TÌM HIỂU NHANH VỀ

VẬT CHẤT


Geoff Cottrell



TÌM HIỂU NHANH VỀ VẬT CHẤT
Geoff Cottrell
Oxford University Press 2019
Trần Nghiêm dịch




MỤC LỤC


1 Vật chất là gì? .................................................................................................................. 1
2 Nguyên tử ......................................................................................................................... 9
3 Các dạng vật chất ........................................................................................................ 18
4 Năng lượng, khối lượng, và ánh sáng ................................................................ 38
5 Thế giới lượng tử của nguyên tử ........................................................................ 51
6 Vật chất lượng tử ....................................................................................................... 76
7 Các hạt sơ cấp .............................................................................................................. 94
8 Các nguyên tố từ đâu mà có? .............................................................................. 113
9 Vật chất tối và năng lượng tối ............................................................................. 128
Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 139













1 Vật chất là gì?

Vật chất là chất liệu cấu tạo nên bạn và vạn vật trong thế giới xung
quanh bạn. Giá như bạn có trong tay một chiếc kính hiển vi siêu mạnh, hãy
hình dung bạn có thể soi vào bên trong cơ thể mình và nhìn thấy bạn được
làm bằng các nguyên tử. Bên trong mỗi nguyên tử là một hạt nhân bé xíu, và
quay xung quanh hạt nhân là một đám mây electron. Hạt nhân được làm bằng
proton và neutron, và khi phóng to một hạt cấu thành hạt nhân bạn sẽ thấy
bên trong nó có những hạt còn nhỏ hơn nữa – đó là các quark. Quark là những
hạt nhỏ nhất mà chúng ta từng thấy, và nằm tại giới hạn phân giải của những
chiếc kính hiển vi vật chất mạnh nhất. Trong chừng mực mà chúng ta biết,
các electron và quark không được cấu tạo bởi thứ gì nhỏ hơn nữa và vì thế
chúng được gọi là các hạt sơ cấp. Toàn bộ vật chất đều được làm bằng đúng
những hạt này.
Các nguyên tử nhỏ bé đến mức một triệu nguyên tử có thể lắp khít vào
bề rộng của một sợi tóc người. Nếu một quả táo được phóng to lên bằng kích
cỡ Trái Đất, thì các nguyên tử của nó sẽ bằng cỡ với quả táo. Đường kính của
một nguyên tử vào cỡ 10 – 10 m. (Khi các con số định lượng được cho theo số
mũ của 10, ví dụ 106 là số 1 cùng với 6 số 0 theo sau, trong trường hợp này
là 1.000.000 hay một triệu; khi các con số được biểu diễn theo lũy thừa âm
của 10, ví dụ 10– 6 là số 1 ở vị trí thứ 6 sau dấu phân cách thập phân, tức là
0,000001 hay một phần triệu.) Cơ thể bạn chứa đại khái 1029 nguyên tử; kích
cỡ chừng 2 mét xác định thang bậc con người.

