Michael Faraday: Người thợ đóng sách viết lại lịch sử khoa học điện

Lịch sử khoa học hiện đại khó có thể trọn vẹn nếu thiếu vắng cái tên Michael Faraday. Michael Faraday là người phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, nền tảng cho sự ra đời và vận hành của phần lớn các thiết bị điện trong xã hội hiện đại.

Là một nhà hóa học kiêm vật lý học, Faraday bước vào đời sống khoa học với xuất phát điểm khiêm tốn, nhưng ông lại sở hữu tinh thần tự học bền bỉ cùng đam mê khám phá không giới hạn.

Tầm ảnh hưởng quan trọng của Faraday đã được nhà khoa học Hermann von Helmholtz khẳng định qua câu nói: “Chừng nào loài người còn sử dụng điện, thì chừng đó người ta còn ghi nhớ công lao của Michael Faraday.”

Để có thêm những hiểu biết sâu sắc về hành trình làm khoa học của Michael Faraday, “cha đẻ kỹ thuật điện”. Mời bạn cùng đọc bài viết hôm nay của mình nhé. 

So với những thành tựu mang tính cách mạng mà Faraday để lại, tuổi thơ của Faraday lại hiện lên với một khung cảnh hết sức khó khăn. Sinh ra trong một gia đình thợ rèn nghèo ở làng Newington, phía nam London, Faraday lớn lên trong điều kiện thiếu thốn, rất ít đặc quyền. 

Cha ông thường đau ốm, thu nhập bấp bênh, không thể đảm bảo cuộc sống ổn định cho gia đình. Mẹ ông, một người phụ nữ nông thôn điềm tĩnh, trở thành chỗ dựa tinh thần quan trọng, bà là người giúp các con giữ được sự bình tĩnh và kiên nhẫn vượt qua những ngày tháng gian khó. Gia đình Faraday nghèo khó đến mức, có những ngày cậu bé Faraday chỉ sống sót bằng những mẩu bánh mì bé xíu.

Gia đình Faraday theo đạo Cơ Đốc, nền tảng tôn giáo đóng vai trò quan trọng trong việc nuôi dưỡng đời sống tinh thần, ảnh hưởng đến cách Faraday tiếp cận tri thức và lý giải thế giới tự nhiên. Nhận định này được các nhà nghiên cứu khẳng định khi nhìn lại toàn bộ hành trình khoa học của Faraday.

Về học tập, những năm đầu đời, Faraday chỉ được học đọc, viết và một số kiến thức toán học cơ bản tại lớp học Chủ nhật của nhà thờ. Đến năm 1804, khi gia đình lâm vào cảnh túng thiếu, Faraday buộc thôi học và phải ra ngoài tìm việc. Tuổi 14, Faraday xin làm tại một hiệu sách ở London. Công việc đóng sách mở ra bước ngoặt tiếp cận tri thức và nuôi dưỡng tinh thần ham học hỏi suốt đời của Michael Faraday. 

Làm việc ở hiệu sách, Faraday vừa học nghề đóng sách vừa tự học thông qua việc đọc. Ông tiếp cận với nhiều nguồn tài nguyên khác nhau, từ sách phổ thông đến các công trình khoa học đương thời. Dù nhỏ tuổi nhưng Faraday vô cùng hứng thú với những đầu sách khoa học, đặc biệt là những cuốn sách liên quan đến các vấn đề điện. 

Trong khoảng thời gian rảnh hiếm hoi, Faraday hay tự mày mò làm thí nghiệm. Ông tận dụng chai lọ cũ, những mảnh gỗ để tiến hành các thí nghiệm cơ bản thông qua hướng dẫn từ sách. Sau đó ông còn lắp ráp một pin Volta công suất thấp để thực hiện các thử nghiệm về điện hóa. Việc tự học và tự say mê làm thí nghiệm giúp Faraday tích lũy nền tảng khoa học căn bản từ rất sớm.

Trong những năm tháng làm công việc đóng sách, Faraday luôn âm thầm nỗ lực với những kiến thức về khoa học. Và rồi, một cơ duyên bất ngờ xuất hiện.  Thông qua một vị khách quen, Faraday được tặng vé tham dự các buổi thuyết giảng của Humphry Davy, một nhà hóa học lừng danh đang giảng dạy tại Viện Hoàng gia Anh. Đây là lần đầu tiên Faraday tiếp xúc với khoa học ở mức độ học thuật bài bản.

