Đạo của vật Lý- chương 4 : Nền của vật lý mới

Thực tế là mọi sự vật của tự nhiên và mọi hiện tượng bắt đầu thay đổi; toàn bộ kinh nghiệm của chúng ta về thế giới đã khác hẳn... Có một phương thế mới, vĩ đại và sâu xa để ngộ về mọi sự, để thấy, để biết và tiếp xúc chúng...

Đạo học phương Đông cho rằng sự chứng thực tâm linh trực tiếp về thực tại là một biến cố chớp nhoáng, nó lung lay tận gốc rễ thế giới quan con người. D.T.Suzuki gọi nó là “biến cố sửng sốt nhất có thể xảy ra trong ý thức con người... Nó vứt bỏ mọi dạng kinh nghiệm thông thường”1 , ông giả thích tính chất đáng sợ của kinh nghiệm này bằng lời một thiền sư đã mô tả “như một bình nước vỡ đáy”.

Đầu thế kỷ này, nhà vật lý cũng bị tình trạng tương tự, họ mô tả kinh nghiệm này giống như cách nói của vị thiền sư nọ. Suzuki. Heisenberg viết:

Người ta chỉ có thể hiểu những phản ứng dữ dội về các phát triển gần đây của nền vật lý hiện đại khi ta nhận thức rằng, nơi đây toàn bộ cơ sở của vật lý đang chuyển dịch và sự chuyển dịch này gây ra một cảm giác là nền tảng đó đang bị cắt rời ra khỏi khoa học 2 .

Einstein cũng hoảng sợ như thế khi ông tiếp xúc lần đầu với thực tại của vật lý nguyên tử. Ông viết trong hồi ký của mình:

Tất cả mọi cố gắng của tôi để thích hợp với cơ sở của lý thuyết vật lý của loại nhận thức mới mẻ này, hoàn toàn thất bại. Hầu như đất dưới chân tôi bị sụt lở, không ở đâu còn thấy một nền tảng vững chắc nữa, mà trên đó người ta có thể xây dựng một điều gì 3 .

Sự khám phá nền vật lý hiện đại đòi hỏi một sự đổi thay các khái niệm về không gian, thời gian, vật chất, khách thể, nguyên nhân và hậu quả... và vì những khái niệm này quá căn bản đối với chúng ta, nên chẳng có gì ngạc nhiên khi nhà vật lý buộc phải thay đổi chúng, người đó hoảng sợ cũng phải. Từ sự đổi thay này mà xuất phát một thế giới quan mới, hoàn toàn khác trước, nó vẫn còn tiếp tục phải thay đổi theo tiến trình của các nghiên cứu khoa học đang xảy ra.

Hai đoạn văn sau đây là của Niels Bohr(*) của nhà đạo học ấn Độ Sri Aurobindo, nói về chiều sâu và tính chất quyết liệt của kinh nghiệm này:

Trong thời gian qua, kinh nghiệm của ta đã được mở rộng ra, nó được phơi bày dưới ánh sáng, cho thấy tính bất toàn của những khái niệm đơn giản mang tính máy móc và hệ quả của nó là nền tảng của nó bị lung lay tận gốc rễ, nền tảng mà ta dùng để lý giải mọi quan sát 4 .

Niels Bohr

Thực tế là mọi sự vật của tự nhiên và mọi hiện tượng bắt đầu thay đổi; toàn bộ kinh nghiệm của chúng ta về thế giới đã khác hẳn... Có một phương thế mới, vĩ đại và sâu xa để ngộ về mọi sự, để thấy, để biết và tiếp xúc chúng 5 .

Phần sau sẽ phác họa hình ảnh sơ lược của thế giới quan mới, cho thấy thế giới quan cơ giới cổ điển vào đầu thế kỷ này phải nhường chỗ cho thuyết lượng tử và thuyết tương đối, dẫn đến một quan niệm tinh tế, toàn bộ và hữu cơ hơn nhiều của thế giới tự nhiên (*)
Vật Lý Cổ Điển
Thế giới quan ngày nay đang bị vật lý hiện đại thay đổi vốn đặt cơ sở trên mô hình của Newton về vũ trụ. Mô hình này tạo nên một cái khung chắc chắn cho vật lý cổ điển. Thật sự nó là một nền tảng vĩ đại, trên tảng đá vững chắc đó, ta đã xây dựng toàn bộ khoa học và triết lý về giới tự nhiên cho khoảng ba trăm năm.
Sân khấu của vũ trụ Newton, trong đó tất cả hiện tượng cơ lý xảy ra, là không gian ba chiều của hình học cổ điển Euclid. Đó là một không gian tuyệt đối, luôn luôn tĩnh tại và không thay đổi. Hãy dùng chính ngôn từ của Newton: “Tự tính của không gian tuyệt đối là luôn luôn như nhau, bất động, không hề phụ thuộc gì vào sự vật nằm trong đó”6 .Tất cả mọi biến dịch của sự vật trong cơ thế giới cơ lý được mô tả với khái niệm của một kích thước khác, gọi là thời gian, mà thời gian bản thân nó lại là tuyệt đối, có nghĩa là không liên hệ gì với thế giới vật chất và trôi đều đặn từ quá khứ, qua hiện tại đến tương lai. Newton nói: “Thời gian tuyệt đối, đích thực, có tính toán học, tự chảy, theo tự tính của nó là đều đặn và không liên quan gì đến bất cứ vật nào”.
Những vật thể của thế giới Newton, chúng vận động trong không gian và thời gian tuyệt đối là những hạt vật chất. Trong các đẳng thức toán học, chúng được xem là hạt khối lượng (**) .Newton xem chúng là những hạt nhỏ, cứng chắc và là vật thể không huỷ, chúng là thành phần cấu tạo mọi vật chất. Mô hình này khá giống với mô hình của các nhà nguyên tử học Hy Lạp. Cả hai đều dựa trên sự phân biệt giữa đầy đặc và trống rỗng, giữa vật chất và không gian, và trong cả hai mô hình thì các hạt đều luôn luôn có khối lượng và hình dạng không thay đổi. Do đó vật chất luôn luôn được bảo toàn. Sự khác biệt lớn giữa Democrit và Newton trong quan niệm nguyên tử là, Newton là người gắn thêm một lực tác động giữa các hạt với nhau. Lực này rất đơn giản và chỉ tuỳ thuộc vào khối lượng và khoảng cách của chúng. Đó là trọng lực hay lực hút lẫn nhau của các khối lượng và Newton xem lực đó gắn chặt với vật thể, chúng tác động tức thì trong khoảng cách rất xa. Mặc dù đây là một giả thuyết kỳ dị, nó không được ai tìm hiểu thêm. Các khối lượng và lực tác động được xem như do Chúa tạo thành và do đó không phải là đối tượng để xem xét. Trong tác phẩm Optics, Newton cho ta thấy hình dung của ông về việc Chúa tạo dựng thế giới vật chất:
"Tôi cho rằng có lẽ mới đầu Chúa tạo vật chất bằng những hạt cững chắc, đầy đắc, không thể xuyên qua, di động, với dạng hình, với kích thước, với tính chất và tương quan nhất định với không gian, phù hợp nhất với mục đích mà ngài muốn tạo ra; và những hạt đơn giản này là thể rắn, cứng hơn bất kỳ vật thể xốp nào khác, chúng cứng đến độ không bao giờ hao mòn, không vỡ. Không có một lực nào có thể chia cắt nó, vật mà trong ngày đầu tiên Chúa đã sáng tạo"
Tất cả mọi hiện tượng cơ lý trong cơ học Newton đều có thể qui về sự vận động của hạt khối lượng trong không gian, sự vận động đó do lực hấp dẫn giữa chúng với nhau: lực trọng trường, gây ra. Nhằm phát biểu tác dụng của lực đó trên hạt khối lượng bằng tính chính xác của toán học, Newton phải sử dụng khái niệm và kỹ thuật toán học hoàn toàn mới, đó là phép tính vi phân. Vào thời điểm đó, đây là một thành tựu tri thức vĩ đại và được Einstein tôn thờ là “có lẽ đó là bước tiến lớn nhất trong tư duy mà một cá nhân xưa nay làm được”.
