Lưới Trời Ai Dệt? — Tiểu luận về khoa học và triết học

Thế giới và tôi

Ta phải hỏi, thế thì Giáo hội Thiên chúa giáo phản ứng thế nào về khoa học của Newton, của Leibniz? Phải chăng Tòa thánh La Mã cũng lên án Newton như đã lên án Galileo?

Trong thế kỷ thứ 17, tình hình đã có nhiều thay đổi. Giáo hội Thiên chúa giáo không còn đóng một vai rò chủ đạo trong khoa học và thế giới quan về thiên nhiên nữa. Sự thay đổi này, oái oăm thay, có lẽ là nhờ một nhà toán học và cũng là một triết lý gia Thiên chúa giáo xuất chúng, đó là Descartes.

Thời kỳ của Descartes cũng là thời kỳ nở rộ của vô số nhận thức luận về thế giới. Câu hỏi ngàn xưa đến nay vẫn là, thực tại là gì, là ai. Làm sao nhận thức được nó. Galileo, Newton và Leibniz đã hoàn thành xuất sắc trách nhiệm của mình trong lĩnh vực vật lý và toán học đồng thời cũng đã nêu lên nhiều tiền đề triết học cho thế giới quan. Thế nhưng câu hỏi triết học nọ vẫn còn y nguyên chưa ai trả lời nổi, thậm chí các luận điểm về thực tại ngày càng sai biệt và mâu thuẫn lẫn nhau. Một trong những triết gia muốn đưa khoa học ra khỏi ảnh hưởng của thần học, thoát khỏi chủ nghĩa kinh viện của thời Trung cổ là Francis Bacon. Bacon cho rằng khoa học phải xuất phát từ kiến thức của kinh nghiệm chứ không gì khác. Ông cho rằng con người phải miệt mài thu lượm kinh nghiệm của mình trong tự nhiên, phải xem xét từng biến cố, từng sự vật và hiện tượng cụ thể để xây dựng khoa học. Bacon so sánh con người cũng phải làm như “loài ong”, phải hút mật từng đóa hoa để tìm kiếm tri kiến. Bacon cho rằng con người phải gạt bỏ mọi giả định ban đầu và óc tưởng tượng thì kinh nghiệm mới “thuần túy” và trên cơ sở đó mà dùng phép loại suy để tới với tri thức.

Luận điểm của Bacon không hề phi lý nhưng lại dẫn đến một dạng cực đoan. Bacon đi quá đà khi ông lên án phép suy diễn thuần lý là sai lầm, xem toán học là vô bổ, chỉ kinh nghiệm mới là nguồn gốc mọi khoa học. Bacon đi vào lịch sử triết học như người sáng lập chủ nghĩa kinh nghiệm.

Như ta dễ dàng nhận thấy, chủ nghĩa kinh nghiệm củ Bacon là khía cạnh triết học thô thiển của nền khoa học thực nghiệm của Galileo, người sinh trước Bacon khoảng 30 năm và đã nêu lên những kiến giải hoàn toàn mới về khoa học tự nhiên. Khoa học thực nghiệm của Galileo làm tiền đề cho suy tư triết học duy kinh nghiệm của Bacon.

Triết lý của Bacon dù còn thô thiển nhưng nó nêu lên một quan điểm hoàn toàn mới mẻ. Khuynh hướng tự nhiên của tư duy là những suy tư triết học non nớt đó sẽ trở nên tinh tế với những triết gia của đời sau và đến phiên nó, triết học lại soi sáng cho khoa học. Khoa học tự nhiên và tiết học luôn luôn làm tiền đề cho nhau, cái này dẫn dắt cái kia. Đó là một sự thực quan trọng của lịch sử loài người mà trong thế kỷ 21 nó mang tính thời sự hơn bao giờ hết.

Descartes ra đời khi Bacon trở thành một nhà quý tộc cao cấp ở Anh, làm việc cho triều đình nữ hoàng Elisabeth. Cậu bé người Pháp Descartes năm lên tám đã vào tu viện học hành. Trong thời rất trẻ của Descartes, người ta đã khám phá nơi chàng trai này một đầu óc rất linh mẫn. Tu viện cho chàng một đặc quyền là buổi sáng miễn đi học vì chàng chuyên tĩnh tâm vào giờ đó.

Là một người có bộ óc xuất chúng trong cả hai lĩnh vực khoa học và triết học, nhưng tiếc thay Descartes không sống được lâu, ông mất năm 54 tuổi tại Thụy Điển. Cái chết của ông gây nhiều nghi ngờ, kẻ thì cho rằng ông mất vì bệnh sưng phổi, người thì cho rằng ông bị đối thủ triết học trong giới hoàng gia tại Thụy Điển ám hại. Thế nhưng, cuộc đời ngắn ngủi của Descartes mang lại cho hậu thế vô số kiến giải quan trọng. Thế giới quan của ông được thể hiện qua những lời sau: “Thế nên toàn bộ triết học có thể ví như một cây cao; gốc của nó là siêu hình học, thân của nó là vật lý học và mọi cành ngọn của nó là mọi ngành khoa học khác; các ngành đó có thể xếp lại thành ba loại, đó là y khoa, cơ học và đạo đức học. Với đạo đức học, tôi hiểu đó là ngành học cao cấp nhất và hoàn thiện nhất của phép hành sử, ngành học lấy mọi tri kiến của các nhà khoa học khác làm tiền đề, nó chính là sự minh triết chung cuộc và cao cả nhất. Cũng như người ta không hái trái từ rễ cây, mà từ cành ngọn, thì cũng thế, cái lợi lạc chủ yếu của triết học chỉ nằm ở những phần mà từ đó cuối cùng ta học được những gì”.

Một trong những công trình lớn nhất của Descartes cho khoa học là ông vạch một đường phân chia dứt khoát, rõ ràng giữa “vật chất” và “linh hồn”. Đối với Descartes, vật chất có kích thước nhưng không biết “suy tư”; ngược lại linh hồn, không có tính chất đo được trong không gian nhưng biết suy luận. Cả vật chất lẫn linh hồn đều là những thứ “được tạo tác”, ngược lại Thượng đế thuộc phạm trù “phi tạo tác”. Về mặt cơ học, Descartes quan niệm rằng, vật chất vận động trong không gian một cách thụ động, và không gian là không gian ba chiều của Euclid. Vì quan niệm này mà thỉnh thoảng không gian trong vật lý cổ điển được mệnh danh là không gian Descartes.

Những điều khẳng định nói trên mới nghe qua không có gì to tát cả. Thế nhưng Descartes tới với một kết luận bất ngờ, đó là ông vẽ một đường phân thủy giữa khoa học và thần học. Theo ông, thế giới vật chất là đối tượng của khoa học, thần học không cần quan tâm tới. Còn linh hồn con người là khu vực ngự trị của thần học, Giáo hội có quyền quyết đoán đúng sai trong lĩnh vực này. Với Descartes, nền khoa học tự nhiên được giải phóng khỏi vòng kim cô của Toà thánh La Mã. Thần học bị tước quyền phán quyết trong khoa học và triết học về thế giới tự nhiên. Nhờ Descartes mà hàng trăm nhà nghiên cứu khoa học ra đời, trong đó có Newton. Newton đọc các tác phẩm toán học và triết học của Descartes trước khi tới với những thành tựu vĩ đại của mình.

Hai thế giới vật chất và linh hồn của Descartes tách rời lẫn nhau, không có mối quan hệ tương tác lên nhau, đó là hai thế giới “tuyến tính”. Thế nhưng Descartes cho rằng con người thông qua nghiên cứu, vận dụng lý tính mà hiểu được thế giới. Ông cho rằng kinh nghiệm chỉ là giai đoạn sơ khai của tri kiến, chỉ có tư duy mới nắm bắt được tri kiến đích thực. Như thế Descartes bác bỏ chủ nghĩa kinh nghiệm của Bacon và chủ trương một chủ nghĩa duy lý. Descartes đi xa trong cách chia cắt của mình tới mức mà ông tách thân thể ra khỏi tâm thức, xem chúng là hai lĩnh vực riêng biệt. Hơn thế nữa, ông còn tách lý luận ra khỏi trực giác, điều mà về sau bị chứng tỏ là một sai lầm nghiêm trọng. Trong thế giới, con người cũng bị đường phân thủy của Descartes chia cắt, trong đó con người là chủ thể, thế giới còn lại là khách quan, chủ thể không thể tác động được gì lên khách thể. Khi con người quan sát thế giới thì những ấn tượng thuộc về cảm giác như màu sắc xanh đỏ, âm thanh hay mùi vị… được Descartes xem là chủ quan, chúng không phải là “thực tại tự nó”. Thế nhưng Descartes xem nguyên nhân của những ấn tượng đó lại thuộc về lĩnh vực khách quan, chúng thuộc về đối tượng của khoa học.

