Chương 17 Các quả cầu tráng lệ: Ngành bong bóng học

Không phải mọi đột phá về bảng tuần hoàn đều phải đi sâu vào các trạng thái kỳ lạ và phức tạp của vật chất như ngưng tụ Bose-Einstein. Các chất rắn, lỏng, khí thường nhật đôi khi vẫn mở ra những bí mật, nếu vận may và cảm hứng khoa học bén duyên. Có giai thoại rằng một trong những thiết bị khoa học quan trọng nhất lịch sử đã thực sự được phát minh nhờ một ly bia, chứ không nhờ một chầu nhậu bia.

Donald Glaser là một giảng viên 25 tuổi khiêm nhường và nhiều khát vọng, vẫn hay lui tới các quán bar gần Đại học Michigan. Một đêm, Glaser nhìn chằm chằm vào đám bọt trong cốc bia tươi của mình và vô thức nghĩ về vật lý hạt. Lúc đó là năm 1952; các nhà khoa học đang sử dụng kiến thức từ Dự án Manhattan và khoa học hạt nhân để tạo ra các loại hạt kỳ lạ và kém bền như kaon, muon và pion – những anh em bí hiểm của đám proton, neutron và electron vốn đã quen thuộc. Giới vật lý hạt ngờ (thậm chí hy vọng) rằng những hạt đó sẽ lật đổ vị thế bản đồ cơ bản về vật chất của bảng tuần hoàn, vì chúng đào sâu hơn vào cấp độ hạ nguyên tử.

Nhưng để tiến xa hơn, họ cần một cách tốt hơn để “nhìn thấy” những hạt vô cùng nhỏ đó và theo dõi hoạt động của chúng. Nghiền ngẫm bên trên cốc bia, Glaser – với mái tóc bồng bềnh, đeo kính và trán cao – cho rằng bong bóng chính là câu trả lời. Trong chất lỏng, bọt thường hình thành quanh các vùng khuyết hoặc không đồng nhất như các vết xước siêu nhỏ trong ly sâm panh và cacbon dioxit hòa tan trong bia. Là một nhà vật lý, Glaser biết rằng bong bóng đặc biệt dễ hình thành khi chất lỏng nóng lên và đạt gần điểm sôi (hãy nghĩ về ấm nước sắp sôi trên bếp). Kỳ thực, nếu bạn giữ một chất lỏng ngay dưới điểm sôi, nó sẽ tạo bong bóng nếu có bất cứ thứ gì khuấy động.

Đây là một khởi đầu tốt nhưng vẫn chỉ là vật lý cơ bản. Điều khiến Glaser nổi bật là những bước tư duy tiếp theo. Những hạt hiếm như kaon, muon và pion chỉ xuất hiện khi hạt nhân nguyên tử bị vỡ vụn. Vào năm 1952, có thiết bị gọi là buồng mây với một “súng” bắn các nguyên tử cực nhanh vào khí lạnh có trong buồng. Muon, kaon và nhiều hạt khác xuất hiện trong buồng sau những lần bắn phá trực tiếp, và khí ngưng tụ thành giọt lỏng dọc theo vị trí của các hạt. Glaser nghĩ: “Nhưng thay chất khí bằng chất lỏng thì có lý hơn”. Mật độ phần tử trong chất lỏng đậm đặc hơn chất khí hàng ngàn lần, nên việc nhắm “súng” nguyên tử vào hydro lỏng (giả sử) sẽ gây ra nhiều va chạm hơn. Thêm vào đó, nếu hydro lỏng được giữ ngay dưới điểm sôi thì chỉ một va chạm nhỏ từ các hạt bí ẩn kia cũng làm hydro sủi lên (như bọt trong cốc bia vậy). Glaser cũng cho rằng mình có thể chụp ảnh những vệt bong bóng, sau đó so sánh sự khác biệt trong vệt bọt của các hạt có kích thước và điện tích khác nhau để lại. Khi Glaser nhận ra toàn bộ vấn đề cũng là lúc chàng trai trẻ tợp hớp bia cuối cùng.

Giai thoại này cho thấy sự tình cờ mà các nhà khoa học vốn vẫn tin. Nhưng giống như hầu hết các giai thoại, nó không hoàn toàn chính xác. Glaser đã phát minh ra buồng bong bóng nhờ thử nghiệm cẩn thận trong phòng thí nghiệm, chứ không phải nhờ nguệch ngoạc lên tờ giấy ăn của quán bar. Thật thú vị, sự thật còn lạ hơn cả giai thoại. Glaser đã thiết kế để buồng bong bóng vận hành như đã giải thích ở trên, chỉ khác một điểm.

Tùy vào kích thước và điện tích, mỗi loại hạt hạ nguyên tử tạo ra các vệt xoáy và xoắn ốc riêng khi hình thành trong buồng bong bóng. Các đường trong hình thực chất là các vệt bong bóng cách đều nhau trong một bể chứa hydro lỏng cực lạnh. (Nguồn: CERN)

Chỉ có Chúa mới biết vì lý do gì – có lẽ là những hấp dẫn còn sót lại từ thời đại học – mà chàng trai trẻ Glaser quyết định rằng bia (chứ không phải hydro) là chất lỏng tốt nhất cho “súng nguyên tử” ngắm bắn. Ông thực sự nghĩ rằng bia sẽ dẫn đến một bước đột phá làm nên thời đại trong lĩnh vực hạ nguyên tử. Bạn hẳn có thể tưởng tượng ra cảnh ông lén mang bia Budweiser tới phòng thí nghiệm vào ban đêm và chia đôi xách bia: một nửa “dốc bầu”, một nửa cúng thần khoa học khi rót vào những cốc thí nghiệm nhỏ xíu loại bia “tuyệt nhất nước Mỹ”, đun tới gần điểm sôi và bắn hạt vào chúng để tạo ra những hạt kỳ lạ nhất trong nền vật lý đương thời.