Ở buổi tham dự, Faraday tỉ mỉ ghi chép toàn bộ nội dung, bổ sung hình vẽ và sắp xếp lại thành những bản thảo hoàn chỉnh. Có lẽ việc tham gia các buổi hội thảo của Davy, Faraday dần nung nấu khát vọng được làm việc trong môi trường khoa học. Nhận thức rõ bản thân thiếu nền tảng giáo dục chính quy và mối quan hệ quen biết, Faraday đã đánh bạo, gửi tới Davy một bản thảo dài 300 trang ông đã ghi chép cẩn thận kèm thư xin việc, bày tỏ mong muốn được trực tiếp tham gia phòng thí nghiệm.

Thế nhưng xin vào làm việc tại phòng thí nghiệm khoa học lúc đó, không phải chuyện dễ dàng. Không chỉ vậy, Humphry Davy còn chẳng thèm đoái hoài đến lá thư xin việc của chàng thợ đóng sách vô danh. Bản thảo ghi chép tỉ mỉ của Faraday bị lãng quên giữa hàng núi công việc và thư từ của nhà khoa học danh tiếng.

Nhưng vài tháng sau, một sự cố xảy ra trong phòng thí nghiệm: Người trợ lý ở phòng thí nghiệm Davy bị sa thải sau một tai nạn. Phòng thí nghiệm cần tìm người thay thế ngay lập tức, Davy bỗng nhớ đến chàng trai từng gửi bản thảo ghi chép cẩn thận. Ký ức ấy thôi thúc Davy gọi Faraday đến làm trợ lý, một quyết định sau này được coi là một trong những quyết định sáng suốt nhất trong cuộc đời của nhà hóa học Humphry Davy. 

Tháng 10 năm 1812, cuộc đời Michael Faraday bước sang một bước ngoặt quan trọng khi ông được nhận vào làm việc tại phòng thí nghiệm của giáo sư Humphry Davy. Ban đầu, Faraday chỉ đảm nhận vai trò giúp việc với mức lương khiêm tốn. Dẫu ở vị trí thấp, nhưng bản thân Faraday luôn thể hiện sự tận tâm và năng lực vượt trội. Ông ghi chép hết sức chính xác các ý tưởng khoa học của Davy và luôn chủ động tham gia phân tích số liệu thực nghiệm, đưa ra những nhận xét về các kết luận khoa học được rút ra từ thí nghiệm.

Ngày 1 tháng 3 năm 1813, Faraday chính thức được bổ nhiệm làm trợ lý khoa học. Kể từ đó, ông theo Davy trong các chuyến công du khoa học tới Pháp và Ý, chuyến đi giúp Faraday có cơ hội tiếp xúc trực tiếp với nhiều nhà bác học hàng đầu châu Âu. Trong suốt các chuyến đi, Faraday không ngừng ghi chép, quan sát và tích lũy tri thức, từng bước mở rộng nền tảng khoa học của mình. 

Thời kỳ Michael Faraday gia nhập phòng nghiên cứu của Humphry Davy cũng là lúc ngành hóa học đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ. Trước đó, hệ thống hóa học do nhà khoa học Antoine-Laurent Lavoisier xây dựng vào cuối thế kỷ XVIII cho rằng oxy giữ vai trò trung tâm trong hiện tượng cháy và trong bản chất của các axit. Tuy nhiên, các nghiên cứu của nhà khoa học Humphry Davy bắt đầu chất vấn và điều chỉnh lại các giả định này.

Thông qua thí nghiệm phân hủy axit clohydric, Davy chứng minh được rằng clo là một nguyên tố độc lập và axit không nhất thiết phải chứa oxy. Phát hiện của Davy đã đi đến một nhận định mới cho ngành hóa học: “Tính chất hóa học của một chất không chỉ phụ thuộc vào việc nó được tạo thành từ những nguyên tố nào, mà còn phụ thuộc vào cách các nguyên tố ấy liên kết và sắp xếp trong phân tử.”

