Nguồn gốc của thủy tinh: Chuyến hành trình về những nền văn minh cổ đại

Thủy tinh ngày nay là một vật liệu hết sức bình thường. Bạn có thể bắt gặp chúng ở bất cứ đâu, từ phòng bếp nhà mình tới dãy hàng khuyến mãi trong siêu thị. Nhưng ít người biết trong những ngày đầu khi thủy tinh mới được chế tạo ra, nó từng được coi là một vật liệu chỉ được dùng bởi các vị vua.

Hàng ngàn năm trước, các pharaoh của Ai Cập cổ đại lúc nào cũng muốn giữ thủy tinh xung quanh mình. Ngay cả khi họ chết, thủy tinh cũng được lựa chọn để làm vật dụng mai táng.

Các nhà khảo cổ đã tìm thấy trong lăng mộ của Vua Tutankhamen một chiếc mặt nạ bằng vàng được khảm với thủy tinh màu xanh lam. Ngoài ra còn có một bảng màu trang trí và hai chiếc tựa đầu thủy tinh màu xanh lam. Nghe có vẻ kì cục, nhưng đó có thể chính là những chiếc gối từng nâng đỡ đầu của vị vua khi còn sống.

Giải thích cho sự ưa chuộng thủy tinh trong thời Ai Cập cổ đại, nhà khảo cổ học Andrew Shortland đến từ Đại học Cranfield, Anh Quốc cho biết: Ai Cập vốn là một thế giới sa mạc ngập tràn sắc vàng và sắc nâu của cát.

Trong thời kỳ đồng muộn, sự ra đời của thủy tinh pha màu sẽ tạo những điểm nhấn nổi bật nhất bên cạnh các loại đá quý. Người Ai Cập cổ đại đã chế tạo được thủy tinh xanh lam, xanh ngọc và màu tím. Trong hệ thống phân cấp vật liệu của họ, thủy tinh chỉ xếp sau bạc và vàng. Một mặt nào đó, nó cũng được coi là một loại đá quý - một loại đá quý nhân tạo

Điều đó có nghĩa là khác với đá được khai thác thụ động, phụ thuộc vào các mỏ trong tự nhiên, thủy tinh là một vật liệu mà con người chủ động làm ra được. Nhưng người cổ đại đã chế tạo ra thủy tinh lần đầu tiên ở đâu? Nền văn minh nào có vinh dự sở hữu "bằng sáng chế" cho vật liệu tuyệt vời này? Đó vốn là một câu hỏi làm đau đầu các nhà khảo cổ.

Phải cho đến vài thập kỷ gần đây, các kỹ thuật khoa học vật liệu tiên tiến mới cho phép họ phân tích lại các hiện vật được khai quật và điền dần vào câu chuyện của thủy tinh trong quá khứ. Điều đó không chỉ làm sáng tỏ nguồn gốc của thủy tinh, mà còn mở ra cánh cửa cho phép chúng ta nhìn vào cuộc sống của các nghệ nhân, thương nhân và cả các vị vua trong thời kỳ đồ đồng muộn, cũng như các mối liên hệ xuyên lục địa giữa họ.

Thủy tinh, cả trong thời kỳ cổ đại và hiện đại, là một vật liệu được làm từ silicon dioxide gọi tắt là silica. Thứ vật liệu giòn và cứng này được đặc trưng bởi các nguyên tử sắp xếp không có trật tự. Ví dụ như thạch anh cũng có nguồn gốc từ silica nhưng các nguyên tử của nó được ghim cố định vào các vị trí cách đều nhau theo mô hình lặp lại. Thủy tinh thì không như vậy, các phân tử của nó gồm một nguyên tử silic liên kết với hai nguyên tử oxy được sắp xếp rất lộn xộn.

Những hạt thủy tinh có niên đại sớm nhất được tìm thấy vào thiên niên kỷ thứ ba trước Công nguyên. Nhưng phải đợi tới cuối Thời đại đồ đồng - khoảng 1600 đến 1200 trước Công nguyên - việc sử dụng thủy tinh mới thực sự phát triển ở Ai Cập, Hy Lạp thời kỳ Mycenaean và nền văn minh Lưỡng Hà còn gọi là Cận Đông nằm ở Syria và Iraq ngày nay.

