Phần
thứ ba
TỪ
ÁNH SÁNG ĐẾN TRƯỜNG ĐIỆN TỪ
ÁNH
SÁNG ĐI TỪ TRONG RA NGOÀI
ÁNH
SÁNG LÀ NHỮNG HẠT VẬT CHẤT
SÓNG,
MỘT DẠNG VẬN ĐỘNG MỚI
ÁNH
SÁNG CŨNG LÀ SÓNG
TRƯỜNG
ĐIỆN TỪ, SỰ PHÁT HIỆN VĨ ĐẠI
ÁNH
SÁNG LÀ SÓNG ĐIỆN TỪ
CHẤT
LIỆU KHÔNG HỀ CÓ THẬT
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 ra 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 giải 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 hềt 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 họat 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
dịhc 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 hón
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 thượngcổ 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 nột 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 lại 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 cũa 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 một 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 thế) 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 đuợc. 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 trog 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 truềyn sự chấn động, truềyn năng lượng
trong không gian của mình. Không có nước thì cũng không
thể có sóng, không thể có một trường năng lưuợng 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, qủa
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 cá 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 dộng 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 dộng
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 thuờng 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 bao 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 dộng 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 nhiểu 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 đện 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 nguời 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
ĐỆN 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
bó 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 việ 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 ượng
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 luôun 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 truờng. 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 qúi phái
và khả kính của các trung tâm nghiên cứu châu Âu.
ÁNH
SÁNG LÀ SÓNG ĐIỆN TỪ
Thành
tựu chính của Faraday là thiết lập mối quan hệ giữa điện
trường và từ trường, thống nhất chúng thành một trường
điện từ, nêu lên khái niệm trường như một đại lượng
cơ bản của vật lý. Chỉ thành tựu đó thôi ông cũng đã
xứng đáng được ghi tên vào chỗ đứng danh dự trong lịch
sử khoa học. Còn giữa trường điện từ và ánh sáng, người
ta thấy chúng là hai lĩnh vực hoàn toàn khác nhau. Lại chính
Faraday là người phát hiện ra mối quan hệ tưởng chứng như
bất khả đó.
Năm
1845 Faraday phát hiện một hiệu ứng quan trọng. Ông thấy
có thể thay đổi một số hiện tượng tương tự như sự
phân cực ánh sán khi sử dụng một từ trường. Hiệu ứng
cảu hiện tượng này được gọi là “Faraday-folation”. Faraday
lóe lên một ý nghĩ, phải chăng có mối liên hệ trực tiếp
giữa một bên là ánh sáng, bên kia là hiện tượng điện
từ; phải chăng chúng xuất phát chỉ từ một gốc, như con
người ngoan đạo Faraday hay tin tưởng. Thế nhưng đó là một
ý nghĩ quá táo bạo, vì từ xưa đến nay, hai hiện tượng
ánh sáng và điện từ không hề liện quan với nhau cả.
Song
song, khoảng năm 1846, một nhà khoa học Đức tên là Weber,
khi nghiên cứu các hạt mang điện tích, thấy rằng có một
vận tốc có trị số rất lớn luôn luôn xuất hiện trong
các mối tương tác. Trị số đó chính là vận tốc ánh sáng
với 300.000km/giây.
Theo
thời gian, những công trình thực nghiệm về điện trường,
từ trường, về sự cảm ứng điện từ cũng như những cơ
sở đầu tiên về mối liên hệ giữa ánh sáng và trường
điện từ dần dần được thực hiện. Thế nhưng, lịch sử
phải đợi hai mươi năm nữa mới có một nhà toán học phát
biểu tất cả những thành tựu đó bằng ngôn ngữ toán học.
Đó là Maxwell, người Anh, ông đã đi vào lịch sử khoa học
với bốn phương trình kỳ lạ.
Chàng
sinh viên toán Maxwell vốn là con nhà dòng dõi, khác hẳn với
Faraday. Khi đọc các công trình nghiên cứu của Faraday, Maxwell
thấy dường như nhà khoa học này suy nghĩ như mình, có điều
những suy nghĩ này được nêu lên bằng hình ảnh chứ không
bằng ngôn ngữ của toán học. Faraday là người kém toán,
con trai của người thợ rèn đâu có bao giờ được đi học
đại học chính qui. Thế nhưng chính nhờ tư tưởng của mình
mà Faraday nghiễm nhiên trở thành nhà toán học, như Maxwell
viết về ông: “Với sự triển khai và chuyển hóa ý niệm
lực tuyến nhằm đưa các hiện tượng cảm ứng điện từ
ăn khớp với nhau, ông (Faraday) đã cho thấy mình là nhà toán
học tầm cỡ”.
