định. Ở mức lượng tử sâu nhất, khó hiểu nhất, vật chất là bất định và có tính chất giống sóng. Và vì Nguyên lý Bất định là một công thức toán học nêu lên giới hạn của việc xác định các sóng, nên nó cũng áp dụng cho cả các hạt lượng tử nữa.
Điều này chỉ đúng ở cấp độ vi mô, cấp độ sánh được với giá trị vô cùng nhỏ của hằng số Planck. Các nhà vật lý sẽ bối rối khi mọi người bắt đầu ngoại suy lên quy mô con người và cho rằng Nguyên lý Bất định thật sự “chứng minh” việc ta không thể quan sát một vật bất kỳ mà không thay đổi nó (những người dám tìm tòi chọc ngoáy thậm chí sẽ cho rằng tính khách quan chỉ là trò bịp và chính các nhà khoa học cũng đang lừa gạt bản thân rằng mình là người “hữu tri”). Trên thực tế, trường hợp duy nhất mà sự bất định ở kích thước nano ảnh hưởng đến mọi thứ ở cấp độ vĩ mô là trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) kỳ lạ đã đề cập ở đầu chương này.
Câu chuyện này bắt đầu vào đầu những năm 1920, khi nhà vật lý Ấn Độ mập mạp Satyendra Nath Bose mắc lỗi khi giải một số phương trình cơ học lượng tử. Đó là một lỗi do cẩu thả, nhưng nó đã khiến Bose chú ý. Không biết mình mắc lỗi, ông vẫn giải hết phương trình; và những câu trả lời “sai” thu được do lỗi ban đầu lại rất phù hợp với các thí nghiệm về tính chất của photon – tốt hơn lý thuyết “đúng” nhiều.*
Và như các nhà vật lý trong suốt lịch sử, Bose quyết định cho rằng lỗi sai đó là chân lý, thừa nhận rằng mình không hiểu và viết thành nghiên cứu. Lỗi tưởng như sai đó, cộng với việc không ai biết ông (vì Bose là người Ấn Độ) đã khiến mọi tạp chí khoa học uy tín ở châu Âu từ chối bài báo. Không nản lòng, Bose đã trực tiếp gửi bài báo đến cho Albert Einstein. Nhà vật lý vĩ đại đã nghiên cứu rất kỹ, xác định rằng câu trả lời của Bose rất thông minh: nó nói rằng các hạt nhất định như photon có thể sụp đổ chồng lên nhau cho đến khi không còn phân biệt được nữa. Einstein tinh gọn bài báo hơn một chút, dịch nó sang tiếng Đức và mở rộng công trình của thành một bài báo riêng khác, áp dụng cho cả các nguyên tử (chứ không chỉ photon). Nhờ vào danh tiếng lẫy lừng, Einstein đã cho xuất bản cả hai bài báo cùng nhau.
Einstein đưa thêm vài dòng để chỉ ra rằng: nếu các nguyên tử đủ lạnh (lạnh hơn chất siêu dẫn rất, rất, rất nhiều) thì chúng sẽ ngưng tụ thành một trạng thái vật chất mới. Tuy nhiên, tạo ra nhiệt độ lạnh đến mức như vậy vượt xa khả năng của công nghệ thời đó; ngay cả người nhìn xa như Einstein cũng cho là không thể. Ông coi trạng thái ngưng tụ của mình là một sự kỳ lạ phù phiếm. Thật đáng ngạc nhiên, một thập kỷ sau, các nhà khoa học đã thoáng thấy trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein trong một loại heli siêu lỏng, khi các nguyên tử liên kết với nhau thành những cụm nhỏ. Các cặp electron Cooper trong chất siêu dẫn có đặc tính như trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein theo một cách nào đó. Nhưng sự liên kết trong các chất siêu lỏng và siêu dẫn rất hạn chế, hoàn toàn không giống trạng thái Einstein đã hình dung ra: một màn sương khuếch tán và lạnh lẽo. Dù gì đi nữa, những nhà khoa học nghiên cứu về heli và BCS cũng không theo đuổi phỏng đoán của Einstein; và mãi cho đến năm 1995, khi hai nhà khoa học tài ba tại Đại học Colorado tiến hành thí nghiệm trên các nguyên tử rubidi trong thể khí thì trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein mới có bước tiến.
