KHOẢNG RỖNG – ÊTE – TRƯỜNG
Nhà thơ Pháp Paul Valéry (1871 - l945) khi suy tư về các chặng đường nhận thức và các bước thăng trầm của lịch sử khoa học đã từng kinh ngạc làm sao các hiện tượng điện và từ lại có thể đứng ngoài tầm quan tâm của khoa học lâu đến thế. Ông day dứt tự hỏi: ''Còn gì đối với trí tuệ khó hiểu hơn là biểu hiện của cái mẩu nhỏ hổ phách ấy, nơi bộc lộ thứ sức mạnh ẩn tàng trong toàn bộ tự nhiên, mà có lẽ sức mạnh ấy chính là toàn bộ nhiên và chỉ bộc lộ trong nó suốt bấy nhiêu thế kỷ trừ thế kỷ cuối cùng này?''
Tại sao tương tác điện từ với trăm ngàn biểu hiện xung quanh ta lại không gây được chú ý của các bác học suốt bao thế kỷ lâu dài đến khó hiểu? Ta biết rằng lực tương tác điện từ tham dự rộng khắp hơn bất cứ lực nào hết - từ việc cấu tạo nên các đám mây của nguyên tử, liên kết các nguyên tử thành phân tử tạo thành các khía chất lỏng, các tinh thể... Nếu không có lực điện từ, làm sao viết hay đọc những dòng chữ này bằng chính ánh sáng cũng có bản chất điện từ. Giả sử điện từ bỗng chốc biến mất, thì lập tức không còn gì cả trên thế gian này, ngoài các hạt cơ bản: electron, nucleon, neutrino...
Quá trình khám phá bản chất các hiện tượng điện và từ gồm nhiều giai đoạn. Chặng đầu tiên, kéo dài nhất từ xa xưa tới giữa thế kỷ XVII có thể gọi là giai đoạn y thuật. Người ta phát hiện ra các hiện tượng điện hóa của vật thể, người ta thấy rằng sứ và thuỷ tinh có thể hút các vật nhẹ. Các thày thuốc cố sử dụng tính chất ấy vào điều trái đặc biệt là dùng nam châm, cái được coi là hiệu nghiệm hơn các vật nhiễm điện, người ta cho rằng nam châm có thể hóa giải quan hệ vợ chồng, có thể loại trừ các ''hư hỏng'' trong thân thể. Không có gì ngạc nhiên khi tài liệu có hệ thống đầu tiên về các ''chất'' từ và điện xuất hiện là nhờ ngòi bút một vị thái y của Nữ hoàng Anh quốc Elizabeth I triều Tudor tên là William Gilbert. Ông còn vận dụng ý tưởng cồ đại về ête lấp đầy vũ trụ, được các vật thể nhiễm điện đẩy ra xung quanh. Ông coi từ tính là thứ “lực” phổ quát toàn vũ trụ, Trái Đất cũng là một khối nam châm khổng lồ.
Tiếp theo sau đó là ''giai đoạn cơ học'' khi các hiện tượng điện và từ được lý giải phỏng theo lý thuyết lực hút vạn vật Newton. Nếu coi khối lượng m của vật như tích hấp dẫn tham dự vào định luật vạn vật hấp dẫn 
, thì lập tức có được định luật cơ bản của tĩnh điện học - định luật Coulomb 
sao chép y nguyên định luật Newton, chỉ việc thay tích hấp dẫn m bằng điện tích q!
Sự tương tự ấy ngày nay còn được sử dụng để lý giải ý nghĩa của cường độ điện trường. Vì cả hai định luật đều có thể viết lại dưới dạng trường lực: F = mg (lực hấp dẫn Newton) và F = qE ( lực coulomb) thì đối với điện tích q cường độ của trường tĩnh điện E cần phải đóng cùng một vai trò như là cường độ trường trọng lực g - là gia tốc sự rơi tự do của một vật có khối lượng m mà chúng ta ai cũng cảm nhận được.
Coulomb cũng như Newton đều quan niệm rằng các lực được truyền tức thời qua cự li tức là theo ''quan niệm tác dụng từ xa”. Cái đó không cản trở họ thiết lập định luật tương tác và chuyển động của các thiên thể hay vật nhiễm điện trùng khớp với tư liệu thực nghiệm. Ngày nay đã trở nên dễ hiểu vì sao có được điều đó; các vật thể ấy đều chuyển vận tương đối chậm so với vận tốc truyền lực tương tác - vận tốc ánh sáng (!) - nên dẫu có xem tương tác là tức thời thì cũng chẳng sai khác là bao.