Sau
đó Maxwell quyết phát biểu bằng toán học các ý niệm của
Faraday. Năm 1964, ông công bố bài báo cáo A Dynamic Theory of
the Electromagnetic Field (Một lý thuyết động về trường điện
từ), trong đó mọi hiện tượng của điện và từ đều được
trình bày sắc sảo chưa từng thấy.
Trong
thuyết điện từ, tổng cộng ta có bốn kết luận lớn: tính
chất của điện trường, tính chất của từ trường, sự
thay đổi của từ trường sinh ra điện trường và sư thay
đổi của điện trường sinh ra từ trường. Bốn bài toán
đó được viết gọn bằng bốn phương trình vi phân giản
đơn tới mức độ kỳ dị. Trong lịch sử khoa học, vô số
người đã ngẩn ngơ ngắm nhìn bốn phương trình với nhiều
câu hỏi lạ lùng. Tại sao thiên nhiên lại cô đọng như thế,
lại “thiện mỹ” như thế? Tại sao thiên nhiên lại tuân
thủ toán học của con người, hay toán học không phải của
con người bày ra, hay Thượng đế là nhà toán học thật.
Bolezman, nhà vật lý người Áo nổi tiếng, đã phải thốt
lên: “Phải chăng Thượng đế là người viết những dòng
này”.
Chỉ
với bốn phương trình đó, tư tưởng của Faraday mới bộ
cộ rõ sức mạnh và vẻ đẹp của nó. Nhờ Maxwell, khoa học
đã thống nhất trường điện từ trong một khái niệm chung
và trình bày một tực tại mới bằng ngôn ngữ của thực
nghiệm và toán học. Đó là lý thuyết trường – đơn vị
vật lý của tự nhiên. Theo quan niệm này, tự nhiên gồm đầy
những lực tuyến đan chéo ngang dọc với nhau, chúng là một
tấm lưới đầy năng lực. Mạng lưới lực tuyến đó không
phải tĩnh tại mà chúng vận hành liên tục, sự vận hành
đó sinh ra những sóng điện từ di chuyển trong không gian với
vận tốc của ánh sáng.
Sự
tổng hợp ly kỳ giữa phần thực nghiệm của Faraday và phần
lý thuyết của Maxwell, giữa điện trường và từ trường
để sinh ra điện từ trường là kết quả quan trọng nhất
của nền vật lý vào giữa thế kỷ thứ 19. Thế nhưng, chưa
hết, Maxwell còn cho thêm một tư tưởng lạ nữa. Ông phát
hiện một phương trình của trường điện từ rất giống
với một phương trình của sóng âm thanh do Eucer nêu lên. Đồng
thời từ phương trình của mình, Maxwell có thể suy ra trên
mặt lý thuyết vận tốc của ánh sáng và trị số đó lại
rất trùng hợp với trị số thực nghiệm. Vì thế Maxwell
ngờ rằng, ánh sáng chỉ là một dạng của sóng điện từ.
Ông viết một cách thận trọng: “Sự trùng hợp của kết
quả đo lường (của vận tốc ánh sáng) dường như cho thấy,
rằng ánh sáng và từ tính đều là thuộc tính của một chất
liệu duy nhất và ánh sáng là một sự nhiễu loạn điện
từ, nó lan truyền trong trường theo qui luật của điện từ”.
Lại một lần nữa, Maxwell dùng toán học để chứng minh cho
tuệ giác của Faraday, ở đây là mối liên hệ giữa ánh sáng
và điện từ.
Với
Maxwell khoa học đã vượt lên nền vật lý cơ giới của Newton
và tìm đến một thực tại vật lý mới. Einstein viết: “Trong
mọi trường hợp, ta được phép tin rằng, trên con đường
đầy thành quả do Faraday và Maxwell vạch ra, ta dần dần tìm
được một cơ sở mới mẻ và chắc chắn cho toàn bộ ngành
vật lý”.
