Johannes van der Waals: Người khởi xướng khoa học phân tử hiện đại

Trong tác phẩm Lectures in Physics, nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đã đặt ra câu hỏi nổi tiếng về kiến thức khoa học quan trọng nhất mà loài người cần lưu giữ cho hậu thế. Câu trả lời của ông là “tất cả vật chất đều được cấu tạo từ các nguyên tử”. Trong khi điều này có vẻ hiển nhiên – trên thực tế, khái niệm về nguyên tử có từ thời Hy Lạp cổ đại – nhưng sự tồn tại của nguyên tử là một vấn đề gây ra nhiều tranh cãi cho đến tận thế kỷ XX. Sau đó, Johannes Diderik van der Waals là người đã giúp chúng ta mở rộng sự hiểu biết về cách thức hoạt động của thế giới phân tử thông qua các bằng chứng mạnh mẽ và thuyết phục. Ông còn được mệnh danh là cha đẻ của khoa học phân tử (molecular science) hiện đại.

Waals sinh ra tại Leiden, Hà Lan vào ngày 23/11/1837. Ông là con đầu trong số mười người con của một gia đình thợ mộc gặp nhiều khó khăn về kinh tế. Vào thời điểm đó, những đứa trẻ thuộc tầng lớp lao động không được tiếp cận với một nền giáo dục trung học toàn diện. Vì vậy, Waals chỉ biết đọc, viết và số học cơ bản, ít tiếp xúc với khoa học tự nhiên. Kiến thức vật lý của ông chủ yếu đến từ việc tự học.

Sau khi tốt nghiệp, Waals thường tham gia vào các buổi thuyết trình về toán học, vật lý và thiên văn học tại Đại học Leiden ở địa phương trong thời gian rảnh rỗi, nhưng ông liên tục bị từ chối đơn đăng ký làm sinh viên chính thức do yêu cầu đầu vào bắt buộc phải biết tiếng Latinh.

Cơ hội của Waals mở ra khi chính sách giáo dục Hà Lan thay đổi, dỡ bỏ yêu cầu về tiếng Latinh trong hồ sơ xét tuyển vào trường đại học. Ông dễ dàng vượt qua các bài thi kiểm tra về vật lý, toán học, và chính thức trở thành một sinh viên. Năm 1873, ông bảo vệ thành công luận án tiến sĩ tại Đại học Leiden khi chỉ mới 36 tuổi.

Luận án của Waals với tựa đề “Sự chuyển đổi liên tục của trạng thái khí và lỏng” đã thiết lập nền tảng của nhiệt động lực học hiện đại, và công trình này đã giúp ông đoạt giải Nobel Vật lý năm 1910. Trong đó, ông đề xuất một mô hình thống nhất để mô tả các đặc tính của cả chất khí và chất lỏng theo phương trình van der Waals: (P+a/V2).(V–b)=RT. Các ký hiệu P, V, T lần lượt là áp suất, thể tích, nhiệt độ của một chất và a, b là các hằng số.

Ý nghĩa trong công trình nghiên cứu của Waals nằm ở việc điều chỉnh Định luật Khí lý tưởng (PV = nRT) để phù hợp với các phân tử và lực liên phân tử. Đây là một thành tựu mang tính đột phá, khi sự tồn tại của các phân tử thậm chí vẫn đang là vấn đề gây tranh cãi vào thời điểm đó, chưa cần nói đến ý tưởng các phân tử tương tác và tác dụng lực lên nhau.

“Trong tất cả các nghiên cứu, tôi tin tưởng vào sự tồn tại thực sự của các phân tử. Tôi chưa bao giờ coi chúng là những hình ảnh trong trí tưởng tượng của mình”, Waals cho biết. “Nhưng khi tôi bắt đầu nghiên cứu, tôi có cảm giác rằng tôi gần như đơn độc trong việc giữ quan điểm này”.