Thật không may cho khoa học, sau này Glaser tiết lộ rằng các thí nghiệm với bia đã thất bại. Các đồng nghiệp trong phòng thí nghiệm cũng không thích mùi bia bay hơi cho lắm. Không nản lòng, Glaser đã tinh chỉnh các thí nghiệm; và đồng nghiệp của ông là Luis Alvarez – người nổi tiếng với giả thuyết thiên thạch gây ra vụ tuyệt chủng của khủng long – cuối cùng đã xác định hydro mới là chất lỏng thích hợp nhất. Hydro lỏng sôi ở -259°C, nên ngay cả lượng nhiệt nhỏ cũng sẽ tạo ra bọt. Là nguyên tố đơn giản nhất, hydro cũng tránh được sự lộn xộn mà các nguyên tố khác (hoặc bia) có thể gây ra khi các hạt va chạm. Buồng bong bóng được chỉnh sửa lại của Glaser cung cấp nhiều thông tin chi tiết nhanh chóng đến mức nó cũng đưa ông vào danh sách 15 “Nhân vật của năm” trên tạp chí Time cùng Linus Pauling, William Shockley và Emilio Segrè vào năm 1960. Ông cũng giành giải Nobel khi mới ở tuổi 33 trẻ trung đáng ghen tỵ. Bấy giờ Glaser đã chuyển đến Berkeley nên ông đã mượn Edwin McMillan và Segrè áo vest trắng để đi dự lễ nhận giải.

Các bong bóng thường không được tính là công cụ khoa học thiết yếu. Mặc dù (hay chính vì) dễ sản xuất và quá phổ biến trong tự nhiên, chúng bị coi như một món đồ chơi suốt nhiều thế kỷ. Nhưng khi vật lý nổi lên thống trị giới khoa học vào thế kỷ 20, các nhà vật lý đột nhiên thấy nó rất có ích trong việc thăm dò các cấu trúc cơ bản nhất của vũ trụ. Hiện nay sinh học đã lên ngôi, các chuyên gia trong ngành này tiếp tục sử dụng bong bóng để nghiên cứu sự phát triển của tế bào – những cấu trúc phức tạp nhất vũ trụ. Bong bóng đã chứng tỏ rằng nó là phòng thí nghiệm tự nhiên tuyệt vời cho tất cả các lĩnh vực, và lịch sử khoa học gần đây có thể được đọc song song với nghiên cứu về những “quả cầu tráng lệ” này.

Một nguyên tố dễ dàng hình thành bong bóng – và bọt (trạng thái các bong bóng chồng lên nhau và mất hình dạng cầu) – là canxi. Các tế bào tạo nên mô cũng giống như cách bong bóng tạo thành bọt, và ví dụ rõ nhất về cấu trúc bọt trong cơ thể (ngoài nước miếng) là xương xốp. Chúng ta thường nghĩ bọt mềm (chẳng khác gì kem cạo râu), nhưng khi một số chất chứa không khí bị khô hoặc nguội đi, chúng hóa rắn giống như xà phòng tắm phiên bản không-vỡ-ngay-lập-tức vậy. Trên thực tế, NASA đã dùng bọt đặc biệt để bảo vệ tàu con thoi khi chúng trở lại Trái Đất, và xương (giàu canxi) cũng bền tương tự dù rất nhẹ. Hơn nữa, các nhà điêu khắc đã chạm khắc bia mộ, cột đá và các vị thần từ đá cẩm thạch và đá vôi (đều giàu canxi) vừa mềm dẻo vừa cứng cáp suốt nhiều thiên niên kỷ. Những loại đá này hình thành khi các sinh vật biển nhỏ chết đi, lớp vỏ giàu canxi của chúng chìm xuống và chồng lớp lên nhau dưới đáy đại dương. Giống như xương, những vỏ này có lỗ nhưng tính chất hóa học của canxi giúp tăng độ bền của chúng. Hầu hết các loại nước tự nhiên (như nước mưa) có tính axit nhẹ, còn các khoáng chất chứa canxi có tính bazơ nhẹ. Khi nước thấm qua lỗ trên vỏ, phản ứng trung hòa xảy ra như núi lửa hóa học cỡ nhỏ của trẻ cấp 1, giải phóng lượng nhỏ cacbon dioxit và làm mềm đá. Ở quy mô địa chất lớn, các phản ứng giữa nước mưa và canxi tạo thành những khoang lớn mà chúng ta gọi là hang động.

Ngoài giải phẫu và nghệ thuật, các bong bóng canxi còn định hình nền kinh tế và các đế chế. Nhiều vịnh nhỏ giàu canxi dọc bờ biển phía nam nước Anh không có nguồn gốc tự nhiên mà hình thành từ các mỏ đá vôi vào khoảng năm 55 TCN, khi người La Mã yêu thích đá vôi đặt chân đến đây. Các trinh sát của Julius Caesar đã phát hiện ra một tảng đá vôi màu kem hấp dẫn gần Beer (nước Anh) ngày nay, và bắt đầu đem nó về La Mã để làm vật liệu trang trí mặt tiền của các công trình. Đá vôi từ Beer sau đó được dùng để xây dựng Cung điện Buckingham, Tháp London và Tu viện Westminster, để lại những hang động lớn ven biển. Đến năm 1800, một số cậu trai địa phương có thời thơ ấu gắn liền với trò đuổi bắt và chèo thuyền trong mê cung hang động này đã quyết định sống lại thời thơ ấu và trở thành kẻ buôn lậu; tận dụng những vòm canxi này làm nơi giấu rượu Brandy, trà, thuốc lá và lụa của Pháp từ Normandie bằng thuyền nhỏ.