Với
Maxwell nền vật lý có một sự hợp nhất bất ngờ: ánh sáng
chính là một dạng của sóng điện từ. Những hiện tượng
tưởng chứng như không liên quan gì đến nhau nay được chứng
tỏ chúng có chúng một nguồn gốc, đó là điều mà con người
sùng tín của Faraday đã trực giác cảm nhận. Khoảng 20 năm
sau khi bốn phương trình của Maxwell ra đời, nhiều nhà vật
lý đã vận dụng ngôn ngữ toán học đó để lý giải mọi
hiện tượng của ánh sáng như màu sắc, sự nhiễu xạ, khúc
xạ, phản chiếu, phân cực… Trong thời kỳ đó vô số kết
quả của hai phía thực nghiệm và lý thuyết được công bố,
chúng dựa vào nhau, làm nền tảng cho nhau, minh chứng lẫn
nhau. Đáng nhắc nhở nhất là nhà vật lý vắn số, người
Đức, Hertz, ông đã minh chứng bằng thực nghiệm sự hiện
đện của sóng điện từ năm 1886. Tên của ông, Hertz, đã
trở thành đơn vị đo tần số của sóng điện từ (viết
tắt là Hz).
Ngày
nay người ta biết rõ ráng rằng trường đện từ là một
đại lượng với đầy năng lượng; và sự vận động của
nó sinh ra sóng với nhiều tần số khác nhau. Trong một loạt
tần số nhất định thì nó kích thích thị giác để sinh
ra cái thấy, trong đó mỗi tần số lại sinh ra một màu khác
nhau. Một trong những tần số khác của sóng điện từ có
tia hồng ngoại, nó mang nhiệt. Các sóng có tần số thấp
hơn hồng ngoại là các loại sóng vi ba và sóng radio. Ngược
lại tần số cao hơn ánh sáng gồm có tia cực tím và các
tia bức xạ khác như quang tuyến X, tia gamma.
Ngày
nay con người sử dụng sóng điện từ khắp nơi, từ trong
bếp với chiếc máy phát sóng vi ba để nấu thức ăn cho đến
các loại thiết bị truyền thanh truyền hình. Các tia cực
tím thường được sử dụng trong các phản ứng hoá học,
các tia bức xạ được áp dụng nhiều nhất trong các thiết
bị y khoa.
Các
loại bức xạ nói trên đều là đối tượng của các công
trình nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật rất công phu. Đặc
biệt tia gamma và các bức xạ khác sẽ đóng một vai trò quan
trọng trong việc nghiên cứu nguyên tử và nhân nguyên tử
trong thế kỷ thứ 20.
Với
trường điện từ con người đi vào một chốn ẩn mật, trong
đó dường như ta có thể tìm kiếm nguồn gốc của rất nhiều
hiện tượng tự nhiên. Phải chăng tất cả mọi hiện tượng
thiên nhiên đều là sóng điện từ, là dạng rung động của
một chất liệu được mệnh danh là ê-te? Thế kỷ thứ 19
còn hé mở rất nhiều bất ngờ và ngày nay vẫn chưa ai hiểu
tự tính đích thực của điện từ là gì.
CHẤT
LIỆU KHÔNG HỀ CÓ THẬT
Đến
nay ta đã biết sóng nước là dạng dao động của nước,
sóng âm thanh là dạng dao động của không khí. Thế nên sóng
điện từ phải là dạng dao động của một chất liệu nhất
định. Đó là suy luận nghe ra hết sức có lý.
Vì
lẽ đó mà Huygens, người được xem là đã đặt nền tảng
của quan niệm sóng ánh sáng, tin rằng có một chất ê-te trong
vũ trụ và ánh sáng chính là dạng dao động của ê-te. Faraday
là người nêu lên khái niệm về trường và về lực tuyến,
ông cũng vẫn tin có một chất liệu ê-te tràn ngập vũ trụ.
Còn Maxwell, năm 1878, cả chục năm sau khi phát hiện các phương
trình căn bản của trường điện từ vẫn còn viết như sau
về ê-te: “Dù thật khó để có một hình dung hữu lý về
ê-te, nhưng không thể nghi ngờ là trong không gian của vũ trụ
phải đầy ngập một chất liệu vật chất hay một thứ vật
thể như thế”. Vì nếu không có chất đó thì ánh sáng truyền
đi bằng cách nào?
