Chương III. Về chân không và ether Kepler và chuyển động của các hành tinh

Sau khi Giáo hội quản thúc Galileo tại gia vì đã dám ủng hộ hệ thống nhật tâm của Copernicus và tuyên bố dứt khoát rằng Trái Đất không phải là trung tâm của vũ trụ, hoạt động khoa học đã dịch chuyển về phía bắc châu Âu. Nhân vật tiếp theo bước lên sân khấu của thời kỳ những người xây dựng mô hình mới của vũ trụ là một người Đức tên là Johannes Kepler (1571-1630). Dựa trên những quan sát với độ chính xác cao chưa từng thấy của nhà thiên văn Đan Mạch Tycho Brahe (1546-1601), Kepler đã khám phá ra bí mật chuyển động của các hành tinh và lần đầu tiên đưa ra dạng toán học mà chúng ta biết ngày nay, và như thế, đã thiết lập thuyết Copernicus trên một nền tảng vững chắc.

Trước Kepler, thiên văn học chỉ thuần túy là mô tả: lập một bản đồ bầu trời, rồi theo dõi sự chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh theo thời gian, chứng tỏ rằng trong những chuyển động này có chu kỳ và các quy luật, và dự đoán thời gian nhật thực, ngày xuân phân, và các ngày chí khác. Việc tự vấn về nguyên nhân vật lý của các chuyển động trên trời không phải là mối quan tâm của một nhà thiên văn học. Với Kepler, cách làm việc này đã thay đổi hoàn toàn. Điều gì làm cho một hành tinh càng xa Mặt Trời thì di chuyển càng chậm, và ngược lại, một hành tinh ở càng gần, thì chuyển động của nó càng nhanh? Ông tự hỏi. Quỹ đạo của Thổ tỉnh lớn hơn so với Mộc tinh khoảng hai lần (khoảng cách Thổ tinh-Mặt Trời lớn gấp 9,5 lần khoảng cách Trái Đất-Mặt Trời và gấp 5,2 lần khoảng cách Mộc tinh-Mặt Trời), nhưng Thổ tinh phải mất hơn gấp đôi thời gian cần thiết để hoàn thành cuộc hành trình của nó xung quanh Mặt Trời (29,5 năm) so với Mộc tinh (11,9 năm). Tại sao? Trong ấn bản đầu tiên của cuốn sách đầu tiên của ông, The Cosmic Mystery ( Bí ẩn của vũ trụ ), xuất bản năm 1596, Kepler đã dùng tới quan niệm thần bí để giải thích chuyển động của các hành tinh: “Chúng ta phải chọn giữa hai giả thuyết: hoặc các thần linh chịu trách nhiệm di chuyển hành tinh ở xa Mặt Trời hoạt động kém tích cực hơn, hoặc chỉ có một thần linh ở chính tâm của tất cả các quỹ đạo, tức là Mặt Trời, đẩy hành tinh mạnh hơn khi nó ở gần, và yếu hơn khi nó ở xa, bởi vì lực giảm theo khoảng cách.” Nhà thiên văn học này đã lấy lại ý tưởng vũ trụ học thời trung cổ, theo đó chuyển động vĩnh cửu của các hành tinh được dẫn dắt bởi một Trí tuệ vĩ đại.

Nhưng trong ấn bản lần thứ hai của cuốn sách đó, năm 1621, Kepler đã sửa lại điều này: “Những thần linh này không tồn tại... Nếu thay thế từ “thần linh” bằng từ “lực”, thì khi đó chúng ta sẽ nhận được nguyên lý chi phối vật lý học của tôi về bầu trời... Tôi đã từng tin rằng động lực làm cho hành tinh chuyển động là một thần linh... nhưng khi thấy rằng nguyên nhân gây ra chuyển động giảm tỷ lệ với khoảng cách tới Mặt Trời, giống hệt như cường độ của ánh sáng Mặt Trời giảm theo khoảng cách, tôi đi đến kết luận rằng lực này phải là cái đó “thực thể” – “thực thể” không phải theo nghĩa đen, mà (...) theo cùng một cách mà chúng ta nói rằng ánh sáng là thực thể, theo nghĩa đối tượng phi thực thể này được phát ra từ một thực thể.” Ở đây chúng ta thấy sự manh nha của khái niệm lực hiện đại. Trong tâm trí của Kepler, những khái niệm đầu tiên về vật lý hiện đại dần dần được hình thành từ các khái niệm thời trung cổ. Cùng với ông, chúng ta đang chứng kiến sự chuyển đổi chậm rãi và dần dần của một mô hình vật linh thành mô hình cơ học của vũ trụ.

Newton và không gian tuyệt đối

Những câu hỏi khác liên quan đến chuyển động của các hành tinh được mô tả bởi các định luật toán học chính xác của Kepler vẫn chưa được trả lời: tại sao hành tinh lại không theo quỹ đạo tròn như trước đây người ta nghĩ, mà lại là hình elip? Điều gì đã giữ chúng trên quỹ đạo của mình? Nguyên nhân chuyển động của chúng là gì? Tại sao chúng lại không rơi vào Mặt Trời? Vào thời Trung Cổ, người ta cho rằng các hành tinh không rơi vào Mặt Trời là vì chúng đã được khảm trên các tinh cầu trong suốt. Một đội quân các thiên thần dưới sự chỉ huy của Đức Chúa Trời đã làm quay các mặt cầu này, từ đó giải thích được chuyển động của các hành tinh. Chính nhà bác học người Anh Isaac Newton (1642-1727), nhờ tài năng của mình, đã đưa ra những câu trả lời đích thực.

Năm 1665, chàng trai trẻ Newton vừa tốt nghiệp đại học Cambridge. Để tránh căn bệnh dịch hạch đang bùng phát ở đó, ông tạm lánh về ngôi nhà của mẹ ông ở vùng nông thôn Lincolnshire, miền nam nước Anh. Ở đó trong hai năm, chỉ bằng sức mạnh trí tuệ của mình, nhà vật lý trẻ đã làm thay đổi thế giới. Ông đã phát minh ra phép tính vi tích phân, đã có những khám phá cơ bản về bản chất của ánh sáng, nhưng trên hết, ông đã hoàn thành lý thuyết của mình về vạn vật hấp dẫn. Truyền thuyết kể rằng khi nhìn thấy một trái táo rơi xuống đất trong vườn nhà mẹ, trực giác của Newton đã bất chợt lóe sáng: chính lực hấp dẫn và duy nhất chỉ có nó là nguyên nhân gây ra sự rơi của trái táo cũng như chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt Trời hay Mặt Trăng xung quanh Trái Đất. Cứ như vung chiếc đũa thần, ông đã thống nhất trời và đất, chôn vùi vĩnh viễn tất cả các quan niệm của Aristotle cho rằng hai thế giới này bị chi phối bởi các định luật khác nhau, chuyển động tròn trên trời, nhưng lại là thẳng trên mặt đất.

“Mọi vật hút vật khác bằng một lực tỷ lệ với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng”. Đó là phát biểu về định luật vạn vật hấp dẫn của một bậc thầy. Trong kiệt tác của mình, tác phẩm Philosophiae naturalis principia mathematica (Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên), được xuất bản vào năm 1687, Newton không chỉ giải thích các đặc tính chuyển động của các hành tinh đã được Kepler phát hiện, mà còn cả cách thức mà Mặt Trăng gây ra hiện tượng thủy triều ở các đại dương trên mặt đất, rồi cả quỹ đạo elip của sao chổi và nhiều hiện tượng tự nhiên khác. Cuốn sách của ông mãi mãi vẫn là một trong những cuốn sách có ảnh hưởng nhất viết về vật lý học.