Một tư tưởng nữa của Descartes ít người biết đến đó là ông xem chỉ con người mới có linh hồn do Thượng đế tạo nên, thú vật thì không. Đối với ông, thú vật chỉ là những cỗ máy vô hồn, “thiếu lý tính”. Nếu ai hỏi ông, liệu con chó có Phật tính hay không, chắc chắn Descartes sẽ trả lời “không”.

Chỉ con người có lý tính, có suy tư mới được Descartes xem là có linh hồn của Thượng đế và cũng chỉ thông qua suy tư mà con người mới khẳng định mình tồn tại thật sự. Cogito, ergo sum “Tôi suy tư, nên tôi hiện hữu”, đó là câu nói nổi tiếng của Descartes. Thông qua linh hồn biết suy tư – linh hồn bị giới hạn như của con người, vô hạn như của Thượng đế – Descartes “chứng minh” Thượng đế phải có thật. Ông cho rằng, con người chỉ là một phần của Thượng đế thôi mà đã có thật rồi thì Thượng đế cũng phải có thật.

Với tư cách là một triết gia Thiên chúa giáo, Descartes hiển nhiên không thoát khỏi ảnh hưởng thần học – khác hẳn với Lapace say này – nhưng triết học của ông làm nền tảng sâu sắc cho nền vật lý cơ giới của Newton. Newton cũng thừa nhận vai trò của Thượng đế, đồng thời cơ học của ông hoàn thiện tới mức cao nhất trong thời bấy giờ. Triết học “chia cắt” của Descartes cùng thừa nhận Thượng đế là người sáng tạo uyên nguyên; nhưng công lao của nền triết học đó là khoanh vùng một cách rạch ròi các lĩnh vực; lĩnh vực của thần học và khoa học, khách quan và chủ quan, linh hồn và thể xác, lý tính và trực giác. Sự phân chia đó, “có tôi đây và có thế giới” đặt con người vào vai trò của một chủ thể biết nhận thức, trả lời một lần cho tất cả câu hỏi triết học, liệu lý tính con người có thể nhận thức thế giới được chăng.

Hiển nhiên, ngày nay triết học Descartes xuất hiện như một thế giới quan cơ học sơ lược. Nhưng trong thời đại của thế kỷ thứ 17, nó chính là mặt triết học ưu việt của nền văn minh châu Âu bên cạnh khía cạnh khoa học của Newton. Cả hai, tay trong tay đã xây dựng một nền học thuật đóng vai trò chủ đạo gần ba thế kỷ. Và hoa quả của nền học thuật đó, cái được sinh nơi cành là theo cách nói của Descartes, là vô cùng phong phú mà con người không thể kể hết.

PHẦN THỨ BA

Từ ánh sáng đến trường điện từ

Ánh sáng đi từ trong ra ngoài

Ta dễ dàng đồng ý, hầu như tất cả tri kiến về thế giới đều thông qua thị giác mà sinh ra. Dĩ nhiên con người có thể qua cái nghe, cái nếm… hay tất cả các giác quan khác để nhận thức, nhưng phần lớn tri thức khoa học về thế giới và vũ trụ đều thông qua cái thấy để đến với con người.

Hoạt động của thị giác là điều xảy ra hàng giờ hàng phút nhưng thực ra, cái thấy là một vấn đề cực kỳ phức tạp. Có những quan điểm hẳn hoi về sự thấy, sự nghe, về mọi cảm quan khác. Ta chưa vội đi vào những quan điểm triết học đó. Nơi đây ta chỉ nói đến những điều kiện để cho cái thấy phát sinh. Muốn cái thấy sinh ra con người cần có đôi mắt lành lặn, phải có sự chú ý, phải có nhận thức, phận biệt và nhất là phải có ánh sáng.

Những điều xem ra giản đơn vừa nói đều là những đề tài trọng đại của con người mà nhân loại từ xưa đến nay đều đề cập, từ thời cổ đại Ai Cập ở phương Tây cho đến thời của Phật Thích-ca ở phương Đông.

Ngày nay vấn đề phức tạp của cái thấy được phân chia và nghiên cứu trong nhiều ngành khoa học như quang học, thể chất học, nhận thức học, tâm lý học… Chúng ta sẽ không đủ cơ hội đi vào các lĩnh vực rộng lớn đó; mà trong phần này, ta chỉ nói về ánh sáng. Và ta sẽ biết, phần này sẽ không nói được hết về ánh sáng, mà toàn bộ cuốn sách này cũng không nói hết về ánh sáng. Thực tế là, từ những ngày cổ đại xa xưa đến thế kỷ ngày nay, trong đó con người lý giải được vô số chuyện của trời đất thì ánh sáng vẫn là một bí ẩn chưa ai giải nổi.

Có những khái niệm tưởng chừng hiển nhiên như thời gian, không gian… mà khi ta nghiêm cứu càng sâu thì càng thấy chúng kỳ lạ. Ánh sáng cũng vậy, mức độ kỳ lạ của nó phải nằm ngang tầm với không gian và thời gian.

Ánh sáng là gì? Đến nay không ai trả lời được cả. Trước hết, ta hãy biết rằng, ta không thể thấy được ánh sáng. Chỉ khi nào ánh sáng gặp phải một vật nào, khi một vật bị ánh sàng chiếu rọi, ta mới thấy được vật đó. Điều đó có nghĩa ta không thấy được bản thân ánh sáng, ta chỉ thấy được vật thể nằm trong ánh sáng. Đứng sau một nguồn ánh sáng chiếu trong không gian, ta không thấy được nó. Nhưng khi ánh sáng đụng phải một vật, thí dụ một vì sao, lúc đó ta thấy vật.

Nhiều người sẽ phản đối và cho rằng, nếu ta ngửa mặt nhìn mặt trời, thì tuy không có vật nào được chiếu rọi, đó là võng mạc của ta. Bản thân giải đáp này cũng gây nhiều bất đồng tranh cãi, nhất là trong thể chất học. Ở đây chúng ta chỉ có thể nhất trí với nhau được một điều: một khi ánh sáng chạm vào võng mạc của ta, thì đó là điều kiện để “cái thấy” được phát sinh. Nhưng đó là cái “dụng” của ánh sáng, là sự tác động của nó. Còn ánh sáng “tự nó” là gì, đó là điều chưa ai hiểu hết và mỗi người hiểu một cách khác nhau.

Quan niệm về ánh sáng thay đổi theo từng thời kỳ một cách hết sức rõ rệt. Từ thời trước công nguyên các nhà khoa học Hy Lạp đã có một quan niệm hẳn hoi về ánh sáng. Theo Empedokles, ánh sáng mặt trời chỉ đóng vai trò phụ thuộc, mắt con người tự phát ra ánh sáng, tiếp cận với vật thể. Sau Empedokles khoảng 70 năm Plato xem mắt người “có lửa”, từ đó phát ra một thứ ánh sáng nội tại. Thứ ánh sáng tự thân này trộn với ánh sáng mặt trời để thành một khối ánh sáng, nó tạo thành thể tính đóng vai trò liên hệ giữa thế giới và con người. Những quan niệm về thị giác này nói lên tính chủ động của con người, kẻ dùng ánh sáng của mắt mình để “soi sáng” thế giới xung quanh.

Khoảng 300 năm trước công nguyên, nhà hình học đầu tiên của nhân loại, Euclid, quan niệm trong mắt phóng ra một “tia nhìn”. Khác với Plato, Euclid cho rằng tia nhìn đó chỉ là một đường thẳng đúng như quan niệm hình học của mình và đưa ra nhiều luận chứng hết sức thuyết phục. Ông ném một cây kim xuống đất và hỏi tại sao người ta không thấy nó ngay khi đưa mắt tìm kiếm nó, mặc dù cây kim nằm trong tầm nhìn. Euclid giải thích là nhờ tia nhìn, khi “đụng” đến cây kim, nó sẽ phản hồi lại và báo cho mắt biết.

