STEPHEN HAWKING& LEONARD MLODINOW
BẢN THIẾT KẾVĨ ĐẠI
TRẦN NGHIÊM dịch
Ebook miễn phí tại : www.Sachvui.Com

1 - Bí ẩn của sự tồn tại
Mỗi người chúng ta tồn tại nhưng chỉ tồn tại trong một thời
gian ngắn, và trong thời gian đó chúng ta khám phá nhưng chỉ
khámphámộtphầnnhỏcủatoànbộvũtrụ. Nhưngconngười vốn là
giống loài hiếu kì. Chúng ta muốn biết, và chúng ta đi tìm
những câu trả lời. Sống trong thế giới rộng lớn đã phân chia
thành thiện và ác này, và săm soi vào bầu trời bát ngát phía
trên đầu, con người luôn luôn nghi vấn biết bao nhiêu câu hỏi:
Làm thế nào chúng ta có thể tìm hiểu thế giới mà chúng ta tìm
thấy bản thân mình trong đó? Vũ trụ hành xử như thế nào?
Bản chất của thực tại là gì?
Tất cả những cái này từ đâu mà có? Vũ trụ có cần một đấng
sáng tạo không? Đa số chúng ta không mất nhiều thời gian
trong quãng đời mình để lo ngại về những câu hỏi này, nhưng
hầu như tất cả chúng ta đều lo ngại về chúng vào lúc này hay
lúc khác.
Thường thì đây là những câu hỏi dành cho triết học, nhưng
triết học không còn sinh sôi nữa. Triết học không đuổi kịp các
phát triển hiện đại trong khoa học, đặc biệt là vật lí học. Các
nhà khoa học đã trở thành những người cầm đuốc khám phá
trong công cuộc đi tìm tri thức của chúng ta. Mục đích của
cuốn sách này là đưa ra những câu trả lời mà những khám phá
và tiến bộ lí thuyết gần đây đề xuất. Chúng dẫn chúng ta đến
với một bức tranh mới của vũ trụ và vai trò của chúng ta trong
đó rất khác với vai trò truyền thống xưa nay và thậm chí còn
khác với bức tranh mà chúng ta đã có thể vẽ ra cách đây một
hoặc hai thập kỉ trước. Tuy nhiên, những phác họa đầu tiên của
quan điểm mới đó về vũ trụ có thể lần ngược dòng lịch sử về
cách nay gần một thế kỉ trước.
Theo quan niệm truyền thống của vũ trụ, các vật thể chuyển
động trên những lộ trình rõ ràng và có lịch sử xác định. Chúng
ta có thể chỉ rõ vị trí chính xác của chúng tại mỗi thời điểm
trong thời gian. Mặc dù mô tả đó đủ thành công cho những
mục đích hàng ngày, nhưng vào thập niên 1920, người ta nhận
ra rằng bức tranh “cổ điển” này không thể nào mô tả cho hành

trạng có vẻ kì quái quan sát thấy ở cấp bậc nguyên tử và hạ
nguyên tử của sự tồn tại. Thay vào đó, điều cần thiết là thừa
nhận một khuôn khổ khác, gọi là vật lí lượng tử. Các lí thuyết
lượng tử hóa ra hết sức chính xác trong việc tiên đoán các sự
kiện ở những cấp bậc đó, đồng thời còn tái dựng các tiên đoán
của các lí thuyết cổ điển cũ kĩ khi áp dụng cho thế giới vĩ mô
của cuộc sống hàng ngày. Nhưng vật lí lượng tử và vật lí cổ
điển xây dựng trên những quan niệm rất khác nhau của thực
tại vật chất.