Vũ trụ của Newton là cơ học, nó giống như một chiếc đồng hồ lò xo mà ta chỉ cần lên dây cót một lần cho mãi mãi. Các chuyển động, một khi đã được kích hoạt, không còn cần phải can thiệp nữa dù là nhờ thần thánh hay cách nào khác. Một khi đã bắt đầu chuyển động, vũ trụ sẽ tự vận hành nhưng vẫn luôn tuân thủ định luật vạn vật hấp dẫn. Trong vũ trụ này, Chúa Trời có nhiều thời gian rảnh rỗi hơn so với vũ trụ thời trung cổ, vũ trụ được lấy cảm hứng từ vũ trụ Aristotle. Thay vì luôn phải giám sát đội quân các thiên thần chịu trách nhiệm đảm bảo cho các hành tinh và các thiên thể khác vận hành một cách trơn tru, Chúa Trời chỉ phải làm mỗi một việc là đẩy nhẹ vũ trụ một cú vào thuở ban đầu rồi sau đó để nó tự động vận hành.

Do vũ trụ của Newton giống như một chiếc đồng hồ được tra dầu hoàn hảo, mù quáng tuân theo một cách nghiêm ngặt các định luật tất định, không còn chỗ nào cho sự sáng tạo của tự nhiên. Đức Chúa, sau khi khởi động cho bộ máy của vũ trụ, đã rút ra xa, và không còn can thiệp gì vào công việc của trần thế nữa. Vì vậy, khi nhà vật lý người Pháp Pierre Simon de Laplace (1749-1827) giới thiệu cho Napoléon Bonaparte cuốn Traité de mécanique céleste ( Luận về cơ học thiên thể ) của ông, vị hoàng đế vĩ đại hỏi ông tại sao lại không nhắc gì đến Chúa cả, Laplace đã kiêu hãnh trả lời: “Thưa hoàng thượng, thần không cần đến giả thuyết này!” Newton đã trở thành biểu tượng của hệ tư tưởng thế tục mới, nơi mà khoa học đã thay thế tôn giáo.

“Chuyển động như không gì cả”

Newton giải thích chuyển động của các vật thể bằng cách đưa ra những định luật bề ngoài dường như rất đơn giản: “Mọi vật sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều, trừ khi có một lực nào đó tác dụng lên nó, và buộc nó phải thay đổi trạng thái của mình. Nói cách khác, tự nhiên khá “lười nhác” và tuân theo nguyên tắc công tối thiểu: nếu tổng các lực tác dụng lên vật bằng không, thì vật sẽ đứng yên, bất động nếu như ban đầu nó ở trạng thái nghỉ; còn nếu nó đang chuyển động, thì nó vẫn sẽ tiếp tục di chuyển theo hướng cũ với cùng tốc độ. Chỉ tác dụng của một lực mới có thể thay đổi hướng hay tốc độ của vật, tức là tăng hoặc giảm tốc độ di chuyển của nó. Newton chỉ rõ rằng tăng tốc hoặc giảm tốc càng lớn khi lực tác dụng càng lớn và khối lượng của vật càng nhỏ. Thực tế, tất cả chúng ta đều ý thức được rằng khi đẩy với cùng một lực, thì để làm di chuyển một quả bóng bay sẽ dễ dàng hơn nhiều so với di chuyển một con voi.

Nhưng chuyển động là tương đối và chỉ có thể được định nghĩa từ một cái gì đó không di chuyển. Galileo là nhà khoa học đầu tiên đã phát biểu một cách mạch lạc nguyên lý tương đối của chuyển động. Ông đã viết một cách đầy chất thơ vào năm 1632: “Nhốt mình cùng với một người bạn trong cabin chính trên một con tàu lớn và mang theo cả lũ ruồi, bướm, và những động vật nhỏ biết bay khác. Lấy một bồn nước lớn và thả một con cá trong đó, treo một chai nước nhỏ giọt vào một chậu chứa lớn bên dưới nó. Khi con tàu dừng, hãy quan sát kỹ xem những con vật nhỏ bay với tốc độ như nhau hướng tới tất cả các vách của cabin như thế nào. Con cá bơi theo mọi hướng, những giọt nước rơi xuống chậu chứa bên dưới, và nếu bạn tung một thứ gì đó cho người bạn, bạn không cần phải ném nó mạnh hơn ở một hướng này so với một hướng khác, các khoảng cách đều giống nhau, và nếu bạn nhảy chụm chân với nhau, bạn sẽ vượt qua cùng một khoảng cách theo mọi hướng.” Ở đây, Galileo đã đề cập tới thực tế là không gian theo mọi hướng đều có cùng các tính chất, điều mà các nhà vật lý gọi là “tính đẳng hướng của không gian”. Ông viết tiếp: “Khi bạn quan sát tất cả những điều này một cách cẩn thận (mặc dù không chút nghi ngờ gì về chuyện khi con tàu đứng yên, thì mọi thứ phải diễn ra như vậy), hãy cho thuyền chạy về phía trước theo tốc độ tùy ý, miễn là giữ tốc độ đều (tức là không đổi) và không lắc lư hai bên. Khi này bạn sẽ không nhận thấy bất kỳ thay đổi nào trong các hiệu ứng được đề cập ở trên và thậm chí không hiện tượng nào cho phép bạn có thể nói con tàu đang chuyển động hay đứng im... Nói cách khác, các định luật chuyển động là như nhau trong con tàu đứng yên hay chuyển động đều.

Đứng yên và chuyển động thẳng đều. Vật được thả xuống sẽ rơi theo chiều thẳng đứng, bất chấp con tàu đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Nói cách khác, loại thí nghiệm này không thể phân biệt được trạng thái đứng yên với chuyển động thẳng đều. Chúng ta chỉ có thể xác định được chuyển động của con tàu khi so với cái gì đó không di chuyển, chẳng hạn như phong cảnh bất động mà nó đi qua.

Không có thí nghiệm hay quan sát nào bên trong cabin, không nhìn ra đại dương, mà có thể cho biết tàu đang chuyển động hay đứng yên. Chỉ khi đi lên boong và nhìn thấy con tàu đang rẽ sóng thì ta mới có thể nói một cách chắc chắn rằng con tàu đang chuyển động so với đại dương bất động (hình trên). Và ông kết luận: “Chuyển động là chuyển động và nó xảy ra như là một chuyển động chỉ khi so với những thứ không có nó; nhưng đối với những thứ có liên quan đến các vật cùng tham gia chuyển động hoàn toàn như nhau, thì nó hoàn toàn không có tác động và giống như là không có vậy. Chuyển động như là không gì cả ( 34 ) !”

Do vậy, chúng ta chỉ có thể xác định chuyển động khi so với cái gì đó không di chuyển. Vào lúc đó, Newton đã đưa ra khái niệm không gian tuyệt đối để xác lập một hệ quy chiếu cố định, qua đó ông có thể xác định một cách chính xác các chuyển động (và vị trí) của các đối tượng trong không gian này. Đối với Newton, khi xe của ta vào cua quá nhanh là ta đã có gia tốc so với không gian tuyệt đối. Khi máy bay tăng tốc trên đường băng để cất cánh và có một lực ép chúng ta vào lưng ghế, chuyển động tăng tốc này cũng là so sánh với không gian tuyệt đối. Không gian này được xác định bởi ba chiều – trên và dưới, phải và trái, trước và sau – và tạo ra một kiểu sân khấu tĩnh trên đó diễn ra vở kịch vũ trụ của các thiên hà, sao, hành tinh và con người.

Ánh sáng là hạt hay sóng?

