Từ Hiroshima ngày 6 tháng 8 năm 1945, thế giới nhận được sự tiết lộ kinh khủng rằng con người đã mở ra lục địa tối trong nguyên tử. Những bí ẩn của nó sẽ ám ảnh thế kỷ 20.

Thế nhưng trong suốt hai ngàn năm, “nguyên tử” đã từng là mối quan tâm sâu sắc của những triết gia tinh tế nhất. Từ Hi Lạp atomos có nghĩa là đơn vị nhỏ nhất của vật chất, được giả thiết là không thể phá vỡ. Bây giờ nguyên tử đã là một lời nói cửa miệng, một mối đe dọa và một sự hứa hẹn vô tiền khoáng hậu.

Nhà triết học nguyên tử đầu tiên là một người Hi Lạp huyền thoại, Leucippus, được ngờ là đã sống vào thế kỷ 5 trước C.N. Học trò của ông là Democritus, người đã tạo ra thuyết nguyên tử như một truyền thuyết, rất thích cười những sự điên rồ của loài người khiến ông được người ta gọi là “nhà triết học tiếu lâm”. Nhưng ông là một trong số những người đầu tiên lý luận ngược lại sự suy thoái của con người từ Thời Đại Vàng thần thoại và là người rao giảng tin mừng của sự tiến bộ. Nếu toàn thể vũ trụ chỉ là những nguyên tử và khoảng không, thì nó không phải là vô cùng phức tạp nhưng nó có thể hiểu được và khả năng của con người có thể là vô giới hạn.

Trong một bài thơ giữa các bài thơ La tinh hay nhất, De Rerum Natura, “Bản chất sự vật”, Lucretius (95 tr.C.N. – 55 C.N.) đã làm sống lại thuyết nguyên tử thời xưa. Nhằm giải phóng người ta khỏi sợ hãi các thần, ông cho thấy toàn thể vũ trụ được làm bằng khoảng không và có những nguyên tử chuyển động theo những định luật của riêng chúng, rằng linh hồn cùng chết theo xác và vì thế không việc gì phải sợ cái chết hay sức mạnh siêu nhiên. Hiểu được thiên nhiên, ông nói, là con đường duy nhất dẫn đến an bình của tâm trí. Các thánh Giáo phụ vì tin vào đời sau, nên đả kích Lucretius và ông bị lãng quên trong thời Trung Cổ, nhưng đã trở thành một trong những tác giả có ảnh hưởng nhất của thời Phục Hưng.

Như thế thuyết nguyên tử đã bước vào thế giới hiện đại trước tiên như là một hệ thống triết học. Giống như tính đối xứng của thuyết Pythagore đã cung cấp một khung cho Copernic, giống như hình học đã kích thích Kepler và giống như vòng tròn hoàn hảo của Aristốt đã lôi cuốn Harvey, thì những nguyên tử “không thể phá vỡ” của các nhà triết học đã thu hút các nhà hóa học và vật lý học. Francis Bacon nhận xét, “Học thuyết của Democritus về các nguyên tử, nếu không đúng, thì ít ra cũng có thể ứng dụng một cách hiệu quả tuyệt vời để cắt nghĩa thiên nhiên”. Descartes (1596-1650) đã sáng chế ra khái niệm riêng của ông về những phân tử cực nhỏ chuyển động trong một môi trường mà ông gọi là ête. Một triết gia người Pháp khác, Pierre Gassendi (1592-1655), có vẻ chấp nhận lý thuyết của Democritus và còn đưa thêm một lý thuyết nguyên tử khác, mà Robert Boyle (1627-1691) thích nghi vào hóa học, để chứng minh rằng những “yếu tố” – đất, khí, lửa và nước – hoàn toàn không phải những yếu tố sơ đẳng chút nào.

Những trực giác tiên tri của nhà toán học Dòng Tên R.G. Boscovich (1711-1787) đã vạch ra đường lối cho một khoa vật lý nguyên tử mới. Khái niệm táo bạo của ông về những “điểm – trung tâm” đã bỏ đi khái niệm cũ về sự phân loại các nguyên tử khác nhau có dạng đặc. Ông gợi ý rằng mọi phân tử cơ bản của vật chất đều giống hệt nhau và vật chất là những tương quan không gian chung quanh những điểm trung tâm này. Khi khám phá ra những khái niệm này từ toán học và thiên văn học, Boscovich đã hình dung trước một sự liên kết ngày càng gắn bó hơn giữa cấu trúc một nguyên tử và cấu trúc vũ trụ, giữa cái vi phân và cái vô hạn.

