Tiểu Luận Về Khoa Học Và Triết Học Nguyễn Tường Bách Nhà Xuất Bản Trẻ tp. Hcm 2004

Phần thứ ba - TỪ ÁNH SÁNG ĐẾN TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

ÁNH SÁNG ĐI TỪ TRONG RA NGOÀI

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

Những điều xem ra giải đơn vừa nói đều là những đề tài trọng đại của con người mà nhân loại từ xưa đến nay đều đề cập, từ thời cổ đại Ai Cập ở phương Tây cho đến thời của Phật Thích-ca ở phương Đông. Ngày nay vấn đề phức tạp của cái thấy được phân chia và nghiên cứu trong nhiều ngành khoa học như quang học, thể chất học, nhận thức học, tâm lý học… Chúng ta sẽ không đủ cơ hội đi vào các lĩnh vực rộng lớn đó; mà trong phần này, ta chỉ nói về ánh sáng. Và ta sẽ biết, phần này sẽ không nói được hết về ánh sáng, mà toàn bộ cuốn sách này cũng không nói hết về ánh sáng. Thực tế là, từ những ngày cổ đại xa xưa đến thế kỷ ngày nay, trong đó con người lý giải được vô số chuyện của trời đất thì ánh sáng vẫn là một bí ẩn chưa ai giải nổi.

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

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

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

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

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

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

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

Năm 632 nhà tiên tri Mohamed, giáo chủ Hồi giáo mất, nhưng ngay sau đó tôn giáo này vược lên như một ngọn đuốc và thừa kế nền văn minh Hy Lạp. Khoảng thế kỷ thứ 9, Baghdad – ngày nay là thủ đô Iraq – trở thành trung tâm văn minh và dịhc thuật của Hồi giáo, trong đó các ngành khoa học, cũng như triết học được dịch từ tiếng Hy Lạp và được phát triển mạnh mẽ. Khoảng một ngàn ba trăm năm sau Euclid, một nhà khoa học Hồi giáo có tên là Alhazen ra đời. Trong lịch sử khoa học người ta gọi ông là nhà “quang học”; nhưng thực ra Alhazen có rất nhiều công trình to lớn khác về toán học, thiên văn, triết học và y khoa.

Mới đầu Alhazen học tập kinh điển Hồi giáo và hy vọng tìm ra chân lý từ trong đó. Thế nhưng ông sớm quay sang khoa học vì “đối tượng” của nó (khoa học) có  nghĩa và dạng của nó có lý. Tác phẩm quan trọng nhất của ông là Kitab al – Manazir (Quang học) gồm bảy tập, về sau được dịch ra ngôn ngữ La-tinh và là nền tảng của các nghiên cứu quang học tại phương Tây.

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

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

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

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

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

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

---o0o---

ÁNH SÁNG LÀ NHỮNG HẠT VẬT CHẤT

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

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

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

Sau Alhazen khoảng 150 năm, lịch sử khoa học sản sinh một nhân vật xuất sắc khác. Đó là Robert Grosseteste là De luce seu de incohatione formarum (Về ánh sáng và sự hình thành của sắc thể). Grosseteste quan niệm có một sự nổ ban đầu – tương tự như Big Bang của vật lý hiện đại – nhưng thể tích uyên nguyên của vũ trụ là áng sáng. Khởi thủy là một tia sáng duy nhất, nó tự sinh sản và hình thành một khối cầu, trong đó vật chất xuất hiện. Sau đó khối cầu ánh sáng hình thành trời và đất với các không gian khác nhau. Cũng như Plato, Grosseteste quan niệm vai trò của một Thượng đế sắp sếp trời đất theo phép toán học, ánh sáng là phương tiện để Thượng đế sử dụng.

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

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

Như ta biết, Galileo cống hiến cho nhân lại nhiều phát minh về quang học. Khoảng trong những năm đầu thế kỷ 17, ông bắt đầu dùng viễn vọng kính để quan sát bầu trời và thiên thể. Khi nhìn lên cao, ông không hề thấy Thượng đế lẫn thiên thần, cũng chẳng thấy một sự “toàn hảo”nào như Kinh thánh mô tả. Ngược lại mặt trăng hiện ra với vô số vết tròn lỗ chỗ, chúng chỉ là những hố sâu như ta thường thấy tại các nơi vắng người nhất của mặt đất. Galileo phát hiện mặt trời cũng không phải là nguồn ánh sáng siêu nhiên thanh tịnh mà lại là nơi sinh ra nhiều vụ nổ hết sức hỗn mang, để lại nhiều vết đen trên bề mặt.

Năm 1611 Galileo có được trong tay viễn vọng kính mạnh nhất thời bấy giờ của một nhà quang học người Hà Lan, ông khám phá nhiều hiện tượng thiên văn khác, đồng thời nêu một lý thuyết về dải ngân hà trong hệ các thiên thể. Trong năm đó có người gửi cho Galileo một vật lạ, đó là một vài hòn đá tên gọi là spongia soles, “miếng xốp mặt trời”. Thứ đá xốp này có điều đặc biệt là khi để nó trong nắng một lúc và sau đó đem vào phòng tối thì nó phát sáng. Đây là một điều đặc biệt vì đến thời của Galileo người ta luôn luôn nghĩ chỉ có những gì đang cháy mới phát sáng, ánh sáng phải có mối liên hệ với nhiệt, thí dụ mặt trời hay một ngọn đèn. Nay đá mà cũng phát sáng được, thì ánh sáng có tự tính thế nào? Người ta gọi ánh sàng này là “ánh sáng lạnh”, vì nó không do nhiệt phát ra.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---o0o---