Nước
và không khí, chất liệu của sóng nước và của sóng âm
thanh thì ta biết rõ. Nhưng ê-te thì sao, đặc tính, tỉ trọng,
khối lượng, cấu trúc của nó như thế nào? Người ta tưởng
tượng, nó phải rất loãng vì trái đất lao vùn vụt trong
ê-te mà ta không thấy có dấu hiệu gì là bị cản trở cả.
Thế nhưng vận tốc ánh sáng, thứ sóng truyền trong ê-te,
lại rất cao, buộc chúng ta phải nghĩ ê-te là không thể loãng
được.
Thử
lấy một hình ảnh để minh hoạ: Hãy xem một sợi dây đàn
và độ rung – tức là vận tốc truyền động – của nó.
Khi thay đổi độ căng của dây thì ra dễ thấy, hễ dây càng
căng thì âm thanh càng cao, vận tốc truyền động càng nhanh.
Ngoài độ căng ra, ta còn một yếu tố thứ hai, đó là khối
lượng của sợi dây. Nếu nó càng to nặng, tiếng rung của
nó càng trầm, vận tốc rung càng chậm.
Tóm
lại vận động của sóng tỉ lệ thuận với độ căng và
tỉ lệ nghịch với khối lượng. Thế thì khối lượng
của ê-te bao nhiêu và sức căng của nó thế nào để cho một
vận tốc ánh sáng khủng khiếp như thế. Từ năm 1746, nhà
vật lý người Thụy Sĩ Euler đã tính thử, so với không khí
thì ê-te phải 100 triệu lần loãng hơn và có sức đàn hồi
1000 lần lớn hơn. Sức đàn hồi của ê-te như thế phải
lớn hơn sắt thép, còn tỉ trọng của nó phải 100 triệu
lần loãng hơn không khí.
Sau
Euler còn có rất nhiều nhà khoa học phát biểu những mô hình
khác cho ê-te, chúng co thể giải thích được các vận động
“nhanh” như của ánh sáng cũng như các vận động “chậm”
như của thiên thể và trái đất trong môi trường ê-te.
Không
ai dám phủ nhận ê-te nhưng cũng không ai có một hình dung
hữu lý về nó. Dần dần trong lịch sử khoa học xuất hiện
những nhà vật lý, họ quyết tâm bảo vệ sự hiện diện
của ê-te cho đến cùng mà người nổi danh nhất trong đó
là Lord Kelvin. Họ suy luận mọi hiện tượng điện từ dựa
trên những tính chất cơ học của ê-te, thí dụ xem các lực
tuyến của Faraday là do ê-te “co giãn”.
Nhiều
người hình dung ê-te cũng có những nguyên tử hẳn hoi. Thế
nhưng một vấn đề nan giải được đặt ra là như thế thì
các nguyên tử ê-te nằm trong không gian hay ê-te chính là không
gian bất động. Nếu ê-te là không gian bất động thì ta sẽ
có một hệ qui chiếu tuyệt đối, thậm chí được cấu tạo
bằng vật chất. Nếu thế thì đây là khúc khải hoàn ca của
nền vật lý cơ giới của Newton. Thế nhưng, điều này sẽ
được Einstein trả lời khoảng vài mươi năm sau.
Năm
1887 một biến cố bất ngờ xảy ra. Hai nhà vật lý Michelson
và Morley tìm cách chứng minh qua thực nghiệm sự hiện diện
của ê-te bằng cách xác định vận tốc tương đối của
ê-te so với trái đất. Hai ông đến với kết quả là
ê-te không hề có thực! Thí nghiệm đó được Lord Kelvin nghiên
cứu kỹ lưỡng nhưng ông không phát hiện ra sai sót nào và
phải thừa nhận kết quả của nó là đúng.