Con đường thực nghiệm dẫn vào nguyên tử đã được vạch ra bởi John Dalton (1766-1844), một nhà nghiệp dư tự học, lấy những khái niệm gợi ý của Lavoisier (1743-1794). Lavoisier là nhà sáng lập khoa hóa học hiện đại, ông đã đưa lý thuyết nguyên tử trở thành thực tiễn khi ông biến nguyên tử thành một khái niệm phòng thí nghiệm hữu ích bằng cách định nghĩa một “yếu tố” là một chất không thể chia nhỏ thành những chất khác bằng bất cứ phương pháp nào sẵn có. Dalton xuất thân từ một gia đình làm nghề dệt ở Cumberland trong vùng English Lake District và ông đã mang dấu ấn lý lịch khiêm tốn của mình suốt đời. Năm 12 tuổi ông đã từng trông coi ngôi trường làng. Khi đi dạy học ở làng Kendal kế cận, ông đã tìm thấy trong thư viện nhà trường những sách Principia của Newton, Những Tác Phẩm của Boyle và Lịch sử Thiên nhiên của Buffon, cùng với một kính viễn vọng phản chiếu dài 2 feet và một kính hiển vi hai thấu kính. Ở đây ông đã bị thu hút bởi ảnh hưởng của một triết gia thiên nhiên mù nhưng là một thiên tài, John Gough, mà Dalton đã mô tả trong một lá thư viết cho một người bạn là “ông ấy thông thạo mọi ngành toán học… Ông ấy có thể chỉ rờ, nếm và ngửi là có thể biết được mọi thứ cây cỏ trong khoảng cách 20 dặm”. Chính Wordsworth trong Du Ngoạn cũng đã ca ngợi John Gough. Thụ giáo với Gough, Dalton học được kiến thức cơ bản về các tiếng La tinh, Hi Lạp và Pháp, dẫn nhập vào toán học, thiên văn học và mọi khoa học quan sát.

Khi giáo phái Quaker mở trường đại học riêng của họ tại Manchester, Dalton trở thành giáo sư toán học và triết học tự nhiên. Trong Hội Văn học và Triết học Manchester, ông tìm được những thính giả say mê những thí nghiệm của ông. Ông giảng cho họ “Những Sự Kiện Kỳ Lạ Liên Quan đến Thị giác về Màu sắc”, có lẽ là công trình đầu tiên có hệ thống về tật mù màu sắc, mà cả John và em ông là Jonathan đều mắc phải. “Sau khi nhiều lần bị sai lầm vì dựa vào kết quả của người khác, tôi đã quyết định sẽ chỉ viết rất ít và chỉ viết về những gì chính tôi có thể xác nhận bằng kinh nghiệm”. Ông quan sát hiện tượng bắc cực quang, gió xích đạo, nguyên nhân của mây và mưa và cũng cải tiến các dụng cụ đo mưa, các dụng cụ đo áp suất, đo nhiệt độ và độ ẩm. Quan tâm của Dalton về khí quyển đã cung cấp phương pháp hóa học để dẫn ông đến với nguyên tử. Newton đã nghĩ rằng những hiện tượng thiên nhiên “có thể tất cả đều lệ thuộc một số lực nào đó mà do một số nguyên nhân chưa được rõ, những phân tử của các vật thể sẽ hoặc là thu hút lẫn nhau và dính lại thành những hình thù nhất định, hoặc là đẩy nhau ra và xa rời nhau”.