Các phương trình vận động của Newton là nền tảng của cơ học cổ điển. Chúng được xem là qui luật cố định, theo đó các hạt khối lượng chỉ việc vận hành và thời đó người ta cho rằng nó mô tả được tất cả mọi biến dịch có thể quan sát được trong thế giới cơ lý. Theo cách nhìn của Newton thì trước hết Chúa sáng tạo ra vật chất, lực tác dụng giữa chúng và định luật của sự vận động. Theo cách đó thì vũ trụ được đưa vào vận hành và từ đó chạy như một cái máy, được hướng dẫn bằng qui luật bất di bất dịch.
Thế giới quan cơ giới như vậy liên hệ chặt chẽ với tư tưởng quyết định luận. Bộ máy vũ trụ khổng lồ được xem là có thứ tự trước sau và cái sau được xác định bởi cái trước một cách chắc chắn. Tất cả điều gì xảy ra đều có một lý do, sẽ gây một hiệu ứng rõ rệt, tương lai của mỗi một thành phần trong hệ thống đều được quyết đoán một cách chắc chắn; nói trên nguyên tắc, nếu mọi điều kiện trong một thời gian nhất định được biết rõ. Niềm tin này được nói rõ nhất trong câu nói nổi tiếng của nhà toán học Pháp Pierre Simon Laplace(*):
Một đầu óc, nếu trong một thời điểm nhất định, nó biết mọi lực tác động, và tình trạng của sự vật tạo nên thế giới- giả định đầu óc đó đủ lớn để phân tích mọi thông tin này- thì đầu óc đó chỉ với một công thức mà biết hết mọi vận động, từ vận động lớn nhất trong vũ trụ đến vận động của những nguyên tử; đối với đầu óc đó thì không gì là bất định và tương lai cũng như quá khứ trước mắt nó là rõ rệt, như hiện tại.
Nền tảng của thuyết quyết định luận này là sự cách ly cơ bản giữa cái tôi và thế giới còn lại, sự cách ly này do Descartes đem vào triết học.
Sự cách ly này làm người ta tin rằng, thế giới có thể được mô tả một cách khách quan , nghĩa là không cần quan tâm gì đến người quan sát và tính khách quan trong việc mô tả thế giới được xem là cứu cánh của mọi khoa học.
Thế kỷ 18 và 19 là nhân chứng cho thành tựu vĩ đại của cơ học Newton. Bản thân Newton áp dụng thuyết của ông vào vận động của thiên thể và nhờ đó mà giải thích được tính chất căn bản của hệ thống thái dương hệ...
Thế nhưng mô hình các hành tinh của ông được đơn giản hóa rất nhiều, thí dụ lực hút giữa các hành tinh với nhau được bỏ qua và vì thế mà ông gặp phải nhiều điều không hợp lý, không giải thích được. Ông giải quyết vấn đề này bằng cách cho rằng Chúa hiện diện thường hằng trong vũ trụ để sửa đổi những điều không hợp lý nọ.
Laplace, nhà toán học lớn, tự đặt cho mình trách nhiệm lớn lao, viết một tác phẩm bổ sung thêm các bài tính của Newton, để “mang lại một lời giải toàn triệt cho vấn đề cơ học lớn của thái dương hệ và đưa lý thuyết sát gần với mọi quan sát, để các phương trình xuất phát từ kinh nghiệm không còn chỗ đứng trong ngành thiên văn”. Kết quả là một tác phẩm đồ sộ với năm cuốn, mang nhan đề Mecanique Cðleste (Cơ học thiên thể), trong đó Laplace thành công, lý giải mọi vận động của các hành tinh, các mặt trăng, sao chổi, đến những chi tiết nhỏ như sự lên xuống của thủy triều và các thứ khác, các hiện tượng liên quan đến sức hút trọng trường. Ông chứng minh qui luật vận động của Newton bảo đảm tính ổn định của thái dương hệ và xem vũ trụ như một cỗ máy tự điều hành một cách toàn hảo. Khi Laplace trình tác phẩm này cho đại đế Napoleon xem, nghe nói nhà vua nói như sau: “Thưa ông Laplace, người ta báo với tôi, ông viết cuốn sách qui mô này về hệ thống vũ trụ mà không hề nhắc nhở tới đấng sáng tạo ra nó”. Laplace trả lời ngắn gọn: “Tôi không cần đến giả thuyết này”.
Phấn khởi trước những thành tựu rực rỡ của cơ học Newton, nhà vật lý cơ học này quay sang xét sự vận hành liên tục của vật thể ở trạng thái lỏng và sự rung động của vật thể đàn hồi và đạt thành quả. Cuối cùng, thậm chí môn nhiệt học cũng có thể qui về cơ học khi người ta biết rằng nhiệt cũng là năng lượng, nó chỉ do chuyển động không trật tự của phân tử mà thành. Khi nhiệt độ của nước tăng cao thì các phân tử nước cũng tăng mức vận động, tăng cho đến khi chúng bứt khỏi lực liên kết nội hãm chúng và thoát đi nhiều hướng. Thế là nước ở trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái hơi. Ngược lại khi nhiệt giảm dần thì các phân tử nước hợp lại, kết thành một cấu trúc mới, cứng rắn, đó là thể rắn ở dạng băng. Theo cách này thì nhiều hiện tượng thuộc nhiệt học có thể hiểu bằng cách nhìn cơ học.
Thành công to lớn của mô hình cơ học làm cho nhà vật lý của đầu thế kỷ 19 tin rằng, quả thật vũ trụ phải là một hệ thống cơ giới khổng lồ, vận hành theo nguyên lý vận động của Newton đề ra. Những qui luật này được xem như nền tảng của qui luật tự nhiên và mô hình Newton là mô hình chung kết về thế giới hiện tượng. Thế nhưng chỉ không đầy một trăm năm sau, người ta khám phá một thực tại cơ lý khác, nó làm rõ giới hạn của mô hình Newton và chỉ ra rằng mô hình đó không hề có giá trị tuyệt đối.
Những nhận thức này không hề xuất hiện một cách bất ngờ, sự phát triển của chúng đã bắt nguồn từ thế kỷ 19 và mở đường chuẩn bị cho cuộc cách mạng khoa học của thời đại chúng ta. Bước đầu tiên của quá trình phát triển này là sự khám phá và nghiên cứu các hiện tượng điện từ, các hiện tượng đó không được giải thích ổn thỏa với mô hình cơ khí và trong các hiện tượng đó người ta thấy có một loại năng lực mới tham gia. Bước quan trọng này do Michael Faraday và Clerk Maxwell thực hiện, người đầu là một trong những nhà thực nghiệm lớn nhất trong lịch sử khoa học, người sau là một lý thuyết gia xuất sắc. Khi Michael Faraday tạo ra một dòng điện bằng cách di chuyển một thỏi nam châm trong một cuộn dây đồng và biến một công cơ -sự di chuyển nam châm-thành điện năng, ông đã tạo một bước ngoặt trong lịch sử khoa học và kỹ thuật. Thí nghiệm căn bản này một mặt đã khai sinh ra ngành điện từ, mặt kia nó làm nền tảng cho những suy luận lý thuyết của ông và của Maxwell không những chỉ nghiên cứu hiệu ứng của lực điện từ, ông còn nghiên cứu bản chất những lực đó là gì. Hai ông mới thay khái niệm của lực bằng một trường và họ trở thành người đầu tiên vượt ra khỏi vật lý cơ giới của Newton.
Thay vì như cơ học Newton, cho rằng hai điện tích âm và dương hút nhau như hai khối lượng trong cơ học cổ điển, hai ông Faraday và Maxwell thấy đúng hơn, họ cho rằng mỗi điện tích tạo ra trong không gian một tình trạng nhiễu hay một điều kiện, nó làm cho một điện tích khác cảm thấy một lực tác động lên mình. Điều kiện này trong không gian, cái có thể sinh ra lực, được gọi là trường . Chỉ một điện tích duy nhất đã sinh ra trường, trường hiện hữu tự nó, không cần có sự hiện diện của một điện tích khác mới có trường và tác động của nó.
Đây là một sự thay đổi sâu sắc trong quan niệm của chúng ta về thực tại cơ lý. Theo cách nhìn của Newton thì lực tác động gắn chặt lên vật thể được tác động. Bây giờ khái niệm lực được thay thế bằng một khái niệm tinh tế hơn của một trường, trường này có thực thể riêng của nó, có thể được nghiên cứu mà không cần dựa trên vật thể nào khác. Đỉnh cao của lý thuyết này, được gọi là điện động, xuất phát từ nhận thức rằng ánh sáng không gì khác hơn là một trường điện từ, trường đó di chuyển trong không gian dưới dạng sóng. Ngày nay người ta biết rằng tất cả sóng truyền thanh, sóng ánh sáng hay quang tuyến X đều là sóng điện từ cả - tức là điện trường và từ trường giao thoa với nhau, chúng chỉ khác nhau về tần số rung và ánh sáng chỉ là một phần rất nhỏ của toàn bộ các trường điện từ.
