Chúng ta chắc đã quá quen với ý tưởng rằng vật chất được cấu tạo nên bởi những hạt cơ bản nhỏ tí ti mà mắt người không thể nhìn thấy được. Tương tự như vậy, vũ trụ là một khối xây lắp khổng lồ tạo nên từ những thành tố cơ bản đó, như thể một bộ lego tinh vi và phức tạp. Thực ra ý tưởng này đã được hình thành từ rất lâu, trong một số nền văn minh, đặc biệt là Hy Lạp – khi mà người ta chỉ có một công cụ là phép tư biện. Về sau này, với sự ra đời của kính hiển vi và những máy móc hiện đại hỗ trợ cho thực nghiệm, cách nhìn này càng được củng cố và dần cắm rễ sâu vào thế giới quan của khoa học, từ đó ảnh hưởng lên toàn bộ thế giới.

Sự gieo mầm của thuyết nguyên tử

“Nguyên tử” (tiếng Anh atom có gốc từ tiếng Hy Lạp atomos) có nghĩa là “không thể thay đổi được”, được đặt ra bởi các nhà triết học Hy Lạp thời kỳ Tiền Socrates là Leucippus và học trò của ông là Democritus (khoảng 460 – 370 TCN). Democritus cho rằng các nguyên tử có số lượng vô hạn, không phải được tạo ra và cũng không tan rã – chúng tồn tại vĩnh cửu, và các đặc tính của một vật thể là kết quả của loại nguyên tử tạo nên nó. Thuyết nguyên tử của Democritus đã được tinh chỉnh và phát triển bởi nhà triết học Hy Lạp sau này là Epicurus (341–270 TCN), và nhà thơ kế thừa ông này thời La Mã là Lucretius (khoảng 99 – 55 TCN). Trong thời kỳ đầu thời Trung cổ, thuyết nguyên tử hầu như bị lãng quên ở Tây Âu, cho đến thế kỷ 12, nó được biết đến một lần nữa ở Tây Âu thông qua các tham chiếu đến nó khi các nhà thần học Thiên Chúa giáo khai thác lại những văn bản của Aristotle.

Tuy nhiên, vì thuyết nguyên tử gắn liền với triết học Epicureanism, mâu thuẫn với các giáo lý Cơ đốc giáo chính thống, niềm tin vào nguyên tử không được hầu hết các triết gia châu Âu chấp nhận. Linh mục Công giáo người Pháp Pierre Gassendi (1592–1655) đã hồi sinh thuyết nguyên tử Epicurean bằng những sửa đổi, cho rằng nguyên tử được tạo ra bởi Chúa và mặc dù số lượng chúng rất nhiều nhưng không phải là vô hạn. Ông là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “phân tử” để mô tả sự tập hợp các nguyên tử. Lý thuyết biến đổi của Gassendi về nguyên tử đã được phổ biến ở Pháp bởi bác sĩ François Bernier (1620–1688) và ở Anh bởi nhà triết học tự nhiên Walter Charleton (1619–1707). Nhà hóa học Robert Boyle (1627–1691) và nhà vật lý Isaac Newton (1642–1727) đều bảo vệ thuyết nguyên tử và vào cuối thế kỷ 17, vì vậy nó đã bắt đầu được một bộ phận cộng đồng khoa học đón nhận một cách nghiêm túc.

Cho đến gần cuối thế kỷ 18, John Dalton đã dùng thuyết nguyên tử để lý giải các định lý hóa học mà mình đưa ra. Dalton đề xuất rằng mỗi nguyên tố hóa học tạo thành từ các một loại nguyên tử duy nhất, và mặc dù chúng không thể bị thay đổi hoặc phá hủy bằng các phương tiện, chúng có thể kết hợp với nhau để tạo thành các cấu trúc phức tạp hơn (các hợp chất hóa học). Đây là lần đầu tiên thuyết nguyên tử xuất hiện với tư cách một lý thuyết khoa học thực thụ.

Câu hỏi hóc búa của vật lý lượng tử

Tuy nhiên quan điểm nguyên tử như một hạt cơ bản không thể phân chia, không thể thay đổi đã sụp đổ, khi nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford đã phát hiện ra rằng các điện tích dương của nguyên tử tập trung chủ yếu trong các proton nằm trong hạt nhân ở trung tâm của nó (bên cạnh các neutron trung hòa về điện), và các electron mang điện tích âm thì xoay xung quanh hạt nhân. Các nguyên tử, vì vậy, hoàn toàn có thể thay đổi thông qua các phản ứng bắn phá hạt nhân của nó.

Kiến thức phổ thông của chúng ta hiện đang dừng lại ở đây, với những nguyên tử cơ bản cấu tạo nên mọi vật chất có cấu trúc bên trong cực kỳ chặt chẽ. Tuy nhiên khoa học thì tiếp tục đi xa hơn. Cuộc khám phá vào sâu bên trong cấu trúc của các nguyên tử đã trở nên ngày một phức tạp và ly kỳ, đến mức nó trở thành một nhánh quan trọng của vật lý học: Vật lý lượng tử – khoa học của những hạt hạ nguyên tử (nôm na là những hạt bé hơn cả nguyên tử). Các nhà vật lý lượng tử đã tìm ra một gia phả đông đúc và phức tạp các hạt hạ nguyên tử, bên cạnh electron, photon, neutron chúng ta đã biết trong hóa học thì còn các hạt photon, boson, gluton, higgs, các hạt quark… Mỗi loại hạt chịu tác dụng của những lực khác nhau, có kích thước khác nhau và vận tốc khác nhau. Chúng không chỉ chuyển động trong không gian mà còn không ngừng quay quanh mình – cứ như thể những hành tinh thu nhỏ.

