Nghịch lý điện tích: sai lầm lịch sử định hình ngành điện tử

I. Franklin gán dấu cộng trừ bằng một cú đoán, và đoán ngược #

Trong dây điện, thứ thật sự di chuyển là electron, vậy mà electron mang dấu âm. Lý do không nằm ở vật lý, mà ở một cú đoán 50/50 của Benjamin Franklin ở thế kỷ 18, và ở cái giá quá đắt để sửa lại về sau.

Mở nắp điều khiển TV, bạn thường thấy hai viên pin AA, đầu nhọn in dấu (+). Sách vật lý dạy dòng điện đi ra từ cực dương. Vậy mà trong sợi dây, các hạt thật sự di chuyển lại đi ra từ đáy phẳng, chỗ in dấu (-).

Dòng điện là các hạt mang điện cùng dịch chuyển theo một hướng. Trong dây kim loại, các hạt đó là electron, loại hạt rất nhỏ có trong mọi nguyên tử.

Trên sơ đồ mạch, tức bản vẽ kỹ thuật của mạch điện, mũi tên dòng điện chỉ từ (+) sang (-): cả ngành điện tử vẽ mũi tên ngược với electron. Mọi chuyện bắt đầu từ một người, một thí nghiệm, và một cú đoán 50/50 vào thời chưa ai biết electron là gì.

Giữa thế kỷ 18, Benjamin Franklin đề xuất thuyết một chất lưu. Theo thuyết này, điện là một chất lỏng vô hình, chảy từ nơi nhiều sang nơi ít. Công bằng mà nói, tôi thấy đây là mô hình tốt so với thời đó. Nó giải thích vì sao hai vật cọ vào nhau thì hút nhau, và vì sao chạm tay vào thì hết. Cọ quả bóng bay lên tóc, tóc dựng lên bám theo bóng: chính là hiện tượng này.

Franklin đặt quy ước: vật thừa chất lưu mang dấu dương (+), vật thiếu mang dấu âm (-). Ngày nay ta gọi thứ được đánh dấu cộng trừ đó là điện tích: cùng dấu thì đẩy nhau, khác dấu thì hút nhau.

Việc khó là chọn vật nào thừa, vật nào thiếu. Franklin cọ một thanh thủy tinh vào miếng lụa. Thời đó chưa có công cụ nào nhìn tới mức hạt, nên ông chọn theo trực giác: chất lưu đi từ lụa sang thủy tinh, vậy thủy tinh là (+), lụa là (-). Hai khả năng, không cách nào kiểm chứng, xác suất trúng là 50%.

Thực tế ngược lại. Khi cọ, electron rời thủy tinh sang lụa, nên thanh thủy tinh mất hạt mà lại bị dán nhãn thừa (+). Vì vậy mũi tên trên sơ đồ, mà sách gọi là chiều dòng điện quy ước, đi theo chất lưu dương Franklin hình dung, còn electron trong dây thì đi ngược lại. Cú đoán chỉ lệch một chút thôi: đúng 180 độ.

Còn electron thì phải 150 năm sau mới có người tìm ra.

II. Năm 1897, Thomson tìm ra electron, và nó mang dấu âm #

Năm 1897, J.J. Thomson tìm ra electron nhờ ống tia âm cực. Đó là một ống thủy tinh đã rút gần hết không khí, hai đầu gắn hai miếng kim loại nối với nguồn điện. Chiếc TV màn hình lồi đời cũ cũng là một ống như vậy, chỉ to hơn.

Bật điện lên, một chùm vô hình bắn từ đầu này sang đầu kia, làm thủy tinh sáng lên ở chỗ nó đập vào. Chưa ai biết chắc chùm đó là gì. Thomson cho chùm đi qua giữa một tấm kim loại tích điện dương và một tấm tích điện âm để xem nó cong về phía nào, rồi thử bẻ cong nó bằng cả nam châm.

Kết quả rất rõ:

• Chùm hạt bị đẩy khỏi tấm âm (-).
• Chùm hạt bị hút về tấm dương (+).

Cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau: hạt trong chùm chỉ có thể mang điện âm.

Và thế là chốt. Electron, hạt chở dòng điện trong mọi sợi dây kim loại, nhận dấu của sự thiếu hụt (-). Không phải vì nó thiếu gì, mà vì nó tới muộn, vào một hệ thống đã dán nhãn ngược từ một thế kỷ rưỡi trước.

Electron giống người mới vào làm, nhận tấm bảng tên in sẵn từ trước khi mình tới: in sai, nhưng cả công ty đã quen gọi vậy nên đeo luôn. Vậy sao không ai in lại?