Mặc sự có thay đổi sâu xa đó, cơ học Newton vẫn tạm giữ vị trí nền tảng của nền vật lý. Chính Maxwell cũng có khi thử giải thích thành quả của mình bằng quan điểm cơ học. Ông xem trường như là một dạng áp suất cơ học của một chất liệu đầy ắp trong không gian, chất đó được gọi là ê-te và sóng điện từ được xem như sự co giãn đàn hồi của chất ê-te đó. Điều này nghe rất tự nhiên vì sóng hay được hiểu là sự rung động của vật chất, kiểu như sóng là sự rung của nước, âm thanh là sự rung của không khí. Thế nhưng Maxwell cùng lúc sử dụng nhiều cách cơ học để diễn dịch lý thuyết của mình nhưng không coi trọng chúng. Có lẽ ông đã biết một cách trực giác rằng, mặc dù không nói ra, yếu tố nền tảng của lý thuyết của mình là trường chứ không phải là mô hình cơ học. Rồi chính Einstein, người mà năm mươi năm sau nhận rõ điều này khi nói không hề có ê-te và điện từ trường là những đơn vị lý tính tự hiện hữu, nó đi xuyên suốt không gian trống rỗng và không thể được giải thích theo quan điểm cơ học.
Đến đầu thế kỷ 20 thì nhà vật lý có hai lý thuyết thành công trong tay, chúng được áp dụng cho nhiều hiện tượng khác nhau: Nền cơ học Newton và lý thuyết điện từ trường Maxwell. Mô hình Newton không còn là nền tảng duy nhất của ngành vật lý nữa.
Vật Lý Hiện đại
Ba mươi năm đầu của thế kỷ 20 thay đổi một cách triệt để tình hình chung của vật lý. Hai sự phát triển khác nhau, thuyết tương đối của vật lý nguyên tử, đã phá hủy mọi khái niệm căn bản của thế giới quan Newton, đó là hình dung về một không gian tuyệt đối và một thời gian tuyệt đối, một hạt khối lượng đặc cứng, tính tuyệt đối của nhân quả trong hiện tượng thiên nhiên và cứu cánh của sự mô tả khách quan của tự nhiên. Không khái niệm nào trong số này đứng vững được trong lĩnh vực mà giờ đây nền vật lý đang thâm nhập.
Trong giai đoạn đầu của vật lý hiện đại ta phải kể đến thành tựu tư duy to lớn của một con người, Albert Einstein. Trong hai công trình, công bố năm 1905, Einstein trình bày hai hướng tư duy cách mạng. Một là thuyết tương đối đặc biệt của ông, hai là cách nhìn của ông về các bức xạ điện từ, cách nhìn đó sẽ là đặc trưng cho thuyết lượng tử, cái mà về sau trở thành lý thuyết của hiện tượng trong thế giới nguyên tử. Lý thuyết lượng tử hoàn chỉnh khoảng hai mươi năm sau mới được thiết lập do một nhóm nhà vật lý. Ngược lại, thuyết tương đối trong dạng hoàn chỉnh thì hầu như chỉ do Einstein xây dựng. Công trình khoa học của Einstein trong đầu thế kỷ 20 này sừng sững như một tòa tri thức vĩ đại - nó là kim tự tháp của văn minh hiện đại.
Einstein tin tưởng một cách sâu sắc nơi sự hòa điệu nội tại của thiên nhiên và suốt trong cuộc đời khoa học thì cái tha thiết nhất của ông là đi tìm một nền tảng chung cho ngành vật lý. Ông bắt đầu chuyến hành trình này bằng cách xây dựng một cơ sở chung cho điện động học và cơ học, hai lý thuyết riêng lẻ của nền vật lý cổ điển. Cơ sở này chính là thuyết tương đối đặc biệt. Nó thống nhất và làm hoàn chỉnh cơ cấu của vật lý cổ điển, đồng thời chứa đựng những sự thay đổi quyết liệt về khái niệm truyền thống của không gian, thời gian và chôn vùi một trong những nền tảng của thế giới quan Newton.
Theo thuyết tương đối thì không gian không phải ba chiều và thời gian không phải là đơn vị độc lập. Cả hai lệ thuộc lẫn nhau và kết hợp thành một thể liên tục bốn chiều, không - thời gian. Vì thế, trong thuyết tương đối không bao giờ ta nói về không gian riêng lẻ mà không đưa thời gian vào, và ngược lại. Hơn thế nữa không thể có một dòng chảy đồng nhất của thời gian như trong mô hình của Newton. Nhiều quan sát viên sẽ ghi nhận những biến cố xảy ra trong thời gian khác nhau, khi họ di chuyển đến biến cố đó với vận tốc khác nhau. Trong trường hợp này, hai biến cố có thể với một quan sát viên là đồng thời, nhưng đối với những người khác thì chúng xảy ra cái trước, cái sau. Tất cả sự đo lường về không gian và thời gian đều mất tính tuyệt đối. Với thuyết tương đối thì khái niệm không gian của Newton, xem nó là một sân khấu cho mọi hiện tượng cơ lý diễn ra, khái niệm đó bị từ bỏ, khái niệm thời gian tuyệt đối cũng cùng chung số phận. Không gian và thời gian chỉ còn là những ngôn từ mà một quan sát viên nhất định sử dụng để mô tả hiện tượng mình nhìn thấy.
Các khái niệm không gian - thời gian thật hết sức cơ bản để mô tả hiện tượng tự nhiên, nên sự thay đổi của nó kéo theo sự thay đổi của toàn bộ hệ thống mà ta sử dụng để nói về tự nhiên. Hệ quả quan trọng nhất của sự thay đổi này khiến ta nhận ra rằng khối lượng không gì khác hơn là một dạng của năng lượng. Ngay cả một vật thể đang đứng yên cũng chứa trong nó năng lượng và mối liên hệ giữa hai mặt đó được thiết lập bằng đẳng thức nổi tiếng E=mc2, trong đó c là vận tốc ánh sáng, E: năng lượng, m: khối lượng của vật.
Hằng số c, vận tốc ánh sáng, đối với thuyết tương đối, có một tầm quan trọng cơ bản. Mỗi khi chúng ta mô tả các tiến trình cơ lý, trong đó có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, chúng ta phải lưu tâm đến thuyết tương đối. Điều đó có giá trị đặc biệt cho các hiện tượng điện từ mà ánh sáng chỉ là một thí dụ trong đó và chính hiện tượng này đã đưa đến việc Einstein phát biểu thuyết tương đối của ông.
Năm 1915 Einstein trình bày thuyết tương đối tổng quát, trong đó phạm vi của thuyết tương đối đặc biệt đã được mở rộng, bao trùm cả trường trọng lực, tức là lực hút lẫn nhau của các khối lượng. Trong thời gian đó, nếu thuyết tương đối đặc biệt đã được vô số thí nghiệm chứng tỏ, thì thuyết tương đối tổng quát chưa được thực nghiệm chứng minh. Thế nhưng thuyết đó được phần lớn công nhận là thuyết trọng trường nhất quán nhất và cũng là thích hợp nhất và được sử dụng rộng rãi trong vật lý thiên văn và vũ trụ học.
Theo thuyết của Einstein thì trường trọng lực có hiệu ứng làm “cong” không gian và thời gian. Điều đó có nghĩa là hình học thông thường của Euclid không còn giá trị trong một không gian cong nữa, như hình học mặt phẳng hai chiều không thể áp dụng lên mặt cong của khối cầu. Thí dụ trên mặt phẳng ta có thể vẽ một hình vuông bằng cách đo một mét dài của một đường thẳng, lấy điểm cuối của đoạn đó vẽ một góc vuông, lại đo một mét rồi làm thêm hai lần nữa, ta sẽ được một hình vuông. Trên một mặt cong, cách làm đó không thực hiện được, vì qui luật của hình học Euclid không thể áp dụng cho mặt cong.
Cũng như thế, ta có thể định nghĩa một không gian ba chiều cong, trong đó hình học Euclid hết còn giá trị. Thuyết Eistein cho rằng không gian ba chiều bị cong, và độ cong không gian bị trường trọng lực của vật chất gây nên. Bất cứ nơi nào có vật thể, thí dụ một vì sao hay hành tinh, không gian quanh nó bị cong và độ cong phụ thuộc vào khối lượng của vật chất.