Những kẻ buôn lậu (hoặc “những người theo chủ nghĩa thương mại tự do” như họ tự gọi) mọc lên như nấm sau mưa vì những khoản thuế đáng ghét mà chính phủ Anh đánh vào hàng hóa Pháp nhằm trêu tức Napoléon. Bong bóng nhu cầu là điều không thể tránh khỏi khi các mặt hàng bị đánh thuế trở nên khan hiếm. Ngoài ra, sự bất lực của lực lượng bảo vệ bờ biển Hoàng gia Anh trong việc chống buôn lậu đã thuyết phục Quốc hội Anh đưa ra các đạo luật để tự do hóa thương mại trong thập niên 1840, mang lại thương mại tự do thực sự. Điều này cộng với sức mạnh kinh tế vượt trội cho phép Đế chế Anh mở rộng lãnh thổ tới mức “Mặt Trời không bao giờ lặn”.

Với những chi tiết kể trên, bạn hẳn sẽ mong đợi một ngành khoa học về bong bóng với lịch sử lâu dài. Nhưng không. Những bộ óc xuất chúng như Benjamin Franklin (đã khám phá ra dầu có thể khiến nước không sủi tăm) và Robert Boyle (đã thử nghiệm, thậm chí rất hay nếm nước tiểu tươi còn sủi bọt trong bô của mình) quả thực đã dấn thân nghiên cứu bong bóng. Các nhà sinh lý học thời kỳ đầu đôi khi sục bọt khí vào máu của những con chó đang bị mổ sống. Nhưng các nhà khoa học hầu như vẫn phớt lờ bong bóng, cả về cấu trúc và hình dạng của chúng; và nhường phần nghiên cứu về bong bóng cho lĩnh vực mà họ vốn khinh thị, có thể gọi là “khoa học trực giác”. Khoa học trực giác không phải là khoa học ảo tưởng; nó chủ yếu gồm các lĩnh vực như chăn nuôi ngựa, làm vườn... Chúng nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên, nhưng từ lâu đã dựa nhiều vào linh cảm và ghi chép niên lịch hơn là các thí nghiệm được kiểm soát. Một ngành khoa học trực giác nghiên cứu về bong bóng là nấu ăn. Những người làm bánh và nấu bia từ lâu đã sử dụng men – vốn là những “máy làm bong bóng” thô sơ – để làm nở bánh mì và tạo bọt cho bia. Các đầu bếp cao cấp ở châu Âu thế kỷ 18 đã học cách đánh lòng trắng trứng thành những tảng bọt xốp lớn để làm ra bánh trứng đường, pho mát, kem đánh và cappuccino mà chúng ta yêu thích ngày nay.

Tuy nhiên, các đầu bếp và nhà hóa học vẫn thường nghi kỵ nhau: nhà hóa học coi đầu bếp là vô kỷ luật và phi khoa học, còn đầu bếp coi nhà hóa học là bọn không biết thưởng thức nghệ thuật. Mãi đến khoảng năm 1900, khoa học về bong bóng mới trở thành một lĩnh vực được tôn trọng, dù những người đứng đầu là Ernest Rutherford và Huân tước Kelvin 1 vẫn chưa thể nhìn nhận rõ ràng tương lai của ngành này. Trên thực tế, vào thời điểm đó, Rutherford chủ yếu quan tâm tới những bí ẩn sâu thẳm của bảng tuần hoàn.

1 . Wiliam Thomson (26/6/1824-17/12/1907) là nhà toán học, vật lý học kiêm kỹ sư người Ireland gốc Scotland. Ông được phong là “Nam tước Kelvin đệ nhất”. “Huân tước” là từ dùng chung cho những người được phong tước. (BTV)

Ngay sau khi từ New Zealand tới Đại học Cambridge vào năm 1895, Rutherford đã cống hiến hết mình cho nghiên cứu phóng xạ – được coi trọng hệt như di truyền học hay công nghệ nano ngày nay. Tính khí mạnh mẽ đã đưa Rutherford đến với khoa học thực nghiệm, vì ông vốn không ngại dấn thân. Lớn lên cùng việc săn chim cút và đào khoai tây trong trang trại của gia đình, ông cảm giác mình giống “cáo mượn oai hùm” giữa những con người lỗi lạc ở Cambridge. Rutherford có bộ ria quặp, lượn lờ xung quanh với các mẫu phóng xạ trong túi và điếu xì gà hoặc tẩu thuốc ngậm trên miệng. Ông thường thốt ra những câu chửi thề – có lẽ do người vợ Thiên chúa giáo ngoan đạo không thích ông chửi thề ở nhà – và những lời nguyền rủa kinh khủng nhất trong phòng thí nghiệm mỗi khi thiết bị không hoạt động. Có lẽ để bù lại việc chửi thề, ông đã hát to (nhưng lệch tông) “Tiến lên, những chiến binh Thiên chúa giáo” khi đi quanh phòng thí nghiệm lờ mờ của mình. Mặc dù có mô tả thô bỉ là vậy, đặc điểm nổi bật trong khoa học của Rutherford là sự tao nhã. Trong lịch sử khoa học, hẳn không có ai giỏi “ve vãn” những bí ẩn của tự nhiên ra khỏi “hình hài xác thịt” của chúng hơn ông. Và không gì thể hiện điều đó tốt hơn sự tao nhã mà ông đã dùng để vén màn bí mật về cách một nguyên tố chuyển đổi thành một nguyên tố khác.