Cách tiếp cận của Humphry Davy đã chịu ảnh hưởng từ lý thuyết nguyên tử của Ruggero Giuseppe Boscovich. Đây cũng là lý thuyết có ảnh hưởng lớn đến Faraday trong cách ông tiếp cận điện từ về sau.

Đến năm 1820, giai đoạn học việc thứ hai của Michael Faraday dưới sự dẫn dắt của Humphry Davy chính thức khép lại. Thời điểm này, Faraday không còn là một trợ lý mà trở thành một nhà hóa học được đào tạo bài bản, nắm vững cả lý thuyết lẫn kỹ thuật thực nghiệm. Bản thân ông đã hình thành khả năng tự xây dựng và theo đuổi các quan điểm khoa học độc lập.

Từ đây, Faraday bắt đầu công bố những công trình nghiên cứu mang dấu ấn riêng và nhanh chóng tạo dựng uy tín trong giới khoa học. Danh tiếng lan rộng với tư cách là một nhà hóa học phân tích xuất sắc, giúp Faraday thường xuyên được mời làm chuyên gia khoa học trong các vụ việc pháp lý, góp phần mang lại nguồn thu hỗ trợ Viện Hoàng gia.

Trong thập niên 1820, Faraday đạt được hàng loạt thành tựu quan trọng. Năm 1820, ông điều chế thành công các hợp chất carbon - clo đầu tiên (Cl2Cl6 và Cl2Cl4). Năm 1825, trong quá trình nghiên cứu khí chiếu sáng, Faraday phân lập và mô tả về benzen, hợp chất sau này trở thành nền tảng của hóa học hữu cơ. Cùng thời gian, các nghiên cứu của ông về hợp kim thép đã góp phần đặt cơ sở cho sự hình thành của luyện kim học khoa học.

Ngoài nghiên cứu các hợp chất, Faraday còn tham gia cải thiện thủy tinh quang học dùng cho kính viễn vọng. Các công trình nghiên cứu được cho là liên quan mật thiết đến thành công về điện từ của ông ở giai đoạn sau.

Năm 1821, Faraday kết hôn với Sarah Barnard. Sự ổn định cả về tinh thần và gia đình đã cho phép Faraday khám phá lĩnh vực vật lý, mở đầu cho giai đoạn rực rỡ nhất trong sự nghiệp khoa học trong cuộc đời ông.

Tinh thần tự học và tự mày mò khiến Michael Faraday không dừng lại ở những thành công trong hóa học. Trong các thí nghiệm, Faraday nhận thấy điện không chỉ hỗ trợ các phản ứng hóa học, mà còn tác động trực tiếp đến cách vật chất vận hành. Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ XIX, điện vẫn là lĩnh vực còn nhiều mơ hồ.

Khi ấy, một số công trình đương thời cho thấy dòng điện có thể sinh ra từ trường, Faraday hiểu bản thân đang tiếp cận một mối liên hệ căn bản giữa các lực tự nhiên. Sự tò mò đã thôi thúc ông tự tiến hành hàng loạt thí nghiệm nhằm làm sáng tỏ bản chất của điện.

Năm 1821, Faraday chứng minh được một cực nam châm có thể chuyển động liên tục quanh dây dẫn mang dòng điện. Đây cũng là lần đầu tiên trong lịch sử, điện được biểu hiện trực tiếp thành chuyển động cơ học.

Từ kết quả, Faraday chế tạo thiết bị đầu tiên chuyển điện năng thành cơ năng, nguyên mẫu của động cơ điện. Khai sinh ra nguồn lực điện được ứng dụng trong kỹ thuật.

Khác với những quan điểm của các nhà khoa học cùng thời, nhận định điện là một “chất lỏng” vô hình, bản thân Faraday lại không tin vào điều đó. Theo ông, điện là trạng thái được lan truyền trong vật chất, không phải thứ gì đó chảy độc lập qua không gian.

Faraday cho rằng khi có dòng điện, cấu trúc bên trong của vật chất bị biến đổi, chịu tác động của các lực hút - đẩy vi mô. Trong năm 1820, Faraday tiến hành nhiều thí nghiệm nhằm tìm bằng chứng cho giả thuyết của ông. Tuy nhiên các thí nghiệm của ông liên tục gặp thất bại, không cho ra kết quả rõ ràng. Dẫu phải tạm gác lại các thử nghiệm, nhưng Faraday vẫn giữ hướng tiếp cận và tiếp tục phát triển nó trong những nghiên cứu trong tương lai.