“… Và đó là triết lí của tôi”
Các lí thuyết lượng tử có thể thiết lập theo nhiều cách khác
nhau, nhưng cái có lẽ là mô tả trực quan nhất mang lại bởi
Richard (Dick) Feynman, một nhân vật đa tài làm việc tại Viện
Công nghệ California và là một tay trống bongo cừ khôi. Theo
Feynman, một hệ không chỉ có một lịch sử mà có mọi lịch sử
khả dĩ. Khi chúng ta đi tìm những câu trả lời của mình, chúng
ta sẽ giải thích cách tiếp cận của Feynman một cách chi tiết, và
dùng nó để khảo sát quan điểm cho rằng vũ trụ tự nó không có
một lịch sử đơn nhất, thậm chí không có một sự tồn tại độc
lập. Điều đó có vẻ như một ý tưởng triệt để, thậm chí với
nhiều nhà vật lí. Thật vậy, giống như nhiều quan điểm trong
khoa học ngày nay, nó có vẻ như vi phạm giác quan thông
thường. Nhưng giác quan thông thường dựa trên kinh nghiệm
hàng ngày, chứ không dựa trên vũ trụ như nó hé lộ qua các
thành tựu của công nghệ như các thành tựu cho phép chúng ta
săm soi vào thế giới nguyên tử hoặc nhìn ngược về vũ trụ sơ
khai.
Cho đến khi ra đời vật lí học hiện đại, người ta thường nghĩ
rằng toàn bộ kiến thức về thế giới có thể thu được qua sự quan
sát trực tiếp, rằng mọi thứ là cái như chúng trông như vậy, như

được cảm nhận qua các giác quan của chúng ta. Nhưng sự
thành công ngoạn mục của vật lí học hiện đại, nền khoa học
xây dựng trên các quan niệm như quan niệm của Feynman
xung đột với kinh nghiệm hàng ngày, chứng tỏ rằng suy nghĩ
như thế là chưa đúng. Cái nhìn chất phác như thế của thực tại,
do đó, không tương thích với vật lí học hiện đại. Để xử lí
những nghịch lí như vậy, chúng ta sẽ chấp nhận một phương
pháp ta gọi là thuyết duy thực phụ thuộc mô hình. Nó xây
dựng trên quan niệm cho rằng não của chúng ta giải mã tín
hiệu thu vào bởi các cơ quan cảm giác của chúng ta bằng cách
tạo ra một mô hình của thế giới. Khi một mô hình như vậy
thành công ở việc giải thích các sự kiện, chúng ta có xu hướng
gán cho nó, và cho các bộ phận và khái niệm cấu thành nên
nó, chất lượng của thực tại hay sự thật tuyệt đối. Nhưng có thể
có những phương pháp khác trong đó người ta có thể lập mô
hình tình huống vật lí giống như vậy, với mỗi mô hình sử dụng
các bộ phận và khái niệm cơ bản khác nhau. Nếu hai lí thuyết
hay hai mô hình vật lí như vậy tiên đoán chính xác những sự
kiện như nhau, thì người ta không thể nói mô hình này thực tế
hơn mô hình kia; thay vào đó, chúng ta tùy ý sử dụng mô hình
nào tiện lợi nhất đối với mình.
Trong lịch sử khoa học, chúng ta đã và đang khám phá ra một
chuỗi những lí thuyết hay mô hình ngày một tốt hơn, từ Plato
đến lí thuyết Newton cổ điển đến các lí thuyết vật lí hiện đại.
Liệu chuỗi khám phá này cuối cùng có đạt tới một điểm kết,
một lí thuyết tối hậu của vũ trụ, lí thuyết sẽ bao gồm hết các
lực và tiên đoán mọi quan sát mà chúng ta có thể thực hiện,
hay là chúng ta sẽ tiếp tục tìm thấy những lí thuyết tốt hơn nữa
mãi mãi, và không bao giờ có một lí thuyết nào mà không thể
nào cải tiến thêm nữa? Cho đến nay, chúng ta chưa có một câu
trả lời dứt khoát cho câu hỏi này, nhưng hiện tại chúng ta đã có
một ứng cử viên cho lí thuyết tối hậu của mọi thứ, nếu thật sự
một lí thuyết như vậy có tồn tại, gọi là lí thuyết M. Lí thuyết
M là mô hình duy nhất có mọi tính chất mà chúng ta nghĩ lí
thuyết tối hậu sẽ phải có, và nó là lí thuyết mà phần lớn nội
dung thảo luận của chúng ta ở phần sau xây dựng trên đó.