Sau khi chuyển từ Cambridge đến Montréal, Rutherford quan tâm đến cơ chế khiến các chất phóng xạ làm tăng nồng độ phóng xạ trong không khí quanh chúng. Để nghiên cứu vấn đề này, Rutherford đã kế tục các nghiên cứu của Marie Curie, nhưng người đàn ông New Zealand chân chất này cẩn trọng hơn nữ đồng nghiệp nổi tiếng cùng thời. Theo Marie (và cả những người khác), các nguyên tố phóng xạ đã phóng ra một “khí” phóng xạ tinh khiết khiến không khí nhiễm xạ, giống như cách bóng đèn lan tỏa ánh sáng khắp không gian vậy. Rutherford ngờ rằng “khí” phóng xạ tinh khiết đó thực ra là một nguyên tố khí chưa biết có đặc điểm phóng xạ riêng. Kết quả là trong khi Marie bỏ ra hàng tháng trời đun sôi hàng ngàn cân uraninit đen để có được các mẫu radi và poloni siêu nhỏ, Rutherford lại cảm nhận được lối tắt và để thiên nhiên làm hộ. Ông chỉ cần để các mẫu phóng xạ phân rã trong một bình kín, rồi dẫn những bong bóng khí thu được vào một bình thủy tinh úp ngược khác. Đó chính là loại khí mà ông cần. Rutherford và Frederick Soddy nhanh chóng chứng minh rằng những bong bóng khí có tính phóng xạ thu được ấy là một nguyên tố mới: radon. Và do khối lượng mẫu ban đầu giảm đi đúng bằng khối lượng khí radon thu được, họ nhận ra rằng một nguyên tố đã thực sự biến đổi thành nguyên tố khác.

Rutherford và Soddy không những tìm thấy một nguyên tố mới mà còn phát hiện ra các quy tắc biến đổi mới lạ của các nguyên tố trên bảng tuần hoàn. Khi phân rã, chúng đột nhiên “đi ngang” và nhảy qua nhảy lại giữa các ô. Điều này thật ly kỳ nhưng cũng thật báng bổ. Khoa học từng phủ nhận hoàn toàn thuật giả kim – “pháp thuật” biến chì thành vàng – nhưng giờ Rutherford và Soddy đang mở lại cánh cổng cho “pháp thuật” ấy. Khi Soddy cuối cùng cũng bị điều này thuyết phục và thốt lên: “Rutherford, các nguyên tố đã biến đổi!”, Rutherford đã nổi đóa.

“Lạy thánh Micheal, Soddy, làm ơn đừng dùng cái từ đó. Người ta sẽ coi chúng ta là bọn giả kim rồi bêu đầu mất!”

Mẫu radon nhanh chóng “đỡ đầu” cho nhiều phát kiến khoa học còn gây sửng sốt hơn nữa. Rutherford tùy hứng đặt tên cho hạt nhỏ bay ra từ các nguyên tử phóng xạ là hạt alpha. (Ông cũng phát hiện ra hạt beta.) Dựa trên sự khác biệt về khối lượng của các nguyên tố trong quá trình phân rã, Rutherford ngờ rằng hạt alpha thực chất là các nguyên tử heli vỡ ra (giống như bong bóng thoát khỏi chất lỏng đang sôi). Nếu quả vậy thì các nguyên tố có thể di chuyển xa hơn trên bảng tuần hoàn. Nếu urani phát ra heli, các nguyên tố “nhảy cóc” từ đầu này sang đầu kia bảng tuần hoàn giống như một bước đi may rủi trong trò chơi Snakes & Ladders (Rắn và thang) vậy.

Để kiểm tra ý tưởng này, Rutherford đã nhờ thợ thổi thủy tinh của khoa vật lý thổi hai bóng thủy tinh. Bóng đầu tiên có thành mỏng và ông bơm radon vào đó. Bóng thứ hai dày hơn và lớn hơn, bao quanh bóng đầu tiên. Các hạt alpha có đủ năng lượng để xuyên qua lớp thủy tinh đầu tiên nhưng không thể xuyên qua lớp thứ hai, nên chúng mắc kẹt trong khoang chân không giữa hai bóng. Sau vài ngày, thí nghiệm này dường như không mang lại kết quả vì các hạt alpha bị bẫy không có màu và dường như không gây ra bất cứ điều gì. Nhưng rồi Rutherford cho một dòng điện chạy qua khoảng trống giữa hai bóng. Nếu từng du lịch đến Tokyo hoặc New York, bạn hẳn biết chuyện gì đã xảy ra. Giống như mọi khí trơ, heli phát sáng khi bị kích thích bởi điện; các hạt bí ẩn của Rutherford cũng phát ra ánh sáng xanh lá và vàng đặc trưng của heli khi dòng điện chạy qua. Bằng ánh sáng “neon” sơ khai đó, Rutherford đã chứng minh được rằng hạt alpha bắt nguồn từ nguyên tử heli. Đây là một ví dụ hoàn hảo về sự tao nhã của ông, và cũng là niềm tin của ông vào sự ly kỳ trong khoa học.

Với vẻ tinh tế thiên bẩm, Rutherford đã công bố sự liên quan giữa hạt alpha và heli trong bài phát biểu nhận giải Nobel năm 1908. (Ngoài việc tự mình giành giải, Rutherford đã hướng dẫn cho 11 chủ nhân tương lai của giải Nobel; người cuối cùng nhận giải vào năm 1978, khi Rutherford đã qua đời hơn bốn thập kỷ. Điều này khiến ông trở thành người truyền thụ ấn tượng nhất kể từ thời Thành Cát Tư Hãn với hàng trăm đứa con bảy thế kỷ trước đó.) Phát hiện của Rutherford khiến khán giả tham dự lễ trao giải Nobel năm đó say mê. Tuy nhiên, có vẻ nhiều người dự khán ở Stockholm không biết ứng dụng tức thời và thực tế nhất ở công trình về heli của Rutherford. Nhưng vốn là một nhà thực nghiệm lỗi lạc, Rutherford biết rằng nghiên cứu thực sự tuyệt vời không những hỗ trợ hay bác bỏ một lý thuyết nhất định, mà còn là tiền đề cho nhiều thí nghiệm khác. Cụ thể, thí nghiệm về hạt alpha và heli giúp ông đào xới nỗi đau lâu đời của thần học và khoa học: tranh luận về tuổi thật của Trái Đất.