Không trong suốt như bây giờ, thủy tinh cổ đại thường mờ đục và được pha bão hòa với màu sắc. Sicica được dùng để làm ra thủy tinh cũng không được thu hoạch từ cát, mà chính từ những viên sỏi thạch anh nghiền nhỏ.

Người xưa đã tìm ra được cách để hạ nhiệt độ nóng chảy của thạch anh vụn xuống tới mức có thể đạt được trong các lò nung đồng: họ làm điều đó bằng cách sử dụng tro của thực vật sa mạc, có chứa hàm lượng muối cao như natri cacbonat hoặc bicacbonat. Các loại cây này cũng chứa vôi - oxit canxi - với sự có mặt của nó sẽ làm cho thủy tinh bền hơn.

Sau khi có được vật liệu, các nhà sản xuất thủy tinh cổ đại sẽ thêm vào đó các chất tạo màu cho thủy tinh, chẳng hạn như coban cho màu xanh đậm hoặc chì antimonate cho màu vàng. Các thành phần này được kết hợp trong quá trình nung chảy thủy tinh, bây giờ, trở thành những manh mối hóa học quan trọng giúp các nhà nghiên cứu tìm ra câu trả lời cho nguồn gốc của chúng.

Marc Walton, một nhà khoa học vật liệu đến từ Đại học Northwestern, Hoa Kỳ, cho biết: "Chúng ta có thể bắt đầu phân tích các nguyên liệu thô dùng để sản xuất thủy tinh và sau đó đưa ra các giả thuyết xem nó đến từ đâu trên thế giới".

Từ thập niên 1980, nhà hóa học người Ba Lan Alexander Kaczmarczyk đã phát hiện những mẫu thủy tinh màu xanh lam cổ đại có một điểm chung. Chúng cùng chứa các nguyên tố như nhôm, mangan, niken, kẽm và coban, những nguyên tố tạo cho thủy tinh màu xanh thẳm.

Bằng cách kiểm tra số lượng tương đối của các thành phần này, Kaczmarczyk đã phát hiện nguồn gốc của chúng đến từ những ốc đảo cụ thể trong sa mạc Ai Cập, nơi có những mỏ quặng coban đã được khai thác và sử dụng.

Tiếp tục ở nơi Kaczmarczyk đã dừng lại, Shortland bắt đầu tìm hiểu cách người Ai Cập cổ đại làm việc với những quặng coban đó. Vốn là một vật liệu chứa sunfat còn được gọi là phèn, coban lẽ ra sẽ không thể kết hợp được với thủy tinh.

Nhưng trong phòng thí nghiệm, Shortland và các đồng nghiệp đã tái tạo một phản ứng hóa học mà những người thợ thủ công Thời kỳ đồ đồng muộn có thể đã sử dụng. Đó là một phản ứng rất tinh vi cho phép họ tái tạo lại được màu xanh thẳm trên thủy tinh giống như thủy tinh màu xanh lam của người cổ đại ở Ai Cập.

Tuy nhiên, những tiến bộ khoảng 20 năm trước chỉ dừng lại ở đó. Các rào cản trong kỹ thuật phân tích hóa học không cho phép Shortland và các đồng nghiệp vừa phân tích một hiện vật khảo cổ mà vừa giữ được sự nguyên vẹn của chúng.

Ví dụ như để kiểm tra một chiếc bình thủy tinh cổ đại, các nhà khoa học bắt buộc phải phá hủy nó, ít nhất là lấy một mảnh lớn của chiếc bình và nghiền ra và chia thành nhiều mẫu thử nghiệm. Các bảo tàng thì dĩ nhiên không chấp nhận điều đó.

Bởi vậy sau hàng thập kỷ được tìm thấy, các mẫu vật thủy tinh ở Ai Cập, Cận Đông và Hy Lạp cổ đại vẫn là một bí ẩn, dường như không ai có thể phân biệt được chúng về mặt hóa học. Phải cho tới những năm đầu tiên của thế kỷ này, một phương pháp phân tích vật liệu tiên tiến hơn ra đời mới cung cấp cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc hơn về con đường phát triển của thủy tinh.

