Người chống lại những tín điều khoa học

Giải Nobel Hoá học 2011 dành cho Daniel Sechtman, 70 tuổi, giáo sư  tại Viện công nghệ Israel (Technion) có ý nghĩa đặc biệt. Như công bố của Viện Hoàng gia Thuỵ Điển, việc phát hiện ra quasicrystal của ông không những “làm thay đổi về cơ bản nhận thức của các nhà hoá học về chất rắn”, buộc sách giáo khoa phải sửa lại mà đằng sau nó còn là “cuộc đấu tranh kiên cường chống lại nền khoa học chính thống” của một nhà khoa học có dũng khí.

Shechtman đã có những ngày tháng khó khăn khi bị "cả thế giới" chống lại.

Một buổi sáng ngày 8/4/1982, ông Daniel Shechtman - nhà hoá học Israel đang làm việc tại Phòng Tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ tại Washington - làm lạnh nhanh hợp kim nhôm và mangan và đưa lên “soi” trên kính hiển vi điện tử. Hình ảnh hiện lên làm ông sửng sốt. Nó không giống những tấm ảnh tinh thể thông thường.

Xưa nay, người ta cho rằng (và thực tế luôn luôn đúng, thậm chí điều này đã trở thành tín điều viết trong sách giáo khoa) các nguyên tử được sắp xếp bên trong tinh thể như một “hoa văn” đối xứng và cứ thế lặp đi lặp lại một cách tuần hoàn. Đối với các nhà khoa học, sự lặp lại đó là cần thiết, vì chính đó là sự tồn tại của các tinh thể.

Vậy mà hình ảnh của Shechtman chụp được lại chỉ ra rằng những nguyên tử trong tinh thể của ông lại xếp thành các hoa văn không hề lặp lại. Ông làm đi làm lại đều thấy kết quả như vậy.

“Mình không thể lầm lẫn” – ông tự nhủ dù phát hiện của ông mâu thuẫn với các lý thuyết đương thời. Nói với đồng nghiệp thì họ chỉ cười cợt, chế giễu. Người ta bảo ông dở hơi, lại “ngoan cố”, khư khư không chịu “thành khẩn nhận sai lầm”. Các đồng nghiệp rất bực, cho là ông bướng bỉnh, làm xấu mặt cho nhóm nên chủ nhiệm đề tài đã lịch sự mời ông lên, tặng ông quyển sách phổ biến, sơ đẳng về tinh thể học “chắc nó rất có ích với anh” và đề nghị ông ra khỏi nhóm, “đi chỗ khác chơi”. Cảm giác của ông? Shechtman nói “Lúc ấy, tôi cảm thấy như một tín đồ Thiên chúa giáo bị rút phép thông công”.

Bị ghẻ lạnh, Shechtman trở về nước. Ông dành 2 năm ròng rã để nghiền ngẫm những điều mình thấy, tự mình phản biện và trả lời đến khi cảm thấy không còn “lăn tăn” gì nữa, ông mới viết một bài báo thật cô đọng và súc tích gửi đăng trên Tạp chí Physical Review Letters với khái niệm mới đưa ra là “quasicrystal”.

Lúc đầu, người ta từ chối nhưng sau cũng in cho ông dù chính người biên tập vẫn còn nghi ngờ. Quả nhiên, giới khoa học om sòm. Đại đa số phản hồi đều tỏ ra hoài nghi và chỉ trích. “Cay” nhất là lời nhận xét của nhà hoá học quyền uy nhất nước Mỹ hồi đó là Linus Pauling, người đoạt hai giải Nobel, một về Hoá học và một về Hoà bình, được các đồng nghiệp tôn vinh là “Einstein trong Hoá học” hoặc “người khổng lồ trong khoa học” (colossus jn science). Vị trưởng lão của ngành Hoá học đứng trên diễn đàn, lớn tiếng tại Hội nghị: “Danny Shechtman nói ra những điều ngông cuồng. Không hề có cái gọi là ‘quasicrystal’(giả tinh thể)” rồi mỉa mai “mà chỉ có quasi-scientist (giả khoa học) mà thôi”.