Trong tư duy của nhà vật lý người Anh và ngược lại với những gì Descartes nghĩ, không gian tuyệt đối này về nguyên tắc có thể tồn tại độc lập với mọi vật chất, nghĩa là nó hoàn toàn có thể trống rỗng. Vậy làm thế nào để giải thích được sự lan truyền của ánh sáng qua một không gian trống rỗng? Trên thực tế, trong các thí nghiệm của mình, Torricelli và Pascal đã nhận thấy rằng ánh sáng không gặp trở ngại gì khi vượt qua các khoảng chân không được tạo ra bên trong các ống thủy ngân: có thể dễ dàng nhìn thấy ánh lửa của ngọn nến xuyên qua khoảng chân không đó. Không giống âm thanh, ánh sáng dường như không cần không khí để lan truyền. Với nhiệt cũng vậy. Newton là người ủng hộ mạnh mẽ cho lý thuyết hạt của ánh sáng. Đối với ông, các tia sáng chứa vô số các hạt ánh sáng lan truyền theo một đường thẳng qua không gian trống rỗng bằng cách đi theo nhau, như những chiếc ô tô trên một đường cao tốc. Nhờ mô hình hạt của mình, và bằng cách đưa ra các khái niệm lấy cảm hứng từ thuyết vạn vật hấp dẫn, Newton đã giải thích được các định luật cơ bản của quang học, chẳng hạn như phản xạ và khúc xạ.

Bất chấp thành công này, một số vấn đề phiền toái vẫn chưa giải thích được. Nhất là một thí nghiệm đặc biệt, do chính Newton thực hiện, làm ta phải suy nghĩ. Khi nhà vật lý đặt một thấu kính lên trên một tấm kính và chiếu sáng toàn bộ bằng ánh sáng đơn sắc (một màu), ông phát hiện một hiện tượng quang học đáng ngạc nhiên: xuất hiện nhiều vòng tròn đồng tâm (nay gọi là các “vân tròn Newton”) với màu tối và sáng xen kẽ nhau (hình). Đương nhiên, Newton giải thích các vân tối là những nơi mà ánh sáng đã bị chặn và phản xạ bởi thấu kính, còn các vân sáng là nơi ánh sáng có thể vượt qua được. Nhưng làm thế nào giải thích được tại sao một hạt ánh sáng đến bề mặt của thấu kính đôi khi được phản xạ, đôi khi lại được tự do tiếp tục chuyển động?

Vân tròn Newton. Khi nhà vật lý chiếu sáng một thấu kính đặt trên tấm kính bằng một nguồn ánh sáng đơn sắc (trái), ông phát hiện ra rằng ánh sáng tạo thành một loạt các vòng tròn đồng tâm có màu tối và sáng xen kẽ nhau (phải). Hiện tượng này không thể giải thích được nếu ánh sáng có dạng hạt như Newton nghĩ.

Tuy nhiên thuộc tính kỳ lạ này của ánh sáng có thể giải thích được nếu ánh sáng không phải là dạng hạt, mà là dạng sóng. Chính một người cùng thời với Newton, nhà vật lý người Hà Lan Christian Huygens (1629-1695), đã vinh dự là người đầu tiên đưa ra lý thuyết sóng của ánh sáng. Ông có rất nhiều đóng góp đáng kể cho khoa học, cả về mặt thực nghiệm và lý thuyết, trong các lĩnh vực đa dạng nhất. Năm 1666, ông được vua Louis XIV và Colbert mời tới Paris để thành lập Viện Hàn lâm Khoa học, mà ông là thư ký đầu tiên. Là người theo đạo Tin Lành, ông rời khỏi thủ đô nước Pháp để trở về Hà Lan năm 1685, sau khi sắc lệnh Nantes bị thu hồi.

Đối với Huygens, ánh sáng không thể có dạng hạt. Nếu một tia sáng là chùm các hạt vật chất, nó sẽ va chạm với một chùm hạt khác khi hai tia này giao nhau. Mà thực tế lại không phải như vậy. Đối với ông, ánh sáng giống như một sóng lan truyền trong không gian, như sóng tạo ra khi ném một hòn đá xuống ao lan trên mặt nước. Nhưng nếu ánh sáng có bản chất sóng, thì không gian không thể là trống rỗng được: như các con sóng lan truyền trên bề mặt đại dương, sóng ánh sáng cần một chất liệu nền để lan truyền. Đối với Huygens, nền này là một chất tinh tế, huyền bí và không cảm nhận được, choán đầy không gian, một chất lưu giả định, khôn lường và đàn hồi mà Aristotle gọi là “ether”. Theo Huygens, ether này không liên quan gì đến không khí cả. Nếu bạn đặt một cái chuông vào bình và hút tất cả không khí chứa trong bình ra bằng một máy hút chân không, bạn sẽ không thể nghe tiếng chuông, bởi vì âm thanh cần không khí để lan truyền. Trái lại, bạn vẫn luôn nhìn thấy chuông vì ánh sáng là một sóng đi qua cái được gọi là ether, chất này không hề bị ảnh hưởng bởi việc bơm hút.

Vậy sóng ánh sáng được sinh ra như thế nào? Theo Huygens, một nguồn sáng chứa vô số hạt dao động. Chúng truyền sự dao động của mình tới các hạt ether liền kề dưới dạng các sóng hình cầu có tâm tại mỗi hạt dao động đó. Các sóng cầu này lan truyền, và bán kính hoạt động của chúng tăng theo thời gian. Chúng sẽ chồng chập lên nhau và tính hỗn độn của tổng các sóng đó khi ở gần nguồn ánh sáng sẽ giảm dần khi các sóng di chuyển ra xa. Càng xa nguồn sáng, sóng tổng hợp càng trở nên mịn và đều hơn.

Nhà vật lý người Hà Lan này đã cố gắng một cách đầy khó khăn để truyền bá lý thuyết sóng ánh sáng của mình. Ông đã tìm thấy một đồng minh, một người Anh tên là Robert Hooke (1635-1703), học giả kỳ cựu và nổi tiếng của Hội Hoàng gia, người có nhiệm vụ chuẩn bị các thí nghiệm để phục vụ cho những cuộc tranh luận của các thành viên đáng kính của Hội khoa học lừng danh này. Trong khi nghiên cứu chi tiết các màu sắc được tạo ra bởi các lớp vật liệu rất mỏng, chẳng hạn như thành của bong bóng xà phòng hoặc hai tấm kính mỏng ép vào nhau, Hooke nhận ra rằng bằng cách thay đổi độ dày của lớp không khí giữa hai tấm kính, các vòng tròn màu xuất hiện theo cùng thứ tự như các màu của cầu vồng, điều mà ông có thể giải thích khi dùng lý thuyết sóng ánh sáng. Nhưng những ý tưởng này không được chú ý, chúng bị cuốn trôi và nhấn chìm bởi cơn thủy triều của sự ủng hộ nhiệt thành đối với những ý tưởng về tính hạt của Newton.

Liệu ether có truyền được lực hấp dẫn?

Dẫu thế nào thì lý thuyết sóng ánh sáng cũng đã tái lập khái niệm ether. Và thậm chí nếu người ta ưa thích lý thuyết hạt của Newton hơn lý thuyết sóng này, thì câu hỏi về ether cũng vẫn được đặt ra trong một bối cảnh khác, đó là việc truyền lực hấp dẫn từ vật này sang vật khác trong quan niệm vạn vật hấp dẫn của chính Newton. Bằng cách đưa ra một lực hút hấp dẫn giữa các vật, Newton đã tính toán rất chính xác chuyển động của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất và của các hành tinh xung quanh Mặt Trời. Quan niệm này cũng mô tả rất đúng hành vi của tự nhiên mà hai nhà khoa học, một người Anh tên là John Adams (1819-1892) và một người Pháp tên là Urban Le Verrier (1811-1877) đã sử dụng vào năm 1846, chỉ bằng tính toán, đã khám phá ra một hành tinh mới trong hệ Mặt Trời là Hải Vương tinh. Nhưng Newton vẫn chưa hình dung được một cách thật tỏ tường cơ chế truyền lực hấp dẫn này. Tuy nhiên, ông nhận thức rất rõ rằng cần thiết phải có một tác nhân truyền. Thật vậy, nếu lực hấp dẫn được truyền đi xa trong chân không mà không cần sự giúp đỡ của bất kỳ một trung gian nào, có nghĩa là sự truyền của nó là tức thời và tốc độ lan truyền qua chân không là vô hạn, điều mà Newton không thể chấp nhận. Theo ông, “không thể nào chấp nhận một vật thô, vô tri vô giác, không thông qua sự trung gian của cái gì, lại có thể tác động và ảnh hưởng đến một đối tượng khác mà hai bên không có bất kỳ sự tiếp xúc nào với nhau... Lực hấp dẫn phải do một tác nhân hoạt động thường xuyên liên tục theo một số định luật nhất định gây ra. Nhưng ông đã không nêu ra được bản chất của tác nhân này và “để lại cho độc giả tự quyết định xem liệu tác nhân này là vật chất hay phi vật chất ( 35 ) ”.