Vào năm l831, Michael Faraday thiết lập được định luật cảm ứng điện từ (khi quan sát thấy mọi biến thiên từ trường theo thời gian đều gây ra dòng điện và ngược lại) làm bộc ra một cái bản thể gì đó hoàn toàn mới mẻ: trường điện từ, mà các trường điện và trường từ riêng rẽ có là các mặt biểu hiện khác nhau của cùng một nó mà thôi. Về sau Maxwell đã tìm được một hệ thống phương trình chi phối mọi biểu hiện của trường điện từ thống nhất ấy.
Nếu bức tranh Newton chỉ bao gồm các hạt, còn cơ chế tương tác giữa chúng được coi là tiên đề đương nhiên thì nay Faraday và Maxwell đã khám phá thêm một đối tượng mới: trường điện từ - liên kết các điện tích và dòng điện tích.
Thực ra Faraday và Maxwell đã xern trường như một thứ sức căng cơ học trong một môi trường đàn hồi phổ quát - tựa như ête của người cổ xưa. Cùng với những phát kiến thực nghiệm mới mẻ, ête phải gánh vác những phẩm chất trái ngược nhau nhất. Nó phải hành xử như một vật rắn, đặc đối với các loại dao động nhanh'', đồng thời lại cần phải hết sức loãng nhẹ không mảy may cản trở sự vận chuyển tương đối chậm của các hành tinh. Ête còn được hình dung khi thì như một chất lỏng, khi thì như chất nhựa đặc quánh, nhung bao giờ cũng là không quan sát được!
Chồng chất quá nhiều ''trách nhiệm'' mâu thuẫn nhau lên vai ete, các nhà vật lý thế kỷ XIX đã dồn tới chỗ chết - điều này sẽ xảy đến đầu thế kỷ XX.
Về điều các trường và vật chất là hai hình thái vật chất khác biệt hẳn nhau đã được tiên đoán bởi Hendrik Lorentz khi ông xây dựng môn điện động lực học vi mô. Vì ête luôn được xem như một môi trường vật chất cho nên các trường bị tách khỏi ête. Sau khi đã giải phóng ête khỏi chức trách kẻ truyền tương tác, Lorentz lại vẫn cố gắng bảo tồn ý tưởng ête là “hệ quy chiếu” đặc biệt và bất động. Về thực chất chính khi đưa ra giả thiết sự co ngắn kích thước vật theo hướng chuyển động của vật thể (để bảo vệ ý tưởng ête của mình) mà Lorentz đã đi gần tới lý tương đối đặc biệt (hay lý tương đối hẹp).
Một nhóm sự kiện khác lại liên quan đến quang học. Khi cố công dung hòa các tính chất sóng và tính chất ánh sáng Newton đã gán cho các hạt ánh sáng các trạng thái đặc biệt: có khả năng phản xạ hay khúc xạ chút ít - điều trái với quan điểm căn bản của bức tranh về sau Young và Fresnel đã xây dựng lý thuyết coi ánh sáng là một kichs thích dạng sóng của ête. Lý thuyết sóng cho phép giải thích đầy đủ nhất những hiện tượng như giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng. Ngoài ra Fresnel còn chứng minh chặt chẽ tính truyền thẳng của ánh sáng trong không gian tự do. Khi khảo sát sự phân cực ánh sáng Huygens phát hiện, ông đã đưa ra giả thuyết rằng sóng ánh và một loại sóng ngang. Lý thuyết trường điện từ Maxwell đã đồng nhất ánh sáng với các sóng điện từ, là sóng ngang.
Quả thực đã có rất nhiều cố gắng (tuy đều thất bại) để quan sát bằng được ête, hay đúng hơn là ''gió ête''. Thực nghiệm có ý nghĩa quyết định là do Albert Michaelson và Edward Morley tiến hành năm 1887 và đã cho kết quả phủ định. Với luận đề hoàn toàn phủ nhận ête Albert Einstein đã đặt cơ sở cho ra đời lý thuyết tương đối hẹp (1905). Theo lý thuyết đó
không tồn tại một hệ quy chiếu ưu tiên nào hết (kể cả hệ quy chiếu gắn liền với ête bất động), bởi vì tất cả các hệ quy chiếu quán tính là hoàn toàn bình đẳng với nhau!