Bước khác biệt giữa Plato và Euclid là quan nệm “khối ánh sáng” đã trở thành một tia nhìn có đường thẳng. Thế nhưng ở đây có một chuyển biến quan trọng. Từ một hoạt động của nhận thức, cái nhìn đã bị hình học hóa để trở thành đối tượng của phép giải tích. Quan niệm hình học này đóng một vai trò không nhỏ trong khoa học và triết học nói chung trong vài trăm năm sau. Sau đó, từ “tia nhìn” của Euclid người ta phát triển thêm hệ thống của tầm nhìn nón và qui luật phối cảnh, nó trở thành qui luật quan trọng của hội họa về sau.

Sau Plato vài trăm năm, tính chủ động trong thị giác dần dần mất đi và nhường chỗ cho một quan niệm có tính cơ học hơn về sự hoạt động của thị giác. Như ta biết, nền văn minh Hy Lạp dường như suy tàn ở vài thế kỷ sau công nguyên. Năm 389 đại thư viện ở Alexandria bị tín đồ Thiên chúa giáo đốt phá. Năm 529 Viện Hàn Lâm Plato bị đóng cửa, đánh dấu cái chết của nền triết học Hy Lạp.

Năm 632 nhà tiên tri Mohamed, giáo chủ Hồi giáo mất, nhưng ngay sau đó tôn giáo này vược lên như một ngọn đuốc và thừa kế nền văn minh Hy Lạp. Khoảng thế kỷ thứ 9, Baghdad – ngày nay là thủ đô Iraq – trở thành trung tâm văn minh và dịch thuật của Hồi giáo, trong đó các ngành khoa học, cũng như triết học được dịch từ tiếng Hy Lạp và được phát triển mạnh mẽ. Khoảng một ngàn ba trăm năm sau Euclid, một nhà khoa học Hồi giáo có tên là Alhazen ra đời. Trong lịch sử khoa học người ta gọi ông là nhà “quang học”; nhưng thực ra Alhazen có rất nhiều công trình to lớn khác về toán học, thiên văn, triết học và y khoa. Mới đầu Alhazen học tập kinh điển Hồi giáo và hy vọng tìm ra chân lý từ trong đó. Thế nhưng ông sớm quay sang khoa học vì “đối tượng” của nó (khoa học) có nghĩa và dạng của nó có lý. Tác phẩm quan trọng nhất của ông là Kitab al – Manazir (Quang học) gồm bảy tập, về sau được dịch ra ngôn ngữ La-tinh và là nền tảng của các nghiên cứu quang học tại phương Tây.

Nói Alhazen thừa kế các nhà khoa học Hy Lạp nhưng thực chất ông đã cho họ đi vào quên lãng trong ngành quang học bằng hai phát hiện quan trọng.

Thứ nhất, Alhazen cho rằng ánh sáng mặt trời là toàn bộ nguyên nhân của sự thấy. Không có một thứ ánh sáng nào đi từ trong mắt ra và đến với sự vật cả. Ông nêu lý do là khi ta nhìn lâu mặt rời, mắt ta sẽ bị đau nhức. Nếu ánh sáng đi từ mắt đến mặt trời thì tại sao mắt ta lại đau. Thế nên chỉ có thể ánh sáng đi ngược lại từ mặt trời vào mắt mới giải thích được sự đau nhức. Ông còn nêu lên một lý do khác rất quan trọng nữa là, khi mắt nhìn thật lâu một tia sáng chói chang hay một cửa sổ và thình lình nhắm lại thì sẽ còn thấy trong bóng tối một hình ảnh lờ mờ của nó, và đặc biệt là thấy một màu sắc dường như ngược lại với màu thật. Qua đó ông kết luận phải có một cái gì bên ngoài tác dụng vào mắt. Các thực tế này được Alhazen nêu lên để phản bác lại quan niệm của Plato về sự thấy. Là nhà toán học, Alhazen vẫn sử dụng quan niệm tia nhìn hình học của Euclid, nhưng đó chỉ là “những đường thẳng trừu tượng, còn quan niệm của ai cho rằng thực có một tia sáng từ mắt xuống đất là đi sai”.

Thứ hai, Alhazen dẫn chứng và trình bày một cái camera obscura (hộp đen) để tìm hiểu đường đi của ánh sáng vào trong mắt. Hãy tưởng tưởng tượng một phòng hoàn toàn tối chỉ có một lỗ thật nhỏ để ánh sáng lọt vào. Cảnh vật bên ngoài sẽ theo ánh sáng đi vào phòng tối và in lên vách tường đối diện. Ta sẽ thấy hình ảnh trên tường khá rõ nét chỉ duy nhất một điều khác thường là nó ngược chiều với cảnh thật ở bên ngoài. Alhazen dùng chiếc hộp đen này để chứng minh ngoài sánh sáng thì không có gì lọt qua cái lỗ tí hon, thậm chí lỗ càng nhỏ thì ảnh trong phòng càng rõ. Chiếc hộp đen này được Alhazen sử dụng cũng để phản bác các lý thuyết khác; như của các nhà nguyên tử học thời thượng cổ Hy Lạp, các vị này cho rằng có những vật liệu đi từ vật đến người. Alhazen không tin có vật liệu nào chen chúc chui qua cái lỗ tí hon.

Khoảng 400 năm sau, thiên tài người Ý, Leonardo da Vinci, khám phá ra rằng, con mắt của người chẳng qua cũng chỉ là một chiếc hộp đen, trong đó hình ảnh thế giới được tái hiện. Đầu thế kỷ thứ 17, nhà toán học và thiên văn học Kepler – mà ta đã biết trong phần trước – lý giải một cách toàn triệt tính chất toán học của chiếc hộp đen và quả quyết cái thấy sinh ra nhờ “hình ảnh của thế giới được mang lại trên võng mạc của mắt”. Thế nhưng điều mà Kepler cũng như mọi nhà khoa học thời đó hoang mang không giải thích nổi, đó là hình ảnh nọ lộn ngược, ai đã xoay chiều hướng của nó cho đúng để ta thấy cây cối mọc từ dưới đi lên chứ không phải từ trên đi xuống.

Điều quan trọng nơi đây không hề là chiều hướng của hình ảnh trong mắt mà là vấn đề nhận thức đã thay đổi một cách đảo lộn. Đó là nếu người Ai Cập thượng cổ xem con mắt “có lửa”, nếu Empedokles và Plato xem sự thấy là một hoạt động tích cực của con người, chủ động “soi sáng” thế giới thì đến Euclid, con người cũng còn mang tính chủ động nhưng cái nhìn của nó phải tuân thủ những qui định của toán học. Lúc đó thị giác đã bắt đầu nhuốm màu cơ học. Đến Alhazen thì ánh sáng bên ngoài mới là tác nhân “soi sáng”, con mắt từ chỗ “có lửa” trở thành một hộp tối đen, chỉ là nơi để cho hình ảnh bên ngoài in dấu. Sự thấy của con người được hạ giá từ sự chủ động và sáng tạo trở thành nơi thu nhận hình ảnh một cách thụ động.

Phải chăng con người chỉ thụ động tiếp nhận những ấn tượng khách quan bên ngoài? Nhiều người không muốn tin điều này nhưng họ không thể bác bỏ. Nguyên nhân chủ yếu làn những phát hiện vật lý và toán học về ánh sáng, về thể chất, về thần kinh… xem ra đều có lý và buộc ta phải chấp nhận chúng cả. Đó là một trong những lý do mà triết học Descartes ra đời, chủ trương phân biệt chủ thể và khách thể, phân biệt vật chất và linh hồn, mở đầu chủ nghĩa duy lý làm nền tảng cho khoa học, kéo dài cho đến đầu thế kỷ thứ 20.

Ánh sáng là những hạt vật chất

Như thế con người mất gần 15 thế kỷ, từ thời trước công nguyên xa xưa của Plato đến thế kỷ thứ 10, chỉ để biết cái thấy là nhờ ánh sáng bên ngoài sinh ra. Qua điều này, ta thấy rõ tri thức của loài người được thu lượm và tìm kiếm phải thông qua biết bao nhiêu nhọc nhằn và gian khổ. Lâu đài tri thức được xây dựng bằng những viên gạch nhỏ, phát hiện này dựa trên thông tin kia, công trình này bắt nguồn từ thành công nọ.