Tìm hiểu nhanh về vật chất

1

Vật chất tồn tại ở những hình thức vô cùng đa dạng và phức tạp. Những
thứ quen thuộc xung quanh chúng ta – sách vở, bàn ghế, nước, con mèo – đều
có cấu trúc và thành phần tinh vi. Chúng được làm bằng vô số nguyên tử, bám
dính với nhau thành các cụm có hình dạng và kích thước đa dạng. 'Hồ dán'
kết nối các cụm nguyên tử với nhau và kết nối các electron với hạt nhân
nguyên tử là lực hút điện giữa các điện tích trái dấu. Mọi cấu trúc khác của
vật chất là do nhiều cách trong đó các hạt tương tác tạo ra các hình thức và
sắp xếp khác nhau trong không gian. Lực điện, dưới nhiều lớp vỏ khác nhau,
còn tạo ra các liên kết liên nguyên tử đa dạng giữa các nguyên tử, kết nối
chúng với nhau thành phân tử, và vì thế tạo nên cơ sở cho hóa học. Các phân
tử có thể đơn giản như nước (hai nguyên tử hydrogen và một nguyên tử
oxygen, hay H2O), hoặc chúng có thể phức tạp như hàng triệu nguyên tử
trong một đại phân tử protein trong cơ thể bạn.
Một chất là một nguyên tố nếu nó không thể chia nhỏ thành hai hoặc
nhiều chất khác bởi các quá trình vật lí hay hóa học thông dụng. Có chín mươi
hai loại nguyên tố hóa học có mặt trong thiên nhiên, và mỗi loại có những đặc
tính độc đáo của riêng nó. Vào năm 1867, chỉ có sáu mươi ba nguyên tố được
khám phá. Khi ấy người ta biết các nguyên tử khác nhau có trọng lượng
nguyên tử khác nhau từ nhẹ nhất, hydrogen, với trọng lượng nguyên tử bằng
1, lên tới nguyên tố nặng nhất lúc ấy, chì, với trọng lượng 207. (Đơn vị hóa
học cơ bản là trọng lượng của một nguyên tử hydrogen, 1,67 ´ 10 – 27 kg,
được định nghĩa là đơn vị khối lượng nguyên tử.) Vào thời ấy, các nhà hóa học
đang tìm kiếm các kiểu đặc tính của chúng nhằm có thể làm rõ một cấu trúc
sâu sắc hơn. Tính chất của các nguyên tố được biết rõ đối với nhà hóa học
Nga Dmitri Mendeleev, ông đã viết tên và tính chất của các nguyên tố lên các
tấm card rồi sắp xếp chúng theo trật tự trọng lượng nguyên tử của chúng.
Ông để ý thấy các tính chất hóa học có một khuôn mẫu: chúng lặp lại sau
những quãng đều đặn, một quy luật tuần hoàn. Mendeleev mô tả khám phá
của ông như sau: “Tôi nằm mơ thấy tất cả các nguyên tố đều sắp vào đúng
chỗ theo yêu cầu. Tỉnh dậy, tôi lập tức viết nó ra một tờ giấy, sau này chỉ hiệu

Tìm hiểu nhanh về vật chất

2

chỉnh thêm có một chỗ cần thiết thôi.” Kiểu khuôn mẫu ấy cho thấy có một
số nguyên tố còn thiếu trên bảng tuần hoàn. Ông chừa lại ô trống cho các
nguyên tố này, tự tin dự đoán các nguyên tố germanium, gallium, và
scandium; chúng được khám phá sau đó không bao lâu.
Bảng tuần hoàn hiện đại (Hình 1) được sắp xếp không phải theo trọng
lượng nguyên tử, mà theo số nguyên tử, số lượng proton trong một hạt nhân,
xếp từ 1 (hydrogen) lên tới 92 (uranium). Số nguyên tử bằng với số lượng
electron trong nguyên tử. Các nguyên tố nặng hơn uranium được điều chế
nhân tạo. Henry Moseley đã phát triển một kĩ thuật tia X để đo số lượng
proton trong hạt nhân, và nhờ có ông mà về cơ bản chúng ta có được phiên
bản hiện đại của bảng tuần hoàn. Vì số nguyên tử tăng dọc theo các hàng
ngang liên tiếp, nên hóa tính lặp lại theo một chu kì bằng hai (hydrogen và
helium), rồi hai chu kì bằng tám (lithium đến neon, sodium đến argon), và
rồi ba chu kì bằng mười tám. Bảng tuần hoàn không đơn giản chỉ là một bảng
phân loại; nó làm bộc lộ một mô hình ẩn sâu trong tự nhiên và trong cấu trúc
của các nguyên tử.


Hình 1. Bảng tuần hoàn các nguyên tố.