Ngoài ra, trong thuyết tương đối, ta không bao giờ được tách rời thời gian, nên thòi gian cũng chịu tác động của vật chất và có dòng chảy khác nhau tại nhiều nơi trong vũ trụ. Với thuyết tương đối tổng quát, Einstein đã hoàn toàn bỏ qua khái niệm “không gian tuyệt đối” và “thời gian tuyệt đối”. Không phải chỉ những đo lường trong không gia thời gian là tương đối, mà cả cơ cấu của thể thống nhất không - thời gian cũng tùy thuộc vào sự phân bố vật chất trong vũ trụ, và khái niệm “không gian trống rỗng” cũng mất luôn ý nghĩa.
Thế là mâu thuẫn rành rành giữa hình ảnh của sóng và hạt được giải quyết một cách bất ngờ, nhưng nó đặt lại một vấn đề của vật lý cổ điển, đó là khái niệm về thực tại của vật chất...
Cách nhìn mang tính cơ giới của vật lý cổ điển dựa trên khái niệm về vật thể cứng chắc di chuyển trong không gian trống rỗng vẫn còn giá trị trong qui mô trung bình, tức là trong đời sống hàng ngày của chúng ta, trong đó vật lý cổ điển vẫn là một lý thuyết áp dụng được. Hai khái niệm- không gian trống rỗng và vật thể cứng chắc-đã bám rễ trong thói quen tư duy của ta, đến nỗi ta rất khó nghĩ ra một lĩnh vực cơ lý mà trong đó chúng ta không thể áp dụng được. Thế nhưng nền vật lý hiện đại buộc ta phải từ bỏ chúng, nếu ta muốn vươn ra khỏi qui mô trung bình nói trên. “Không gian trống rỗng” đã mất ý nghĩa trong vật lý thiên văn và vũ trụ học, và khái niệm “vật thể vững chắc” đã bị vật lý nguyên tử về những hạt cực nhỏ, bác bỏ.
Khoảng cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, đã có nhiều hiện tượng trong cơ cấu nguyên tử được khám phá, chúng không được giải thích thỏa đáng với vật lý cổ điển. Dấu hiệu cho hay bản thân nguyên tử cũng có một cơ cấu riêng được khám phá cùng lúc với sự phát hiện quang tuyến X, một dạng bức xạ sớm đi vào lĩnh vực y học. Nhưng tia X không phải là tia duy nhất được phát hiện. Sau khi khám phá ra nó, người ta tìm thấy những loại tia khác, chúng phát ra từ nguyên tử của những chất được gọi là phóng xạ. Hiện tượng phóng xạ được chứng minh rõ ràng là nguyên tử phải do nhiều thành phần cấu tạo thành, rằng nguyên tử của chất phóng xạ không những phát ra những tia khác nhau, mà trong nội bộ nguyên tử phải có nhiều chất chuyển hóa lẫn nhau.
Nhờ vào hiện tượng phóng xạ, Max Von laue dùng quang tuyến X nghiên cứu cơ cấu của nguyên tử ở dạng tinh thể và Ernest Rutherford nhận ra rằng, các hạt gọi là alpha được phát ra từ nguyên tử có tính phóng xạ là những phần tử bị bắn ra với tốc độ nhanh, có kích thước nhỏ hơn nguyên tử, và vì thế chúng được sử dụng để nghiên cứu cơ cấu nội tại của nguyên tử. Nếu ta dùng nó để bắn vào nguyên tử, thì dựa trên cách nó bị bứt ra mà suy đoán cơ cấu nguyên tử.
Khi Rutherford dùng hạt alpha bắn ào ạt nguyên tử thì ông nhận được những kết quả đáng kinh ngạc và hoàn toàn bất ngờ. Nguyên tử không hề là những hạt vững chắc như người ta tưởng mà nó lại là một không gian rộng rãi, trong đó những hạt cực nhỏ-gọi là electron-chạy vòng xung quanh hạt nhân, chúng được nối với hạt nhân bằng điện lực. Không dễ dàng tưởng tượng ra được độ nhỏ của nguyên tử, nó nằm quá xa kích thước vĩ mô của chúng ta. Đường kính của một nguyên tử khoảng một phần một trăm triệu của một cen-ti-mét. Nếu bạn tưởng tượng một trái cam to như trái đất thì lúc đó nguyên tử chỉ vừa bằng một quả dâu. Hàng tỉ tỉ quả dâu nằm chen chúc trong một quả cầu to như trái đất, đó là hình ảnh của vô số nguyên tử của một trái cam.
Nguyên tử đã nhỏ như thế-so với vật thể vĩ mô, thì nó lại là cực lớn so với hạt nhân của nó. Nếu nguyên tử to bằng quả dâu thì hạt nhân của nó không thể thấy. Nguyên tử to bằng trái bóng đá hay bằng cả cái phòng thì hạt nhân cũng chưa thấy được bằng mắt thường. Nếu chúng ta cho nguyên tử lớn bằng giáo đường lớn nhất thế giới, giáo đường Peter tại Roma thì hạt nhân của nó vừa bằng một hạt cát. Một hạt cát nằm giữa giáo đường và đâu đó xa xa trong giáo đường vài đám bụi nhỏ đang tung vãi - như thế, ta hình dung ra hạt nhân và electron của một nguyên tử.
Không bao lâu sau khi phát hiện cơ cấu hành tinh của nguyên tử, người ta thấy rằng số lượng electron trong nguyên tử của một nguyên tố quyết định tính chất hóa học của nguyên tố đó và ngày nay người ta biết rằng toàn bộ hệ thống tuần hoàn của các nguyên tố có thể tạo nên bằng cách lần lượt thêm vào hạt nhân của nguyên tố nhẹ nhất (khinh khí) các proton và neutron và thêm vòng ngoài của nguyên tử số lượng tương quan các electron. Sự tương tác giữa các nguyên tử sinh ra tiến trình hóa học, thế nên toàn bộ nền hóa học thông qua các qui luật của vật lý nguyên tử mà được hiểu rõ.
Thế nhưng những qui luật này không được chấp nhận dễ dàng. Chúng được phát hiện vào thế kỷ 20 nhờ vào nhóm vật lý gia quốc tế, trong đó có người Đan Mạch Niels Bohs, người Pháp Louis de Broglie, người Áo Erwin Schrodinger và Wolfgang Pauli, người Đức Werner Heisenberg và người Anh Paul Dirac. Với năng lực tổng hợp, vượt qua mọi biên giới, những người đó đã tạo nên một thời kỳ sôi nổi của khoa học hiện đại, thời kỳ đưa con người lần đầu tiên đến tiếp cận với thực thể kỳ lạ và bất ngờ của thế giới hạ nguyên tử. Cứ mỗi khi nhà vật lý hỏi thiên nhiên bằng một thí nghiệm thì thiên nhiên trả lời bằng một sự nghịch lý và nhà vật lý càng tìm cách lý giải, sự nghịch lý càng lớn. Phải trải qua một thời gian dài, họ mới nhận ra rằng sự nghịch lý nằm ngay trong cơ cấu nội tại của nguyên tử, sự nghịch lý luôn luôn xuất hiện khi người ta mô tả những diễn biến trong hạt nhân bằng khái niệm truyền thống của vật lý. Khi đã nhận thức điều này thì nhà vật lý mới biết cách đặt câu hỏi và tránh được mâu thuẫn. Theo Heisenberg thì “bằng cách nào đó, họ đành chấp nhận tinh thần của thuyết lượng tử” và cuối cùng đưa ra được biểu thức toán học chính xác cho thuyết này.
Cả sau khi đưa ra biểu thức toán học của thuyết lượng tử được hoàn thiện, khái niệm của thuyết này cũng không dễ được chấp nhận. Nó đã làm đảo lộn toàn bộ khả năng tưởng tượng của các nhà vật lý. Thí nghiệm Rutherford cho thấy nguyên tử không hề là những hạt nhỏ không thể phân chia mà chỉ là không gian trống không, trông đó những hạt li ti vận động, rồi bây giờ thuyết lượng tử lại càng cho rằng, bản thân những hạt đó cũng chẳng cứng chắc gì cả, theo nghĩa của vật lý cổ điển. Những đơn vị hạ nguyên tử là một cấu trúc trừu tượng, với thuộc tính hai mặt. Tùy theo chúng ta nhìn nó như thế nào mà chúng xuất hiện khi là hạt, khi khác là sóng; ánh sáng xuất hiện cũng hai mặt, khi là sóng điện từ, khi thì xuất hiện như hạt.