Trước câu nói đầy xúc phạm và dường như phát động một cuộc “thập tự chinh” chống lại mình, Shechtman không nao núng. Ông tự nhủ một cách tự tin: “Ông ấy tuy là một nhà khoa học vĩ đại thật, nhưng lần này, ông ấy đã lầm”.

Quasicrystal là gì?

Hình ảnh quasicrystal trên kính hiển vi.

Thuật ngữ “quasicrystal” dường như được nhà vật lý Mỹ, giáo sư ĐH Princeton là Paul J. Steinhardt, trước Chechtman, đã dùng khi bằng tính toán đơn thuần, đã xây dựng lý thuyết về nó. Lúc đọc bài báo của Shechtman, ông này kể lại, mình “đã nhảy lên vì sung sướng”.

Đa số các tinh thể gồm các nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) săp xếp có trật tự lặp lại trong không gian ba chiều dưới dạng những hoa văn đẹp. Tuỳ thuộc vào thành phần hoá học chúng  có  tính đối xứng khác nhau. Ví dụ các nguyên tử sắp xếp đỉnh của khối lập phương, có đối xứng bậc bốn, trên đỉnh của khối tam giác đều có đối xứng bậc ba. Nhưng quasicrystal “ứng xử” khác các tinh thể khác. Chúng là các hoa văn có trật tự, bao gồm các hình ngũ giác, và hoa văn ấy không bao giờ lặp lại một cách chính xác. Quay nó xung quanh một trục thì hết một vòng, năm lần quay (mỗi lần quay 360:5 = 72 độ) lại thấy một hoa văn y như thế, nói cách khác, trùng với chính nó. Người ta bảo quasicrystal có đối xứng bậc năm.

Nhà khoa học Do Thái này không nhụt chí, bất chấp sự phê phán, cho rằng ông muốn tạo scandal để nổi tiếng. Thấy một người thông minh như Shechtman lại kiên trì ý kiến của mình đến thế, một số nhà khoa học khác lưu tâm xem xét lại quan niệm của ông, lặp lại các thí nghiệm trên những chất tương tự. Rồi sau đó, nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới báo cáo rằng chính họ cũng quan sát thấy những tinh thể có cấu tạo như của ông.

Những vật liệu quasicrystal tổng hợp không bền về mặt nhiệt động học, khi đốt nóng, chúng trở lại thành tinh thể bình thường. Song vào năm 1987, bạn bè của Shechtman ở Pháp và Nhật đã thành công trong việc “nuôi” được các tinh thể đủ lớn, có thể dùng tia X để kiểm tra những gì ông đã phát hiện trên kính hiển vi điện tử. Tiếp đó, người ta tổng hợp được rất nhiều các quasicrystal khác nữa, không giới hạn ở đối xứng bậc năm như Shechtman, mà phức tạp hơn nhiều với bậc tám, bậc mười, bậc hai mươi.  Lúc này thư, điện tới tấp gửi đến: "Chúng tôi công nhận những phát hiện của ông và hiểu những điều ông nói”.

Dần dần cuộc đấu tranh kiên trì của ông cộng với những dẫn chứng ngày càng phong phú đã buộc các nhà khoa học khác phải thay đổi tận gốc rễ quan niệm của họ về bản chất của vật chất (nhiều người tỏ ý khâm phục khám phá của ông, nên thay vì chữ “quasicrystal”, họ dùng thuật ngữ “shechtmanite” để chỉ những loại chất có cấu tạo “tựa tinh thể”).  Chẳng những thế, năm 2009 dưới lòng một con sông ở Nga, người ta còn phát hiện ra cả khoáng vật quasicrystal, chứng tỏ dạng tinh thể này còn có trong Thiên nhiên..

Việc phát hiện ra những tinh thể không tuần hoàn (aperiodic) đã mang đến một sự thay đổi cơ bản trong ngành Tinh thể học. Năm 1991, Liên đoàn Tinh thể học quốc tế đã phải định nghĩa lại đưa vào khái niệm tinh thể tuần hoàn và tinh thể không tuần hoàn.