Để tưởng nhớ đến công lao của Waals, lực tương tác yếu giữa các phân tử ngày nay được giới khoa học gọi là lực van der Waals.

“Không còn nghi ngờ gì nữa, van der Waals sẽ sớm trở thành một trong những cái tên quan trọng nhất trong lĩnh vực khoa học phân tử”, James Clerk Maxwell, nhà khoa học nổi tiếng trong lĩnh vực nhiệt động lực học, đã đưa ra lời nhận xét về luận án của Waals trên tạp chí Nature. Tuy nhiên, cộng đồng khoa học không biết đến Waals một cách nhanh chóng. Một phần là do nghiên cứu của ông ban đầu chỉ được xuất bản bằng tiếng Hà Lan.

Phải đến năm 1877, khi những phát hiện của Waals được tóm tắt trên tạp chí Annalen der Physik bằng tiếng Đức, các nhà vật lý khác mới hiểu tầm quan trọng của công trình này, từ đó thúc đẩy một loạt các nghiên cứu mới về vật lý phân tử của các chất lỏng và chất khí.

Không lâu sau, Waals trở thành giáo sư vật lý đầu tiên tại Đại học Amsterdam mới thành lập. Ở đây, ông cùng các đồng nghiệp thân thiết bao gồm Henry van’t Hoff (người đoạt giải Nobel Hóa học đầu tiên) và Hugo de Vries (nhà di truyền học tiên phong) đã xây dựng nhiều nhóm nghiên cứu mạnh, góp phần khiến Đại học Amsterdam trở nên nổi bật trong thời kỳ hoàng kim đang mở ra của khoa học Hà Lan.

Những thành tựu tiếp theo của Waals bao gồm Định luật Trạng thái Tương ứng [một lý thuyết đóng vai trò là nền tảng cho quá trình hóa lỏng hydro, heli và phát hiện sau đó về hiện tượng siêu dẫn năm 1911], một lý thuyết ban đầu về hoạt động của ống mao dẫn, và một lý thuyết về hỗn hợp nhị phân (binary mixture) có tác động lâu dài đến kỹ thuật hóa học và địa hóa học.

Waals cũng dự đoán tầm quan trọng của hóa học và vật lý liên quan đến các cụm nguyên tử hoặc cụm phân tử. Những chủ đề này đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu khá sôi nổi trong vài thập kỷ gần đây.

Mặc dù đạt được nhiều thành tích lớn lao, nhưng Waals nổi tiếng là người rất khiêm tốn. Điều này có lẽ được thể hiện rõ nhất trong phần mở đầu của bài diễn thuyết khi ông nhận giải Nobel. “Bây giờ tôi có vinh dự xuất hiện trong buổi họp mặt đặc biệt này để nói về những nghiên cứu lý thuyết của tôi về bản chất của chất khí và chất lỏng. Tôi đang phải vượt qua cảm giác thiếu tự tin khi nói về bản thân và công việc”, Waals chia sẻ.

Waals cũng rất kín tiếng về cuộc sống cá nhân của mình. Bi kịch ập đến với gia đình của ông vào năm 1881 khi người vợ, Anna Magdalena Smit, đột ngột qua đời vì bệnh lao năm 34 tuổi. Ông không bao giờ tái hôn và tiếp tục một cuộc sống yên bình cùng với bốn người con bao gồm Anne Madeline, Jacqueline Elisabeth (một nhà thơ nổi tiếng), Johanna Diderica (một giáo viên), và Johannes Diderik Jr. (người đi theo bước chân của cha mình với tư cách là một giáo sư vật lý).

“Sự nổi tiếng không làm thay đổi hành vi cũng như thói quen của ông ấy”, một trong những học trò của Waals tại Đại học Amsterdam nhận xét. Waals qua đời vào ngày 8/3/1923, hưởng thọ 86 tuổi. Cuộc đời của ông là một tấm gương sáng về tình yêu khoa học và sự bền bỉ khi phải đối mặt với nghịch cảnh.