Được gọi là phương pháp cắt bỏ bằng tia laser khối phổ kết hợp cảm ứng, viết tắt là LA-ICP-MS, kỹ thuật này sử dụng tia laser để trích xuất một hạt vật chất cực nhỏ, không thể nhìn thấy bằng mắt thường khỏi mẫu vật. "So với việc lấy một cái búa ra và xin một mảnh lớn, điều này dễ được chấp nhận hơn từ phía các bảo tàng", Shortland nói.

Sau khi có được mẫu phẩm, LA-ICP-MS tiếp tục sử dụng khối phổ để đo một loạt các nguyên tố, tạo ra một dấu vân tay hóa học cho mẫu vật thủy tinh mà các nhà khoa học thu thập được. Dựa trên phương pháp này, vào năm 2009, Shortland, Walton và một số nhà khoa học khác đã phân tích các hạt thủy tinh có niên đại từ thời kỳ đồ đồng muộn ở Hy Lạp.

Giả thuyết của nhiều nhà khoa học trước đó cho rằng nền văn minh Hy Lạp thời kỳ này đã tự sản xuất được thủy tinh. Nhưng phân tích cho thấy những mảnh thủy tinh này thực ra có dấu vết từ vùng Cận Đông và cả Ai Cập.

Trong khi thủy tinh Ai Cập có xu hướng chứa hàm lượng lantan, zirconium và titan cao, thủy tinh ở vùng Cận Đông có xu hướng chứa nhiều crôm. Phát hiện cho thấy người Hy Lạp cổ đại đã phải nhập khẩu thủy tinh từ cả hai nơi. Mặc dù có thể đã gia công thủy tinh nhưng người Hy Lạp trong thời đồ đồng muộn không thể hoặc đã không tự sản xuất chúng.

Nhưng thủy tinh được chế tạo ra lần đầu tiên ở đâu? Trong ít nhất 100 năm, các nhà nghiên cứu đã tranh luận về hai đối thủ chính: Cận Đông và Ai Cập.

Ai Cập vốn nổi tiếng với những kim tự tháp và hầm mộ, với những đồ tạo tác thủy tinh tuyệt đẹp và được bảo quản tốt. Những cổ vật được tìm thấy ở đó có niên đại vào khoảng 1500 năm trước Công nguyên đã khiến giả thuyết ban đầu nghiêng về phía Ai Cập.

Nhưng đến những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã xoay chiều sang phía Cận Đông sau khi các máy xúc khai quật tìm thấy vô số thủy tinh tại Nuzi, một thị trấn thuộc Thời đại đồ đồng muộn ở Iraq ngày nay. Những mảnh thủy tinh này cũng có niên đại từ những năm 1500 trước Công nguyên.

Tuy nhiên, cũng trong khoảng thời gian đó, một cuộc phân tích lại các văn bản khảo cổ học cho thấy mẫu thủy tinh ở Nuzi thực ra trẻ hơn ước tính từ 100 đến 150 năm tuổi. Vào khoảng thời gian đó, ngành công nghiệp thủy tinh của Ai Cập cổ đại dường như đã tiến bộ hơn hẳn. Thế là một lần nữa giả thuyết Ai Cập lại được ưa chuộng.

Nhưng đó chưa phải là kết thúc của câu chuyện. Thủy tinh có thể xuống cấp, đặc biệt là trong điều kiện ẩm ướt. Các đồ vật từ các ngôi mộ và thị trấn cổ đại của Ai Cập đã tồn tại hàng thiên niên kỷ, và được bảo quản trong môi trường gần như lý tưởng của sa mạc.

Ngược lại, thủy tinh Cận Đông được tìm thấy trong các ngôi mộ ngập nước của vùng Lưỡng Hà. Các mẫu vật này thường xuyên phải đối mặt với cuộc xâm lăng của nước, thứ có thể làm trôi ra các hợp chất ổn định và biến thủy tinh thành bột dễ bị bong tróc.

Loại thủy tinh đã xuống cấp này rất khó xác định và có thể người ta sẽ bỏ qua chúng. Điều đó nghĩa là rất nhiều mẫu thủy tinh ở vùng Cận Đông có thể đã bị bỏ sót không được phân tích. "Tôi nghĩ rất nhiều mảnh thủy tinh đã biến mất dễ dàng theo cách như vậy", Shortland nói. "Các cuộc khai quật ban đầu ít bận tâm về loại thủy tinh cũ bong tróc này".