Lí thuyết M không phải là một lí thuyết theo ý nghĩa thông
thường. Nó là cả một họ gồm những lí thuyết khác nhau, mỗi
một lí thuyết đó là một mô tả tốt của những quan sát chỉ trong
một chừng mực nào đó của các tình huống vật lí.
Nó có chút gì đó giống như một tấm bản đồ. Như ai cũng biết,
người ta không thể nào thể hiện toàn bộ bề mặt của trái đất
trên một tấm bản đồ. Phép chiếu Mercator bình thường dùng
cho bản đồ thế giới tạo ra những vùng trông mỗi lúc một lớn
hơn ở xa về phía bắc và phía nam, nhưng không bao quát Cực
Bắc và Cực Nam. Để lập bản đồ đầy đủ của toàn bộ trái đất,
người ta phải sử dụng một tập hợp bản đồ, mỗi bản đồ bao
quát một khu vực hạn chế. Các bản đồ chồng lên nhau, và ở
nơi chúng chồng lên nhau, chúng thể hiện diện mạo giống như
nhau. Lí thuyết M tương tự như vậy. Những lí thuyết khác
nhau trong họ hàng lí thuyết M có thể trông rất khác nhau,
nhưng chúng đều có thể xem là những khía cạnh của cùng một
lí thuyết cơ sở. Chúng là các phiên bản của lí thuyết chỉ có khả
năng áp dụng trong những ngưỡng hạn chế - thí dụ, khi những
đại lượng nhất định, như năng lượng, là nhỏ. Giống như các
tấm bản đồ chồng lên nhau trong phép chiếu Mercator, nơi các
vùng thuộc những phiên bản khác nhau chồng lấn, chúng tiên
đoán các hiện tượng giống như nhau. Nhưng giống hệt như
việc không có tấm bản đồ phẳng nào là đại diện tốt cho toàn
bộ bề mặt của trái đất, không có một lí thuyết đơn lẻ nào là đại
diện tốt của các quan sát trong mọi tình huống.

Bản đồ thế giới. Có thể cần đến một loạt những lí thuyết
chồng lấn lên nhau để thể hiện vũ trụ, giống hệt như việc cần
có nhiều tấm bản đồ chồng lên nhau để thể hiện toàn bộ bề
mặt trái đất.

Chúng ta sẽ mô tả lí thuyết M có thể mang lại những câu trả
lời như thế nào cho câu hỏi sáng tạo. Theo lí thuyết M, vũ trụ
của chúng ta không phải là vũ trụ duy nhất. Thay vào đó, lí
thuyết M tiên đoán rằng có rất nhiều vũ trụ đã sinh ra từ trống
rỗng. Sự sáng tạo của chúng không đòi hỏi sự can thiệp của
một thế lực siêu nhiên hay thần thánh nào hết. Thay vào đó,
các đa vũ trụ này phát sinh tự nhiên từ quy luật vật lí. Chúng là
một dự đoán của khoa học. Mỗi vũ trụ có nhiều lịch sử khả dĩ
và nhiều trạng thái khả dĩ ở những thời điểm sau này, nghĩa là
ở những thời điểm như hiện nay, đã lâu sau sự sáng tạo của
chúng. Đa số những trạng thái này sẽ có chút không giống với
vũ trụ mà chúng ta quan sát thấy và khá không thích hợp cho
sự tồn tại của bất kì dạng thức sống nào. Chỉ rất rất ít vũ trụ sẽ
cho phép những loài sinh vật như chúng ta tồn tại mà thôi. Vì
thế, sự có mặt của chúng ta chọn ra từ vô số những vũ trụ này
chỉ những vũ trụ có khả năng tương thích với sự tồn tại của
chúng ta. Mặc dù loài người chúng ta nhỏ bé và yếu đuối ở cấp
bậc vũ trụ, nhưng chính điều này mang lại cho chúng ta cảm
giác mình là những vị vua của tạo hóa.
Để tìm hiểu vũ trụ ở cấp độ sâu sắc nhất, chúng ta cần phải
biết không những vũ trụ hành xử như thế nào, mà còn phải
hiểu tạ i sao nữa.
Tạ i sao lạ i có cái gì đ ó chứ chẳ ng phả i hư vô cả ?
Tạ i sao chúng ta tồ n tạ i?
Tạ i sao lạ i là tậ p hợ p nhữ ng quy luậ t đặ c biệ t này chứ chẳ
ng phả i nhữ ng quy luậ t nào khác?
Đây là Câu hỏi Tối hậu của Cuộc sống, Vũ trụ, và Mọi thứ.
Chúng ta sẽ cố gắng trả lời nó trong quyển sách này. Không
giống như câu trả lời có trong cuốn Tìm hiể u Thiên hà của
Hitchhiker, câu trả lời của chúng ta sẽ không đơn giản là “42”.