Tìm hiểu nhanh về vật chất

3

Bảng tuần hoàn được chi phối bởi các quy luật lượng tử. Các electron
trong nguyên tử phân tán xung quanh hạt nhân trong cái gọi là các orbital
nguyên tử, chúng tạo nên những cấu trúc giống-lớp vỏ vây xung quanh hạt
nhân. Các nguyên tử tìm cách tối thiểu hóa năng lượng của chúng, đó là cái
xảy ra khi các lớp vỏ electron của chúng được lấp đầy hoàn toàn. Ví dụ,
nguyên tử đầu tiên có lớp vỏ lấp đầy là helium (số nguyên tử 2), thứ hai là
neon (số nguyên tử 2 + 8 = 10), và thứ ba là argon (số nguyên tử 2 + 8 + 8 =
20), và vân vân. Các nguyên tử có lớp vỏ lấp đầy bền vững này là các khí hiếm
trơ về mặt hóa học, chúng nằm ở cột cuối cùng của bảng tuần hoàn.
Các nguyên tử khác nhau tựa như các chữ cái của một bảng chữ cái,
chúng kết hợp lại tạo thành các phân tử, tương tự như các từ của một ngôn
ngữ. Có bao nhiêu loại phân tử? Ngôn ngữ Anh có khoảng một phần tư triệu
từ được sử dụng hiện nay, toàn bộ được xây dựng trên bảng chữ cái hai mươi
sáu kí tự. Chữ cái a luôn luôn là a, dù nó xuất hiện trong từ 'cat' hay trong
những từ khác với những ý nghĩa hoàn toàn khác, ví dụ như 'bat'. Tương tự
như vậy, mỗi nguyên tử hydrogen trong một phân tử nước là giống hệt với
các nguyên tử hydrogen kết hợp với carbon tạo thành methane (CH4), một
phân tử có những tính chất hoàn toàn khác. Trên lí thuyết có thể tạo ra hàng
tỉ hợp chất hóa học bền bằng cách kết hợp các nguyên tố của bảng chữ cái
nguyên tử theo những cách khác nhau.

Cấp độ của vật chất
Để hoàn thiện các ý tưởng, điều quan trọng là đánh giá cho đúng phạm vi rất
rộng của các cấp độ dài của vật chất, như chỉ rõ trên Hình 2. Từ những cấu
trúc nhỏ nhất mà chúng ta tin là có thể tồn tại, cho đến cấu trúc lớn nhất (vũ
trụ khả kiến), chúng ta bao quát một phạm vi mênh mông đến sáu mươi hai
bậc độ lớn, hay 1062, về kích cỡ. Con số này đưa chúng ta đi từ thế giới lượng
tử của những thực thể nhỏ nhất, cho đến thế giới của những cấu trúc vĩ mô
nhất vốn bị thống lĩnh bởi lực hấp dẫn. Cấp độ dài con người nằm ở đáy vòng
tròn, đại khái nằm lưng chừng giữa hai cánh tay của sơ đồ. Những cấu trúc

Tìm hiểu nhanh về vật chất

4

lớn nhất bao gồm từ những vật thể kích cỡ bằng Trái Đất, cho đến các đám
và siêu đám thiên hà. Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein mô tả những
cấu trúc khổng lồ này và không gian mà chúng chiếm giữ. Ở đầu vô cùng nhỏ
của phổ kích cỡ, các định luật cơ học lượng tử mô tả vật chất. Hiện nay chưa
có lí thuyết hoàn chỉnh nào kết nối thế giới lượng tử và thế giới bị thống trị
bởi lực hấp dẫn, vì thế có nhiều lí thuyết hấp dẫn lượng tử đã được đề xuất,
chúng có thể bắt cầu nối khe trống phía trên, và chúng không được mô tả ở
đây.


Hình 2. Các cấp độ dài của vật chất (tính theo mét) sắp theo hình tròn.

Hãy lấy một thấu kính zoom tưởng tượng và, bắt đầu từ cấp con người,
phóng to dần vào những cấp nhỏ hơn. Để nhìn thấy các tế bào trong cơ thể