Thoạt tưởng là vậy nhưng thực ra chuyển động của các hạt hạ nguyên tử có những tính chất khó hiểu hơn nhiều, khiến Vật lý lượng tử và Vật lý thiên văn đưa ra những kết quả mâu thuẫn dữ dội đến nay vẫn chưa có phương án thống nhất lại. Trong đó, một tính chất quan trọng đã thách thức mạnh mẽ các nhà khoa học, đó là tính vướng/rối lượng tử: Niels Bohr – nhà vật lý lượng tử đoạt giải Nobel đã phát hiện ra rằng, khi các hạt hạ nguyên tử tiếp xúc với nhau thì vì một lý do nào đó chưa lý giải được, chúng mãi mãi còn chịu ảnh hưởng bởi nhau một cách tức thời, nghĩa là mọi phép đo thực hiện trên hạt này cũng cho kết quả tương đương trên hạt kia, trong mọi khoảng thời gian và ở khoảng cách bất kỳ. Hãy thử tưởng tượng mà xem: hai hạt hạ nguyên tử có kích thước bé hơn rất rất nhiều lần một nguyên tử lại có thể gây ảnh hưởng tức thời lên nhau cho dù cách xa nhau cả nhiều năm ánh sáng. Một đôi uyên ương có “thần giao cách cảm” cho dù phải chia ly âm dương cách biệt trời đất là đây.

Các nhà khoa học lập tức tìm trong những câu trả lời đã biết lời lý giải cho hiện tượng này. Einstein thậm chí đã từ chối chấp nhận tính vướng lượng tử này vì ông cho rằng chúng vi phạm nguyên tắc căn bản trong hệ thống của ông: không gì có thể di chuyển với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Vướng lượng tử là không thể xảy ra được vì không thể có đủ thời gian cho một hạt truyền thông tin đến hạt kia ở khoảng cách xa như vậy. Nhưng sự phủ nhận này cũng vô ích khi hiện tượng vướng lượng tử đã được xác nhận rõ ràng bởi thí nghiệm của Aspect.

Nền tảng về bản chất của vũ trụ được lật lại. Đến đây, David Bohm đưa ra một kiến giải quan trọng: các hạt không cần thời gian để truyền thông tin cho nhau vì về cơ bản chúng có kết nối với nhau. Nói cách khác, chúng không cần gửi cho nhau một loại tín hiệu bí ẩn nào đó bởi vì sự tách biệt và ngăn cách giữa chúng chỉ là ảo ảnh.

Ở một mức độ sâu hơn của thực tại, những hạt vi mô không phải những thực thể tách biệt mà là cùng một thứ. Vũ trụ rời rạc của thuyết nguyên tử hay thậm chí là thuyết lượng tử thực sự lung lay.

Vũ trụ như một toàn thể

Nhưng hóa ra ý tưởng vũ trụ như một toàn thể không phải là mới. Phật giáo nói riêng và các truyền thống tâm linh phương Đông đã quan niệm từ lâu rằng vũ trụ là một tổng thể không thể tách rời, trong đó nguyên lý tương liên cho rằng tất cả mọi thứ trong vũ trụ đều liên quan và tương tác với nhau. Cách nhìn tổng thể luận này có thể nói là đối lập với quy giản luận đã thâu nhập toàn bộ thế giới quan của phương Tây: nhìn vũ trụ bao la như một phức hợp của những thành phần cơ bản rất nhỏ và độc lập với nhau – như đã trình bày ở trên. Cách nhìn quy giản luận này giúp khoa học có thể dùng phương pháp phân tích để đi sâu bóc tách, mổ xẻ, nghiên cứu các đối tượng trong các phạm vi cục bộ – điều này có nhiều ý nghĩa, đặc biệt trong các mục đích mang tính ứng dụng hay hiệu quả thực tiễn. Quy giản luận đã đưa khoa học phát triển hàng trăm năm với nhiều phát kiến và thành tựu làm thay đổi thế giới, nhưng đến lúc chúng ta phải nhắc nhớ nhau về hạn chế của nó: tổng thể có thể bao gồm nhiều thành tố nhỏ nhưng tổng thể luôn là một cái gì đó lớn hơn tổng của những thành tố nhỏ cộng lại. Việc nghiên cứu từng thành phần nhỏ là chưa đủ để hiểu biết toàn vẹn về tổng thể – luôn cần có một cái nhìn tổng thể luận ở chỗ bắt đầu hoặc ở chỗ sau cùng.

Một khi nhìn vũ trụ như những thực thể độc lập và tách rời, người ta sẽ nói đến lực – cái này tác động đến cái kia bằng một lực nào đó và mỗi hạt chịu trách nhiệm cho một loại lực xác định. Nhưng nếu vũ trụ là một và tất cả đều tương liên với nhau thì tôi muốn dùng từ nhịp: tất cả đều vận động hài hòa theo một nhịp điệu nhất định, không phải cái này tác động lên cái kia mà chúng vẫn luôn hòa hợp nhịp nhàng với nhau. Giống như khi ta ném một hòn sỏi xuống nước, những vòng tròn đồng tâm xuất hiện và lan dần ra xa – có vẻ phù hợp hơn với kiến giải của Einstein trong thuyết tương đối: lực (hấp dẫn) thực ra là một sự bẻ cong không-thời gian. Sau này chúng ta sẽ tiếp tục nói nhiều hơn về nhịp này.