2 - Vai trò của quy luật
Chú sói Skoll xua đ uổ i Mặ t tră ng Cho đế n khi chú bay lên
Khu rừ ng Đ au buồ n Còn sói Hati, họ Hridvirnir Thì ráo riế t
theo đ uổ i Mặ t trờ i “Grimnismal” – Văn thơ Băng đảo cổ
rong thần thoại của người Viking, Skoll và Hati săn đuổi mặt
trời và mặt trăng. Khi hai con sói bắt gặp nhau, thì có một kì
nhật Tnguyệtthực. Khihiệntượngnàyxảyra,
mọingườitrêntráiđấtđổ xô đi cứu mặt trời hoặc mặt trăng bằng
cách la hét càng ồn ào càng tốt nhằm xua đuổi lũ sói. Có
những câu chuyện thần thoại na ná như vậy trong những nền
văn hóa khác nhau. Nhưng sau một thời gian, người ta phải để
ý thấy rằng mặt trời và mặt trăng sớm hiện ra khỏi pha nhật
nguyệt thực, cho dù họ có chạy vòng quanh, la hét, và gõ tung
mọi thứ lên hay không. Sau một thời gian, họ cũng phải để ý
thấy rằng nhật nguyệt thực không chỉ xảy ra một cách ngẫu
nhiên: Chúng xuất hiện đều đặn, với chu kì lặp lại hẳn hoi.
Những chu kì lặp lại này dễ thấy nhất đối với hiện tượng
nguyệt thực và đã cho phép những người Babylon cổ đại dự
báo nguyệt thực khá chính xác mặc dù họ không nhận ra được
rằng chúng có nguyên do là bởi trái đất chặn mất ánh sáng của
mặt trời.
Nhật thực thì khó dự báo hơn vì chúng chỉ có thể trông thấy ở
những dải hẹp trên trái đất rộng chừng 30 dặm thôi. Tuy nhiên,
một khi đã hiểu thấu, thì rõ ràng chu kì nhật thực không phụ
thuộc vào ý thích tùy hứng của các thế lực siêu nhiên, mà bị
chi phối bởi những quy luật nào đó.
Bất chấp một số thành công buổi đầu trong việc dự đoán
chuyển động của các thiên thể, đa số các sự kiện trong tự
nhiên trước con mắt của tổ tiên chúng ta là không thể nào dự
báo trước được. Núi lửa, động đất, bão tố, dịch bệnh, và móng
chân mọc ngược vào trong dường như xảy ra mà chẳng có
nguyên do rõ ràng hay chu kì lặp lại nào hết. Vào thời cổ đại,
cái người ta tự nhiên nghĩ đến là quy các tác động dữ dội của
tự nhiên cho một vị thần tinh nghịch hay những vị chúa trời ác
tính. Các tai họa được xem là dấu hiệu của việc chúng ta đã
làm điều gì đó xúc phạm đến chúa trời. Thí dụ, vào khoảng 8

năm 5600 tCN, núi lửa Mazama ở Oregon bùng nổ, gieo vãi
đất đá và tro bụi trong nhiều năm, và dẫn tới nhiều năm mưa
rào cuối cùng gây ngập miệng núi lửa ngày nay gọi là Hồ
Miệng núi lửa. Những người thổ dân Klamath xứ Oregon có
một truyền thuyết phù hợp chính xác với từng chi tiết địa chất
của sự kiện trên, nhưng thêm thắt một chút hư cấu với việc
miêu tả một người là nguyên nhân gieo rắc tai ương. Tội lỗi
của con người là người ta luôn có thể tìm ra những cách để tự
khiển trách. Như truyền thuyết kể lại, Llao, chúa tể Địa ngục,
đã phải lòng cô con gái xinh đẹp tuyệt trần của một thủ lĩnh
Klamath. Cô gái cự tuyệt vị chúa tể, cho nên để trả thù, Llao
muốn thiêu trụi xứ Klamath trong biển lửa. May thay, theo
truyền thuyết, Skell, vị chúa tể Thiên đường, đã thương xót
loài người và ra tay đấu sức với vị chúa tể cõi âm. Cuối cùng
thì Llao bị thương và rơi trở vào trong ngọn Mazama, để lại
một cái hố khổng lồ, và miệng hố ấy cuối cùng thì chứa đầy
nước.