Dự đoán tạm coi là có cơ sở đầu tiên cho tuổi Trái Đất được đưa ra năm 1650, khi tổng giám mục người Ireland James Ussher sử dụng các “dữ liệu” như danh sách dòng dõi trong Kinh thánh (“... Serug sống 30 năm và sinh ra Nahor… Nahor sống 29 năm và sinh ra Terah,”...) để tính toán rằng Chúa đã tạo ra Trái Đất vào ngày 23 tháng 10 năm 4004 TCN. Ussher đã làm tốt nhất có thể với các “bằng chứng” ông có, nhưng chỉ vài thập kỷ sau, hầu hết lĩnh vực khoa học đã chứng minh con số mà ông đưa ra nhỏ đến nực cười. Các nhà vật lý còn xác định con số “chính xác” bằng cách sử dụng các phương trình nhiệt động lực học. Giống như cà phê nóng nguội dần trong tủ đông, các nhà vật lý biết rằng Trái Đất liên tục mất nhiệt vào không gian lạnh lẽo. Bằng cách đo tốc độ mất nhiệt và ngoại suy ngược lại thời điểm mọi tảng đá trên Trái Đất đều nóng chảy, họ có thể ước tính thời điểm Trái Đất hình thành. Nhà khoa học hàng đầu của thế kỷ 19 là William Thomson (Huân tước Kelvin) đã dành hàng thập kỷ cho vấn đề này. Và vào cuối thế kỷ 19, ông đã tuyên bố rằng Trái Đất được sinh ra từ 20 triệu năm trước.

Đó là một chiến thắng về suy luận của con người, và... cũng không đúng hơn dự đoán của Ussher là bao. Đến năm 1900, Rutherford và nhiều người khác nhận ra rằng dẫu cho vật lý có vượt xa các ngành khoa học khác bao nhiêu về uy tín và sự quyến rũ (bản thân Rutherford rất thích nói: “ Chỉ có vật lý mới là khoa học, tất cả những thứ khác chỉ như sưu tầm tem mà thôi” – ông đã phải nuốt lại những lời này khi nhận giải Nobel Hóa học sau đó), thì trong trường hợp này, vật lý cũng vẫn chưa đủ. Charles Darwin đã có lập luận thuyết phục rằng con người không thể tiến hóa từ vi khuẩn vô tri chỉ trong 20 triệu năm; và những người ủng hộ nhà địa chất Scotland James Hutton lập luận rằng không có ngọn núi hay hẻm núi nào hình thành được trong một khoảng thời gian ngắn như vậy. Nhưng không ai bác bỏ được những tính toán to lớn của William Thomson cho đến khi Rutherford bắt đầu thăm dò những tảng đá chứa urani để tìm bong bóng khí heli.

Bên trong một số loại đá nhất định, nguyên tử urani (nguyên tố thứ 92) phát ra hạt alpha (có hai proton) và biến đổi thành thori (nguyên tố thứ 90). Thori lại phát ra một hạt alpha khác để sinh ra radi. Quá trình cứ thế tiếp diễn: radi sinh ra radon, radon sinh ra poloni và poloni sinh ra chì bền. Đây là một chuỗi phân rã nổi tiếng mà ai cũng đã biết. Và trong một phút lóe sáng như Glaser, Rutherford còn nhận ra những hạt alpha thoát ra tạo thành những bong bóng heli nhỏ bên trong đá. Điều cốt lõi là heli không bao giờ phản ứng với các nguyên tố khác. Vì vậy, đáng lẽ heli không xuất hiện trong đá giống như cacbon dioxit trong đá vôi. Nguồn heli ở trong đá đều là sản phẩm của phân rã phóng xạ. Càng nhiều heli thì tảng đá càng “già”, ít heli thì vẫn “non” lắm.

Rutherford đã nghĩ về quá trình này được vài năm tính đến năm 1904, khi ông 33 tuổi và William Thomson đã 80. Bất chấp tất cả những gì ông từng đóng góp cho khoa học, tâm trí của Thomson không còn tinh tường nữa. Đã qua rồi cái thời mà ông có thể đưa ra những lý thuyết mới thú vị (giống như lý thuyết mà mọi nguyên tố trên bảng tuần hoàn – ở cấp độ sâu nhất dều là những “nút thắt ether khác nhau”. Quan trọng nhất là Thomson từ chối dung nạp lĩnh vực phóng xạ đáng lo ngại (thậm chí đáng sợ) vào thế giới quan của mình. (Đó là lý do tại sao Marie Curie từng kéo ông vào xó để ông thấy tận mắt “nguyên tố phát sáng trong bóng tối” của bà.) Ngược lại, Rutherford nhận ra rằng phóng xạ trong vỏ Trái Đất có thể sinh ra nhiệt dư, đập tan lý thuyết của Thomson về sự mất nhiệt đơn thuần vào không gian.

Cực kỳ phấn khích và muốn giới thiệu ý tưởng mới của mình, Rutherford đã tổ chức một buổi thuyết trình ở Cambridge. Nhưng dù có gân đến mấy thì Thomson vẫn có ảnh hưởng rất lớn trong khoa học, và bác bỏ tính toán tự hào nhất của ông có thể hủy hoại sự nghiệp của chính Rutherford. Rutherford mở đầu rất thận trọng; thật may là ngay sau khi ông bắt đầu, Huân tước Kelvin ngồi ở hàng ghế đầu lại ngủ gật. Rutherford chớp thời cơ đi nhanh đến kết luận, nhưng đúng lúc ông chuẩn bị bác bỏ nghiên cứu của Thomson thì nhà khoa học già lại tỉnh như chim sáo.

Trong cảnh tiến thoái lưỡng nan, Rutherford chợt nhớ đến một câu vô thưởng vô phạt đã đọc được trong nghiên cứu của Thomson. Với ngôn ngữ khoa học điển hình, câu đó nói rằng các tính toán của Thomson về tuổi Trái Đất là chính xác trừ khi có người phát hiện thêm các nguồn nhiệt bên trong Trái Đất. Rutherford đã đề cập vấn đề này, chỉ ra rằng phóng xạ có thể là nguồn nhiệt tiềm ẩn đó. Bằng tài ứng biến bậc thầy, ông bỏ thêm một câu rằng Huân tước Kelvin đã dự đoán về việc phát hiện ra phóng xạ từ hàng chục năm trước. Thiên tài! Nhà khoa học già liếc nhìn xung quanh với vẻ rạng rỡ. Ông thừa biết Rutherford đang bố láo, nhưng không hề có ý định phủ định lời khen.