Như
vậy là không có ê-te, thế thì ánh sáng là sự dao động
của gì, cả ai? Không ai hiểu cả và cả Lord Kelvin, nhà khoa
học nổi danh là kiêu ngạo cũng phải thừa nhận sự thất
bại của mình lúc trên 80 tuổi. Trong một buổi lễ kỷ niệm
50 năm làm giáo sư tại đại học Glasgow, ông nói: “Chỉ
có một từ ngữ nói lên sự cố gắng không ngừng của tôi
trong suốt 55 năm qua, để đưa khoa học tiến lên, đó là
sự thất bại. Bây giờ tôi cũng không biết gì hơn về lực
của điện, lực của từ, về mối liên hệt giữa ê-te, điện
và vật chất cụ thể, nếu so với kiến thức của 50 năm
trước đây, khi tôi bắt đầu làm giáo sư và cố gắng giảng
cho sinh viên hiểu”.
Điều
mà Lord Kelvin không hiểu và không ai hiểu là, nếu không có
vật chất thì làm gì có sự dao động. Sự dao động phải
là dao động của một chất liệu. Chất liệu đã ăn sâu
vào đầu óc Faraday cũng đã né tránh tính chất “chất liệu”
của trường mà ông nhấn mạnh đến lực tuyến và ám chỉ
sự dao động là dao động của lực tuyến. Về sau người
ta thấy các phương trình của Maxwell cũng không buộc phải
có một chất ê-te nữa, mặc dù tác giả của chúng vẫn tin
là có ê-te.
Điều
gì đã xảy ra trong cộng đồng vật lý vào cuối thế kỷ
thứ 19? Thời đó xảy ra một cuộc cách mạng thầm lặng
trong quan niệm về “chất liệu”. Ngày nay người ta biết
rằng, sóng điện từ là có thật và nó lan truyền trong chân
không với tốc độ của ánh sáng. Nó không có một chất
liệu nào cả, nó là phi vật chất. Tự tính của ánh sáng
là phi vật chất, tự tính của sóng điện từ là phi vật
chất. Sự thiếu vắng một chất liệu trong trường điện
từ sẽ dẫn đến một quan niệm triết học mới về thiên
nhiên mà về sau chúng ta sẽ nói đến.
Ê-te
chỉ là một huyền thoại. Người ta đoán phải có nó vì
nếu không có nó thì không thể có sóng điện từ. Nhưng đó
là một giả định sai lầm. Nhưng nguyên uỷ của sự sai lầm
này là từ đâu?
Thế
kỷ thứ 19 là đỉnh cao của chủ nghĩa duy vật trong khoa học.
Phần lớn các nhà vật lý ở thời đại đó đều nghĩ rằng,
nếu có một vật gì tồn tại bên ngoài, thì cái đó là vật
chất, cái đó có chất liệu. Đó là trung tâm của triết
học Descartes mà ta đã nói đến. Thế kỷ thứ 19 cũng là
thời kỳ của những thành tựu vĩ đại của nền vật lý
cơ giới của Newton, nền vật lý đặc trưng của các hạt
vật chất. Tất cả mọi sự cần phải qui về sự vận động
của các hạt vật chất, kể cả nhiệt động học – mà
Lord Kelvin là một người có công rất lớn – cũng như các
ngành khác như cơ học lưu chất (của thể lỏng và thể khí).
Thế thì ánh sáng phải có chất liệu và chất liệu đó được
đặt tên là ê-te.
Sự
ràng buộc triết học về chất liệu trong thề giới tự nhiên
lớn tới mức không chỉ Lord Kelvin mà cả những kiến trúc
sư của lý thuyết trường như Faraday mà Maxwell cũng không
thoát nổi. Điều này cho ta thấy triết học đóng vai trò
quan trọng thế nào trong khoa học. “Phá vỡ một định kiến
trong khoa học khó hơn phá vỡ một hạt nhân nguyên tử”,
Einstein đã từng nói như thế. Chỉ khi nền vật lý thực
nghiệm với những bằng cớ không ai chối cãi nổi mới buộc
ta từ bỏ những định kiến triết học đó. Qui luật này
sẽ còn lặp lại trong thế kỷ 20 và dĩ nhiên là mãi mãi
về sau. Vì thế khoa học thường có những bước phát triển
đột ngột, chúng xảy ra sau khi một số định kiến nhất
định bị phá vỡ. Những định kiến đó xuất phát từ những
giả định mà con người nêu lên một cách vô ý thức nhưng
họ vẫn tưởng đó là hiển nhiên. Thật ra đó chính là những
giả định siêu hình mà ta nói đến trong những chương đầu
tiên của cuốn sách này.
WP:
Hoàng Ngọc Anh