(tiếp theo)
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 trung 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 của loài người dường như vận động theo chiều xoắn ốc. Những loạt tri kiến đến sau 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 cuốn 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 và "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 ánh 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 xếp 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 sáng 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 bóng 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 rơi. 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 chia ra nhỏ hơn được nữa. Các tia sáng có màu đó 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 mà 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 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 mà 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 định nghĩa vị trí 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 của 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, 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 các thanh âm kỳ diệu, tất cả đều là sự rung của không khí. Đó là kết luận 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.
(còn tiếp)