Thật thú vị, một thành tựu kỹ thuật giúp trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein trở nên khả thi là laser – vốn cũng dựa trên những ý tưởng ban đầu của Bose về photon. Điều này nghe có vẻ ngược đời, vì laser thường làm nóng mọi thứ. Nhưng laser cũng có thể làm lạnh các nguyên tử nếu sử dụng đúng cách. Ở cấp độ nano căn bản, nhiệt độ chỉ là tốc độ dao động trung bình của các hạt. Các hạt nóng thì như những nắm đấm tí hon giận dữ húc vào nhau, còn các hạt lạnh được kéo theo. Vì vậy, chìa khóa để làm lạnh một vật là giảm tốc độ chuyển động của các hạt tạo nên nó. Trong quá trình làm lạnh bằng laser, các nhà khoa học đã sử dụng một số chùm tia và tạo ra bẫy “quang học”. Khi các nguyên tử rubidi trong thể khí đi qua “bẫy keo dính” này, các tia laser sẽ “bắt” chúng bằng những photon năng lượng thấp. Vì các nguyên tử rubidi có kích thước lớn hơn và năng lượng cũng mạnh hơn, nên điều này giống như dùng súng máy bắn vào một tiểu hành tinh vậy. Bỏ qua sự chênh lệch kích thước, chỉ cần súng có đủ đạn thì tiểu hành tinh cuối cùng cũng sẽ dừng lại; và đó chính xác là những gì đã xảy ra với các nguyên tử rubidi. Sau khi hấp thụ photon từ mọi phía, chúng càng lúc càng chậm lại và nhiệt độ giảm xuống còn 10 -4 Kelvin.
Tuy nhiên, nhiệt độ cực thấp đó vẫn “quá nóng” cho trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein (giờ bạn đã hiểu tại sao Einstein lại bi quan như vậy). Vì vậy, bộ đôi Eric Cornell và Carl Wieman của Đại học Colorado đã kết hợp thêm một giai đoạn làm lạnh thứ hai. Họ dùng một nam châm liên tục hút các nguyên tử “nóng nhất” còn lại trong khí rubidi. Điều này cũng giống như một pha thổi muỗng xúp công phu: làm nguội bằng cách đẩy các nguyên tử nóng hơn đi. Khi các nguyên tử năng lượng cao biến mất, nhiệt độ tổng sẽ tiếp tục giảm xuống. Thực hiện điều này một cách chậm rãi và chỉ lấy đi vài nguyên tử nóng nhất mỗi lần, các nhà khoa học đã giảm nhiệt độ xuống chỉ còn 10 -9 Kelvin. Ở nhiệt độ này, mẫu gồm 2.000 nguyên tử rubidi cuối cùng đã co lại thành trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein lạnh nhất, nhớt nhất và mỏng manh nhất từng xuất hiện trong vũ trụ.
Nhưng nếu nói “hai ngàn nguyên tử rubidi” thì đã làm mất sự đặc biệt của trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein. Hai ngàn nguyên tử rubidi riêng lẻ đã trở thành một nguyên tử rubidi khổng lồ. Đó là một điểm kỳ dị và lời giải thích lại quay về với Nguyên lý Bất định. Một lần nữa, nhiệt độ chỉ là tốc độ dao động trung bình của các nguyên tử. Khi nhiệt độ chỉ còn 10-9 Kelvin, tốc độ dao động của các nguyên tử không còn là mấy; nghĩa là độ bất định về tốc độ thấp đến mức vô lý, gần như bằng không. Và do bản chất sóng của các nguyên tử ở cấp độ đó, độ bất định về tọa độ của chúng phải rất lớn.
Lớn đến mức khi hai nhà khoa học không ngừng làm lạnh các nguyên tử rubidi và ép chúng lại với nhau, các nguyên tử bắt đầu phình ra, chồng chéo rồi hòa vào nhau. Điều này tạo ra một “nguyên tử” đủ lớn để nhìn được bằng kính hiển vi (Điều này chỉ đúng trên lý thuyết, vì nguyên tử lớn ấy quá kém bền). Đó là lý do tại sao chúng ta nói rằng trong trường hợp này (mà không phải bất kỳ trường hợp nào khác), Nguyên lý Bất định có thể áp dụng ở cấp độ lớn hơn và ảnh hưởng đến một vật có quy mô (suýt thì) bằng con người. Cần chưa tới 100.000 đô la Mỹ tiền thiết bị để tạo ra trạng thái vật chất mới này, và trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein chỉ tồn tại trong mười giây trước khi biến mất. Nhưng vậy là đã đủ lâu để mang về giải Nobel cho Cornell và Wieman vào năm 2001.*
Cùng với sự cải thiện của công nghệ, các nhà khoa học ngày càng làm tốt hơn trong việc khiến vật chất tạo nên trạng thái ngưng tụ Bose- Einstein. Tuy vẫn chưa có nhu cầu, nhưng có lẽ các nhà khoa học sẽ sớm chế tạo ra “tia laser vật chất”, bắn ra các chùm nguyên tử siêu định hướng mạnh hơn laser ánh sáng hàng ngàn lần; hoặc băng “siêu rắn” có thể “chảy” qua nhau mà không mất đi sự rắn. Những điều viễn tưởng trong tương lai như vậy có thể tuyệt vời chẳng kém laser ánh sáng và chất siêu lỏng trong thời đại khá đáng nể của chúng ta hiện nay vậy.