Trong quá trình đi trong bóng tối đó, con người liên tục phạm sai lầm. Ngày nay hẳn ta hết sức ngạc nhiên khi thấy nhiều thiên tài quá khứ đã đắm chìm trong sai lầm và tưởng tượng viển vông. Thế nhưng, những kiến thức tưởng chừng như giản đơn của học sinh trong học ngày nay là tổng hợp của những phát kiến quan trọng trong nhiều thế kỷ. Chính Newton cũng đã từng nói: “Nếu tôi có thấy xa được thì cũng là nhờ tôi đang đứng trên vai của những người khổng lồ”. Ngày nay, nếu ta có thấy xa hơn Newton cũng chỉ là nhờ mình đang đứng trên vai của Newton.

Quá trình của nhận thức loài người dường như vận động theo chiều xoắn ốc. Những loạt tri kiến đến sai thường khác nhau một trời một vực với loạt tri kiến cũ, nhưng loạt thứ ba thường lại có chiều hướng như cái ban đầu, dĩ nhiên lần này nội dung của chúng tinh tế hơn hẳn. Thế nên, trở lại đề tài thị giác, ta cũng đừng vội xem mắt chỉ là chiếc hộp đen, đừng cho đôi mắt không có gì phát ra cả. Đây là một trong những luận đề bí ẩn nhất của loài người mà có lẽ cuối sách này mới nêu được vài giả định.

Trở lại lịch sử nhận thức, sau Alhazen, con người tin rằng ánh sáng mặt trời “bên ngoài” là nguyên ủy của sự thấy. Thế thì ánh sáng đó là gì, tự tính của nó là gì, nó được cấu tạo như thế nào?

Sau Alhazen khoảng 150 năm, lịch sử khoa học sản sinh một nhân vật xuất sắc khác. Đó là Robert Grosseteste là De luce seu de incohatione formarum (Về ánh sáng và sự hình thành của sắc thể).

Grosseteste quan niệm có một sự nổ ban đầu – tương tự như Big Bang của vật lý hiện đại – nhưng thể tích uyên nguyên của vũ trụ là áng sáng. Khởi thủy là một tia sáng duy nhất, nó tự sinh sản và hình thành một khối cầu, trong đó vật chất xuất hiện. Sau đó khối cầu ánh sáng hình thành trời và đất với các không gian khác nhau. Cũng như Plato, Grosseteste quan niệm vai trò của một Thượng đế sắp sếp trời đất theo phép toán học, ánh sáng là phương tiện để Thượng đế sử dụng.

Thế nên, theo vị giám mục Grosseteste, vật chất là do ánh sáng “đọng lại”. Nhưng ánh sáng khởi thủy cũng sinh ra một dạng thứ hai, đó là ánh sáng của nhận thức, nó có tính thiêng liêng của Thượng đế. Ngày nay ta nghe quan niệm này dường như đầy tính thần quyền, nhưng trong thế kỷ thứ 13, nó tiêu biểu một thái độ rất khoa học. Đó là, tinh thần coi trọng toán học, coi trọng vật chất và bắt đầu một thái độ thực nghiệm khi nghiên cứu về ánh sáng lần đầu tiên được nêu lên. Từ quan niệm của ông xem vật chất là do ánh sáng hình thành, ta sẽ thấy lịch sử sớm sinh ra cách nhìn là bản thân ánh sáng có tính vật chất, có chất liệu và nơi đây ta có một sự đổi thay triệt để trong quan niệm về ánh sáng.

Từ thế kỷ thứ 13 đến mãi bốn trăm năm sau, lịch sử quang học không có một bước phát triển nào đáng kể. Bỗng nhiên, kể từ thế kỷ thứ 17, với nền khoa học thực nghiệm của Descartes và Galileo, nhiều phát hiện hết sức dồn dập về ánh sáng và quang học đưa nền vật lý này tiến lên một khúc ngoặt.

Như ta biết, Galileo cống hiến cho nhân loại nhiều phát minh về quang học. Khoảng trong những năm đầu thế kỷ 17, ông bắt đầu dùng viễn vọng kính để quan sát bầu trời và thiên thể. Khi nhìn lên cao, ông không hề thấy Thượng đế lẫn thiên thần, cũng chẳng thấy một sự “toàn hảo” nào như Kinh thánh mô tả. Ngược lại mặt trăng hiện ra với vô số vết tròn lỗ chỗ, chúng chỉ là những hố sâu như ta thường thấy tại các nơi vắng người nhất của mặt đất. Galileo phát hiện mặt trời cũng không phải là nguồn ánh sáng siêu nhiên thanh tịnh mà lại là nơi sinh ra nhiều vụ nổ hết sức hỗn mang, để lại nhiều vết đen trên bề mặt. Năm 1611 Galileo có được trong tay viễn vọng kính mạnh nhất thời bấy giờ của một nhà quang học người Hà Lan, ông khám phá nhiều hiện tượng thiên văn khác, đồng thời nêu một lý thuyết về dải ngân hà trong hệ các thiên thể. Trong năm đó có người gửi cho Galileo một vật lạ, đó là một vài hòn đá tên gọi là spongia soles, “miếng xốp mặt trời”. Thứ đá xốp này có điều đặc biệt là khi để nó trong nắng một lúc và sau đó đem vào phòng tối thì nó phát sáng. Đây là một điều đặc biệt vì đến thời của Galileo người ta luôn luôn nghĩ chỉ có những gì đang cháy mới phát sáng, ánh sáng phải có mối liên hệ với nhiệt, thí dụ mặt trời hay một ngọn đèn. Nay đá mà cũng phát sáng được, thì ánh sáng có tự tính thế nào? Người ta gọi ánh sàng này là “ánh sáng lạnh”, vì nó không do nhiệt phát ra.

Galileo suy nghĩ lâu và phát biểu, như thế ánh sáng phải là một thứ có chất liệu, nó là một vật thể và được hình thành từ các nguyên tử không phân chia được”.

Đây là lần đầu tiên có người phát biểu ánh sáng có tính vật chất.

Năm trăm năm trước, Grosseteste cho rằng vật chất do ánh sáng sinh ra. Và trước công nguyên, Aristotle cho rằng, ánh sáng không phải là một vật, ánh sáng là phi vật chất, ánh sáng là “tình trạng” của không khí, là “điều kiện” để sự thấy hình thành.

Thế nhưng Galileo không chắc chắn lắm với những gì mình nói. Hai năm trước khi chết, ông vẫn nói rõ mình còn sờ soạng trong vóng tối về tự tính của ánh sáng và tuyên bố chịu chỉ ăn bánh mì khô, uống nước lã, nếu có ai giải thích cho ông được, ánh sáng là gì.

Người kế thừa xuất sắc nhất của Galileo trong luận điểm về ánh sáng lại chính là Newton. Năm 1665, lúc Newton còn là nột chàng trai 22 tuổi, tại Cambridge có một nạn dịch lớn. Chàng về nhà mẹ lánh nạn hai năm và hay nằm chơi trong vườn táo. Như ta đã biết, đó là lúc Newton phát hiện ra định luật về sức hút trọng trường khi thấy một trái táo tơi. Điều mà không ai tưởng tượng nổi là trong hai năm đó, ngoài qui luật trọng trường và sự vận động của thiên thể, Newton còn khám phá ra phép tính vi phân và lý thuyết về ánh sáng và màu sắc. Chỉ một trong ba phát hiện vĩ đại này cũng đã đủ để đưa Newton vào hàng những thiên tài khoa học của loài người. Nếu Newton “nằm chơi” trong vườn táo vài năm nữa thì tình hình khoa học sẽ ra sao?

Newton còn là một con người hết sức kín đáo, ông giữ kín rất lâu những phát minh của mình. Về lý thuyết ánh sáng thì mãi vài năm sau, tháng 2 năm 1672, ông mới viết một lá thư báo cáo cho Hội hoàng gia Anh về thành tựu của mình qua kết quả thực nghiệm trong việc nghiên cứu ánh sáng và màu sắc.

Newton là người đầu tiên sử dụng lăng kính để tách các màu của ánh sáng mặt trời. Ông cho rằng ánh sáng mặt trời, “ánh sáng trắng” được tách thành bảy màu riêng biệt, từ đỏ đến tím. Thông qua một lăng kính thứ hai, các màu đó có thể hội tụ lại để trở thành ánh sáng trắng. Đối với Newton, các tia sáng có màu đó là “đơn vị nhỏ nhất” của ánh sáng trắng, chúng không thể bị chi ra nhỏ hơn được nữa. các tia sáng có màu đỏ xuất phát từ mặt trời, mỗi tia có độ khúc xạ khác nhau. Newton quan niệm mỗi tia sáng có màu lại gồm những hạt nhỏ, độ lớn của chúng khác nhau. Các hạt của tia màu tím và xanh nhỏ nhất, ngược lại các hạt của màu đỏ, cam, vàng lớn hơn. Màu sắc mà con người cảm nhận chỉ là những ấn tượng chủ quan đối với thức tại khách quan là độ lớn của các hạt.