Nhật thực. Người xưa không biết nguyên nhân gây ra nhật
thực, nhưng họ thật sự để ý đến sự xuất hiện có chu kì của
chúng.
Sự thiếu hiểu biết trước các hiện tượng tự nhiên đã đưa những
con người thời cổ đại phát minh ra thần thánh và tôn vinh các
thế lực siêu nhiên trong mọi mặt đời sống của con người. Có
các vị thần tình yêu và chiến tranh; thần mưa 9
và thần sấm; kể cả thần động đất và thần núi lửa. Khi các vị
thần vui vẻ, thì loài người được hưởng thời tiết tốt, hòa bình,
và không phải hứng chịu thảm họa thiên nhiên và bệnh tật. Khi
các vị thần bực dọc, thì xảy ra hạn hán, chiến tranh, dịch hạch
và các loại dịch bệnh. Vì mối quan hệ nhân quả trong tự nhiên
không hiện rõ trước con mắt của họ, nên những vị thần này có

vẻ thật bí hiểm, và loài người sống nhờ vào lòng nhân đức của
họ. Nhưng với Thales xứ Miletus (khoảng 624 tCN – khoảng
546 tCN) , cách nay chừng 2600 năm trước, điều đó bắt đầu
thay đổi. Quan điểm nảy sinh là tự nhiên tuân thủ những
nguyên tắc phù hợp có thể hiểu được. Và vì thế bắt đầu quá
trình lâu dài là thay thế quan niệm về thế giới thần thánh bằng
quan niệm về một vũ trụ bị chi phối bởi các quy luật tự nhiên,
và được tạo ra theo một bản thiết kế mà một ngày nào đó
chúng ta sẽ có thể đọc ra được.
Nhìn theo tiến trình lịch sử nhân loại, sự thẩm tra khoa học là
một nỗ lực rất mới. Giống loài của chúng ta, Homo sapiens, có
gốc gác ở vùng hạ Sahara thuộc châu Phi khoảng năm 200.000
tCN. Ngôn ngữ viết chỉ có niên đại khoảng năm 7000 tCN, là
sản phẩm của các xã hội quần tụ xung quanh những khu vực
trồng ngũ cốc. (Một số chữ khắc cổ thậm chí nói về khẩu phần
bia hàng ngày cho phép đối với từng người dân) Những bản
viết tay sớm nhất từ nền văn minh vĩ đại thuộc Hi Lạp cổ đại
có niên đại vào thế kỉ thứ 9 tCN, nhưng đỉnh cao của nền văn
minh đó, “thời kì cổ điển” , xuất hiện vài trăm năm sau đó, bắt
đầu đâu đó trước năm 500 tCN. Theo Aristotle (384 tCN – 322
tCN) , khoảng thời gian đó Thales đã lần đầu tiên phát triển ý
tưởng cho rằng thế giới là có thể hiểu được, rằng những thứ
phức tạp diễn ra xung quanh chúng ta có thể giản lược thành
những nguyên lí đơn giản hơn và giải thích được mà không
cần viện dẫn những yếu tố hoang đường hoặc thần thánh.
Thales được sử sách ghi nhận là người đầu tiên dự báo nhật
thực xảy ra vào năm 585 tCN, mặc dù độ chính xác lớn của cái
ông dự đoán có khả năng chỉ là một sự may mắn tình cờ. Ông
là một nhân vật không rõ ràng tung tích, vì ông chẳng để lại
bản viết nào của riêng ông cả. Ngôi nhà của ông là một trong
những trung tâm trí tuệ nằm trong một vùng gọi là Ionia, xứ
xở thuộc địa của Hi Lạp, và có sức ảnh hưởng cuối cùng lan
tỏa đến tận Thổ Nhĩ Kì và Italy ở phía tây xa xôi. Nền khoa
học Ionia là một thành tựu được đánh dấu bởi sự say mê cao
độ trong việc hé lộ các quy luật cơ bản nhằm giải thích các
hiện tượng tự nhiên, một mốc son chói lọi trong lịch sử tư
tưởng của loài người. Cách tiếp cận của họ là duy lí và trong