Nhờ nguyên lý ấy Einstein đã hoà hợp các định luật chuyển động của các hạt - vật tải điện tích và định luật diễn tiến của trường điện từ, được đưa ra trong lý thuyết Maxwell. Động lực học của các hạt theo Newton được xem xét lại và được thay thế bằng các phương trình tương đối tĩnh. Lý thuyết tương đối cho phép hiểu vì sao khi nghiên cứu các tương tác hấp dẫn Newton và tĩnh điện Coulomb giữa các hạt người ta vẫn có thể gặt hái thành công mà không cần tới khái niệm các trường. Chừng nào chỉ nói tới những quá trình không tương đối tính thì không cần đưa vào khái niệm trường và quan điểm “tác dụng từ xa” gần đúng là đủ rồi. “Tương tác gần” trở nên quan trọng và không thể thiếu chỉ với các đối tượng của vật lý tương đối tính. Bằng cách như vậy khái niệm trường vốn sinh ra trong khuôn khổ quan điểm ête đã từng bước thay thế cho ý tưởng ête cũ kĩ.
Vào năm 1897 nhà vật lý Anh Joseph John Thomson (l856 - 1940) đã quan sát được hạt cơ bản đầu tiên: electron (tức điện tử), mang điện tích nhỏ nhất mà điện tích của bất kỳ hạt nào được phát hiện sau đó đều là bội số nguyên lần của nó. Cho tới đầu thế kỷ XX đã có những quan điểm như sau về cấu trúc thế giới: vạn vật gồm các hạt tích điện làm nên vật chất (nguyên tử và phân tử) và gồm trường điện từ choán đầy không gian. Sau đó đến sự toàn thắng của bức tranh thống kê lượng tử: tồn tại các hạt mang điện tích và các hạt truyền tương tác giữa chúng - cũng là một loại hạt, nhưng khác kiểu. Các điện tử tương tác với hạt nhân bằng cách trao đổi các photon, còn các hạt nhân tương tác nhau không chỉ bằng lực điện từ (trên cự li lớn) mà còn bằng cách trao đổi các hạt nặng hơn, các boson (pion, meson, v.v...) gây ra các lực hạt nhân rất mạnh trên cự li cực gần.
Vào thời đoạn bản lề các thế kỷ XX và XXI khi đã phát hiện ra hàng trăm hạt, thì quan điểm trường phi tuyến Einstein lại trở nên phổ biến: Các hạt là các cô đặc của trường vật chất nào đó (bản chất còn chưa rõ) tức là các thành tạo tập trung trong một miền không gian nhỏ bé xác định. Ủng hộ quan điểm này là sự kiện các hạt bị chuyển hóa lẫn nhau khi chúng ''va chạm'' nhau. Các phương án khác nhau của lý thuyết trường phi tuyến và các hạt từng được đề xuất bởi nhiều nhà vật lý nổi tiếng: Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Dmitri Ivanenko, Tony Skirm, Yakov Terletsky, Ludvig Faddeev…
GIA PHẢ CỦA ÊTE
Theo lời nhà vật lý lý thuyết Nga Moisei Aleksandrovich Markov (1908 - 1994): “ Tri thức ngày nay của chúng ta về những nền tảng sâu xa của vật chất theo ý nghĩa nào đó không khác là bao với quan niệm của người Hy Lạp cổ đại, những người từng cho rằng mọi thứ trên đời được tạo thành bởi bốn nguyên tố - lửa, nước, không khí và đất.
Còn chúng ta thì quan niệm mọi quá trình trong vũ trụ là do bốn loại lực tương tác gây nên, y như bốn nguyên tố của người xưa''. Trong một công trình của mình Markov đã so sánh “các nguyên tố” cổ đại với hiện đại (tất nhiên là có tính ước lệ thôi): tương tác mạnh tương ứng với “đất”, tương tác yếu ứng với “không khí”, tương tác điện từ thì ứng “nước”; còn tương tác hấp dẫn thì ứng với ''lửa''. Những cố gắng tìm tòi một tương tác phổ quát duy nhất, bộc lộ thành từng tương tác riêng lẻ trong tình huống nhất định, thì đến nay vẫn còn chưa thành công.
Ta biết rằng Aristotle đã đề xuất nguyên tố thứ năm mà về sau mang tên Latinh là “quinta essentia” (bản thể thứ 5) để thay thế ''khoảng rỗng'' trong luận điểm của Leucippus và Democritus - những người ngay từ thế kỷ V trước Công nguyên đã khẳng định thế giới gồm các hạt không thể chia nhỏ hơn nữa - các “nguyên tử” (atom) và “khoảng rỗng” (tức chân không mà tên Hy Lạp ''kenon'' hầu như đã bị quên lãng, chỉ tên Latinh ''vacuum'' thì còn lưu truyền đến ngày nay) ngăn cách chúng với nhau.