Đối với Newton, ánh sáng không những gồm các hạt tạo thành mà các hạt đó còn vận động theo qui luật vận động chung làm ông đã nêu lên; thí dụ qui luật quán tính, trong đó ánh sáng sẽ vận động theo đường thẳng nếu không có lực tác dụng. Theo Newton, ánh sáng vận động cũng không khác với thiên thể vận động.

Với lý thuyết quang học của Newton, khoa học bỗng đứng trước một sự thống nhất bất ngờ: sự vận động của các vì sao khổng lồ cũng chính là sự vận động của những hạt ánh sáng tí hon. Tất cả đều là vật chất, đều vận động theo một qui luật chung. Những phát hiện đó cùng với các lý giải và tính toán về các hiện tượng quang học khác như sự khúc xạ, sự nhiễu xạ…được trình bày trong tác phẩm Opticks, xuất bản năm 1704. Sau đó, Newton trở thành nhân vật được ngưỡng mộ nhất của thời đại. Ông là nguồn cảm hứng của các nhà khoa học, triết học và cả thi nhân. Lý thuyết của ông đến nay vẫn được truyền bá trong quần chúng rộng rãi.

Trong thời kỳ đó của Newton, nhiều thắc mắc thú vị được nêu lên để phản bác lại lý thuyết các hạt ánh sáng. Nếu hai người đứng nhìn nhau, phải chăng có hai luồng hạt ánh sáng vận hành đối nghịch nhau, tại sao chúng không “đụng” nhau? Chiếc camera obscura (hộp đen) của Alhazen với cái lỗ tí hon, làm sao các hạt chui qua lỗ đó được? Tất cả đều được giải thích với kích thước tí hon của hạt ánh sáng. Và “miếng xốp mặt trời” của Galileo, tại sao màu sắc của nó phát ra lại khác nhau với màu của ánh sáng mặt trời? Câu hỏi này thì thời đó không ai trả lời được.

Những thắc mắc nói trên sẽ dẫn đến một khuynh hướng tư duy khác hẳn về tự tính của ánh sáng. Chúng sẽ dẫn đến một quan điểm hoàn toàn mới mẻ và mở màn cho một thực tại thứ hai – thực tại phi chất liệu – của ánh sáng và thiên nhiên.

Sóng, một dạng vận động mới

Đến nay ta đã biết, thực tại luôn luôn xuất hiện thông qua sự vận động. Sự vận động là tự tính nội tại của thực tại. Điều đó đã được các nhà triết học Hy Lạp cũng như các nhà hiền triết phương Đông khẳng định như một nguyên lý cơ bản của thế giới hiện tượng.

Trong thế giới vật lý thì sự vận động lại càng rõ rệt, dù cho mô hình của nó trong các thời đại càng ngày càng thay đổi một cách tinh tế. Từ thế giới hiện tượng với bốn nguyên tố của Aristotle đến nền vật lý thực nghiệm của Galileo và Newton, nội dung đích thực của lâu đài khoa học đồ sộ đó là những mô hình vận động của vật chất trong thời gian và không gian. Công trình chung của các nhà khoa học vĩ đại đó trong suốt 20 thế kỷ là nỗ lực để hệ thống hóa mọi vận động của các khối lượng vật chất cực đại (như các thiên thể) đến các hạt vi mô (như “hạt ánh sáng”) tí hon trong một mô hình, với tham vọng phát hiện một câu trả lời toàn triệt và chung quyết về sự vận hành của vũ trụ.

Dù nền vật lý của Aristotle và Newton có sự khác biệt một trời một vực, nhưng cái chung nhất trong cả hai là, khi người ta nói “vận động” là nói về vật thể vận động trong không gian và thời gian. Với Newton thì vật thể trở thành một điểm vật chất bất hoại và có khối lượng cụ thể. Trong thế giới quan vật lý của Newton thế giới chỉ có một cách vận động duy nhất, đó là các hạt vật chất vận động trong thời gian và không gian. Thế giới quan đó mang lại những thành tựu vang dội và ai cũng nghĩ hẳn nó phải đúng một cách tuyệt đối. Chính vì lẽ đó làm quan niệm hạt ánh sáng của Newton sớm được thừa nhận như một hệ quả hiển nhiên của nền vật lý đương thời. Thậm chí về sau, trong thế kỷ thứ 19, nhiều nhà khoa học xuất sắc khi phát hiện ra những hiện tượng mới trong thiên nhiên cũng luôn luôn lấy thế giới quan cơ học của Newton để tìm cách lý giải chúng.

Đặc trưng của sự vận động của khối lượng trong không gian và thời gian là gì? Đó là, tại một thời điểm nhất định, ta có thể đĩnh nghĩa vị tri và vận tốc cụ thể của khối lượng đó. Điều này nghe qua thật hiển nhiên vì làm sao trong một thời điểm nhất định, vật thể lại có thể nằm nhiều nơi trong không gian được, vật thể làm sao có thể phân thân để vừa ở bên trái vừa ở bên phải chúng ta được. Và vận tốc của vật thể hiển nhiên cũng phải chính xác, không thể một lúc mà nhanh chậm khác nhau được, nó phải được định lượng cụ thể.

Mô hình vận động của khối lượng trong không gian thành công rực rỡ vì còn có thêm một yếu tố khác ngoài tài năng ưu việt và phương pháp tư duy thực nghiệm của Galileo, Newton và các nhà vật lý khác. Yếu tố đó là mô hình này dễ hiểu, dễ hình dung đối với con người. Trái táo rơi, chiếc xe chạy, viên đạn bay, thiên thể vận hành…, tất cả đều dễ dàng được nhận thức như vật thể có khối lượng đang vận động.

Thế nhưng, trong thiên nhiên có một loại vận động khác, một loại vận động thứ hai, khác hẳn với sự vận động của khối lượng trong không gian và thời gian. Đó là sự vận động trong dạng sóng. Sự vận động này trừu tượng hơn, khó nắm bắt hơn, nhưng ta sẽ thấy về mặt cơ bản nó sánh vai cùng với sự vận động của khối lượng. Thậm chí sự vận động trong dạng sóng có thể cơ bản hơn cả sự vận động khối lượng. Thế nào là sóng?

Hãy ném một viên đá vào giữa mặt hồ yên tĩnh, ta sẽ thấy sóng nước được phát sinh và dần dần lan tỏa trên mặt hồ. Đó chính là một dạng sóng. Mới nhìn ta thấy dường như có một lượng nước di động từ tâm sóng đến bờ hồ. Thực tế là nước chỉ nhấp nhô lên xuống chứ không hề di động theo chiều ngang. Nếu quan sát kỹ một vật nổi trên mặt nước, ta sẽ thấy điều đó. Các tinh thể nước quay những vòng tròn nhỏ tại vị trí của chúng, nhưng chúng không hề bị đẩy theo chiều ngang của sự chấn động.

Có một cái vận động từ tâm sóng đến bờ hồ, nhưng cái đó không phải là nước. Cái có di chuyển thực sự là “sự nhiễu”, sự chấn động do năng lượng của viên đá ném xuống gây nên. Sự nhiễu này, nói một cách tổng quát là năng lượng, nó là chủ thể của sự vận động, nó không có khối lượng. Ở đây ta có một “vật phi khối lượng” đang vận động.

Sự khác biệt giữa loại “vận động sóng” và vận động của “hạt khối lượng” là rất cơ bản. Trong vận động sóng, chủ thể vận động là năng lượng, nó không mang khối lượng. Đồng thời trong loại vận động này, chủ thể của sự vận động lan rộng và bao trùm trong không gian xung quanh. Ta không thể xác lập một vị trí “cụ thể” của chủ thể vận động. Trong hình hai chiều trên, ta không thể nói năng lượng – chủ thể của sự vận động – đang nằm phía trên hay phía dưới, bên trái hay bên phải. Đúng hơn là năng lượng đang tạo một “ảnh hưởng” quanh nó, với các trị số khác nhau tạo ra một trường ảnh hưởng. Khái niệm trường sẽ đóng một vai trò then chốt trong nền vật lý của thế kỷ hai mươi. Trường là năng lượng đang vận động, lan tỏa trong không gian. Mỗi điểm trong không gian đều có ảnh hưởng của trường.