 Vật liệu quasicrystal nói chung rất cứng, dẫn điện và nhiệt kém và không dính. Bởi vậy nó sẽ dần trở thành một vật liệu quý trong kỹ thuật. Trước mắt, nó được dùng trong sản xuất đèn LED (diot phát sáng), lưỡi dao bào, dao giải phẫu mắt , động cơ diesel, dụng cụ nhà bếp không dính, vật liệu cách điện… Người ta đang nghiên cứu áp dụng quasicrystal để làm tăng độ bền cơ của các vật liệu chế tạo và được coi là cơ sở của một ngành hoàn toàn mới là khoa học kết cấu (Structural science).

Dưới lý thuyết về các quasicrystal người ta đã chế tạo được những hợp kim có các tính cơ học vượt trội so với kim loại. Ví dụ điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Sự vắng mặt tính tuần hoàn làm tăng độ bền của vật liệu. Tính chất này đã được dùng để chế tạo ra những hợp kim vừa nhẹ, vừa bền cho máy bay và tàu vũ trụ.

Viên Hàn lâm Thuỵ Điển dự đoán, tính chất truyền nhiệt tồi của quasicrystalkhieesn chùng trở thành vật liệu nhiệt điện hữu dụng, chuyển nhiệt thành điện”.

 Và gần ba thập kỷ (chính xác là 29 năm) trôi qua, mãi đến Thứ tư tuần qua, một nỗi “oan khiên” đã được giải một cách thuyết phục nhất, hùng hồn nhất: giải thưởng uy tín hàng đầu của nền khoa học thế giới được trao tặng cho “điều không thể” - như người ta đánh giá lúc đó - mà tác giả là Shechtman.

Bài học rút ra là gì?

Giải Nobel Hóa học dành cho Shechtman như là sự công nhận đối với những cống hiến của ông.

Tính nết có vẻ trái ngược với khuôn mặt góc cạnh, ông già Shechtman đã bước vào tuổi 70 nhưng vẫn là người hay e thẹn. Ông nhỏ nhẹ kể lại với các phóng viên: ông chẳng chút nghi ngờ nào về điều mình tìm ra và tự coi mình là người đứng ở hàng cuối cùng trong số những nhà khoa học dám thách thức các tín điều đã được công nhận hàng trăm năm.

Shechtman hiện là giáo sư tại Viện Công nghệ Israel (Technion) ở Haifa và nhà khoa học thứ 10 của nước Israel với 7,8 triệu dân được giải Nobel. Ngày công bố giải, ông nhận được lời chúc mừng của Tổng thống Shimon Peres, cũng là một Nobel gia, giải Hoà bình và cảm ơn “ông đã tăng cho Tổ quốc một tặng phẩm diệu kỳ”. Còn Thủ tướng Netanyahu thì nói: “Hôm nay, mọi công dân Israel đều cảm thấy hạnh phúc, mọi người Do Thái trên thế giới đêu tự hào”.Việc Shechtman được giải Nobel cũng là giới khoa học rất hồ hởi. Petr Lu, giáo sư Trương ĐH Harvard xúc động: “Tin Shechtman được giải Nobel làm tim tôi như muốn vỡ ra. Phát minh này là một tượng đài phi thường. Ông thật là một “nicest guy”(chàng trai dễ thương nhất)”.

Staffan Normark, thư ký thường trực Viện Hoàng gia Thuỵ Điển gọi phát minh của Shechtman thuộc loại “một ngày làm nên lịch sử”. Nancy B. Jackson, Chủ tịch Hội Hoá học Mỹ, gọi phát hiện đột phá của Schechtman là “một trong những phát kiến chống lại các định luật”. Ông tin rằng trước Shechtman không ít người đã từng thấy quasicrystal xuất hiện trước mắt mình, nhưng thiếu cái “dũng khí của Shechtman nên đã bỏ qua và cúi đầu cho rằng điều đó trái với tự nhiên”.

Tuấn Hà