nhiều trường hợp đưa đến những kết luận giống một cách bất
ngờ với cái mà các phương pháp phức tạp hơn của chúng ta
đưa chúng ta đến chỗ tin tưởng như ngày nay. Đó là một sự
khởi đầu vĩ đại. Nhưng nhiều thế kỉ trôi qua, phần nhiều khoa
học Ionia đã bị lãng quên – thỉnh thoảng đâu đó trong lịch sử,
nó được khám phá trở lại hay phát minh ra trở lại.

Theo truyền thuyết, công thức toán học đầu tiên của cái ngày
nay chúng ta gọi là một quy luật tự nhiên có từ một con người
thời kì Ionia tên gọi là Pythagoras (khoảng 580 tCN – khoảng
490 tCN) , nhân vật nổi tiếng với định lí mang tên ông: bình
phương cạnh huyền (cạnh dài nhất) của một tam giác vuông
bằng tổng bình phương của hai cạnh còn lại. Sử sách kể rằng
Pythagoras đã phát hiện ra mối liên hệ số học giữa chiều dài
các sợi dây dùng trong các nhạc cụ và sự kết hợp hài hòa của
âm thanh. Theo ngôn ngữ ngày nay, chúng ta sẽ mô tả mối liên
hệ đó bằng cách nói rằng tần số – số dao động trong mỗi giây
của một sợi dây dao động dưới một sức căng cố định tỉ lệ
nghịch với chiều dài của sợi dây. Từ quan điểm thực tiễn, điều
này lí giải vì sao đàn ghita bass phải có dây dài hơn đàn ghita
thường. Pythagoras có lẽ không thật sự phát hiện ra điều này –
và có lẽ ông cũng chẳng khám phá ra định lí mang tên ông –
nhưng có bằng chứng cho thấy vào thời đại của ông, người ta
đã biết tới một số liên hệ giữa chiều dài dây nhạc cụ và phách.
Nếu đúng như vậy thì người ta có thể gọi công thức toán học
đơn giản đó là thí dụ đầu tiên của cái ngày nay chúng ta gọi là
vật lí lí thuyết.
Ionia. Các học giả ở Ionia cổ đại nằm trong số những người
đầu tiên lí giải các hiện tượng tự nhiên qua các quy luật của tự
nhiên thay vì dựa trên thần thánh.