Tính chất này của vật chất và ánh sáng thật là kỳ dị. Xem ra không thể chấp nhận được một cái gì đó vừa là hạt, tức là một cơ cấu có kích thước rất nhỏ; đồng thời vừa là sóng, là một cái gì có thể tỏa rộng trong không gian. Đối với nhiều người, mâu thuẫn này là một sự nghịch lý, tương tự như công án, cuối cùng nó dẫn đến sự phát biểu thuyết lượng tử. Toàn bộ sự phát triển bắt đầu với Max Planck, khi ông phát hiện rằng nhiệt lượng không hề tỏa ra liên tục mà trong dạng từng bó năng lượng. Einstein đặt tên cho những bó này là quanton (lượng tử) và thừa nhận đó là dạng cơ bản của thiên nhiên. Ông đủ táo bạo để quả quyết rằng, cả ánh sáng lẫn các tuyến điện từ khác không những chỉ là sóng mà chúng cũng xuất hiện với dạng quanta này. Những “bó ánh sáng”, mà theo đó thuyết lượng tử được đặt tên, từ đó được thừa nhận, người ta đặt tên cho nó là “phonton” (quang tử). Thế nhưng nó là loại hạt đặc biệt, nó phi khối lượng và luôn luôn di chuyển với vận tốc ánh sáng.
Thế là mâu thuẫn rành rành giữa hình ảnh của sóng và hạt được giải quyết một cách bất ngờ, nhưng nó đặt lại một vấn đề của vật lý cổ điển, đó là khái niệm về thực tại của vật chất. Trong bình diện hạ nguyên tử, vật chất không hiện hữu một cách chắc chắn tại một vị trí nhất định, theo một cách thế nhất định, chúng chỉ “có khuynh hướng xảy ra”. Trong cách nói của thuyết lượng tử thì khuynh hướng đó được gọi là xác suất, nó liên hệ với những đại lượng toán học, những đại lượng đó qui định dạng của sóng. Do đó mà hạt cũng có thể là sóng. Những sóng đó không phải là sóng thật như loại sóng trong không gian ba chiều của âm thanh hay sóng trên nước. Chúng là sóng xác suất, đó là những đại lượng toán học trừu tượng với tính chất tiêu biểu của sóng; chúng nói lên với xác suất nào, có nghĩa là người ta “gặp” được một hạt tại một điểm nhất định, tại một thời gian nhất định. Tất cả mọi qui luật của vật lý nguyên tử đều được biểu thị ở dạng xác suất này. Không bao giờ chúng ta có thể quả quyết điều gì về một tiến trình trong nguyên tử, ta chỉ nói xác suất nó xảy ra là bao nhiêu.
Một thuyết lượng tử như thế đã phá vỡ những khái niệm về một vật thể cứng chắc. Với mức độ hạ nguyên tử thì hạt cứng chắc của vật lý cổ điển đã tan thành những hình ảnh xác suất có dạng như sóng và hơn thế nữa, những cấu trúc này không diễn tả xác suất hiện hữu của vật thể mà xác suất của những mối liên hệ. Khi nghiên cứu kỹ về quá trình quan sát trong ngành vật lý nguyên tử người ta thấy rằng các hạt với tính chất là đơn vị không có vai trò gì, mà chúng chỉ được hiểu trong mối liên hệ giữa sự chuẩn bị một thí nghiệm và các đo lường sau đó.
Thế nên thuyết lượng tử trình bày cho thấy thể thống nhất của vũ trụ. Nó cho ta thấy rằng không thể chia chẻ thế giới ra từng hạt nhỏ rời rạc độc lập với nhau. Khi nghiên cứu sâu về vật chất, ta sẽ biết thiên nhiên không cho thấy những “hạt cơ bản” riêng lẻ, mà nó xuất hiện như tấm lưới phức tạp chứa toàn những mối liên hệ của những phần tử trong một toàn thể. Những mối liên hệ này bao gồm luôn luôn cả người quan sát. Con người quan sát chính là mắt xích cuối của một chuỗi quá trình quan sát và tính chất của một vật thể nguyên tử chỉ có thể hiểu được trong mối quan hệ giữa vật được quan sát và người quan sát. Điều đó có nghĩa là hình dung cổ điển về một sự mô tả khách quan thế giới tự nhiên không còn có giá trị nữa. Sự chia cắt giữa cái tôi và thế giới theo kiểu Descartes, giữa người quan sát và đối tượng quan sát không thể áp dụng trong lĩnh vực nguyên tử. Trong vật lý nguyên tử, ta không bao giờ có thể nói về thế giới tự nhiên mà không đồng thời nói về chính ta.
Thuyết nguyên tử mới mẻ lập tức có thể trả lời nhiều điều bí ẩn xuất hiện trong lúc nghiên cứu về cơ cấu nguyên tử mà mô hình hành tinh của Rutherford cho thấy nguyên tử, dựa trên đó mà vật chất cứng chắc thành hình, vốn chỉ là không gian trống rỗng, nếu nhìn theo cách phân bố của khối lượng.
Thế nhưng nếu ta và mọi vật xung quanh chủ yếu là rỗng không thì tại sao ta không đi xuyên qua được cánh cửa đang đóng. Nói cách khác: cái gì làm vật chất có vẻ cứng chắc?
Một điều bí ẩn thứ hai là tính chất ổn định cơ cấu lạ lùng của nguyên tử. Chẳng hạn trong không khí, nguyên tử va chạm nhau hàng triệu lần trong một giây, thế nhưng vẫn giữ được dạng cũ sau mỗi khi va chạm nhau. Không có một hệ thống hành tinh nào, hệ thống nằm trong qui luật của vật lý cổ điển, lại chịu nổi sự va chạm như thế. Thế nhưng một nguyên tử oxygen luôn luôn giữ được cấu trúc electron riêng biệt của nó, dù nó va chạm bao nhiêu lần với các nguyên tử khác. Hơn thế nữa, cấu trúc của mọi nguyên tử cùng loại luôn luôn giống như nhau, không kể xuất xứ của chúng và quá trình tinh luyện chúng như thế nào.
Thuyết lượng tử cho thấy rằng, tất cả những đặc tính lạ lùng đó của nguyên tử xuất phát từ tính chất sóng của các electron. Tính cứng chắc của vật chất là hiệu quả của một hiệu ứng lượngtử, tính chất này liên hệ chặt chẽ với tự tính hai mặt “sóng hạt” của vật chất, đó là một tính chất trong thế giới hạ nguyên tử, cái mà trong thế giới vĩ mô không hề có sự tương tự. Cứ mỗi khi hạt bị giam trong không gian nhỏ hẹp thì nó phản ứng bằng cách vận động chống lại sự chật chội đó, không gian càng nhỏ thì nó vận động càng nhanh. Trong nguyên tử có hai loại lực ngược chiều nhau. Một bên là lực hút của hạt nhân, hút electron bằng sức hút điện tích; bên kia là electron phản ứng với sự hạn chế không gian bằng cách quay cuồng và khi nó càng sát gần với nhân, nó càng quay mạnh. Chúng di chuyển với vận tốc chừng 900km mỗi giây!. Vận tốc rất lớn này làm nguyên tử xuất hiện như một hình cầu cứng rắn, tương tự như một chiếc chong chóng quay nhanh làm ta tưởng đó là một đĩa tròn liên tục. Muốn bóp nhỏ một nguyên tử lại rất khó, nhờ đó mà nguyên tử làm cho vật chất trở nên cứng rắn.
Trong nguyên tử, các electron quay trên các quĩ đạo, sinh ra một sự thăng bằng tối ưu giữa sức hút của nhân và sự phản ứng chống lại sự gò bó không gian. Tuy thế các quĩ đạo electron khác với quĩ đạo của hành tinh trong hệ mặt trời, Đó là một hệ quả của tính chất sóng của electron. Người ta không thể xem nguyên tử là một hệ hành tinh nhỏ được. Chúng ta đừng hình dung có hạt nào chạy vòng xung quanh nhân, mà các sóng xác suất đang xếp đặt trên các quĩ đạo. Cứ mỗi lần đo lường, ta lại tìm thấy chỗ này chỗ kia electron trong các quĩ đạo đó, nhưng chúng ta không thể nối chúng “quay xung quanh” nhân nguyên tử trong nghĩa cơ học cổ điển.