Do đó, cuộc cạnh tranh vẫn chưa thực sự kết thúc, "bạn thực sự chưa thể xác định đâu là nơi ra đời sớm nhất của thủy tinh vào lúc này", Shortland nói.

Điều thậm chí còn khó hơn là việc phân tích thủy tinh đã được sản xuất ra ở đâu. Một phần là do vật liệu sản xuất thủy tinh thường xuyên được trao đổi, cả dưới dạng hoàn thiện lẫn dạng thủy tinh thô để chế tác thành hạt và các sợi vòng trang sức.

Theo Thilo Rehren, một nhà khoa học vật liệu khảo cổ tại Viện Cyprus ở Nicosia, người đã nghiên cứu kỹ thuật chế tác đồ thủ công đằng sau các hiện vật được tìm thấy trong lăng mộ của vua Tutankhamen: Thủy tinh là một vật liệu giúp hàn gắn các đế chế cổ đại lại với nhau.

Các vị vua thường phải tặng thưởng vật liệu sản xuất thủy tinh cho những chư hầu, nhằm đổi lại hàng hóa hoặc sự trung thành của họ. Những nguyên vật liệu này nằm trong một kho tàng các thể loại cống vật phẩm khác trong thời kỳ hậu đồ đồng bên cạnh ngà voi, đá quý, gỗ, động vật, và cả nô lệ là con người...

Tại một khu khai quật ở Gurob, Ai Cập, nơi từng được cho là một cung điện của càng hoàng hậu, Shortland và các đồng nghiệp đã tìm thấy một chiếc vòng cổ bằng hạt thủy tinh. Dấu hiệu hóa học trên đó chỉ ra chuỗi hạt này có nguồn gốc từ vùng Méopotamia với hàm lượng crom tương đối cao.

Điều này ngụ ý chiếc vòng đã được cống nạp cho Pharaoh Thutmose III cùng với những người phụ nữ Cận Đông sau này trở thành vợ của nhà vua. Một lần nữa, kỹ thuật phân tích LA-ICP-MS "bây giờ đã giúp chúng tôi bắt đầu nhìn ra một số loại hình trao đổi diễn ra giữa Ai Cập và các khu vực khác lân cận", Shortland nói.

Một trong những bằng chứng nổi bật nhất trên những con đường giao thương này được tìm thấy vào năm 1980. Tại một vùng biển ngoài khơi Thổ Nhĩ Kỳ, các thợ lặn đã tìm thấy xác một con tàu đắm có niên đại từ năm 1300 trước Công nguyên. Được đặt tên là Uluburun, con tàu này có lẽ thuộc về người Phoenicia và nó đã bị đắm trên một chuyến hành trình vận chuyển các vật phẩm cống nạp.

Người ta đã tìm thấy trong đó rất nhiều ngà voi, đồng, thiếc, thậm chí hổ phách từ vùng Baltic. Nổi bật trong số các vật phẩm được tìm thấy là 175 thỏi thủy tinh gia công chưa hoàn thiện. Hầu hết các thỏi thủy tinh này có màu xanh đậm, màu coban nhưng cũng có những thỏi màu tím và xanh ngọc.

Caroline Jackson, nhà khảo cổ học tại Đại học Sheffield ở Anh, cho biết bản thân những hiện vật trong xác tàu đắm này có thể tiết lộ một nền kinh tế toàn cầu.

Năm 2010, Jackson và các đồng nghiệp đã làm vỡ một vài mảnh nhỏ của ba thỏi thủy tinh để phân tích nguồn gốc của nó. Họ báo cáo trong một nghiên cứu chứng minh các thỏi thủy tinh thô này đã xuất phát từ Ai Cập, dựa trên nồng độ của các kim loại chứa trong đó.

Một lý do khác khiến việc xác định địa điểm sản xuất thủy tinh trở nên khó khăn hơn bao giờ hết là quy trình này rất hiệu quả. Có nghĩa là nguyên vật liệu dùng làm thủy tinh thường được tận dụng tối đa và rất ít bị lãng phí.