Liệu ether có thể đóng vai trò là tác nhân truyền lực hấp dẫn không? Newton đã cố gắng dung hòa mô hình hạt của ánh sáng với sự tồn tại của một môi trường như vậy. Ông tưởng tượng các hạt ánh sáng mà một nguồn sáng sẽ phóng vào ether. Lực hấp dẫn sẽ gia tốc các hạt này cho đến khi lực gia tốc cân bằng chính xác với lực cản do ether tạo ra, các hạt ánh sáng sau đó sẽ chuyển động với tốc độ không đổi. Nhưng mô hình này không mấy thuyết phục bởi vì cần phải có một lực đáng kể để gia tốc các hạt từ tốc độ bằng không đến tốc độ ánh sáng (300 ngàn km/s). Và nếu thừa nhận ether tồn tại thì các tính chất của nó là gì? Newton nghĩ rằng nó phải “loãng hơn và tinh tế hơn không khí” để không gây ảnh hưởng tới chuyển động của các thiên thể. Những ý tưởng của ông về ether không ngừng phát triển. Trong khi ông không đề cập gì đến nó trong ấn bản đầu tiên của tác phẩm Principia ( Nguyên lý ) năm 1687, thì ở lần tái bản thứ nhất năm 1713, ông viết ở cuối sách: “Và bây giờ chúng ta phải thêm vào một thứ rất tinh tế, có mặt ở khắp mọi nơi và ẩn giấu trong tất cả các vật thể lớn. Nhờ lực và tác động của chất này, các hạt trong những vật thể đó có thể hút nhau ở khoảng cách ngắn, và tập hợp lại cứ như là chúng chạm vào nhau vậy; các vật tích điện có thể hoạt động ở khoảng cách lớn hơn, chúng đẩy hoặc hút các hạt lân cận; và ánh sáng có thể được phát ra, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, và làm nóng các vật thể.” Đối với ông, ether cho phép ta hiểu được lực hấp dẫn, nhiệt, ánh sáng và âm thanh được truyền đi như thế nào. Năm 1717, ông trở lại câu hỏi này trong ấn bản lần thứ hai của cuốn Opticks ( Quang học ), ở đó ông gợi ý rằng ether phải gồm các hạt đủ nhỏ để không nhìn thấy được. Mặt khác, ông giải thích lực hấp dẫn bằng cách thừa nhận rằng ether trong các vật thể lớn – chẳng hạn Mặt Trời và các hành tinh – là loãng hơn so với các vật thể nhỏ. Sở dĩ tồn tại lực hấp dẫn là bởi vì các vật thể có khuynh hướng di chuyển từ những nơi ether có mật độ cao đến những nơi có mật độ thấp hơn. Nhưng bất chấp mọi nỗ lực của mình, Newton không bao giờ thành công đưa ra được một lý thuyết về ether làm ông thỏa mãn.

Young và phương trình kỳ lạ “sáng + sáng = tối”

Sau khi cuốn Opticks xuất bản năm 1704, và trong suốt phần còn lại của thế kỷ 18, người ta không thể thảo luận về ánh sáng mà không tỏ rõ thái độ đối với những ý tưởng của Newton. Hai phe được hình thành, những người theo Newton ở một bên, và những người chống Newton ở bên kia. Nhưng phải nói rằng phần lớn những người chống Newton ít phản đối các hiện tượng quang học, mà chủ yếu phản đối quan điểm triết học cơ giới của ông về thế giới, một thế giới mà Chúa không có vai trò gì ngoài việc cho cú hích ban đầu.

Trong suốt thế kỷ 18, lý thuyết hạt của Newton gần như thống trị một cách tuyệt đối. Nhưng quan niệm ánh sáng như một sóng cũng sống rất dai dẳng. Trong khi được cho là đã hấp hối, nó vẫn không ngừng tái xuất như con phượng hoàng tái sinh từ đống tro tàn. Một nhân vật mới sẽ bước lên sân khấu, và sẽ mang lại thêm nhiều lý lẽ cho lý thuyết này. Đó là nhà vật lý người Anh Thomas Young (1773-1829). Young là một thiên tài quan tâm đến mọi thứ: từ khoa học tới hội họa, âm nhạc cũng như Ai Cập học (ông có đóng góp quan trọng việc giải mã chữ tượng hình trên phiến đá Rosetta, độc lập với công trình của nhà Ai Cập học người Pháp Jean-François Champollion). Nhưng hậu thế ghi nhớ tên tuổi của Young chủ yếu là nhờ một thí nghiệm cơ bản về ánh sáng mà ông tiến hành tại Hội Hoàng gia Anh năm 1801, thí nghiệm được gọi là “các vân giao thoa”.

Young là người Anh đầu tiên cả gan công khai thách thức uy tín to lớn của bậc tiền bối lỗi lạc, người đầu tiên có can đảm tấn công tượng đài quốc gia Newton. Ông đặc biệt tập trung chú ý tới cái mà ông coi là gót chân Achilles của thuyết hạt ánh sáng, đó là hiện tượng gọi là “nhiễu xạ” được phát hiện bởi một thầy tu dòng Tên người Italy tên là Francesco Maria Grimaldi (1618-1663). Ông đã phát hiện ra rằng nếu đục một khe nhỏ trên vách của một buồng tối, chùm sáng đi vào đó, một khi đi qua khe, sẽ bị nhiễu xạ, nghĩa là nó loe rộng ra và chiếu một quầng sáng có cường độ thấp hơn trên một diện tích lớn hơn so với trường hợp nếu ánh sáng là các hạt chuyển động chỉ theo đường thẳng. Nói cách khác, đường đi của ánh sáng phải bị chệch hướng sau khi đi qua khe. Giả sử bây giờ, Young nghĩ, chúng ta không chỉ tạo một khe duy nhất mà là hai, ở rất gần nhau thì sao. Mỗi khe sẽ tạo một quầng sáng rộng. Điều gì sẽ xảy ra trong vùng mà hai quầng sáng chồng lên nhau? Young đặt một màn đằng sau hai khe để quan sát vùng giao nhau này. Những gì ông quan sát thấy thật đáng kinh ngạc!

Về mặt tiên nghiệm mà nói, người ta có thể nghĩ rằng việc thêm ánh sáng vào ánh sáng sẽ chỉ luôn tạo ra một vùng sáng sáng hơn mà thôi. Nhưng ở đây lại không như thế: Young nhận thấy vùng có hai chùm ánh sáng chồng lên nhau, đúng là có chứa các dải sáng hơn, nhưng trái với mọi mong đợi, ở đây cũng có các dải tối không có chút ánh sáng nào, xen kẽ với các dải sáng (hình). Nói cách khác, ở một số nơi của màn, thêm ánh sáng vào ánh sáng lại tạo ra bóng tối! Nó giống như việc bạn mua hai cái đèn để làm cho phòng sáng hơn, và khi bật chúng cùng một lúc, hãy nghĩ xem bạn sẽ ngạc nhiên đến mức nào khi nhìn thấy các vệt tối đen ở một số nơi trong phòng!