Trong các quĩ đạo, các sóng electron phải rung làm sao cho “đầu đuôi ăn khớp” với nhau, để tạo thành “sóng đứng”. Dạng sóng này xuất hiện khi chúng bị hạn chế trong một lĩnh vực nhất định, thí dụ sự rung động của một dây đàn gi-ta hay luồng khí trong một ống sáo. Từ những thí dụ này ta thấy sóng đứng chỉ có một số lượng nhất định các hình dạng định sẵn.
Trường hợp của sóng electron trong nguyên tử cũng thế, chúng chỉ hiện diện trên những quĩ đạo nhất định với đường kính định sẵn. Chẳng hạn electron của một nguyên tử hydrogen chỉ có thể hiện diện trong quĩ đạo thứ nhất, thứ hai hay thứ ba v.v…, chứ không thể ở nửa chừng. Thường thường nó nằm trong quĩ đạo thấp nhất, ta gọi đó là trạng thái cơ bản của nguyên tử. Từ đó electron có thể nhảy lên quĩ đạo cao hơn, nếu nó có đủ năng lượng. Trong trường hợp đó nó được gọi là trạng thái kích thích, nhưng chỉ sau một thời gian nó trở lại về trạng thái cơ bản và giải phóng năng lượng thừa dưới dạng một lượng của bức xạ điện từ hay quang tử (phonton).
Dạng hình và khoảng cách các quĩ đạo của một nguyên tử có cùng số lượng electron đều giống hệt nhau, vì thế mà hai nguyên tử oxygen giống hệt nhau. Chúng có thể khác nhau về trạng thái cơ bản hay kích thích, có thể vì va chạm với những nguyên tử khác trong không khí, nhưng sau một lúc chúng lại trở về trạng thái cơ bản. Vì thế chính tính chất sóng của electron là cơ sở để nhận diện một nguyên tử và là nguyên do của sự ổn định cơ cấu to lớn của chúng.
Một đặc trưng nữa để xác định tình trạng một nguyên tử là chúng được một nhóm số nguyên mô tả đầy đủ, nhóm số đó được gọi là số lượng tử, chúng diễn tả vị trí và hình dạng của các quĩ đạo. Số lượng tử đầu tiên chỉ số của quĩ đạo và năng lượng một electron phải có để có thể ở trong quĩ đạo đó. Hai con số tiếp theo diễn tả dạng của sóng electron trong quĩ đạo và mối tương quan của vận tốc cũng như hướng quay của electron. Việc các chi tiết này được biểu diễn bằng những số nguyên cho thấy rằng eletron không thay đổi một cách liên tục độ quay của nó mà là nhảy từ trị số này qua trị số khác, cũng như nhảy từ quĩ đạo này qua quĩ đạo khác. Ở đây cũng thế, độ quay càng cao thì nguyên tử càng bị kích động: ở trạng thái cơ bản thì mọi electron nằm trong quĩ đạo thấp nhất và độ quay cũng nhỏ nhất.
Xác suất hiện hữu, các hạt phản ứng mạnh khi vào không gian chật hẹp, nguyên tử đổi trạng thái bằng các bước nhảy lượng tử; và nhất là mối quan hệ nội tại của các hiện tượng - đó là những nét kỳ lạ của thế giới nguyên tử. Mặt khác, lực cơ bản sinh ra các hiện tượng này thì chúng ta đã biết và nó cũng hiện diện trong thế giới vĩ mô. Đó là lực hút giữa các điện tích, giữa nhân chứa điện dương và electron. Sự giao hoà giữa năng lực này với các sóng electron sản sinh ra thiên hình vạn trạng những cơ cấu và hiện tượng. Nó chính là nguồn gốc của mọi phản ứng hoá học và sự thành lập phân tử, tức là nhóm những nguyên tử được tập trung vào nhau nhờ sức hút giữa các nguyên tử. Sự tác động lên nhau của các electron và hạt nhân cũng là nền tảng của tất cả các chất khí, chất lỏng và chất rắn, cũng như của tất cả sinh vật và trong toàn bộ tiến trình có sự sống.
Trong thế giới phong phú của nguyên tử thì nhân nguyên tử đóng vai trò của một trung tâm vừa cực nhỏ vừa ổn định, nó lại là gốc của sức hút điện lực và tạo nên khuôn khổ của cơ cấu một phân tử. Nhằm tìm hiểu những cơ cấu đó và mọi hiện tượng chung quanh chúng ta, người ta chỉ cần biết khối lượng và điện tích của hạt nhân. Còn muốn hiểu tự tính của vật chất, hiểu vật chất gồm những gì đích thực thì ta phải nghiên cứu hạt nhân, là thành phần xem như trọng tâm toàn bộ khối lượng của vật chất. Trong những năm ba mươi của thế kỷ này, sau khi thuyết lượng tử đã giải được bài toán của thế giới nguyên tử thì mục đích chính của nhà vật lý là tìm hiẻu cơ cấu của hạt nhân , các thành phần của nó và lực nội tại là gì mà các thành phần có kết cấu vững chắc như vậy.
Bước quan trọng đầu tiên để hiểu cơ cấu hạt nhân là sự phát hiện các neutron, là thành phần thứ hai, loại hạt có khối lượng gần bằng proton (thành phần thứ nhất), tức khoảng gấp hai ngàn lần khối lượng của electron, tuy nhiên chúng không mang điện tích. Sự khám phá này không những chỉ làm sáng tỏ nhân nguyên tử gồm proton và neutron, nó còn cho thấy rằng lực nội tại trong nhân, thứ lực giữ chắc các hạt này lại với nhau, phải là một hiện tượng mới mẻ. Nó không thể là lực điện từ được vì neutron không có điện tích. Nhà vật lý chóng biết rằng họ đang đương đầu với một thứ lực mới mẻ trong thiên nhiên, nó chỉ nằm trong nhân nguyên tử, ngoài ra nó không hiện hữu ở đâu cả.
Nhân nguyên tử lớn khoảng bằng một phần một trăm ngàn một nguyên tử, mà chứa hầu như toàn bộ khối lượng của nó. Như thế thì vật chất nằm trong nhân hẳn phải có tỉ trọng hết sức lớn, độ nén hết sức cao. Nếu thân người mà nén lại theo cách “hạt nhân” này thì nó chỉ chiếm thể tích bằng đầu một mũi kim. Tuy thế độ nén này không phải là tính chất lạ lùng duy nhất của hạt nhân. Vì cũng có tính chất lượng tử như các electron, các hạt nucleon (gọi chung proton và neutron) cũng phản ứng chống không gian bé nhỏ bằng sự vận động cao độ, nơi càng chật chội chúng càng chuyển động nhanh hơn. Chúng di chuyển trong nhân với vận tốc khoảng 60.000km/giây. Vì thế khối lượng hạt nhân là một dạng khối lượng hoàn toàn khác với khối lượng mà ta biết trong thế giới vĩ mô. Có lẽ chúng ta chỉ có thể tưởng tượng chúng là những hạt tí hon có tỉ trọng cực lớn, sôi sùng sục trong một chất lỏng cũng có tỉ trọng rất lớn.
Khía cạnh mới mẻ của tính chất hạt nhân chính là lực tác động trong nhân với khoảng cách nội tại cực ngắn. Lực đó chỉ tác dụng khi các nucleon tiến sát gần nhau, tức khi khoảng cách giữa chúng chỉ gấp đôi gấp ba lần đường kính của chúng. Với khoảng cách này thì lực hút của hạt nhân phát huy tác dụng. Đến khi khoảng cách giữa chung ngắn lại thì chúng lại có tác dụng đẩy, làm cho các nucleon không hề sát nhau được. Theo cách thế này mà lực hạt nhân giữ được nhân nguyên tử hết sức ổn định, dù cho bản thân chúng lại hết sức năng động.
Như thế thì vật chất là không gian rỗng với những hạt tí hon nằm cách xa nhau, các hạt đó lại là nơi tập trung khối lượng. Trong không gian rộng lớn giữa các hạt nhân đầy khối lượng và sôi sùng sục, đó là electron.Các electron chỉ mang một phần rất nhỏ toàn thể khối lượng, thế nhưng lại tạo cho vật chất tính chất cứng chắc và là lực nối kết với nhau để tạo thành cơ cấu phân tử. Chúng cũng tham gia vào các phản ứng hoá học. ở dạng bình thường này của vật chất thì các phản ứng dây chuyền của lực hạt nhân không tự mình xảy ra được vì năng lượng không đủ lớn để phá huỷ sự ổn định của nhân.