Chỉ nhờ có khoảng rỗng, theo Democritus, mà các nguyên tử kết hợp được với nhau, tạo thành đá và gỗ, biển và mây,... nói chung là tất thảy mọi thứ trên đời. Chỉ với sự hiện diện khoảng rỗng giữa các nguyên tử người ta mới cắt được chiếc bánh mì thành đào bới được đất đá, bơi lội được trong nước và đi lại trong không khí. Nếu không có khoảng rỗng thì chẳng có một biến đổi nào hay chuyển động nào có thể thực hiện, đúng như diễn đạt trong các nghịch lý của Zenon).
Còn đây là một bằng cứ Aristotle sử dụng để phản bác lại khoảng rỗng: trong khoảng rỗng các vật có thể chuyển động không bị một cản trở nào, vậy là chúng có vận tốc vô hạn. Nhưng thứ vận tốc lớn vô hạn là không thể tồn tại, thì ắt khoảng rỗng cũng không tồn tại. Nhưng lấy gì thay thế vai trò của khoảng rỗng, nơi không có đất, không có lửa, khí hay nước? Aristotle đã bổ sung thêm ''bản thể thứ 5'' vào các ''nguyên tố” khởi thuỷ nhưng nó không bình quyền với 4 bản thể nguyên thủy kia, mà là một thứ chất ''tiền bối'', bản thể của tất thảy sự vật, nền tảng của các nguyên tố còn lại của tự nhiên.
Rất có thể do thấu hiểu giá trị của nhân tố mới ấy, mà Aristotle đã gọi nó là ''ête'' do có gốc rễ sâu xa từ thần thoại Hy Lạp cổ đại: Ête (Ether, còn viết là Aether), sinh ra do kết quả giao phối của Thần tăm tối tiền âm phủ Erebus với nữ thần bóng đêm Nyx. Ête là nguyên tố nhẹ nhất - một thứ không khí đặc biệt bao phủ nơi ở của các thần trên đỉnh núi Olympus. Pythagoras thì bổ sung: ''Không khí quanh mặt đất thì trì trệ, không lành mạnh và mọi thứ trong không khí ấy đều có sinh có tử và trần tục; còn không khí tối cao thì vận động vĩnh cửu, sạch sẽ và lành mạnh, và mọi thứ trong nó đều là bất tử và là thần thánh''. Nhà triết học và toán học cổ Hy Lạp này gọi không khí là ête lạnh, biển và nước nói chung là ête đặc; linh hồn theo ông cũng là một phần của êle - cả ête nóng, lẫn ête lạnh và nó vô hình vì ête vô hình. Gia phả thần thoại của Ểte, được tiếp tục như sau: Ête kết hôn với Ngày để sinh ra Đất và Trời, Biển và Đại Dương, và thậm chí cả thần Âm phủ Tartarus. Tóm lại hầu như mọi thứ trên thế giới đều bắt nguồn từ một bản thể rất phù hợp với hơi thở thần linh: ête. Aristotle đặt tên gọi ête là để chỉ một thứ bất tử và thiêng liêng, ngụ ý như một thứ ''luôn luôn vận động”.
Vậy là đã hình thành hai dòng ý tưởng ngược chiều trong việc mô tả các hiện tượng tự nhiên, mà tính thời sự của chúng tới tận ngày nay vẫn không hề bị mất đi.
Theo dòng ý tưởng nguyên tử luận (còn gọi là ý tưởng hạt hay gián đoạn) thế giới xây dựng từ các hạt nhỏ nhất không thể phân, chia - các hạt, các nguyên tử chuyển động trong khoảng rỗng bao quanh chúng. Ngược lại là ý tưởng liên tục (hay ý tưởng ête), coi vật chất có thể chia nhỏ vô tận và choán đầy không gian một cách liên tục, liền mạch. Những tiến bộ vật lý học được tiếp diễn trên cái nền của cuộc tương tranh giữa hai dòng tư tưởng đó, mỗi cái luân phiên lúc này, chỗ này giành được thắng lợi áp đảo cái kia, để rồi lại bị thất thế so với cái kia ở lúc khác, chỗ khác.