Tìm hiểu nhanh về vật chất

5

bạn, bạn sẽ phải tăng độ phóng đại 100.000 lần từ cấp con người. Điều này
có thể được bằng cách sử dụng các bước sóng ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên,
ánh sáng không thể phân giải những cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của nó. Các
bước sóng ánh sáng là vào khoảng 500 nano mét (một nano mét, hay nm, là
10– 9 mét, và có 20.000 bước sóng trong một centi mét), và để nhìn thấy
những thứ nhỏ hơn ta phải dùng những bước sóng ngắn hơn. Các electron
gia tốc trong kính hiển vi điện tử có bước sóng đủ nhỏ để cho phép chúng ta
nhìn thấy các cấu trúc nhỏ cỡ một nguyên tử. Khi phóng to từ tế bào đến
nguyên tử, độ phóng đại tăng lên khoảng 100.000 lần. Tiếp tục tăng độ phóng
đại thêm 100.000 lần sẽ cho chúng ta thấy cấp độ hạt nhân nguyên tử. Với độ
phóng đại toàn phần lúc này vào khoảng một nghìn tỉ lần, chúng ta đã tới cấp
độ của thế giới lượng tử, nơi bản chất sóng của vật chất khiến mọi thứ xuất
hiện rất nhòe nhoẹt. Để phóng to quá cấp độ này, và nhìn vào bên trong
proton, ta phải gia tốc các electron lên năng lượng và tốc độ cao vượt quá
99,9 phần trăm tốc độ ánh sáng và cho chúng lao vào các hạt nhân để nhìn
thấy các cấu trúc con bên trong proton, tức là các quark. (Tốc độ ánh sáng
trong chân không là c = 300.000 km/s.) Không có chiếc kính hiển vi nào đưa
chúng ta tiến xa hơn trên hành trình này nữa, và kể từ đây người ta phải dựa
vào lí thuyết. Những khoảng chia nhỏ nhất của không gian được người ta tin
là tồn tại và có ý nghĩa xét theo các định luật vật lí là các thăng giáng lượng
tử bé xíu vào cỡ 10– 35 mét. Cần một bước nhảy vọt về độ phóng đại đến 1017
lần mới nhìn thấy bất kì cấu trúc nào ở cấp độ này.
Nếu chúng ta bắt đầu trở lại với cấp con người và thu nhỏ mười triệu
lần, thì vùng nhìn bị choán đầy bởi Trái Đất. Từ đây trở đi, những cấu trúc
lớn được định hình bởi lực hấp dẫn. Tiếp tục thu nhỏ 100 lần thì khung cảnh
trước mắt chúng ta sẽ là ngôi sao của chúng ta, tức Mặt Trời. Cấu trúc lớn
tiếp theo, hệ Mặt Trời, có đường kính 300 nghìn tỉ km và, để mang cấu trúc
này vào tầm nhìn, ta phải thu nhỏ 10.000 lần nữa. Ánh sáng mất khoảng năm
giờ để đi tới Pluto ở góc ngoài hệ Mặt Trời. Chúng ta phải chờ 4,2 năm thì ánh
sáng lúc này đang rời khỏi bề mặt ngôi sao láng giềng nhất với Mặt Trời,

Tìm hiểu nhanh về vật chất

6

Proxima Centauri, mới đi tới chúng ta – ngôi sao ấy ở xa 4,2 năm ánh sáng.
Khi chúng ta tiếp tục thu nhỏ nữa thì một quang cảnh đẹp ngoạn mục xuất
hiện trước tầm mắt: thiên hà quê hương của chúng ta, Dải Ngân Hà. Ngân Hà
là một thiên hà xoắn ốc hình đĩa chứa 100 tỉ sao và có đường kính 100.000
năm ánh sáng. Để đưa khung cảnh này vào khung kính ngắm, ta phải tiếp tục
thu nhỏ 10.000 lần.
Thế nhưng, không giống như chúng ta từng tin tưởng hồi một thế kỉ
trước, Ngân Hà chưa phải là toàn bộ vũ trụ. Thiên hà của chúng ta chỉ là một
trong ba mươi thành viên của nhóm thiên hà địa phương; để đưa toàn bộ
nhóm địa phương vào khung nhìn, ta sẽ phải thu nhỏ thêm chừng mười lần
nữa. Vượt quá cấp độ này, còn có những cấu trúc lớn hơn nữa, ví dụ như đám
thiên hà Coma có đường kính hơn 300 triệu năm ánh sáng và chứa 1.000
thiên hà, được liên kết hấp dẫn thành một cụm đại khái có hình cầu. Để nhìn
thấy cụm này, ta sẽ phải thu nhỏ thêm 100 lần. Những cấu trúc lớn nhất được
biết trong vũ trụ là những siêu đám thiên hà khổng lồ, và những sợi thiên hà
khổng lồ vây xung quanh những khoảng không mênh mông trong không gian,
còn vượt ngoài đó nữa, khoảng cách xa nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy
qua kính thiên văn, đó là ranh giới của vũ trụ khả kiến, đường kính của nó
chừng 100 tỉ năm ánh sáng. Toàn bộ vật chất có thể quan sát được chứa trong
quả cầu này, bao gồm 100 tỉ thiên hà, với khối lượng toàn phần bằng 1080
nguyên tử hydrogen. Chúng ta sẽ xét kĩ những cấu trúc rất lớn này ở Chương
9, nhưng điều đáng lưu ý là mật độ vật chất trung bình trong vũ trụ khả kiến
là khoảng vài nguyên tử hydrogen trong mỗi mét khối. Để so sánh, Trái Đất
có mật độ lớn hơn con số đó gần 1030 lần, khiến hành tinh chúng ta là một
vùng rất không tiêu biểu của vũ trụ. Phần lớn vũ trụ là không gian trống rỗng.
Trong quyển sách này chúng ta sẽ, trong Chương 3, xem các trạng thái
quen thuộc rắn, lỏng, và khí của vật chất phát sinh như thế nào, và xét một số
trạng thái khác của vật chất. Nếu, giống như Isaac Newton, chúng ta xem vật
chất là khối lượng, thì tương đương của khối lượng và năng lượng, được mô
tả trong Chương 4, đưa hiểu biết của chúng ta về vật chất tiến thêm một mức
Tìm hiểu nhanh về vật chất