Thí nghiệm hai khe của Young. Ánh sáng của một chùm sáng xuyên qua hai khe song song và chiếu lên một màn phía sau, tạo thành một dãy các dải dọc song song sáng tối xen kẽ nhau gọi là các “vân giao thoa”. Chúng chỉ có thể giải thích được nếu như ánh sáng có tính chất sóng.

Làm thế nào để giải thích hiện tượng kỳ lạ này? Young nhận ra rằng một mô tả thuần túy dựa trên tính hạt của ánh sáng không bao giờ đưa ra được lời giải thích thỏa đáng. Bởi vì theo lý thuyết này, việc thêm các hạt ánh sáng vào các hạt khác, theo logic, chỉ có thể dẫn đến một số lượng lớn hơn các hạt, tức là một vùng sáng hơn. Ngược lại, phương trình kỳ lạ “sáng + sáng = tối” có thể được hiểu ngay khi ánh sáng là một sóng với các đỉnh và hõm giống như sóng trên bề mặt đại dương. Để hiểu điều này, chúng ta hãy xem xét quá trình hai sóng ánh sáng có cùng tần số, nghĩa là có cùng số đỉnh hoặc hõm, đi qua một điểm không gian trong một giây đến một điểm của màn cùng một thời điểm. Có hai trường hợp xảy ra: hoặc hai sóng cùng pha, đỉnh của chúng đến cùng một thời điểm, biên độ của chúng được cộng vào và điểm đó trên màn sáng sẽ gấp hai lần; hoặc là chúng ngược pha, đỉnh của một sóng đến cùng thời điểm với hõm của sóng kia, biên độ của chúng triệt tiêu nhau và điểm trên màn hình sẽ là tối (hình trang sau). Sự chồng chập của sóng ánh sáng cùng tần số được gọi là “giao thoa”, và các dải sáng và tối xen kẽ nhau do sự giao thoa này gây ra gọi là “vân giao thoa” ( 36 ) .

Giải thích các vân giao thoa. a) Khi hai sóng ánh sáng đồng pha đi đến cùng một điểm trong không gian, đỉnh và hõm của chúng trùng chính xác với nhau thì xảy ra sự giao thoa tăng cường nhau: chúng được cộng lại, tạo ra một sóng có biên độ lớn hơn, tức là ánh sáng có cường độ mạnh hơn. b) Trái lại, khi hai sóng lệch pha nửa bước sóng (tức ngược pha nhau), sao cho các đỉnh (và hõm) của một sóng trùng với các hõm (và đỉnh) của sóng kia, sẽ có một sự giao thoa hủy nhau: chúng triệt tiêu nhau và kết quả là vân tối.

Young mạnh mẽ bảo vệ bản chất sóng của ánh sáng. Khi làm như vậy, ông cũng là người biện hộ cho ether, chất bắt buộc phải có để giải thích sự truyền sóng ánh sáng. Tuy nhiên, không gì có thể làm suy yếu uy tín to lớn của Newton. Nhà khoa học trẻ đã bị chỉ trích nặng nề (và không công bằng) ở một số nơi và các công trình của ông bị chối bỏ. “Thật khó có thể xem xét nghiêm túc một tác giả mà tâm trí chỉ quan tâm đến một môi trường có bản chất rung động thất thường đến như vậy, (...) một tác giả không biểu hiện một dấu hiệu nào là người hiểu biết, sáng suốt hay khéo léo đặng có thể bù đắp cho sự thiếu hụt rõ ràng của mình về khả năng tư duy một cách chắc chắn.” Những ý kiến về bản chất hạt của ánh sáng không phát triển thêm được một mảy may nào sau thí nghiệm về các vân giao thoa của Young – thậm chí còn không ai cất công thử làm lại, kể cả ở Anh hay ở Pháp.

Fresnel và tính rắn của ether

Young không thể áp đặt những ý tưởng của mình vào bản chất sóng của ánh sáng bởi vì ông đã không phát triển sâu hơn nữa những ý tưởng ấy. Nhưng trên hết, ông không biết làm thế nào để đưa ra một nền tảng toán học chặt chẽ cho nguyên lý giao thoa của mình. Vinh dự này thuộc về một sinh viên trường Bách khoa Paris tên là Augustin Fresnel (1788-1827) (hình trên). Không đọc được ngôn ngữ của Shakespeare và hoàn toàn không biết gì về các công trình của Young, Fresnel đã khám phá lại một cách độc lập tất cả các kết luận của nhà vật lý người Anh này. Ông cùng với nhóm các kỹ sư trường Cầu-Đường ở gần trường Bách khoa, tự phong là người bảo vệ vững chắc cho lý thuyết sóng ánh sáng, đã viện đến nguyên lý tiết kiệm của tự nhiên để bảo vệ quan điểm của mình: “Chắc chắn khó có thể khám phá ra lý do của sự tiết kiệm đáng khâm phục này... Nhưng ngay cả khi nguyên tắc chung của triết học khoa học này không trực tiếp dẫn đến Chân lý, nó vẫn có thể hướng dẫn những nỗ lực của lý trí để loại bỏ những sơ đồ liên kết các hiện tượng với quá nhiều nguyên nhân khác nhau, đồng thời lại dẫn dắt nó hướng tới những sơ đồ, dựa trên một số tối thiểu các giả thiết, nhưng lại có những hệ quả phong phú nhất ( 37 ) .” Theo Fresnel, lý thuyết hạt ánh sáng không thể đúng vì nó không phù hợp với nguyên lý tiết kiệm của tự nhiên. Thật vậy, để giải thích hiện tượng nhiễu xạ được phát hiện bởi cha Grimaldi, lý thuyết hạt đã phải bổ sung một giả thuyết mới: Newton đã buộc phải đưa ra một lực làm lệch các hạt ánh sáng khi chúng đi qua khe, nhưng lại cho rằng không có lực nào tác động giữa chúng. Fresnel thành công tại nơi mà Young thất bại, bởi lẽ, thay vì ngôn ngữ trực giác và vật lý của nhà bác học người Anh, nhà vật lý người Pháp nhờ được đào tạo bài bản về toán học tại trường Bách khoa, đã mô tả lý thuyết sóng ánh sáng và nguyên lý giao thoa bằng ngôn ngữ toán học chính xác, tạo cho nó một nền tảng vững chắc hơn rất nhiều. Các chứng minh của ông thuyết phục đến mức ông đã đánh lui lý thuyết hạt của Newton và những người kế nhiệm để bảo vệ cho lý thuyết sóng. Trong lúc đó, khi làm quen với các công trình của Young, Fresnel đã không ngần ngại viết thư cho nhà bác học người Anh: “Tôi đã nhiều lần thừa nhận trước công chúng rằng các nghiên cứu của ông là có trước.” Young cũng fair-play không kém, ông sẵn sàng thừa nhận rằng những khám phá của nhà khoa học người Pháp không liên quan gì tới các công trình của mình, mà chúng là độc lập và độc đáo: “Tôi rất vui khi lần đầu được nghe một công trình quang học mà M. Fresnel, bằng những nỗ lực của chính mình, dường như đã khám phá lại các định luật giao thoa. Một sự trao đổi đầy tinh thần cầu tiến giữa hai nhà khoa học tầm cỡ thật đáng kính phục.