Ngược lại, trong sự vận động của hạt khối lượng, chủ thể của sự vận động là một đơn vị cụ thể, mang khối lượng và chịu sự tác động của lực. Trong sự vận động của hạt khối lượng, ta có thể định nghĩa và tính toán vị trí cũng như vận tốc của hạt một cách chính xác.

Thế nên sóng là dạng dao động, là “thái độ”, là phản ứng của nước vì bị “quấy nhiễu”. Mặt khác nước lại là môi trường truyền sự chấn động, truyền năng lượng trong không gian của mình. Không có nước thì cũng không thể có sóng, không thể có một trường năng lượng do viên đá sinh ra. Nơi đây ta có ba khái niệm: sóng là dạng phản ứng của nước, nước là môi trường để năng lượng tác động, năng lượng là nguyên ủy, đồng thời là chủ thể của sự vận động. Ta cũng có thể nói, năng lượng đã sinh ra một trường và trường là chủ thể vận động. Tất cả đều là những cách phát biểu khác nhau nhưng nội dung của chúng không khác nhau. Điều quan trọng nhất là, dựa trên tính chất của sóng mà ta hiểu được năng lượng tạo nên chúng, đó là điều rất then chốt trong chương này.

Có một dạng vận động khác của trường, quen thuộc hơn, đó là âm thanh. Âm thanh cũng chính là sóng, nó quen thuộc với ta hơn, nhưng có thể nó lại trừu tượng hơn vì ta không thể thấy sóng âm thanh như sóng nước được. Sóng âm thanh đem đến cho ta sự nghe chứ không phải sự thấy.

Sóng âm thanh cũng tương tự như sóng nước, nhưng nếu sóng nước là dạng của nước thì sóng âm thanh là dạng phản ứng của không khí. Trong lịch sử khoa học, mới đầu người ta chưa biết âm thanh được phát sinh bởi sự dao động của không khí. Mãi đến thế kỷ thứ 17, Athanasius Kircher ngờ rằng âm thanh không thể truyền qua chân không. Ông bắt đầu tìm cách tạo chân không để xem liệu âm thanh có còn lan truyền không.

Trong thời bấy giờ quan niệm “không thể có chân không” của Aristotle hết sức được coi trọng. Năm 1650, Kircher tạo thử chân không bằng cách lật ngược một ống nghiệm chứa thủy ngân và đánh thử một tiếng chuông. Ông thất vọng khi vẫn nghe chuông kêu. Nhiều người lặp lại thí nghiệm này nhưng kết quả cũng chỉ có thế. Khoảng mười năm sau, một nhà khoa học người Anh là Robert Boyle tạo chân không bằng cách sử dụng một loại bơm chân không ưu việt hơn hẳn.

Trong một môi trường chân không hoàn toàn không có không khí, quả nhiên âm thanh không được truyền đi. Thế nên, âm thanh được phát sinh là nhờ sự dao động của không khí.

Nói một cách tổng quát, âm thanh được sinh ra từ sự dao động đàn hồi của không khí, chất lỏng hay chất rắn. Một tiếng đàn được phát sinh trước hết nhờ sự dao động của sợi dây đàn, sự “quấy nhiễu” đó sẽ thông qua không khí mà truyền đến tai ta. Sự chấn động đó làm các hạt không khí bị nén lại và sau đó giãn ra, tạo nên một sự vận động có dạng sóng. Vận tốc truyền âm thanh trong không khí có hạn, khoảng chừng 343m/giây, nó phụ thuộc đôi chút với nhiệt độ của không khí.

Sóng âm thanh cũng như sóng nước, chúng là dạng phản ứng của không khí hay của nước dưới tác động của môi trường do năng lượng sinh ra. Không khí hay nước chỉ là môi trường để cho năng lượng sinh ra. Không khí hay nước chỉ là môi trường để cho năng lực đó tác động và gây ảnh hưởng. Bởi thế sóng âm thanh hay sóng nước mang dấu ấn rõ rệt của nguyên ủy của chúng, nó phản ánh rõ rệt tính chất của năng lượng.

Tất cả những âm thanh trên đời này, từ tiếng ru ngọt ngào đến cái thanh âm kỳ diệu, tất cả đều là sự rung của không khí. Đó là kết luật của cơ học, là quan niệm thuần túy mang tính cơ học. Nhiều người dừng lại tại kết luận đó nhưng cũng có người đi xa hơn trong nghiên cứu về âm thanh. Dường như tự tính của thanh âm không phải như vậy. Francis Bacon cũng đã tự hỏi như thế và cho rằng, quan niệm thanh âm là sự dao động của không khí chỉ là “nhận thức sơ sài” và đó là “một trong những vấn đề phức tạp nhất của thiên nhiên”. Ta cần nhớ, không khí cũng như nước đều chỉ là môi trường để một cái khác vận động, cái đó là năng lượng và nguồn gốc của năng lượng là một luận đề còn rất khó hiểu. Đồng thời “cái nghe” cũng là một bí ẩn của con người, nguồn gốc của nó còn nằm trong bóng tối.

Ta chỉ có thể kết luận nơi đây là ánh sáng và sự rung của không khí là điều kiện cho sự thấy và sự nghe được phát sinh, còn bản thân cái thấy, cái nghe là gì thì chưa ai hiểu được. Trong chương sau ta sẽ biết thêm ánh sáng cũng có dạng sóng như âm thanh. Điều đó có nghĩa, điều kiện ắt có cho sự hoạt động của hai giác quan quan trọng nhất của con người (mắt và tai) đều là sóng. Chỉ là điều này thôi đã làm cho ta thấy sóng đóng vai trò hệ trọng thế nào trong triết học về tự nhiên và nhận thức.

Ánh sáng cũng là sóng

Đối với Newton, ánh sáng gồm những hạt tí hon, mà ta có thể gọi là quang tử hợp thành. Song song với quan niệm này, trong lịch sử khoa học hình thành một ý niệm khác về ánh sáng, đó là hình dung cho rằng ánh sáng có dạng của sóng.

Hình dung đầu tiên trong khuynh hướng nhận thức này có lẽ xuất phát từ Descasrtes. Ông quan niệm trong vũ trụ tràn ngập thứ chất lỏng vô hình mà ông gọi là plenum. Trong môi trường plenum đó, các thiên thể vận động, quay tròn…, tương tự như vật thể trôi vòng vòng trong dòng nước xoáy. Đối với Descasrtes thì ánh sáng vận động trong chất lỏng plenum vô hình đó và với một vận tốc lớn vô hạn. Ngày nay, ta thấy tất cả những gì Descasrtes tưởng tượng về plenum và ánh sáng đều sai lạc, thế nhưng quan niệm về một chất plenum vô hình nhưng có thực lại rất quan trọng vì nó làm nền tảng cho tính chất sóng của ánh sáng. Như nước dao động mà sinh ra sóng nước, không khí dao động mà sinh ra sóng âm thanh, thì khái niệm plenum sẽ làm nền tảng cho một thứ sóng ánh sáng.

Trong thế kỷ thứ 17, người ta phát hiện nhiều hiện tượng của ánh sáng, chúng không thể được giải thích bằng thuyết cho rằng ánh sáng vận động theo “đường thẳng” được, cụ thể là hiện tượng nhiễu xạ. Đó là hiện tượng các tia ánh sáng bị lệch một phần khi xuyên qua các khe hở nhỏ, sinh ra một khu vực không sắc nét xung quanh khe hở đó. Nếu ánh sáng là những hạt đi đường thẳng thì hẳn hình ảnh các khe hở phải hết sức sắc nét. Đây là hiện tượng rất thông thường nhưng không mấy ai để ý, nó được một nhà quang học người Ý Grimaldi khám phá và lý giải. Trong một tác phẩm xuất bản hai năm sau khi ông mất, người ta đọc thấy quan niệm của ông về sự lan truyền của ánh sáng trong dạng sóng. Có lẽ ông là người đầu tiên nêu lên khái niệm này.

Khoảng hơn mười năm sau, nhà khoa học Hà Lan Huygens nêu lên giả thuyết về sóng ánh sáng trong một bài thuyết trình tại Paris năm

1678. Năm 1690 ông xuất bản tác phẩm Traité de la lumière, cho thấy ánh sáng là sóng vận động với vận tốc có giới hạn và phản bác thuyết hạt ánh sáng. Tương tự như âm thanh sinh ra do sự dao động của không khí thì Huygens quan niệm ánh sáng là sự dao động của một chất liệu được gọi là ê-te. Như plenum của Descasrtes, ê-te được xem là tràn ngập trong vũ trụ. Vũ trụ phải có ê-te thì ánh sáng mới lan tỏa được cũng như sóng nước cần nước, sóng âm thanh cần không khí.