Vào mùa xuân năm 1831, Faraday bắt đầu hợp tác với Charles (sau này là Sir Charles) Wheatstone trong các nghiên cứu về âm học. Khi quan sát những hiện tượng dao động, ông đặc biệt bị cuốn hút bởi cách các rung động vô hình có thể tạo nên những cấu trúc rõ ràng và có trật tự. Một tấm kim loại khi rung lên sẽ khiến cát rải trên bề mặt tự sắp xếp thành các hoa văn đối xứng ở những tấm hình Chladni nổi tiếng. Từ đây, Faraday nảy ra một câu hỏi táo bạo: Liệu trong điện cũng tồn tại những “dao động” tương tự và liệu chuyển động có thể sinh ra hiệu ứng điện hay không?

Vào ngày 29 tháng 8 năm 1831, Faraday bắt tay vào thí nghiệm nổi tiếng với hai cuộn dây quấn quanh một vòng sắt. Khi ông đóng và ngắt dòng điện ở cuộn thứ nhất, dòng điện tức thời xuất hiện rồi biến mất trong cuộn thứ hai. Đáng chú ý, chiều dòng điện đổi ngược khi mạch bị ngắt.

Thí nghiệm đã chứng minh sự biến đổi của từ trường có thể tạo ra dòng điện. Từ đó, Faraday đề xuất khái niệm “trạng thái điện”, một dạng sức căng tồn tại trong vật chất, trong đó dòng điện không phải là một thực thể tĩnh, mà là quá trình hình thành hoặc giải phóng trạng thái ấy.

Tiếp tục nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ, Faraday dần rút ra những kết luận mang tính quy luật. Ông nhận thấy dòng điện chỉ xuất hiện khi nam châm chuyển động vào hoặc ra khỏi cuộn dây, chứ không phát sinh khi nam châm đứng yên. Đồng thời, cường độ dòng điện phụ thuộc vào mức độ và tốc độ biến đổi của từ trường.

Dựa trên những hiểu biết có được, Faraday chế tạo máy phát điện một chiều đầu tiên bằng cách cho một đĩa đồng quay trong từ trường. Thiết bị đơn giản ấy trở thành nguyên mẫu cho cả máy phát điện và động cơ điện hiện đại, đặt nền móng cho sự hình thành và phát triển của ngành công nghiệp điện hiện đại.

Sau những thành công trong lĩnh vực điện từ, Faraday hướng tới một mục tiêu tham vọng hơn: Chứng minh rằng mọi dạng điện từ điện tĩnh, điện hóa, điện từ cho đến điện sinh học, thực chất chỉ là những biểu hiện khác nhau của cùng một lực tự nhiên. 

Thông qua các thí nghiệm về điện phân, Faraday đi đến kết luận rằng điện không tác động trực tiếp từ xa lên các phân tử, mà gây ra sự phân hủy chất thông qua quá trình truyền điện trong dung dịch. Khi dòng điện đi qua, các hạt mang điện di chuyển, kéo theo sự tách rời và tái sắp xếp của các chất hóa học.

Từ những quan sát, Faraday rút ra hai quy luật cơ bản, ngày nay được gọi là định luật Faraday:

- Định luật Faraday thứ nhất: Lượng chất được giải phóng trong quá trình điện phân tỷ lệ thuận với lượng điện đi qua dung dịch.

- Định luật Faraday thứ hai: Với cùng một lượng điện, lượng chất được giải phóng phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất đó. 

Ý nghĩa: Khẳng định tính độc lập của khối lượng chất giải phóng với bản chất hóa học, cho thấy cùng một lượng điện nhưng với các nguyên tố khác nhau sẽ tạo ra lượng chất khác nhau, được xác định bởi đương lượng điện hóa.

Hai định luật này lần đầu tiên thiết lập mối quan hệ định lượng rõ ràng giữa điện và phản ứng hóa học, đặt nền móng cho lý thuyết điện hóa học hiện đại và trở thành cơ sở quan trọng của hóa học và vật lý ngày nay.