Tuy thế dạng này của vật chất với nhiều sắc thể và cơ cấu cũng như tập hợp phân tử phức tạp chỉ có thể hiện hữu trong những điều kiện nhất định, đó là lúc nhiệt độ không quá cao để cho các phân tử không phản ứng qua mãnh liệt. Nếu nhiệt năng vọt lên gấp trăm lần như trong thiên thể thì tất cả mọi cơ cấu nguyên tử và phân tử bị huỷ hoại. Thực ra, phần lớn vật chất trong vũ trụ hiện hữu trong một trạng thái khác xa với trạng thái mô tả ở trên. Ở trung tâm các thiên thể là toàn những khối nhân khổng lồ và gồm hầu như phản ứng hạt nhân mà trên trái đất rất ít xảy ra. Chúng rất quan trọng đối với những hiện tượng của thiên hà mà các nhà vũ trụ quan sát được. Những hiện tượng đó phần lớn là do sự phối hợp của hạt nhân và hiệu ứng trọng trường tạo ra. Đối với hành tinh chúng ta thì phản ứng hạt nhân ở trung tâm mặt trời hết sức quan trọng, vì nó cung cấp năng lượng để nuôi sống đời sống trên trái đất. Một trong những thành tựu lớn nhất của vật lý hiện đại là sự phát hiện rằng năng lượng xuất phát liên tục từ mặt trời, từ hành tinh cốt tử nối ta với thế giới bao la vô tận, năng lượng đó lại chính là kết quả của phản ứng hạt nhân, là một hiện tượng của thế giới vô cùng bé.

Trong lịch sử nghiên cứu thế giới vi mô vào đầu những năm ba mươi, người ta đã đạt tới một giai đoạn mà nhà khoa học cho rằng đã phát hiện một cách chung kết các hạt cơ bản của vật chất. Người ta biết mọi vật chất đều từ nguyên tử mà thành và mọi nguyên tử đều do proton, neutron và electron cấu tạo.
Những hạt được gọi là “hạt cơ bản” đó được xem là nhỏ nhất, đơn vị không thể phá hủy của vật chất: đó là nguyên tử trong nghĩa của Demokrit. Mặc dù thuyết lượng tử cho thấy thế giới không thể chia cắt ra những hạt cực nhỏ, hiện hữu, độc lập với nhau được, nhưng thời đó người ta vẫn chưa thừa nhận thực tế này. Phép tư duy cổ điển bắt rễ quá sâu xa làm cho phần lớn các nhà vật lý vẫn tìm cách hiểu vật chất qua khái niệm của những hạt cơ bản và khuynh hướng đó ngày nay vẫn còn rất mạnh.
Thế rồi hai sự phát triển mới trong ngành vật lý hiện đại đòi hỏi phải từ bỏ việc xem các hạt cơ bản là đơn vị cuối cùng của vật chất. Một trong hai thành tựu này thuộc về thực nghiệm, cái kia thuộc về lý thuyết, nhưng cả hai đều bắt đầu vào những năm ba mươi. Khi các nhà vật lý ngày càng nâng cao khả năng tinh tế của phép thực nghiệm, các hạt cơ bản khác được khám phá. Đến năm 1935 thì con số ba hạt đã lên sáu hạt, năm 1955 chúng lên đến 18 hạt và ngày nay ta có hơn hai trăm hạt cơ bản.
Ngày nay người ta nói đến hàng trăm các hạt menson và baryon. Chúng chỉ chứng tỏ rằng tĩnh từ “cơ bản” trong giai đoạn này không còn thích ứng nữa.
Qua những năm tháng mà các hạt cứ được phát hiện liên tục thì tất nhiên người ta không thể gọi chúng là cơ bản nữa. Niềm tin này còn được tăng cường hơn nữa qua những phát triển lý thuyết, song song với sự phát hiện các hạt. Không bao lâu sau khi thiết lập thuyết lượng tử người ta biết rõ một lý thuyết đầy đủ để mô tả hiện tượng hạt nhân không những chỉ chứa đựng thuyết lượng tử, mà còn cả thuyết tương đối vì vận tốc các hạt bị giới hạn trong không gian hạt nhân thường tới gần với vận tốc ánh sáng. Điều này rất quan trọng cho sự mô tả hoạt động của chúng, vì với vận tốc như thế luôn luôn ta phải quan tâm đến thuyết tương đối. Như chúng ta nói, đó phải là một sự mô tả tương đối. Để hiểu biết đầy đủ thế giới hạt nhân, ta cần một lý thuyết vừa chứa đựng thuyết lượng tử, vừa thuyết tương đối. Cho đến bây giờ, một lý thuyết như thế chưa được tìm ra và vì thế chúng ta không thể phát biểu một lý thuyết về hạt nhân nguyên tử được. Mặc dù biết khá nhiều về cơ cấu hạt nhân và sự tương tác của các thành phần, nhưng chúng ta không hiểu tự tính và dạng phức tạp của lực trong nhân một cách triệt để. Không có một lý thuyết đầy đủ để giải thích thế giới hạt nhân, tương tự như thuyết lượng tử đã giải thích thế giới nguyên tử. Chúng ta cũng có vài mô hình lượng tử tương đối, chúng mô tả rất tốt vài dạng của thế giới hạt trong nhân. Nhưng sự thống nhất thuyết lượng tử và tương đối thành một lý thuyết toàn triệt của hạt, đó vẫn còn là một bài toán trung tâm và trách nhiệm lớn lao của nền vật lý hiện đại.
Trong vật lý cổ điển, từ khối lượng luôn luôn được liên hệ với một thể vật chất, không thể phân chia, với một chất nhất định, từ đó mà mọi sự thành hình. Thuyết tương đối bây giờ đã chứng minh khối lượng không hề là một chất liệu, mà là một dạng của năng lượng. Năng lượng lại là một đại lượng nói lên tính năng động, một dạng hoạt động hay một tiến trình. Thế nên khi khối lượng của một hạt đồng nghĩa với một trị số năng lượng thì hạt không còn được xem là một vật thể tĩnh nữa mà là một cơ cấu động, là quá trình của một năng lượng chỉ đang mang dạng vật chất.
Quan điểm mới này về hạt, được Dirac khởi xướng đầu tiên khi ông xây dựng một phương trình tương đối mô tả hoạt động của electron. Thuyết của Dirac không những hết sức thành công trong việc lý giải cơ cấu sâu xa của nguyên tử, mà còn cho ta thấy một tính đối xứng cơ bản giữa vật chất và đối vật chất. Nó tiên đoán sự hiện hữu của anti-electron, đó là thứ hạt có khối lượng như electron nhưng mang điện tích ngược dấu. Hạt mang điện tích dương này mà người ta gọi tên là positron quả nhiên được phát hiện hai năm sau khi Dirac tiên đoán. Nội dung của tính đối xứng giữa vật chất và đối vật chất là cứ mỗi hạt thì hiện hữu một đối hạt đồng khối lượng, mang điện tích ngược. Nếu có năng lượng đầy đủ thì từng cặp hạt và đối hạt sẽ được tạo hình, và tiến trình ngược lại là một cặp có thể bị hủy diệt để giải phóng năng lượng. Tiến trình tạo tác và hủy diệt cặp hạt - đối hạt đã được Dirac tiên đoán, trước khi chúng được quan sát thực sự trong thiên nhiên, từ đó đến nay đã xảy ra vô số lần.
Sự tạo tác ra đối hạt thuần túy từ năng lượng hiển nhiên là hiệu ứng kỳ lạ nhất của thuyết tương đối và chỉ được hiểu trong quan niệm về hạt như nói trên. Trước khi nền vật lý hạt tương đối ra đời thì thành phần của vật chất luôn luôn được xem như là những hạt cơ bản không thể hủy hoại không thể biến đổi, nằm xếp trong vật thể, vật thể đó có thể chẻ ra từng miếng. Câu hỏi trung tâm thời đó là liệu ta có thẻ chia chẻ vật chất mãi được không hay chỉ tới một số hạt nhất định nào đó không thể chia được nữa. Sau khám phá của Dirac thì việc chia chẻ vật chất hiện ra trong một ánh sáng mới. Khi hai hạt va chạm nhau với năng lượng cao, chúng vỡ thành từng mảnh thật, nhưng các mảnh đó không nhỏ hơn các hạt ban đầu. Các mảnh này cũng là hạt cùng loại nhưng chúng được tạo tác từ động năng mà thành. Như thế câu hỏi về việc chia chẻ hoài vật chất được trả lời một cách bất ngờ. Cách duy nhất để chia chẻ các hạt hạ nguyên tử chính là cho chúng va chạm nhau với năng lượng cao. Với cách này ta có thể chia chẻ hoài vật chất nhưng chúng không hề bị nhỏ đi vì chúng được sinh ra từ năng lượng. Các hạt hạ nguyên tử như thế là vừa hủy diệt được vừa không hủy diệt được.