Trên cơ sở lý thuyết sóng của ánh sáng, Huygens lý giải các hiện tượng nhiễu xạ, phản xạ, khúc xạ một cách dễ dàng.

Sau Huygens là nhà khoa học người Anh, Hooke, ông là người đại hiện cho thuyết sóng ánh sáng một cách triệt để và trở thành đối thủ khoa học của Newton, người sinh sau Hooke chỉ tám năm. Thế nhưng cả Huygens lẫn Hooke chưa biết đến một hiệu ứng đặc biệt của sóng sánh sáng, mà lịch sử phải đợi khoảng 100 năm sau. Đó là hiệu ứng giao thoa mà người phát hiện ta là Thomas Young.

Thomas Young là một thần đồng, mới hai tuổi đã biết đọc. Lúc còn rất nhỏ ông đã tự học toán và sớm sử dụng phép tính vi phân mà Newton phát hiện ra trước đó không lâu. Young nói và viết hàng chục thứ ngôn ngữ, kể cả các ngôn ngữ cổ của Ai Cập. Về sau ông lại học y khoa; và năm 1801 phát hiện một tính chất quan trọng của võng mạc mắt. Đó là nguyên lý cho rằng, mọi màu sắc đều được xây dựng trên ba màu cơ bản xanh, đỏ, vàng; và võng mạc của mắt tiếp nhận được ba màu cơ bản đó. Thế nhưng, cống hiến quan trọng nhất của ông về quang học là nguyên lý giao thoa của ánh sáng.

Là người thừa nhận thuyết sóng dao động của ánh sáng, ông cũng tin nơi một chất ê-te và cho rằng sóng ê-te cũng phải như sóng nước, khi gặp nhau trong không gian, chúng cũng hòa với nhau để cộng hưởng với nhau mà tăng cường hay triệt tiêu lẫn nhau. Đó là hiện tượng giao thao của ánh sáng mà ngày nay sinh viên ngành vật lý nào cũng biết đến. Thế nhưng, thời bấy giờ, ý niệm của Young dẫn đến một hệ quả tưởng như vô nghĩa là người ta có thể tạo ra bóng tối bằng cách cho thêm ánh sáng vào ánh sáng. Vì thế thời bấy giờ không ai hiểu và tin được Young. Một năm sau, Young nêu lên ý niệm về các độ dài sóng của ánh sáng để lý giải các màu trong ánh sáng trắng cũng như màu của các nhiễu xạ ánh sáng.

Thời kỳ của Young cũng là giai đoạn nhiều công trình được ra đời của nhiều nhà vật lý thức nghiệm và toán học chuyên tâm nghiên cứu tính chất nhiễu xạ của ánh sáng như Fresnel và Fraunhofer. Cả hai đều đại diện cho thuyết dao động sóng của ánh sáng và lý giải xuất sắc các hiện tượng khúc xạ, phân cực của ánh sáng và nêu lên những phương pháp đo độ dài sóng một cách chính xác. Với những công trình này, mô hình sóng của ánh sáng được thừa nhận ở các nhà vật lý, nó trở thành đối thủ ngang hàng của mô hình hạt ánh sáng của Newton.

Ta cần kể thêm là, trong thời của Fresnel, nhiều nhà toán học tiếng tăm của Pháp như Poisson, Biot, Laplace đều tin tưởng nơi thuyết hạt ánh sáng của Newton. Fresnel chỉ là một chàng kỹ sư kiều lộ trẻ tuổi đứng trước các vị tiền bối khoa học đó để bảo vệ cho bài toán sóng ánh sáng của mình. Năm 1819, khi thẩm định các phương trình toán học của Fresnel, giáo sư toán xuất sắc Poisson tự mình giải một phương trình của Fresnel mà hệ quả thực nghiệm của nó là phải có một chấm sáng trong bóng tối của một hiện tượng quang học nhất định, điều mà Poisson cho là “vô lý”. Qua đó ông muốn chứng minh lý thuyết của Fresnel là sai. Thế nhưng, Arago, một người bạn và cũng là người tin vào thuyết của Fresnel, trong một thí nghiệm, lại cho thấy chấm sáng đó là có thật. Thú vị thay, Poisson tưởng bác bỏ được thuyết của đối thủ với lời giải của một phương trình, không ngờ chính mình lại là người đưa lý thuyết đến với sự thừa nhận của cả cộng đồng.

Trường điện từ, sự phát hiện vĩ đại

Tới nay ta có hai mô hình về ánh sáng. Một mô hình là ánh sáng gồm những hạt quang tử chuyển động theo đường thẳng, mô hình kia là sóng dao động của ê-te lan tỏa trong không gian. Thế nhưng chưa ai dám đả động đến tự tính của ánh sáng, thực chất nó là gì. Kể cả Newton cũng không, ông luôn luôn nhấn mạnh mô hình hạt của mình chỉ dùng để “tưởng tượng cho dễ” sự vận động của ánh sáng. Con người đầy trí tuệ đó tự biết mô hình của mình chỉ là “một trong nhiều giả thiết về ánh sáng”.

Khoảng đầu thế kỷ thứ 19, lịch sử khoa học có một phát minh bất ngờ. Nó được một người Anh hết sức khiêm tốn phát hiện ra.

Tại London, cách xa các viện đại học khả kính Oxford và Cambridge, cách xa các nhà học giả đầy uy quyền và thường tranh cãi lẫn nhau, có nhiều khu vực lầm than nghèo khổ. Tạo một nơi tối tăm đó, năm 1791, một đứa trẻ ra đời, con của một người thợ rèn. Gia đình người thợ rèn nghèo đến nội cậu bé phải đi làm nghề thợ in để kiếm sống. Cậu bé đó tên là Michael Faraday.

Cuối cùng Faraday trở thành một trong những nhà vật lý thực nghiệm xuất chúng của nhân loại. Cuộc đời ông kéo dài được 76 năm; và đứa trẻ thất học đó về sau được phong tước, được mời làm hội viên danh dự của vô số các viện khoa học, viện hàn lâm tại châu Âu. Thế nhưng ông đều từ chối các hàm bậc đó. Và khi một đồng nghiệp rất thân yêu cầu ông phải nhận lời mời danh dự, ông trả lời: “Không, Tyndall, tôi vẫn là Michael Faraday đơn sơ”.

Faraday “đơn sơ” được xem là người phát hiện ra trường điện từ mà ngày nay mỗi người chúng ta hàng ngày đều sử dụng đến nó.

Trường là gì, điện và điện từ là gì?

Điện là một hiện tượng đã được biết từ rất lâu trong lịch sử loài người. từ thế kỷ thứ sáu trước công nguyên, người Hy Lạp đã biết, mỗi khi một loại đá amber bị xoa nóng lên thì có thể hút giấy vụn. Thế nhưng mãi đến thế kỷ thứ 16 người ta mới bắt đầu tìm hiểu tính chất “tụ điện” của những loại chất liệu trong thiên nhiên mà đá amber chỉ là một, khám phá thấy chúng có thể “xẹt lửa”. Sau đó, người ta nhìn lên bầu trời và tự hỏi lúc sét đánh tên trời, đó cũng là hiện tượng “xẹt lửa”, phải chăng đó cũng là một dạng của điện. Dần dần người ta đến với một quan niệm về “điện tích”, đơn vị đầu tiên nói lên tính chất và sức mạnh của điện. Một sĩ quan người Pháp, Coulomb cho rằng điện tích có hai lực âm dương, tùy theo đó mà hút hay đẩy lẫn nhau. Đặc biệt, lực đẩy hay hút cũng như lực hút trọng trường của Newton, tăng giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích.

Không bao lâu sau đó người ta bắt đầu tạo được một dòng điện ổn định bằng một dung dịch acid, bình ắc-qui đầu tiên ra đời. Thế nhưng người ta chỉ biết hiện tượng điện, cách tạo ra điện và các thiết bị đo lường đơn giản nhưng không thể giải thích tự tính của nó là gì.