III. Vì sao biết ngược mà không ai sửa #

In lại nghe thì dễ: trả dấu (+) cho electron là xong. Cái khó có tên là path dependence. Nghĩa là một lựa chọn ban đầu, dù tùy tiện, một khi đã có hàng triệu thứ xây lên trên thì gần như không thể sửa đổi. Không phải vì nó đúng, mà vì chi phí sửa lại quá đắt đỏ.

Ví dụ kinh điển là bàn phím QWERTY: cách xếp chữ có từ thời máy đánh chữ, giờ vẫn nằm trên điện thoại bạn đang cầm. Chiều dòng điện là một ví dụ nặng đô hơn nhiều.

Tới đầu thế kỷ 20, quy ước của Franklin đã ăn sâu vào toàn bộ hạ tầng công nghiệp. Nó nằm trong hệ phương trình Maxwell, hàng nghìn bằng sáng chế của Edison và Tesla, mọi sơ đồ mạch và mọi cuốn sách vật lý trên thế giới. Đảo dấu electron nghĩa là viết lại tất cả, tới cả dấu (+) trên từng viên pin, và mọi kỹ sư đang đi làm phải học lại từ đầu.

Lý do thứ hai mới khiến chuyện này chấp nhận được: với các phép tính mạch điện, hai cách mô tả cho cùng một đáp số. Một hạt âm chạy sang trái tạo ra đúng dòng điện của một hạt dương chạy sang phải. Giống sổ chi tiêu: ghi “chi 100 nghìn” hay “thu âm 100 nghìn” thì số dư cuối tháng vẫn vậy, miễn cả cuốn sổ ghi một kiểu.

Nên giới khoa học chọn đường thực dụng: giữ quy ước, và tách rõ hai khái niệm.

• Chiều dòng điện quy ước: từ (+) sang (-), cách vẽ chuẩn trên sơ đồ mạch.
• Dòng electron: chiều ngược lại, thứ thật sự xảy ra trong dây kim loại.

Cả hai đều đúng, chỉ là hai cách ghi sổ cho cùng một hiện tượng. Nếu chuyện này nằm trong code, tôi sẽ báo nó là bug. Ngành điện đã đóng cái bug đó từ lâu với nhãn Won’t Fix: biết là ngược, chủ động không sửa.

IV. Ngành điện tử sống chung với dấu ngược ra sao #

Cách tách đó để lại vài hệ quả khá vui:

• Hai viên pin trong điều khiển TV. Electron dồn sẵn ở đáy phẳng (-). Khi điều khiển hoạt động, chúng đi qua mạch bên trong, từ phía (-) sang đầu nhọn (+). Dấu (+) chỉ đường cho chiều dòng điện quy ước, không phải cho hạt thật.

• Lỗ trống trong mọi con chip. Chip trong điện thoại và máy tính làm từ bán dẫn. Bán dẫn là vật liệu như silicon, có mức dẫn điện chỉnh được. Ở đây các nhà vật lý dùng một mẹo: thay vì theo dõi cả đám electron nhích dần sang trái, họ theo dõi chỗ trống electron vừa rời đi, vốn dịch dần sang phải. Chỗ trống đó được coi như một hạt mang điện dương, gọi là lỗ trống.

  Giống hàng chờ ở quầy ngân hàng: mỗi khi một người nhích lên một bước, chỗ trống lùi lại một bước. Hàng đông mà chỉ có một chỗ trống thì theo dõi chỗ trống dễ hơn nhiều, và đó là cái lợi thật của mẹo này. Phép so sánh chỉ hụt ở chỗ: chỗ trống trong hàng không mang gì, còn lỗ trống tính là mang điện dương vì thiếu một electron.

  Lỗ trống không phải hạt thật, nhưng hành xử đủ giống hạt để mọi phương trình chạy đúng, và đi cùng chiều dòng điện quy ước. Cả ngành bán dẫn đang tính toán trên một hạt không có thật.

• Điện trong cơ thể người. Chỗ trớ trêu nhất, cũng là chỗ tôi thích nhất, nằm ở đây. Xung thần kinh là tín hiệu điện chạy dọc dây thần kinh, và nó không dùng electron như dây đồng mà dùng ion natri (Na⁺) và kali (K⁺) đi qua màng tế bào. Ion là nguyên tử đã mất hoặc nhận thêm electron, nên mang điện. Hai ion này đều mất một electron, nên mang điện dương thật.

  Vậy trong cơ thể bạn, các hạt mang điện này thật sự đi theo chiều dòng điện quy ước, như chất lưu Franklin hình dung. Ông đoán sai với thủy tinh và lụa, nhưng bức tranh của ông lại đúng với dây thần kinh của chính ông.

Nên lần tới thay pin điều khiển TV, cứ tin dấu (+), chỉ cần nhớ electron đi theo chiều ngược lại. Và một quy ước chọn bằng cú đoán, khi đã đủ thứ xây lên trên, sẽ sống rất lâu sau khi ai cũng biết nó ngược.