Rehren cho biết nếu "bạn tìm thấy một đồ vật đã hoàn thành, nó tất nhiên sẽ được đưa vào viện bảo tàng". Còn đâu khó có cách nào tìm thấy những nguyên vật liệu vương vãi còn sót lại.

Để đi tìm những báu vật bên ngoài bảo tàng đó, Rehren và nhà khảo cổ học Edgar Pusch đã phải lặn lội vào trong một ngôi nhà đầy bọ chét ở đồng bằng sông Nile vì nghi ngờ đó là một xưởng sản xuất thủy tinh cổ đại. Địa điểm này nằm ở gần Qantir ngày nay, nơi từng là thủ đô của đế chế Ai Cập vào khoảng năm 1200 trước Công nguyên, dưới thời đại trị vì của Pharaoh Ramses II.

Trong khu xưởng mà họ nghi ngờ, Rehren và Pusch không tìm thấy thủy tinh thành phẩm, nhưng họ đã đã tìm thấy những đồ gốm dường như là khuôn để chứa thủy tinh nung chảy. Phía trong những khuôn gốm này có một lớp giàu vôi, lớp này sẽ hoạt động như một lớp ngăn cách chống dính giữa thủy tinh và gốm, cho phép những nghệ nhân cổ đại dễ dàng nhấc thủy tinh ra ngoài.

Tại đây, Rehren và Pusch cũng may mắn tìm thấy một vại bia chứa một dạng thủy tinh bán thành phẩm màu trắng và có bọt. Dựa trên màu sắc của những khuôn gốm, Rehren và Pusch đoán được nhiệt độ mà thủy tinh đã phải chịu trong các lò nung này lên tới khoảng 900°C.

Đó là mức nhiệt để các nghệ nhân cổ đại nấu chảy các nguyên liệu thô cho đến khi chúng tạo thành thủy tinh. Cá biệt có một số nồi nấu có màu đỏ sẫm và đen, cho thấy chúng đã được nung tới nhiệt độ trên 1.000°C, đủ cao để làm tan chảy hoàn toàn thủy tinh và tạo màu đồng đều cho nó. Rehren và Pusch đã tìm thấy một vài mảnh thủy tinh đỏ còn sót lại, chúng có lẽ đã được nhuộm bằng đồng.

"Chúng tôi có lẽ là những người đầu tiên xác định được bằng chứng của một lò sản xuất thủy tinh cổ đại", Rehren nói. "Trước đây không ai biết một lò sản xuất thủy tinh thời đó trông như thế nào".

Tiếp tục hướng điều tra đó, Rehren và các đồng nghiệp tiếp tục tìm thấy các lò chế tạo thủy tinh và sản xuất phôi tương tự ở nhiều địa điểm khác nhau, bao gồm Amarna, một thành phố sa mạc cổ đại, thủ đô của đế chế Akhenaton trong những năm 1300 trước Công nguyên.

Rehren phát hiện ra một mô hình thú vị: Những nồi nấu của người Amarna chỉ sản xuất ra thủy tinh thành phẩm có màu xanh coban. Nhưng tại Qantir, nơi đồng đỏ cũng được sản xuất để làm đồ đồng, những chiếc chén nung được khai quật cho thấy thủy tinh ở đây chủ yếu có màu đỏ.

Tại Qantir, nhà Ai Cập học Mahmoud Hamza thậm chí còn khai quật được một thỏi thủy tinh lớn có màu đỏ nhưng bị ăn mòn vào những năm 1920. Và tại một địa điểm có tên là Lisht, những chiếc chén bằng thủy tinh chứa các mảnh vỡ chủ yếu có màu xanh ngọc.

Rehren cho biết thủy tinh đơn sắc được tìm thấy ở mỗi địa điểm gợi ý mỗi xưởng sản xuất chỉ chuyên làm thủy tinh một màu. Nếu có những thỏi thủy tinh đa sắc được tìm thấy tại cùng một địa điểm, nhiều khả năng nó đã được làm ra từ các thỏi màu mà họ nhập từ nơi khác tới, trong quá trình buôn bán.

Các nhà khảo cổ tiếp tục theo đuổi câu chuyện về thủy tinh ở Amaran, trong một số trường hợp, họ còn cẩn thận xác nhận lại những khám phá của các nhà khảo cổ đi trước. Ví dụ như năm 1921-22, một nhóm người Anh do nhà khảo cổ học nổi tiếng Leonard Woolley dẫn đầu đã thực hiện một cuộc khai quật lớn ở Amarna.