Cơ sở toán học được Fresnel phát triển cho phép ông không chỉ khái quát những kết quả của Young, mà còn đem lại một câu trả lời cho ý kiến phản đối chủ yếu của Newton đối với lý thuyết sóng ánh sáng: tại sao chúng ta có thể nghe thấy ai đó ở góc phố, nhưng lại không nhìn thấy họ? Nói cách khác, tại sao âm thanh vòng qua được góc phố, chứ không như ánh sáng? Nếu ánh sáng là một sóng như âm thanh, cả hai sẽ phải có hành vi tương tự, và chúng ta sẽ phải nhìn thấy cũng như nghe thấy tất cả những gì xảy ra sau chỗ ngoặt. Nhà vật lý trẻ người Pháp chứng minh được rằng ánh sáng thực sự cũng vòng qua góc phố, nhưng các sóng ánh sáng giao thoa với nhau và bị triệt tiêu gần như hoàn toàn. Hơn nữa, lượng âm thanh hay ánh sáng đi qua góc phố phụ thuộc vào bước sóng, tức khoảng cách giữa hai đỉnh (hoặc hai hõm) liên tiếp của sóng âm hoặc sóng ánh sáng. Bước sóng càng nhỏ, lượng âm thanh hoặc ánh sáng bị lệch đi (các nhà vật lý gọi là “nhiễu xạ”) càng không đáng kể. Mà bước sóng của sóng ánh sáng nhỏ hơn một triệu lần so với sóng âm thanh tạo bởi giọng nói của bạn. Vì vậy, chúng ta có thể nghe thấy một người ở góc phố, nhưng không nhìn thấy người đó.

Quan trọng hơn nữa, Fresnel phát hiện ra một sự khác biệt cơ bản giữa âm thanh và ánh sáng; mặc dù cả hai đều có bản chất sóng, nhưng chúng khác nhau về cách vận chuyển năng lượng trong không gian. Khi nói chuyện với ai đó, có một làn sóng nén và loãng dần vượt qua không khí từ miệng bạn đến tai của người đối thoại. Trong quá trình sóng âm đi tới một vị trí nhất định, các phân tử không khí tại vị trí đó chuyển động và việc truyền năng lượng thực hiện theo hướng lan truyền của sóng. Người ta nói rằng sóng này là “sóng dọc”. Mặt khác, Fresnel chứng minh rằng trong quá trình lan truyền của một sóng ánh sáng trong ether giả định, việc truyền năng lượng không xảy ra theo hướng lan truyền của sóng, mà theo một mặt phẳng vuông góc với nó – sóng này gọi là “sóng ngang”.

Chứng minh của Fresnel rằng ánh sáng là một sóng ngang – mà không phải là dọc giống như âm thanh – đặt ra một vấn đề liên quan đến bản chất của ether, chất có mặt khắp nơi trong vũ trụ. Young đã đưa ra một cách rõ ràng và cô đọng những khó khăn về mặt khái niệm nảy sinh khi ông viết vào năm 1823: “Giả thuyết của Fresnel rất khéo léo và cho phép tính toán thỏa đáng. Nhưng nó dẫn đến một kết luận gây sốc: ether ở khắp nơi trong không gian không chỉ hoàn toàn đàn hồi, mà nó cũng hoàn toàn rắn!” Thật vậy, sóng ngang chỉ có thể truyền trong một chất rắn. Chúng cũng có thể lan truyền qua chất lỏng, nhưng chỉ trên bề mặt (như sóng trên bề mặt đại dương), chứ không bao giờ ở bên trong. Ether cần phải rắn như băng. Nhưng nếu thật sự như vậy, thì giải thích thế nào về sự chuyển động của các hành tinh? Làm thế nào chúng có thể di chuyển trong băng mà không bị chậm lại? Phải chăng ether không thực sự tồn tại và đơn giản chỉ là một hư cấu được trí tưởng tượng phong phú của con người tạo ra, giống như kỳ lần thời Cổ đại hoặc các tinh cầu mà người Trung cổ vẫn kiên trì gắn các hành tinh lên đó?

Faraday và cuộc hôn phối giữa điện và từ

Bước tiếp theo trong câu chuyện của ether chuyển sang lĩnh vực điện và từ. Nhân vật đầu tiên bước lên sân khấu trong tập mới này là nhà vật lý người Anh Michael Faraday (1791-1867), được xem là thí nghiệm gia vĩ đại nhất của thời đại ông (hình bên).

Là người rất ngoan đạo, Faraday rất tin tưởng vào sự thống nhất của tự nhiên, bởi đó là biểu hiện của Chúa và rằng Chúa là một: “Từ lâu tôi đã nghĩ, và điều này gần như trở thành một niềm xác tín, rằng các dạng khác nhau mà các lực của vật chất thể hiện đều có chung một nguồn gốc. Đặc biệt, nhà vật lý muốn biết liệu các hiện tượng điện và từ có liên hệ với nhau hay không hay hoàn toàn tách biệt. Faraday biết tới công trình của nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Ørsted (1777-1851). Vào năm 1820, Ørsted đã chứng tỏ được mối liên hệ mật thiết giữa điện và từ bằng cách quan sát một dòng điện làm lệch kim la bàn. Vì kim la bàn chỉ phản ứng với các hiện tượng từ, điều này nghĩa là điện tạo ra từ tính. Faraday đã chứng minh vào năm 1831 rằng điều ngược lại cũng đúng: một nam châm di chuyển sẽ tạo ra một dòng điện. Như vậy tình huống là hoàn toàn đối xứng: điện tích di chuyển tạo ra hiệu ứng từ và một từ trường thay đổi tạo ra hiệu ứng điện. Điện và từ là hai mặt của cùng một hiện tượng vật lý. Thuật ngữ “điện từ trường” được đặt ra để liên kết chúng về mặt ngôn ngữ.

Nhưng làm thế nào mà các lực điện và từ có thể tác động từ xa? Làm thế nào một dòng điện lại có thể làm lệch kim la bàn mà không có bất kỳ tiếp xúc nào với nó? Để giải thích tác động từ xa này, Faraday đã tưởng tượng ra các đường sức xuất phát từ một điện tích hoặc một trong hai cực của nam châm triển khai ra không gian, tạo ra ở đó một điện trường hoặc từ trường rộng lớn (hình). Khái niệm trường này là khái niệm mang tính cách mạng và sẽ có ảnh hưởng to lớn đến sự phát triển của vật lý trong những thế kỷ tiếp theo.

Vật lý học cho chúng ta biết rằng chúng ta đang sống trong một đại dương bao la của các trường điện từ. Đây chính là các trường đã truyền tải những chương trình truyền hình hay âm nhạc yêu thích qua không gian từ đài phát tới TV hoặc máy thu thanh của chúng ta. Nó cũng cho phép chúng ta kết nối máy tính xách tay với Internet, kết nối với mạng GPS để xác định vị trí của mình và giao tiếp với bạn bè thông qua điện thoại di động mà không cần bất kỳ kết nối bằng dây điện nào.