Điều xem ra mâu thuẫn nghịch lý đó sẽ tự tan biến nếu ta từ bỏ quan niệm cho rằng vật thể gồm nhiều hạt cơ bản tạo thành, và thay vào đó lấy quan điểm năng động, tương đối, làm cách nhìn của mình. Như thế thì hạt sẽ xuất hiện như một cơ cấu năng động hay một tiến trình, tiến trình đó mang theo mình một trị số năng lượng, nó hiện ra dưới dạng khối lượng. Khi hai hạt va chạm nhau thì năng lượng của hạt đó chuyển đổi vào trong một cơ cấu khác và khi có thêm động năng đủ mức, thì có thêm hạt hiện hữu trong cơ cấu mới
Thí nghiệm va chạm với năng lượng cao đã trở thành phương pháp chính để khảo sát các tính chất cuả hạt, vì thế nền vật lý hạt có khi cũng được gọi là vật lý cao năng lượng.
Nơi đây động năng cần thiết được tạo ra từ các thiết bị chuyên biệt nhằm gia tốc cho hạt, trong những máy móc khổng lồ gồm vài cây số đường tròn, trong đó các hạt proton được gia tốc đến gần vận tốc ánh sáng, để rồi cho chúng va chạm các proton khác hay neutron.
Thật là đáng lạ lùng khi nghiên cứu những cái vô cùng bé phải cần máy móc lớn cỡ như thế này. Chúng là những kính hiển vi siêu đẳng của thời đại chúng ta.
Phần lớn các hạt sinh ra qua những va chạm này đều có đời sống hết sức ngắn ngủi - ít hơn cả một phần triệu giây-và tự giã thành proton, neutron hay electron. Mặc dù chúng có đời sống vô cùng ngắn ngủi, người ta không những phát hiện được chúng, đo lường tính chất, mà còn chụp hình dấu vết của chúng. Dấu vết này được tìm thấy trong các buồng đo, tương tự như vệt khí trắng của một chiếc máy bay trên bầu trời. Kích thước các hạt đó thật ra nhỏ hơn rất nhiều so với dấu vết của chúng nhưng nhờ bề dày và độ cong của một quĩ đạo mà nhà vật lý có thể nhận ra được hạt đã sinh ra các dấu đó. Những giao điểm của các quĩ đạo chính là nơi các hạt đụng nhau và những đường cong là do các từ trường tạo thành, các trường đó được nhà quan sát sử dụng để xác định hạt. Sự va chạm nhau của các hạt là phương pháp thí nghiệm chủ yếu nhất của chúng ta và những đường thẳng, đường cong hay xoắn trôn ốc mà hạt đã để lại là dấu vết hết sức quan trọng trong ngành vật lý hiện đại.
Những thí nghiệm cao năng lượng trong những thập niên qua cho ta thấy một cách rõ rệt tính chất năng động và luôn luôn thay đổi của các hạt. Trong những thí nghiệm này vật chất xuất hiện như là một cái gì luôn luôn chuyển hoá. Tất cả mọi hạt này đều có thể chuyển hoá thành mọi hạt kia; chúng được tạo thành từ năng lượng và biến thành năng lượng. Trong thế giới này, những khái niệm cổ điển như hạt cơ bản, tự tính vật chất hay vật thể độc lập mất hết ý nghĩa. Vũ trụ xuất hiện như một tấm lưới năng động với những cơ cấu năng lượng không thể chia cắt. Đến nay chúng ta chưa có một lý thuyết toàn bộ để mô tả thế giới hạ nguyên tử, nhưng đã có nhiều mô hình lý thuyết, chúng lý giải rất sát nhiều mặt của vấn đề. Trong đó, không có mô hình nào vắng bóng biểu thức toán học phức tạp và trong chừng mực nhất định, bản thân chúng cũng mâu thuẫn lẫn nhau, nhưng tất cả chúng đều phản ánh tính nhất thể cơ bản và tính năng động nội tại của vật chất. Chúng chỉ ra rằng, tính chất của một hạt chỉ được hiểu rõ thông qua hoạt động của nó - thông qua liên hệ, qua tương quan với môi trường xung quanh nó - và vì vậy không thể xem hạt là một cơ cấu độc lập mà phải được hiểu là một thành phần trong một thể thống nhất.
Thuyết tương đối không chỉ ảnh hưởng một cách quyết định lên hình dung của ta về hạt, mà cả lên hình ảnh của ta về lực tác dụng giữa các hạt đó. Trong sự mô tả tương tác giữa các hạt thì lực tác dụng giữa chúng, đó là các lực hút hay đẩy, lực đó được xem là sự hoán chuyển của các hạt khác. Thật khó diễn tả điều này. Nó là hệ quả của tính chất bốn chiều không - thời gian trong thế giới hạ nguyên tử và cả trực giác lẫn ngôn ngữ không thể tiếp cận với điều này.
Thế nhưng nó lại rất quyết định để hiểu được các hiện tượng trong thế giới đó. Nó nối kết lực tác động với các tính chất của vật chất và thống nhất giữa hai khái niệm lực và vật chất với nhau, hai khái niệm vốn được xem là khác nhau từ cơ bản của các nhà nguyên tử học Hy Lạp. Ngày nay lực và vật chất được xem như có nguồn gốc chung trong những cơ cấu động mà ta gọi là hạt.
Khi ta xem hạt thông qua lực mà tác động lên nhau, lực đó lại là hiện thân của các hạt khác, thì đó lại càng thêm một lý do để ta tin thế giới của hạ nguyên tử không thể chia cắt thành từng phần được. Từ cấp vĩ mô xuống đến nhân nguyên tử, các lực nối kết sự vật với nhau tương đối nhỏ để ta có thể nói một cách gần đúng rằng, sự vật gồm nhiều thành phần hợp lại. Như ta có thể nói một hạt cát có nhiều phân tử cát, phân tử cát gồm có hai nguyên tử Si, nguyên tử này gồm có nhân và electron và nhân gồm có proton và neutron. Thế nhưng trên bình diện của các hạt thì người ta không còn được nhìn sự vật như thế nữa.
Trong thời gian gần đây có nhiều dấu hiệu cho rằng cả proton và neutron cũng là vật gồm nhiều thành phần, nhưng lực nối kết của chúng quá lớn, hay vận tốc của các thành phần quá lớn (thật ra cũng như lực) mà người ta phải áp dụng thuyết tương đối, trong đó lực đồng nghĩa với hạt rồi. Vì thế, biên giới giữa hạt có nhiều thành phần và lực kết nối các thành phần đó đã bị xoá nhoà và hình ảnh của một vật thể gồm nhiều thành phần bị đổ vỡ ở đây. Những hạt không còn bị chia chẻ thêm thành những hạt khác được nữa.Trong nền vật lý hiện đại, vũ trụ được thấy như một cái toàn thể năng động, tự tính của nó là luôn luôn bao gồm cả người quan sát. Nơi đây thì những khái niệm truyền thống như không gian, thời gian, vật thể độc lập, nguyên nhân - kết quả đã mất ý nghĩa. Kinh nghiệm này rất tương tự với kinh nghiệm của đạo học phương Đông. Sự tương tự này hiện rõ trong thuyết lượng tử và thuyết tương đối và càng rõ hơn trong mô hình lượng tử - tương đối của thế giới hạ nguyên tử, trong đó hai thuyết thống nhất với nhau, đây chính là sự tương đồng nổi bật nhất với đạo học phương Đông.
Trước khi đi vào từng mối tương đồng, tôi muốn nhắc lại ngắn gọn các trường phái của đạo học phương Đông cho các độc giả chưa biết. Các trường phái đó quan trọng cho việc so sánh, đó là ấn Độ giáo, Phật giáo và Lão giáo. Trong năm chương sau đây, lịch sử, các tính chất đặc trưng và khái niệm triết lý của các truyền thống này sẽ được mô tả, với sự nhấn mạnh đến những mặt và khái niệm quan trọng cho sự so sánh với vật lý sau này.