"Nói thẳng ra là ông ấy đã đào lên một đống hỗn độn", Anna Hodgkinson, một nhà Ai Cập học và khảo cổ học tại Đại học Tự do Berlin, cho biết. Chỉ tập trung vào các khám phá lớn hơn, Woolley ngày đó đã bỏ quên những mảnh thủy tinh vương vãi.

Điều đó đã khiến Hodgkinson phải tổ chức lại một cuộc khai quật vào năm 2014-2017 để thu nhặt chúng. Trong nghiên cứu mới, nhóm của ông đã tìm thấy các hạt và thanh thủy tinh ở khắp nơi trong khu vực khai quật ở Amarna.

Một số đồ vật thủy tinh được tìm thấy gần các hộ gia đình cổ đại có địa vị tương đối thấp, nhưng họ cũng không phải các nghệ nhân vì nhà họ không có lò nung. Phát hiện này rất chấn động bởi sở hữu thủy tinh trong thời cổ đại cũng là một biểu tượng của địa vị và quyền lực.

Hodgkinson nghi ngờ phát hiện này có thể là một bằng chứng cho thấy việc chế tạo thủy tinh có lẽ ít độc quyền hơn các nhà nghiên cứu trước đây từng nghĩ. Có thể những người thuộc tầng lớp thấp không có nhiều thủy tinh, nhưng họ vẫn tham gia vào quá trình sản xuất chúng và sở hữu được thủy tinh theo cách nào đó.

Bằng chứng từ một bức vẽ thời Ai Cập cổ đại cho thấy một lò thổi thủy tinh nhỏ chỉ yêu cầu hai người thợ vận hành. Họ dùng các ống thổi để liên tục duy trì ngọn lửa trong lò, cách thủ công này được chứng minh là có thể đưa nhiệt độ lên đến đủ cao để nung chảy các mảnh thủy tinh nhỏ.

Hodgkinson đoán rằng ngay cả phụ nữ và trẻ em cũng có thể tham gia vào quá trình này, các lò nung nhỏ được vẽ với số lượng lớn, và sẽ cần rất nhiều người để duy trì ngọn lửa cho chúng.

Rehren cũng đang suy nghĩ lại về giả thuyết thủy tinh chỉ dành cho hoàng gia. Ở các thị trấn buôn bán ở Cận Đông có rất nhiều thủy tinh và một lượng lớn được chuyển đến Hy Lạp.

"Đối với tôi, thủy tinh không có vẻ gì giống như một thứ hàng hóa được kiểm soát chặt chẽ của hoàng gia", anh nói. "Tôi tin rằng trong 5, 10 năm nữa chúng ta sẽ có những khám phá mới để lập luận rằng thủy tinh là một mặt hàng đắt tiền và chuyên dụng, nhưng không phải là mặt hàng được kiểm soát chặt chẽ". Vật liệu này được coi là ưu tú, nhưng không phải chỉ hoàng gia mới có thể sử dụng.

Bởi vậy, khi các địa điểm khảo cổ vẫn đang được tiếp tục tìm kiếm, mỗi ngày, các nhà khoa học lại có cho mình được các phát hiện mới. Mỗi phát hiện lại định hình một tuyến truyện khác nhau về nguồn gốc và sự phổ biến của thủy tinh trong thời cổ đại. Rehren cảnh báo về sự chắc chắn trong các kết luận mà chúng ta có được từ trước tới nay.

Thuỷ tinh bắt nguồn từ Ai Cập hay vùng Cận Đông? Nó là một vật liệu dành cho hoàng gia, quý tộc hay người dân thường cũng có thể sử dụng? Câu trả lời cần được hỗ trợ bởi những bằng chứng và suy luận cẩn thận.

"Trong quá trình đó, bạn sẽ nhận được những thông tin trái ngược và những ý kiến trái chiều. Tất cả những mảnh vỡ thông tin này, giống như những mảnh thủy tinh, bạn có thể lắp ráp chúng theo nhiều cách khác nhau để tạo ra những bức tranh khác biệt", Rehren kết luận.