Maxwell và sự thống nhất điện từ và quang học

Nhân vật thứ hai xuất hiện trong lịch sử của điện từ học là nhà vật lý người Scotland James Clerk Maxwell (1831-1879) (hình). Chính ông là người đã đặt nền tảng toán học vững chắc cho các ý tưởng của Faraday, giống như Fresnel đã làm cho Young. Thật vậy, do tự học, Faraday không có đủ hành trang kỹ thuật cần thiết để chứng minh bằng toán học mối liên hệ mật thiết giữa điện và từ. Maxwell càng quyết tâm thực hiện nhiệm vụ này, vì ông tin rằng những ý tưởng của Faraday là đúng đắn: “Faraday hình dung thấy trong tâm trí của mình những đường sức trải ra khắp không gian, trong khi các nhà toán học chỉ nhìn thấy các tâm lực hút ở khoảng cách xa.” Năm 1864, nhờ vào tài năng toán học phi thường của mình, ông đã thành công trong việc tổng hợp những hiểu biết tản mạn ở thời đó về điện và từ dưới dạng một hệ gồm bốn phương trình. Mỗi phương trình được thể hiện bằng một ngôn ngữ toán học cô đọng không khỏi gợi cho ta nhớ đến vẻ đẹp của những chữ tượng hình Ai Cập hay các biểu tượng thần bí của thuật giả kim. Các phương trình này cô đúc tới mức có thể in tất cả trên một chiếc áo phông, điều mà một số thương gia, vốn nhạy cảm với lợi nhuận, đã không bỏ qua (hình bên). Ngày nay, những phương trình ấy được biết đến với tên gọi “Các phương trình Maxwell”, chúng đã đánh dấu một bước quyết định trong lịch sử vật lý. Nhà vật lý người Mỹ từng đoạt Giải Nobel Richard Feynman (1918-1988) đã bình luận như sau về thành tựu phi thường của nhà vật lý người Scotland: “Không nghi ngờ gì nữa, trong 10.000 năm sau, hậu thế sẽ đánh giá sự phát hiện ra các định luật điện động lực học của Maxwell như là sự kiện quan trọng nhất của thế kỷ 19. Cuộc nội chiến Hoa Kỳ, nếu so sánh, chỉ đơn giản như một sự kiện tỉnh lẻ ( 38 ) .”

Ấn tượng hơn nữa – và để quay trở lại những suy tư của chúng ta về ánh sáng – Maxwell không chỉ thống nhất điện và từ, mà còn tổng hợp được điện từ học với quang học. Thật vậy, các phương trình của ông mô tả kịch bản sau: một điện trường thay đổi theo thời gian sẽ tạo ra một từ trường; do thực tế chuyển tiếp của từ trường từ không tồn tại sang tồn tại, nghĩa là từ trường thay đổi và do đó nó lại tạo ra một điện trường biến đổi, điện trường thay đổi này lại sinh ra một từ trường, và cứ như thế mãi. Các điện trường và từ trường có mối liên hệ không thể tách rời, tạo nên hai thành phần của một sóng điện từ lan truyền trong không gian, giống như một sóng truyền dọc theo một sợi dây khi ta lắc một đầu và giữ chặt đầu kia. Sóng này là sóng ngang, nghĩa là việc truyền năng lượng nằm trong mặt phẳng vuông góc với hướng lan truyền của sóng. Năm 1873, Maxwell đã tính toán được chính xác tốc độ lan truyền sóng điện từ này trong không gian. Kết quả thật kỳ lạ: sóng điện từ truyền với tốc độ đúng bằng tốc độ ánh sáng ( 39 ) . Nói cách khác, sóng điện không gì khác, mà chính là ánh sáng!

Như vậy, sau Newton, Maxwell chính là người đã thực hiện sự thống nhất lớn thứ hai của vật lý. Trong khi Newton đã thống nhất trời và đất, nhà vật lý người Scotland, với cây đũa thần, đã thống nhất điện, từ và quang học!

Tại sao ether lại không hãm chuyển động của Trái Đất

Một câu hỏi vẫn còn tồn tại: cái giá đỡ vật chất nào đã cho phép sóng điện từ lan truyền được. Nếu những sóng này di chuyển trong không gian như sóng trên bề mặt đại dương, thì bản chất của “đại dương” truyền sóng điện từ là gì? Mặc dù các phương trình của Maxwell không yêu cầu sự có mặt của một chất hiện diện ở khắp nơi trong vũ trụ, nhưng ông vẫn cầu viện tới ether. Dường như ông không nghi ngờ gì về sự tồn tại của nó, như ông viết trong một mục từ của cuốn Từ điển bách khoa Encyclopedia Britannica năm 1878: “Bất chấp những khó khăn có thể có trong việc hình thành nên một ý tưởng chặt chẽ và nhất quán về bản chất của ether, không có gì nghi ngờ rằng không gian giữa hành tinh và giữa các vì sao bị chiếm bởi một chất hay một vật thể...”

Đối với Maxwell, ether đóng một vai trò không thể thiếu, không chỉ trong việc truyền sóng ánh sáng, mà còn để xác định một hệ quy chiếu tuyệt đối. Thật vậy, giống như Newton, ông cũng phải đối mặt với vấn đề “không gian tuyệt đối” để mô tả chuyển động của các vật. Nếu các phương trình nói với ông rằng sóng điện từ lan truyền trong không gian với tốc độ 300.000 km/s thì chúng lại lặng câm khi phải trả lời câu hỏi: tốc độ đó được đo đối với hệ quy chiếu nào? Điều này cũng chẳng khác gì người ta nói với bạn địa điểm hẹn gặp cách 2 km, nhưng lại không nói rõ là đối với vật mốc nào. Đi theo bước chân của Newton, Maxwell cũng nghĩ một cách tự nhiên rằng ánh sáng lan truyền với tốc độ ba trăm ngàn kilomet một giây là so với một ether đứng yên tràn ngập khắp vũ trụ.

Nhưng ether này được làm bằng gì? Nguồn gốc của nó ra sao? Rồi tính chất của nó thế nào? Bản chất của nó phải tương thích với một số quan sát bầu trời. Thứ nhất, chắc chắn nó phải trong suốt vì chúng ta có thể chiêm ngưỡng các hành tinh, các ngôi sao và các thiên thể khác một cách rõ ràng. Tiếp theo, cần phải hiểu được tại sao chúng ta không nhận thấy bất kỳ cơn gió ether nào, ngay cả khi con tàu Trái Đất thực hiện hành trình hằng năm của nó quanh Mặt Trời với tốc độ khoảng 30 km/s trong không gian. Thực tế, Trái Đất đã đi qua ether trong nhiều thế kỷ, với tốc độ đáng kể này, mà không phát hiện được bất kỳ sự chậm lại nào. Điều này chỉ có thể giải thích được nếu ether không tác động bất kỳ lực nào lên các hành tinh. Bằng cách tính toán chuyển động của các hành tinh, Newton chỉ ra rằng nếu tồn tại một lực như thế, thì các hành tinh chắc chắn đã chuyển động chậm lại và rơi theo đường xoắn ốc vào Mặt Trời từ lâu rồi. Các câu hỏi khác cũng đã được đặt ra. Như chúng ta đã thấy, khám phá của Augustin Fresnel rằng ánh sáng là một sóng ngang (việc truyền năng lượng nằm trong mặt phẳng vuông góc với hướng lan truyền của sóng) hàm ý rằng ether phải hoàn toàn rắn bởi vì các sóng ngang không thể truyền qua một chất lỏng. Nhưng nếu vậy thì Trái Đất và các hành tinh khác làm thế nào có thể chuyển động trong một môi trường như thế mà không bị chậm lại và rơi vào Mặt Trời? Liệu ether có thể có cả tính chất của một chất rắn đàn hồi và chất lưu linh động không?

Những câu hỏi này vẫn chưa được giải đáp và vấn đề ether vẫn là một trong những mối bận tâm chủ yếu của các nhà vật lý vào cuối thế kỷ 19. Nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz (1857-1894) tóm tắt điều này tại một hội nghị khoa học vào năm 1889: “Vấn đề lớn của Tự nhiên có liên quan đến các tính chất của ether choán đầy không gian: cấu trúc của nó là gì? Nó bất động hay chuyển động, phạm vi của nó là hữu hạn hay vô hạn? Càng ngày chúng ta càng cho rằng đây là vấn đề quan trọng nhất, và giải quyết được nó sẽ cho chúng ta thấy không chỉ bản chất của cái mà chúng ta thường gọi là “thất thường, không thể lường được”, mà còn cả bản chất của chính vật chất cùng các tính chất căn bản của nó – trọng lượng và quán tính... Đây là những vấn đề tối thượng của khoa học vật lý, là đỉnh băng giá của các ngọn núi cao nhất.”