Sau nhiều năm làm việc liên tục với cường độ cao, trải dài trên cả thực nghiệm lẫn lý thuyết, sức khỏe của Faraday dần suy kiệt. Năm 1839, ông buộc phải tạm dừng nghiên cứu khi thể trạng suy sụp nghiêm trọng. Trong suốt những năm tiếp theo, Faraday gần như không có đóng góp khoa học mang tính sáng tạo. Chỉ đến năm 1845, ông mới có thể quay lại phòng thí nghiệm, tiếp tục phát triển những quan điểm lý thuyết của mình.

Khoảng năm 1855, trí nhớ của Faraday bắt đầu suy giảm rõ rệt. Dẫu vậy, thỉnh thoảng ông vẫn tiến hành thí nghiệm. Một trong những nỗ lực cuối cùng của ông là tìm kiếm mối liên hệ giữa trọng lực và điện với niềm tin rằng trọng lực tương tự như từ tính có thể chuyển hóa thành một dạng lực khác, nhiều khả năng là lực điện. Tuy nhiên, thí nghiệm của ông không mang lại kết quả như kỳ vọng và Hội Hoàng gia đã từ chối công bố những kết quả mang tính phủ định ấy.

Theo thời gian, tình trạng lú lẫn của Faraday ngày càng trầm trọng. Để ghi nhận những cống hiến trọn đời của ông cho khoa học, Nữ hoàng Victoria đã ban tặng Faraday một ngôi nhà tại Hampton Court, đồng thời đề nghị phong tước hiệp sĩ. Faraday trân trọng nhận ngôi nhà, nhưng khước từ danh hiệu cao quý,  khẳng định rằng ông chỉ mong được là “ông Faraday” bình thường cho đến cuối đời.

Michael Faraday qua đời năm 1867 và được an táng tại Nghĩa trang Highgate, Luân Đôn, khép lại cuộc đời của một con người đã góp phần kiến tạo nên một quan niệm hoàn toàn mới về thực tại vật lý.

Đóng góp nổi bật nhất của Michael Faraday nằm ở việc đặt nền móng cho khoa học điện từ và điện hóa, hai lĩnh vực giữ vai trò then chốt trong sự phát triển của vật lý và hóa học hiện đại.

Trong lĩnh vực điện từ, Faraday là người phát hiện hiện tượng cảm ứng điện từ vào năm 1831, qua đó chứng minh từ trường biến thiên có thể sinh ra dòng điện. Khám phá đã dẫn đến sự ra đời của máy phát điện, mở đường cho việc sản xuất và sử dụng điện năng trên quy mô lớn. Ông cũng chế tạo những động cơ điện sơ khai, đây là lần đầu tiên, con người có thể chứng kiến khả năng chuyển đổi điện năng thành chuyển động cơ học một cách rõ ràng và có hệ thống như vậy.

Trong lĩnh vực điện hóa học, Faraday bác bỏ quan niệm điện là một “chất lỏng” bí ẩn, thay vào đó ông chứng minh điện là một dạng tác động vật lý có thể đo lường và tuân theo các quy luật xác định. Thông qua các thí nghiệm điện phân, ông thiết lập hai định luật Faraday, chỉ ra lượng chất được giải phóng trong phản ứng hóa học tỷ lệ trực tiếp với lượng điện đi qua dung dịch. Định luật Faraday đã đặt nền móng cho hóa học vật lý và vẫn giữ nguyên giá trị cho đến ngày nay.

Quan trọng nhất, Faraday đã mang đến một cách nhìn hoàn toàn mới về điện và từ. Thay vì coi chúng là những lực tác động tức với những quan điểm lỗi thời, Faraday đã đề xuất khái niệm mới, một quan niệm mang tính cách mạng, mở đường cho sự phát triển của lý thuyết điện từ hiện đại và ảnh hưởng sâu sắc đến các công trình sau này của James Clerk Maxwell.

Tóm lại, Michael Faraday đã để lại những thành tựu mang tính nền tảng cho khoa học điện từ và điện hóa bằng khả năng tự học bền bỉ cùng tinh thần nỗ lực không ngừng, vượt lên mọi giới hạn từ xuất phát điểm.