Dalton bắt đầu đi tìm “những phân tử sơ đẳng này”, tìm kiếm những cách thực nghiệm để đưa chúng vào một hệ thống định lượng. Vì các chất khí là những dạng vật chất có cấu trúc lỏng lẻo nhất và di động nhất, Dalton đã tập trung vào khí quyển, là hỗn hợp các chất khí làm thành không khí, để làm khởi điểm cho suy nghĩ của ông về nguyên tử”. Ông hỏi các đồng nghiệp trong Hội Văn học và Triết học Manchester của ông, “Tại sao nước không chấp nhận thể tích của mọi chất khí như nhau ?” “Tôi hầu như tin chắc rằng hoàn cảnh tùy thuộc khối lượng và số lượng của những phân tử sơ đẳng của mỗi chất khí – những phân tử nào nhẹ nhất và ở thể đơn thì khó hấp thu nhất, các phân tử khác dễ hấp thu hơn, tùy theo khối lượng và tính phức tạp của chúng gia tăng”. Dalton đã khám phá rằng, người với quan điểm thông thường, không khí không phải là một hóa chất đơn dễ tan mà là một hỗn hợp các chất khí, mỗi chất khí luôn duy trì sự riêng biệt của mình và hoạt động độc lập. Kết quả các thí nghiệm của ông là tác phẩm nổi tiếng thời đại: Bảng Khối Lượng Các Phân Tử Sơ Đẳng Của Các Chất Khí Và Các Vật Thể Khác. Lấy hydro là 1, ông đã phân mục 21 chất. Ông hình dung những “phân tử sơ đẳng” vô hình như là những quả cầu đặc cực nhỏ, giống như những viên bi nhưng nhỏ hơn nhiều và ông đề nghị đem áp dụng những định luật Newton về lực hấp dẫn của vật chất vào những phân tử này. Ông nhắm tới “một cái nhìn mới về những nguyên lý đệ nhất của các yếu tố của vật thể và sự phối hợp của chúng”, mà ông “không nghi ngờ… trong tương lai sẽ mang lại những thay đổi tối quan trọng trong hệ thống hóa học và giản lược toàn thể hệ thống vào sự đơn sơ nhất và dễ hiểu đối với những người dốt nát nhất”. Khi ông chứng minh một “phân tử không khí tựa trên 4 phân tử nước”, giống như “một khối vuông các viên bi” mà mỗi viên bi nhỏ chạm vào viên bên cạnh, ông đã cung cấp một mô hình cho hóa học hữu cơ của thể kỷ tiếp theo.

Trong những bài giảng quan thuộc của mình, Dalton sáng chế ra “những ký hiệu riêng để biểu thị những yếu tố hay những phân tử sơ đẳng”, được liệt kê trong bảng khối lượng nguyên tử. Đương nhiên Dalton không phải người đầu tiên sử dụng các ký hiệu biểu thị các chất hóa học – các thợ hóa kim cũng có những ký hiệu riêng của họ. Nhưng ông có lẽ là người đầu tiên sử dụng các ký hiệu như thế trong một hệ thống các “phân tử sơ đẳng”. Ông lấy chất hydro làm đơn vị, rồi ông tính khối lượng các phân tử như là tổng số khối lượng của các nguyên tử hợp thành và như vậy ông đã cung cấp một tổng hợp mới cho khoa hóa học. Hệ thống chữ tắt hiện nay sử dụng chữ cái đầu tiên của tên La tinh của mỗi yếu tố (v.d: H2O, v.v…) đã được sáng chế bởi nhà hóa học Thụy Điển Berzelius (1779-1848).

Nguyên tử không thể hủy của Dalton đã trở thành nền tảng của một khoa hóa học vừa xuất hiện, cung cấp những nguyên lý cơ bản – các định luật về sự cấu thành bền bỉ và những tỷ lệ đa dạng, sự phối hợp các yếu tố hóa học theo tỷ lệ đơn giản của các khối lượng nguyên tử của nó.

Dalton mới chỉ là một nhà khám phá như Colômbô. Những người khác đến sau sẽ tạo ra những bất ngờ và những điều gây choáng váng.

Sự phá hủy của nguyên tử “không thể phá hủy” sẽ đến từ hai nguồn, một quen thuộc, một mới mẻ – đó là việc nghiên cứu ánh sáng và sự khám phá ra điện. Chính Einstein đã mô tả chuyển động lịch sử này như là sự suy tàn của một quan niệm “cơ học” và sự xuất hiện của một quan niệm về “trường” trong thế giới vật lý, dẫn đưa ông đến thuyết tương đối, những lối giải thích mới và những bí ẩn mới.

Trên tường phòng làm việc của mình, Albert Einstein treo một hình chân dung Michael Faraday (1791-1867) và lý do thật dễ hiểu. Faraday là nhà tiên phong và tiên tri của việc canh tân vĩ đại giúp cho công trình của Einstein thành sự. Thế giới sẽ không còn là khung cảnh của Newton với “những lực ở đàng xa”, những vật thể thu hút lẫn nhau bằng lực hấp dẫn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Thế giới vật chất sẽ trở thành một khung cảnh bao la gồm những “trường lực” tinh vi, tỏa khắp. Đây cũng là một cuộc cách mạng triệt để như cuộc Cách mạng Newton và lại khó cho người bình thường hiểu được nó.