Michelson và Morley và sự thiếu vắng gió ether

Vào năm 1887, các nhà vật lý người Mỹ Albert Michelson (1852- 1931) (hình bên) và Edward Morley (1838-1923) (hình dưới) quyết định tiến hành một thí nghiệm tài tình để kiểm tra sự tồn tại của ether, đặc biệt là để làm rõ cái được gọi là “gió ether”. Như với tất cả những thí nghiệm lớn khác, ý tưởng xuất phát rất đơn giản.

Trái Đất không đứng yên mà có hai chuyển động: một chuyển động quay quanh mình nó, tạo nên sự thay đổi của ngày và đêm, và một chuyển động quay xung quanh ngôi sao của chúng ta, tức Mặt Trời, gây ra sự luân chuyển của các mùa. Điều này nghĩa là nếu hành tinh của chúng ta bị ngập chìm trong một thứ ether bất động thì nó phải chuyển động so với chất nền này. Do đó người Trái Đất phải cảm nhận được chuyển động này dưới dạng gió ether giống như gió mà một người đi xe đạp cảm thấy trên hai má khi đạp xe qua không khí bất động. Vậy làm thế nào để đo tốc độ của Trái Đất đối với ether? Lấy lại một ý tưởng của Maxwell đưa ra vào năm 1878, Michelson và Morley quyết định đo tốc độ ánh sáng theo những hướng khác nhau và trong những khoảng thời gian khác nhau. Ý tưởng đó như sau: trong hành trình hằng năm của mình trên quỹ đạo elip xung quanh Mặt Trời, Trái Đất liên tục thay đổi tốc độ và hướng, điều này sẽ tạo ra các biến động nhỏ về tốc độ biểu kiến của ánh sáng theo thời gian. Do đó, nếu theo một hướng nào đó, Trái Đất chuyển động tới gặp một sóng ánh sáng, ánh sáng sẽ có tốc độ biểu kiến lớn hơn 300.000 kilomet mỗi giây, cụ thể là bằng tổng của tốc độ ánh sáng và tốc độ Trái Đất. Ngược lại, nếu chúng ta đo tốc độ này theo hướng ngược lại, ánh sáng sẽ phải đuổi theo để bắt kịp Trái Đất và tốc độ biểu kiến của nó sẽ nhỏ hơn giá trị thực của nó, tức bằng hiệu của tốc độ ánh sáng và tốc độ Trái Đất. Nhưng trong trường hợp hành tinh của chúng ta chuyển động theo hướng vuông góc với ánh sáng, ta sẽ không đo được bất kỳ hiệu ứng gì, tức là tốc độ đo được chính xác là 300.000 km/s. Bằng cách đo các biến thiên này của tốc độ ánh sáng, ta có thể suy luận được tốc độ gió giả định của ether. Hành tinh của chúng ta chuyển động quanh Mặt Trời với tốc độ khoảng 30 km/s, Michelson và Morley sẽ phải đo được các biến thiên tốc độ ở cùng độ lớn này, với giả định rằng ether thực sự tồn tại.

Đo các biến thiên nhỏ như vậy, chỉ bằng khoảng một phần vạn của tốc độ ánh sáng, không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Michelson và Morley phải sử dụng một dụng cụ gọi là “giao thoa kế”, dựa trên nguyên lý giao thoa được phát hiện bởi Thomas Young mà ta đã nói ở trên. Ánh sáng đi vào kế này được chia thành hai chùm. Chúng đi qua lại cùng một chiều dài, một tia đi theo hướng chuyển động của Trái Đất, tia kia đi theo hướng vuông góc, trước khi gặp lại nhau. Ban đầu, hai tia này cùng pha, tức là các đỉnh và hõm của chúng trùng khớp nhau. Nhưng do các chùm sẽ có tốc độ khác nhau bởi một chùm chuyển động theo hướng chuyển động của Trái Đất và chùm kia theo hướng vuông góc, chúng sẽ bị lệch pha tại thời điểm gặp lại nhau. Trong tình huống như vậy, có thể là đỉnh của chùm đầu tiên đến đồng thời với hõm của chùm thứ hai: chúng sẽ giao thoa triệt tiêu nhau và như ta đã thấy, thêm ánh sáng vào ánh sáng có thể tạo ra bóng tối. Như vậy ta sẽ phải quan sát được các vân giao thoa, tức là các dải sáng (nơi các chùm tăng cường nhau) và dải tối (nơi các chùm này triệt tiêu).

Giao thoa kế của Michelson và Morley được thiết kế để đo sự thay đổi rất nhỏ của tốc độ ánh sáng theo các hướng không gian khác nhau. Chùm sáng SO chiếu tới gương bán trong suốt G có tác dụng chia chùm sáng thành hai chùm con, một chùm truyền theo hướng di chuyển của Trái Đất, và một chùm theo hướng vuông góc. Hai chùm con này được phản xạ bởi các gương (E và E’), và được gửi đến máy dò F (phía dưới) cho phép ghi lại những thay đổi nhỏ của vị trí các vân giao thoa, nếu tốc độ ánh sáng thay đổi theo các hướng không gian khác nhau. Nhưng Michelson và Morley, đã rất ngạc nhiên, không phát hiện thấy bất kỳ thay đổi nào theo thời gian, do đó chứng minh được tốc độ ánh sáng là bất biến, bất kể chuyển động của người quan sát.

Bằng cách hoàn thiện giao thoa kế của mình, Michelson và Morley về cơ bản đã có thể đo được sự khác biệt rất nhỏ về tốc độ, khoảng 1,5 km/s, tức là bằng 1/20 tốc độ của Trái Đất đi trong ether giả định. Vì vậy bất cứ một cơn gió nhỏ nhất nào của ether cũng dễ dàng được phát hiện. Với sự thất vọng và cũng rất ngạc nhiên – bởi hai nhà vật lý đều tin chắc về sự tồn tại của ether – và bất chấp những nỗ lực lặp đi lặp lại các phép đo, các vân giao thoa vẫn hoàn toàn không xuất hiện. Do đó, phán quyết là không thể chối cãi: ánh sáng không thể hiện bất cứ một biến thiên, dù nhỏ nào, về tốc độ bất kể được đo theo hướng nào. Kết luận: tốc độ ánh sáng là một hằng số bất kể nó truyền theo hướng nào.

Sự bất biến của tốc độ ánh sáng ngụ ý không có bất kỳ một gió ether nào, và điều này đã gieo mối nghi ngờ về sự tồn tại của một chất choán đầy toàn bộ vũ trụ. Phải chăng cái chất ether ấy chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng của con người? Tuy nhiên, những người ủng hộ ether vẫn chưa chịu thừa nhận thất bại. Nhiều đề xuất được đưa ra để cứu ether, đề xuất này viển vông hơn đề xuất khác. Một số người đưa ra ý kiến cho rằng có thể Trái Đất không chuyển động đối với ether, vì hành tinh của chúng ta cuốn nó theo. Một giả thuyết rất vô lý, bởi vì tại sao ether được cho là có mặt khắp vũ trụ lại phải đi theo chuyển động của hành tinh chúng ta, một hạt cát nhỏ nhoi trong đại dương vũ trụ mênh mông? Hai nhà vật lý, George FitzGerald (1851-1901) người Ireland và Hendrik Lorentz (1853-1928) người Hà Lan, đã đề xuất một ý tưởng mới và lạ: sự vắng mặt của vân giao thoa có thể giải thích được nếu cho rằng chiều dài của một vật giảm theo tốc độ của nó ( 40 ) . Tất nhiên, sự co kích thước này rất nhỏ đối với tốc độ 30 km/s của Trái Đất – một vật chuyển động ở tốc độ đó co lại chỉ khoảng một phần trăm triệu của độ dài ban đầu – nhưng đủ để giải thích sự vắng mặt các vân giao thoa trong thí nghiệm của Michelson