Rutherford kiên nhẫn chờ cho đến khi Thomson qua đời (năm 1907) rồi mới chứng minh mối liên hệ heli-urani. Lúc này, không còn chính trị trong khoa học cản bước – kỳ thực, ông cũng được phong tước. (Và sau này, ông cũng đã trở thành quý tộc trên bảng tuần hoàn với nguyên tố thứ 104: rutherfordi). Huân tước Rutherford đã rửa giải khí heli từ các bong bóng siêu nhỏ trong một số tảng đá nguyên thủy chứa urani và xác định rằng Trái Đất ít nhất cũng 500 triệu năm tuổi (gấp 25 lần dự đoán của Thomson), cũng là tính toàn đầu tiên chính xác trong phạm vi 10 lần so với thực tế. Trong vài năm, các nhà địa chất học giàu kinh nghiệm về đá đã tiếp bước Rutherford và xác định rằng lượng heli sinh ra từ đá cho thấy Trái Đất ít nhất cũng hai tỷ năm tuổi. Con số này vẫn chưa tới 50% tuổi thật; nhưng nhờ những bong bóng heli tí xíu bên trong đá, cuối cùng con người cũng đã hiểu đúng về tuổi đời đáng kinh ngạc của vũ trụ.

Sau thời Rutherford, việc tìm kiếm các bong bóng nguyên tố nhỏ trong đá đã trở thành bước khảo sát địa chất chuẩn mực. Một cách tiếp cận đặc biệt hiệu quả là sử dụng zircon – một khoáng chất chứa ziriconi, nỗi đau của các tiệm cầm đồ và là hàng nhái trang sức.

Vì tính chất của hóa học của ziriconi (nằm ngay dưới titan trên bảng tuần hoàn), zircon rất cứng và được sử dụng để chế tạo kim cương giả rất hiệu quả. Không giống các loại đá mềm như đá vôi, zircon thường tồn tại trong những tảng đá dưới dạng hạt vừng trong những tảng đá lớn từ thuở sơ khai của Trái Đất. Do tính chất hóa học độc đáo, khi các tinh thể zircon hình thành, chúng hút sạch urani tản mác và bọc nó vào các bong bóng ngay bên trong mình. Zircon cũng không ưa chì và “xua đuổi” nó (trái ngược với thiên thạch). Tuy nhiên điều này không được lâu vì urani lại phân rã thành chì, và lần này thì zircon gặp khó khăn trong việc xua đuổi chì. Do đó, chì tồn tại trong khoáng vật zircon sợ-chì hiện nay đều sinh ra từ urani. Câu chuyện giờ đã trở nên quen thuộc: sau khi đo tỷ lệ chì và urani trong khoáng vật zircon, ta sẽ tính được “năm số 0”. Bất cứ khi nào bạn nghe thấy giới khoa học công bố một kỷ lục về “tảng đá lâu đời nhất thế giới” – có thể ở Úc hay Greenland (nơi có zircon “trường tồn” nhất) – thì chắc chắn họ đã dùng bong bóng zircon-urani để xác định tuổi.

Các lĩnh vực khác cũng áp dụng mô hình bong bóng. Glaser bắt đầu thử nghiệm buồng bong bóng vào những năm 1950; và cũng khoảng thời gian đó, các nhà vật lý lý thuyết như John Archibald Wheeler bắt đầu nói về vũ trụ dạng bọt ở cấp độ cơ bản. Ở quy mô nhỏ hơn nguyên tử hàng tỷ tỷ lần ấy, Wheeler mơ rằng “không thời gian êm ả trong vắt của các thế giới nguyên tử và hạt biến mất… Sẽ không có trái và phải, trước và sau theo đúng nghĩa đen. Những quan niệm thông thường về chiều dài sẽ biến mất. Những quan niệm thông thường về thời gian sẽ “bốc hơi”. Tôi không thể nghĩ ra cái tên nào phù hợp hơn là ‘bọt lượng tử’ cho trạng thái này”. Một số nhà vũ trụ học ngày nay tính toán rằng toàn bộ vũ trụ của chúng ta sinh ra khi một bong bóng siêu nhỏ trượt khỏi bọt đó và bắt đầu giãn nở với tốc độ rất, rất lớn. Đó là một lý thuyết đẹp và giải thích được rất nhiều điều – ngoại trừ lý do để khả năng này tồn tại.

Trớ trêu thay, bọt lượng tử của Wheeler lại có nguồn gốc tri thức từ Huân tước Kelvin, một trong những nhà vật lý cổ điển vĩ đại nhất. Huân tước Kelvin không phát minh ra ngành “bọt học”, mà là một người Bỉ mù: Joseph Plateau (“Plateau” nghĩa là “phẳng lặng”, khá phù hợp với độ ảnh hưởng không đáng kể trong nghiên cứu của ông). Nhưng Huân tước Kelvin đã phổ biến ngành này khi nói những điều như ông “có thể dành cả đời để nghiên cứu một bong bóng xà phòng”. Điều này không thành thật cho lắm, vì theo sổ ghi chép phòng thí nghiệm thì ngài Huân tước đã phác thảo nghiên cứu về bong bóng trong một buổi sáng nằm chổng kềnh trên giường, và đó cũng chỉ là một đoạn phác thảo ngắn. Tuy nhiên, vẫn có những câu chuyện thú vị về ông già râu bạc thời Victoria này lội qua lội lại bể chứa dung dịch glycerin và một chiếc giường lò xo để tạo ra một đám bong bóng lồng chặt vào nhau. Đám “bong bóng vuông” này gợi nhớ đến cậu bé Rerun trong truyện biếm họa Peanuts , bởi chiếc giường mini có năm lò xo con hình hộp chữ nhật.