Faraday đến với giới khoa học bằng một tinh thần say mê miệt mài và với một triết lý nhất định. Xuất thân từ một gia đình hết sức sùng đạo, ông tin nơi một sự nhất thể trong thiên nhiên. Ông nói: “Đã từ lâu, cùng với những người bạn khác trong giới khoa học tự nhiên, tôi đã có một niềm tin chắc chắn là, những dạng khác nhau của lực và vật chất đều có chung một nguồn gốc, hay nói cách khác, chúng nằm trong một mối liên hệ trực tiếp, chúng phụ thuộc lẫn nhau, để chúng có thể được chuyển hóa lẫn nhau và để chúng tác động với những lực có giá trị tương ứng”.

Khi đến với hiện tượng điện, Faraday đã biết đến sự tương tự giữa sóng âm thanh và sóng ánh sáng, ông tự hỏi phải chăng điện cũng là một thứ sóng. Ngoài ra, Faraday còn có một hình dung cụ thể về hình dạng của sóng vì đã tìm hiểu các dạng rung động của chất rắn, chúng được minh họa bằng một lớp cát được rải trên bề mặt của những đĩa tròn bằng kim loại. Thông qua sự rung động, cát sẽ xếp thành dạng hình và đọng lại tại những nơi không có sự rung. Đó là những dạng hình được biết đến với tên Chaladni, một nhà khoa học người Đức, người được xem là đã khai sinh ngành âm học, khoa học về âm thanh. Thú vị thay, sự rung động tưởng chừng như hết sức trừu tượng đã được minh họa bằng hình ảnh. Năm 1831, Faraday phát hiện ra một nguyên lý mà ta gọi là nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguyên lý này có hai hiệu ứng riêng biệt, chúng sẽ dẫn đến những hệ quả rất to lớn về khoa học và cả triết học Trước hết, Faraday cho thấy mỗi dòng điện, khi nó bị thay đổi thì sinh ra một sự cảm ứng với các mạch điện khác. Điều đó có nghĩa là mỗi điện tích sinh ra một điện trường xung quanh nó. Faraday tưởng tượng có một thứ sóng điện lan tỏa trong không gian. Mỗi vật mang điện tích là nguồn của sóng đó; ta có thể nói nó là sự nhiễu loạn nếu ta tưởng tượng điện tích đó cũng như cây gậy đập xuống mặt nước để sinh sóng. Sự cảm ứng chính là phản ứng của các mạch điện đối với sóng điện và phát ra tín hiệu có thể đo lường được. Tương tự như thế, khi ta vỗ tay một tiếng, âm thanh sẽ lan tỏa đến vách tường và dội lại tiếng vang hay khi thắp một cây đèn, ánh sáng cũng tỏa đến các vật xung quanh và dội lại cho ta thấy chúng.

Còn thế nào là từ tính của nam châm? Bản chất của nam châm thì tới ngày ngay cũng không ai hiểu thấu đáo, nhưng tác dụng của nó thì người ta biết từ xưa. Nam châm luôn luôn có hai cực, cực bắc và cực nam, xung quanh nó là một từ trường.

Từ trường này được minh họa bởi vụn sắt rải xung quanh một thỏi nam châm. Faraday thấy từ trường dường như là hình ảnh một sự rung động của Chladni, ông thấy nơi đó phải là một sóng từ.

Trước Faraday khoảng 20 năm có một nhà vật lý người Đan Mạch tên là Oerstedt. Oerstedt theo học tại Jena (Đức) và nghiên cứu mối liên hệ giữa điện trường và từ trường, hai lĩnh vực xem ra hoàn toàn không liên quan gì với nhau. Oerstedt phát hiện ra một điều hết sức quan trọng là xung quanh một ống dây có điện chạy qua thì phát sinh ra một từ trường, nó có thể làm vụn sắt “nhúc nhích”. Đó là phát minh đầu tiên về mối liên thệ điện-từ. Sức mạnh của từ trường phụ thuộc trực tiếp vào sức mạnh của điện trường.

Faraday suy nghĩ về tính chất này và tự hỏi, phải chăng nếu điện trường sinh ra được từ trường thì ngược lại, từ trường cũng phải sinh ra được điện trường. Ông cho một thỏi nam châm nằm trong một ống đây điện và đo thử xem có điện chạy ra chăng. Thế nhưng, ông hoàn toàn thất vọng vì không có gì xảy ra cả!

Tình cờ, khi rút thỏi nam châm ra khỏi cuốn dây điện, Faraday bỗng nhiên thấy kim của thiết bị đo lường nhúc nhích, tức là có điện sinh ra. Thế là Faraday phát hiện mối liên hệ điện từ quan trọng nhất, đó là có thể tạo ra điện trường bằng cách thay đổi một từ trường. Đó là buổi bình minh của nền vật lý điện từ trường và của cả nền văn minh ngày nay. Không thể dùng ngôn ngữ để nói hết tầm quan trọng của phát minh này. Đó là nguyên tắc phát điện bằng cách quay một thỏi nam châm. Nó giải thích tại sao chiếc đèn xe đạp phát sáng chỉ nhờ quay chiếc dyname. Ngày nay mỗi nhà máy phát điện đều vận hành chỉ với một nguyên tắc duy nhất này.

Với sóng điện từ, loài người đi vào một kỷ nguyên mới. Ngày nay mỗi hệ thống thông tin và đo lường hiện đại đều làm việc với sóng điện từ. Einstein xem vai trò của Faraday trong nền vật lý mới cũng như vài trò của Galileo với cơ học.

Thế nhưng trên tất cả mọi thứ, tầm quan trọng của những phát minh của Faraday nằm ở chỗ, nó nêu lên một quan niệm hoàn toàn mới về thực tại, một quan niệm triết học.

Nhờ Faraday lần đầu tiên ta có khái niệm trường. Đây là một ý niệm mới của vật lý xuất hiện trong thế kỷ thứ 18. Trước đó mô hình bao quát của vũ trụ là một không gian trống rỗng, cố định, trong đó vật chất là những hạt, được qui thành điểm, vận động dưới tác động của lực trọng trường. Đó là một thứ lực mà tính chất của nó là tác động từ xa, tức thì và nguồn gốc đích thực của nó không ai giải thích được. Ngoài ra đặc điểm của lực này là do hai vật thể mang khối lượng tác động lên nhau mà thành nếu vắng mặt một vật thì không thể hình thành lực đó.

Với khái niệm trường, Faraday lý giải nghi vấn, thế nào là “tác động từ xa” của lực. Ông xem có một trường lực nhất định trong không gian và cho mỗi điểm trong đó một trị số và phương của lực, có thể gọi nó là “khả năng cảm ứng”. Điện trường hay từ trường tạo xung quanh mình một khu vực với những lực tuyến có phương nhất định, mà nếu một vật bị lọt vào trong đó nó sẽ nhận một lực tác động. Hãy nhớ đến các vụn sắt xung quanh một thỏi nam châm để minh họa cho ý niệm này.

Với khái niệm trường, Faraday từ bỏ lực tác dụng theo cách của Newton hay Coulomb, từ bỏ quan niệm có vật thể mới có lực, từ bỏ khái niệm một không gian trống rỗng bất động. Faraday quan niệm khi một vật hoặc mang điện tích, hoặc có từ tính, nó sẽ sinh ra những trường, chúng làm không gian quanh mình bị “nhiễu”. Thế nên lực không còn là thuộc tính của hai vật thể nữa mà là một đơn vị tồn tại độc lập.

Với khái niệm trường tinh tế hơn hẳn các hạt vật chất vận động trong không gian trống rỗng, nền vật lý khám phá ra một thực tại mới, xem ra cơ bản hơn. Về sau ta sẽ thấy khái niệm trường sẽ dẫn đến tư tưởng tương đối trong vật lý, lý giải một cách xuất sắc thắc mắc của Newton do dâu mà có lực hút giữa các thiên thể.

Thậm chí nhiều nhà khoa học sẽ xem trường chính là đơn vị cơ bản của hạt vật chất. không phải hạt vật chất sinh ra trường mà hạt vật chất chỉ là một nơi bất thường, đặc biệt của trường mà người ta gọi là “điểm kỳ dị”. Khái niệm trường cũng hết sức phù hợp để nghiên cứu các nguồn năng lượng khác, kể cả năng lượng “tâm linh” như tác động tâm lý của con người với môi trường xung quanh, giữa người với người, giữa người với động vật, thực vật và môi trường vô sinh.

Thế là con trai của một người thợ rèn nghèo khổ đã khởi động một cuộc cách mạng trong ngành vật lý, một ngành khoa học tưởng chừng như chỉ dành cho những nhà thông thái quý phái và khả kính của các trung tâm nghiên cứu châu Âu.