7

sâu sắc hơn, và làm rõ nguồn gốc của sự giải phóng năng lượng khỏi hạt nhân
nguyên tử. Trong Chương 5 chúng ta sẽ đi vào thế giới lượng tử kì lạ và nhạt
nhòa và xem cách nó giải thích cấu trúc của các nguyên tử và bảng tuần hoàn.
Khi số lượng lớn hạt kết tập với nhau, dưới những điều kiện nhất định, chúng
có thể biểu hiện hành trạng lượng tử kết hợp và kịch tính ở cấp vĩ mô. Điều
này được mô tả trong Chương 6, và nó đưa đến sự phát triển các dụng cụ đo
lường lượng tử cho phép đơn vị cơ bản của khối lượng, kilogram, được định
nghĩa theo các hằng số cơ bản của tự nhiên đến một độ chính xác chưa có
tiền lệ. Các viên gạch cấu trúc tối hậu của vật chất, bao gồm cả phản vật chất,
được giới thiệu trong Chương 7, nó mô tả cách lí giải thế giới theo khoảng
hai mươi trường lượng tử khác nhau. Phần lớn khối lượng của vật chất bình
thường có thể giải thích được theo năng lượng trong các trường lượng tử
này. Để tìm hiểu nguồn gốc của các nguyên tố, trong Chương 8 chúng ta xét
lịch sử của vũ trụ, từ những thời khắc xa xưa nhất của nó, và lần theo cách
các nguyên tố được tôi luyện trong các sao cũng như trong các sự kiện dữ dội
nhất trong vũ trụ. Vật chất là năng lượng và năng lượng bẻ cong không gian.
Tính chất này được các nhà thiên văn học khai thác để lập bản đồ lượng vật
chất có chứa trong vũ trụ, và nơi nó được chứa. Cuối cùng, trong Chương 9,
chúng ta đi tới nhận thức nhún nhường rằng vật chất bình thường, các
nguyên tử và phân tử của sự sống quen thuộc hằng ngày, chỉ đại diện cho 5
phần trăm tổng loại vật chất 'ở ngoài kia'. Phần còn lại của vật chất trong vũ
trụ có vẻ gồm hai chất liệu hoàn toàn bí ẩn: năng lượng tối, và vật chất tối.
Tuy nhiên, trước tiên chúng ta nên yên trí rằng các thành phần cơ bản của
vật chất, các nguyên tử, thật sự có tồn tại. Đây là chủ đề của Chương 2.