Thêm vào đó, công trình của Huân tước Kelvin đã mang đến động lực và cảm hứng cho khoa học thực sự sau này. Nhà sinh vật học D’Arcy Wentworth Thompson đã áp dụng các định lý của ngài Huân tước về sự hình thành bong bóng để nghiên cứu sự phát triển tế bào trong cuốn sách năm 1917 là On Growth and Form (tạm dịch: Tăng trưởng và thành hình) – cuốn sách từng được coi là “tác phẩm hay nhất trong mọi biên niên sử khoa học bằng tiếng Anh”. Lĩnh vực sinh học tế bào hiện đại bắt đầu từ đây. Hơn nữa, các nghiên cứu sinh hóa gần đây hé lộ rằng bong bóng cũng chính là yếu tố hiệu quả của sự sống. Các phân tử hữu cơ phức tạp đầu tiên có thể không hình thành từ đại dương như thường nghĩ, mà ở trong các bong bóng nước bị kẹt trong dải băng kiểu vùng cực. Nước khá nặng và khi đóng băng, nó nén các “tạp chất” hòa tan (như phân tử hữu cơ) lại với nhau trong bong bóng. Nồng độ và áp suất trong bong bóng có thể đủ mạnh để hợp nhất các phân tử đó thành các phân tử có khả năng tự sao chép. Vì thấy hay ho, thiên nhiên đã sao chép mô hình bong bóng này kể từ đó. Dù phân tử hữu cơ đầu tiên có nguồn gốc thế nào (trong băng hay đại dương), các tế bào thô đầu tiên chắc chắn có dạng bong bóng bao lấy protein, ARN hay ADN để bảo vệ chúng khỏi bị cuốn trôi hoặc xói mòn. Ngay cả ngày nay, bốn tỷ năm sau, các tế bào vẫn có dạng bong bóng căn bản.

Các nghiên cứu của Huân tước Kelvin cũng truyền cảm hứng cho khoa học quân sự. Trong Thế Chiến I, Nam tước Rayleigh đệ tam John William Strutt đảm nhiệm việc giải quyết vấn đề thời chiến cấp bách rằng tại sao chân vịt tàu ngầm rất dễ hỏng, ngay cả khi phần còn lại của thân tàu vẫn nguyên vẹn. Thì ra các bong bóng do chân vịt đang quay tạo ra lại quay về tấn công và làm mòn cánh khuấy kim loại, giống như cách đường làm hỏng men răng vậy. Khoa học tàu ngầm cũng mở đường cho một bước đột phá khác trong nghiên cứu bong bóng – dù bấy giờ phát hiện này không có gì hứa hẹn, thậm chí đầy nghi hoặc. Nhờ những ký ức về tàu ngầm U-boat của Đức, việc nghiên cứu sonar (sóng âm truyền trong nước) đã trở thành xu hướng trong những năm 1930, cũng như phóng xạ trước đó. Ít nhất hai nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng: nếu rung chuyển một bể chứa bằng sóng âm có cường độ tương đương âm thanh sinh ra từ động cơ phản lực, các bong bóng xuất hiện đôi khi sẽ nổ và tạo ra một tia sáng nhấp nháy màu thiên thanh hoặc xanh lục. (Giống như bạn nhai kẹo bạc hà Life Savers trong tủ quần áo tối vậy.) Vì các nhà khoa học quan tâm đến việc làm nổ tung tàu ngầm hơn nên cái được gọi là phát quang do âm chỉ được coi như một trò ảo thuật khoa học trong suốt 50 năm sau, được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.

Mọi chuyện có thể vẫn như thế nếu Seth Putterman không bị một đồng nghiệp chế giễu vào giữa những năm 1980. Putterman nghiên cứu lĩnh vực động lực học chất lưu khó nhằn tại Đại học California ở Los Angeles. Ở khía cạnh nào đó, các nhà khoa học biết về những thiên hà xa xôi còn nhiều hơn là về dòng nước xộc qua ống cống. Người đồng nghiệp chế giễu rằng loại như Putterman không tài nào giải thích được cách sóng âm chuyển bong bóng thành ánh sáng. Putterman cho rằng điều này chỉ là truyền thuyết. Nhưng sau khi tìm kiếm các nghiên cứu ít ỏi về phát quang do âm, ông đã bỏ dở các nghiên cứu đang làm để tập trung toàn lực vào bong bóng nhấp nháy.*

Trong các thí nghiệm thô sơ đầu tiên, Putterman đã đặt một cốc nước giữa hai cái loa, cho âm thanh phát ra ở dải tần của còi huấn luyện chó. Một dây may so đun sôi nước trong cốc để tạo ra bong bóng, sau đó sóng âm giam chúng trong làn nước. Tới đoạn này mới hay. Sóng âm biến thiên giữa các hõm phẳng cường độ thấp và các đỉnh cường độ cao. Các bong bóng nhỏ trong nước phình lên hàng ngàn lần khi bị giảm áp, như những quả bóng bay lấp đầy các căn phòng. Khi sóng âm đạt cực tiểu, mặt sóng cao áp xông lên ép thể tích bong bóng xuống nửa triệu lần, với lực lớn hơn lực hấp dẫn hàng trăm tỷ lần. Không có gì đáng ngạc nhiên khi quá trình nén tương đương với sự co sụp trước khi xảy ra vụ nổ siêu tân tinh này cũng phát ra ánh sáng. Đáng kinh ngạc nhất là dù bị nén tới “điểm kỳ dị” – thuật ngữ thường chỉ dùng trong nghiên cứu lỗ đen – bong bóng vẫn còn nguyên vẹn. Sau khi không còn sức ép nữa, bong bóng lại phình ra mà không nổ, như “chưa hề có cuộc chia ly” rồi lại bị nén và nhấp nháy: quá trình này lặp lại hàng ngàn lần mỗi giây.

Putterman mau chóng mua các thiết bị tinh vi hơn thiết kế thô sơ ban đầu và vô tình “đụng độ” với bảng tuần hoàn. Nhằm xác định chính xác điều đã khiến bong bóng phát sáng, ông bắt đầu thử các loại khí khác nhau. Ông phát hiện ra dù bong bóng không khí tạo ra ánh sáng màu thiên thanh và xanh lục, nhưng bong bóng nitơ hoặc oxy nguyên chất (tổng cộng chiếm tới 99% không khí) lại không phát quang dù ông đã thử đủ loại âm lượng và tần số khác nhau. Bối rối, Putterman bắt đầu bơm các khí có trong không khí vào bong bóng cho đến khi tìm thấy “nguồn sáng”: agon.

Điều đó thật kỳ lạ vì agon là khí trơ. Hơn nữa, các khí mà Putterman (và một nhóm nhà bong bóng học đang nghiên cứu) thử nghiệm thành công đều là những “người anh em” của agon có nguyên tử khối lớn hơn: krypton, và đặc biệt là xenon. Trên thực tế, khi rung bằng sonar, xenon và krypton thậm chí còn phát quang mạnh hơn cả agon, tạo nên các “ngôi sao trong bình kín” ở khoảng 19.400°C – nóng hơn bề mặt Mặt Trời rất nhiều. Một lần nữa, điều này thật khó hiểu. Xenon và krypton thường được sử dụng trong công nghiệp để dập tắt đám cháy hay các phản ứng mất kiểm soát, và không có lý do gì để nghĩ rằng những khí trơ về mặt hóa học như chúng lại có thể tạo ra ánh sáng mạnh đến vậy.

Trừ phi tính trơ của chúng ẩn giấu đặc tính. Bên trong bong bóng, oxy, cacbon dioxit và các loại khí khác của khí quyển có thể sử dụng năng lượng từ sonar để phân chia hoặc phản ứng với nhau. Về khía cạnh phát quang do âm, năng lượng đó là lãng phí. Tuy vậy, một số nhà khoa học cho rằng khí trơ ở áp suất cao không còn cách nào khác ngoài hấp thụ năng lượng sonar. Và do không có cách nào để phát xạ năng lượng, bong bóng xenon (hoặc krypton) co lại và chỉ có thể tập trung năng lượng tại lõi. Nếu đúng như vậy thì tính trơ của các khí trơ là mấu chốt cho phát quang do âm. Dù lý do là gì đi nữa, sự liên quan với phát quang do âm sẽ định nghĩa lại khái niệm “khí trơ”.

Thật không may, do bị cám dỗ bởi việc khai thác năng lượng cao đó, một số nhà khoa học (gồm cả Putterman) đã liên kết ngành khoa học bong bóng mong manh với lò phản ứng hợp hạch để bàn, anh em của phản ứng hợp hạch lạnh – trường hợp khoa học ảo tưởng lừng danh. (Đây không phải phản ứng hợp hạch lạnh vì nó xảy ra ở nhiệt độ cao.) Mối liên kết mơ hồ giữa bong bóng và phản ứng hợp hạch đã có từ lâu. Một phần là do nhà khoa học Liên Xô Boris Deryagin nghiên cứu tính bền của bọt có niềm tin mạnh mẽ vào phản ứng hợp hạch lạnh. (Trong một thí nghiệm không tưởng và ngược hoàn toàn với kiểu thí nghiệm của Rutherford, Deryagin từng được cho là đã cố gắng tạo ra phản ứng hợp hạch lạnh bằng cách bắn đạn AK vào nước.)

Mối liên hệ đáng ngờ giữa phát quang do âm và hợp hạch bong bóng (sonofusion) đã được nêu rõ vào năm 2002 khi tạp chí Science đăng một bài báo gây tranh cãi về năng lượng hạt nhân dựa trên phát quang do âm. Điều bất thường là Science cũng cho đăng một bài xã luận thừa nhận nhiều nhà khoa học kì cựu cho rằng bài báo kia có nhiều lỗi (nếu không muốn nói là có sự giả mạo); ngay cả Putterman cũng đề nghị tạp chí từ chối bài đó. Science vẫn cho xuất bản (có lẽ là vì doanh số). Tác giả chính của bài báo sau đó đã phải giải trình trước Hạ viện Mỹ vì làm giả dữ liệu.

Rất may là ngành bong bóng học đã có một nền tảng đủ mạnh* để tồn tại qua vụ việc đáng hổ thẹn đó. Các nhà vật lý quan tâm đến năng lượng thay thế hiện nay thiết kế các chất siêu dẫn với bong bóng. Các nhà bệnh học mô tả AIDS là loại virus “bọt xốp” vì tế bào nhiễm bệnh phình ra rồi vỡ tan. Giới côn trùng học biết các loài côn trùng dùng bong bóng nhằm trữ không khí để thở dưới nước, và những nhà nghiên cứu về chim biết rằng ánh kim ở bộ lông chim công là do các bong bóng nhỏ trong lông. Quan trọng nhất, vào năm 2008, sinh viên Đại học bang Appalachian đã xác định được lý do khiến Coca không đường sủi bọt khi thả Mentos vào. Chính là các bong bóng. Bề mặt sần sùi của kẹo Mentos hoạt động như một lưới tóm các bong bóng nhỏ hòa tan. Các bong bóng này kết nối với nhau để tạo thành bong bóng lớn. Cuối cùng, một số bong bóng khổng lồ vỡ ra, phóng thẳng lên trên, xuyên qua cổ chai và phun cao tới tận 6 m. Phát hiện này chắc chắn là khoảnh khắc tuyệt vời nhất trong khoa học bong bóng kể từ lúc Donald Glaser nhìn chằm chằm vào cốc bia hơn 50 năm trước và mơ ước về ngày vật lý hạt lật đổ bảng tuần hoàn.