Tìm hiểu nhanh về vật chất



8



2 Nguyên tử
Sự ra đời của khoa học phương Tây có thể truy nguyên đến các triết
gia Hi Lạp thời xưa. Vào khoảng năm 500 trước Công nguyên (tCN), Thales
xứ Miletus đã sáng lập một trường phái tìm cách giải thích thế giới bằng cách
vận dụng logic và lí giải cho sự quan sát tự nhiên. Ông đề xuất rằng toàn bộ
vật chất được cấu thành bởi một chất sơ cấp duy nhất, và ông tin rằng đó là
nước. Điều quan trọng không phải là ông đã sai lầm với nhận định này, mà là
ông đã khởi xướng một phương pháp tư duy dựa trên việc quan sát thế giới
như nó vốn thế. Cách tiếp cận này đã dẫn tới ý tưởng mang tính tiên tri rằng
những viên gạch cấu trúc của vật chất là nguyên tử, một giả thuyết được
người ta quy cho Leucippus và Democritus vào khoảng năm 450 tCN.
Lấy một quả táo và xẻ nó ra thành các mảnh nhỏ dần và nhỏ dần. Cuối
cùng xẻ tới một mức không còn xẻ được nữa, làm bộc lộ tính hạt tối hậu của
vật chất, tức là các nguyên tử. Từ nguyên tử (atom) có xuất từ tiếng Hi Lạp
atomos, nghĩa là không thể phân chia. Các hạt tối hậu này được xem là không
thể phá hủy, chỉ khác nhau về hình dạng, kích cỡ, vị trí, và cách sắp xếp. Người
Hi Lạp hình dung một không gian trong đó các nguyên tử chuyển động không
ngớt, gọi là khoảng không. Cái nhìn đơn giản mà thật đẹp của nhà nguyên tử
luận đó là vũ trụ được cấu thành chỉ bởi hai nguyên tố: các nguyên tử và
khoảng không.
Vào khoảng năm 350 tCN, Aristotle chấp thuận niềm tin cho rằng các
kết hợp khác nhau của chỉ bốn nguyên tố, đất, lửa, không khí, và nước, có thể
giải thích được vật chất thường ngày. Chính nhờ vị thế triết lí của Aristotle

Tìm hiểu nhanh về vật chất

9

mà quan điểm này tồn tại dai dẳng không gì thách thức nổi cho đến thời trung
cổ, và đã truyền cảm hứng cho các nhà giả kim thuật tìm kiếm trong vô vọng
hòng có cách biến đổi vật chất cơ bản như chì thành vàng. Chính vì không hề
nghi ngờ niềm tin về một thế giới được làm bằng bốn nguyên tố, nên các nhà
giả kim đã tiến rất gần đến một phương pháp khoa học hiệu quả vốn là hình
thức cơ bản của hóa học thực nghiệm. Họ mài, trộn, đun nóng, và chưng cất
các chất thông dụng như nước, dầu, thủy ngân, đất, lưu huỳnh, muối, và
không khí. Kỉ nguyên tăm tối ở châu Âu kéo dài từ thế kỉ 6 đến thế kỉ 14, đó
là thời kì mà sự phát triển khoa học hầu như ngừng trệ.
Viết hồi mở đầu thế kỉ 17, triết gia Pháp René Descartes coi cái chất cơ
bản của vật chất là sự mở rộng, đó là cái chiếm giữ chiều dài, chiều rộng, và
chiều cao trong không gian, hay như chúng ta sẽ nói, là thể tích. Thời kì này
đánh dấu sự ra đời của kỉ nguyên khai sáng khi nền khoa học định lượng thật
sự bắt đầu cất cánh. Từ khoảng thời gian này, giả thuyết nguyên tử bắt đầu
xuất hiện trở lại theo yêu cầu của các lí thuyết lúc bấy giờ, thế nhưng vẫn
chưa có bằng chứng cho sự tồn tại của các nguyên tử.
Tính chất khối lượng là trọng tâm đối với khái niệm vật chất. Khối
lượng lần đầu tiên xuất hiện trong các định luật Newton về chuyển động, lí
thuyết tạo nền tảng cho cơ học cổ điển hiện đại. Newton đặt vấn đề có quy
tắc đơn giản nào để tính ra chuyển động của các hành tinh hay không, nếu
cho trước trạng thái chuyển động của chúng. Về vấn đề này, ông đã phát triển
giải tích toán học cần thiết để giải các phương trình mô tả sự biến đổi trạng
thái chuyển động của một chất điểm trong một thời gian nhỏ vô hạn, dưới
tác dụng của một lực ngoài. Ông kết nối khái niệm về lực, đã được biết rõ từ
nghiên cứu tĩnh học, với gia tốc, và khi làm thế ông đưa ra khái niệm khối
lượng. Ý nghĩa của khối lượng trong định luật thứ hai của Newton (lực = khối
lượng ´ gia tốc) là khối lượng quán tính, sức cản của một vật trước sự biến
đổi chuyển động của nó.
Bước đột phá vĩ đại của Newton là liên hệ các định luật về chuyển động
với định luật vạn vật hấp dẫn. Lực tác dụng lên một vật được xác định bởi vị
Tìm hiểu nhanh về vật chất

10

trí và khối lượng của các vật thể kề bên. Định luật hấp dẫn của Newton nói
rằng lực hấp dẫn giữa hai vật bằng một hằng số (hằng số hấp dẫn Newton, G)
nhân với khối lượng mỗi vật và nghịch đảo của bình phương khoảng cách
giữa chúng. Lực hấp dẫn là một lực phổ quát tầm xa (tức là, toàn bộ các vật
đều hút nhau). Định luật về chuyển động kết hợp với định luật hấp dẫn đã
cho phép ông tính ra các trạng thái quá khứ và tương lai của các vật đang
chịu tác dụng của lực hấp dẫn. Với kết hợp này, ông đã thành công trong việc
giải thích chuyển động của Mặt Trăng, các hành tinh, các sao chổi, và cả thủy
triều với độ chính xác cao.
Thế quan điểm của Newton về vật chất thì sao? Trong quyển Optiks
năm 1704 của ông, Newton viết vật chất được hình thành bởi “các hạt rắn,
nặng, không thể xuyên thủng, linh động… vì thế rất cứng, không bao giờ mòn
hay vỡ thành mảnh…”, một quan niệm về nguyên tử rất khác với quan niệm
của Democritus. Cái mới mẻ là kiểu tất định luận trong đó 'các hạt nặng'
chuyển động dưới tác dụng của các lực.
Trọng lượng và khối lượng dễ bị nhầm lẫn, nhưng có một khác biệt
quan trọng giữa chúng. Khi chúng ta cân một vật, cái chúng ta thật sự đang
làm là đo xem vật đó bị hút bởi lực hấp dẫn mạnh bao nhiêu. Nếu chúng ta
treo một kilogram táo vào một cái cân lò xo, thì một khối lượng lớn (Trái Đất)
hút lấy các quả táo (một khối lượng nhỏ) xuống dưới chống lại lực hút của lò
xo. Đối xứng lại, khối lượng nhỏ cũng hút khối lượng lớn; lực hút giữa chúng
với nhau là bằng nhau và ngược chiều, dù chúng ta nghĩ Trái Đất đang hút
các quả táo, hay các quả táo đang hút Trái Đất cũng được. Điều này thể hiện
định luật thứ ba của Newton. Tuy nhiên, Mặt Trời tác dụng một lực hấp dẫn
lên Trái Đất lớn gấp 1022 lần lực hấp dẫn của các quả táo, bởi thế các quả táo
có tác dụng không đáng kể đối với Trái Đất. Đây là lí do quỹ đạo của Trái Đất
bị kiểm soát bởi Mặt Trời chứ không phải bởi mấy quả táo. (Theo đối xứng,
Trái Đất cũng tác dụng một lực lên Mặt Trời. Tuy nhiên, do khối lượng của
Trái Đất chỉ bằng ba phần triệu khối lượng của Mặt Trời, nên tác dụng này là
nhỏ. Hai vật thể chuyển động xung quanh khối tâm chung của chúng, khối
Tìm hiểu nhanh về vật chất

11

tâm này nằm bên trong Mặt Trời.) Nếu chúng ta mang một kilogram táo của
mình lên Mặt Trăng, nơi chỉ có một phần sáu khối lượng Trái Đất, thì cái cân
sẽ chỉ một phần sáu kilogram thôi. Mang chúng ra ngoài không gian, ở xa bất
kì vật chất tác dụng hấp dẫn nào hoặc đưa vào quỹ đạo vòng quanh Trái Đất
trên một trạm vũ trụ thì chúng tồn tại ở trạng thái rơi tự do và không trọng
lượng. Bởi thế, khối lượng là một tính chất bản chất của một vật; còn trọng
lượng của vật đó sẽ không giống nhau nếu vật ở trên Trái Đất, Mặt Trăng,
hoặc trên sao Hỏa.
Sau những thành tựu sáng giá của Newton, câu chuyện vật chất và các
nguyên tử chuyển sang tay của các nhà hóa học tiên phong. Vào cuối thế kỉ
18, đã có những tiến bộ quan trọng trong hóa học định lượng, phần lớn là do
sự phát triển những cái cân chính xác để đo trọng lượng của các chất đang
phản ứng. Các nhà hóa học cũng bắt đầu quen dùng thường xuyên hơn từ
'nguyên tố', khi ấy ngư