Ngoài định luật dây đàn của Pythagoras ra, những định luật
vật lí duy nhất được biết chính xác đối với người cổ đại là ba
định luật được mô tả chi tiết bởi Archimedes (khoảng 287 tCN
– khoảng 212 tCN) , nhà vật lí lỗi lạc nhất thời cổ đại. Theo
thuật ngữ ngày nay thì định luật đòn bẩy lí giải rằng những lực
nhỏ có thể nâng những đối trọng lớn vì đòn bẩy khuếch đại lực
theo tỉ số của hai khoảng cách đến điểm tựa của đòn bẩy. Định
luật sự nổi phát biểu rằng mọi vật nhúng trong một chất lỏng
sẽ chịu một lực hướng lên bằng với trọng lượng của phần chất
lỏng bị chiếm chỗ. Và định luật phản xạ ánh sáng thừa nhận
rằng góc hợp giữa một chùm ánh sáng và gương bằng với góc
hợp giữa gương và chùm tia phản xạ. Nhưng Archimedes
không gọi chúng là những định luật, ông cũng không lí giải
chúng theo kiểu liên hệ với sự quan sát và đo đạc.
Thay vì thế, ông xem chúng như thể chúng là những định lí
thuần túy toán học, trong một hệ tiên đề giống hệt như cái
Euclid sáng tạo cho bộ môn hình học.
Khi hệ tư tưởng Ionia lan rộng, ở Ionia xuất hiện những con
người nhìn thấy vũ trụ có một trật tự bên trong, một trật tự có
thể hiểu được thông qua quan sát và lí giải. Anaximander
(khoảng 610 tCN – khoảng 546 tCN) , một người bạn và có lẽ
là học trò của Thales, cho rằng vì con người lúc mới sinh ra
không có khả năng tự tồn tại, cho nên nếu những con người
đầu tiên bằng cách nào đó được mang đến trên trái đất lúc mới
sơ sinh, thì loài người chẳng thể sống sót.
Trong cái có lẽ là sự nhận thức mơ hồ đầu tiên về sự tiến hóa
của nhân loại, như Anaximander lí giải, loài người phải tiến
hóa từ những loài động vật khác có con nhỏ mới sinh cứng cáp
hơn. Ở Sicily, Empedocles (khoảng 490 tCN –
khoảng 430 tCN) đã quan sát công dụng của một thiết bị gọi là
cái đồng hồ nước. Thỉnh thoảng được dùng làm môi múc
nước, nó gồm một quả cầu có một cái cổ hở và những lỗ nhỏ
dưới đáy. Khi dìm trong nước thì nước tràn đầy vào bên trong,
và khi đó nếu như người ta đậy nắp cổ lại, thì có thể nâng
đồng hồ nước lên mà nước bên trong không chảy ra ngoài.
Empedocles để ý thấy nếu như bạn đậy nắp cổ lại trước khi
dìm nó vào trong nước, thì nước không tràn vào bên trong

đồng hồ nước được. Ông lí giải rằng một cái gì đó không nhìn
thấy đã ngăn không cho nước tràn qua các lỗ nhỏ vào trong
quả cầu – ông đã khám phá chất liệu ngày nay chúng ta gọi là
không khí.
Cũng khoảng thời gian trên, Democritus (khoảng 460 tCN –
khoảng 370 tCN) , quê xứ thuộc địa Ionia ở miền bắc Hi Lạp,
thì suy nghĩ về cái xảy ra khi bạn đập vỡ hay cắt một vật thành
từng mảnh. Ông cho rằng bạn không thể nào tiếp tục quá trình
đó một cách vô hạn. Thay vào đó, ông cho rằng mọi thứ, kể cả
mọi sinh vật sống, cấu tạo từ những hạt cơ bản không thể nào
phân tách hay chia nhỏ ra được nữa. Ông đặt tên cho những
hạt vật chất tối hậu này là nguyên tử, theo từ nguyên Hi Lạp
có nghĩa là “không thể chia cắt”. Democritus tin rằng mỗi hiện
tượng vật chất là sản phẩm của sự va chạm của các nguyên tử.
Theo quan điểm của ông, đặt tên là nguyên tử luận, tất cả các
nguyên tử liên tục chuyển động trong không gian và, trừ khi
có sự tác động, chúng chuyển động mãi mãi thẳng về phía
trước. Ngày nay, quan điểm đó được gọi là định luật quán tính.
Quan điểm mang tính cách mạng cho rằng chúng ta là những
cư dân bình thường của vũ trụ, chứ chẳng phải giống loài đặc
biệt hiện hữu tại trung tâm của vũ trụ, lần đầu tiên được bảo vệ
bởi Aristarchus (khoảng 310 tCN – khoảng 230 tCN) , một
trong những nhà khoa học Ionia cuối cùng. Chỉ một trong
những tính toán của ông còn sót lại, đó là một phân tích hình
học phức tạp của những quan sát tỉ mĩ của ông về kích cỡ của
cái bóng của Trái đất in lên trên mặt trăng trong một kì nguyệt
thực. Ông kết luận từ số liệu của ông rằng Mặt trời phải lớn
hơn rất nhiều so với Trái đất. Có lẽ lấy cảm hứng từ quan điểm
cho rằng những vật thể nhỏ bé phải quay vòng xung quanh
những vật thể đồ sộ chứ không thể nào khác đi, nên ông trở
thành người đầu tiên cho rằng Trái đất không phải nằm tại
trung tâm của hệ hành tinh của chúng ta, mà thay vào đó, nó
và các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời lớn hơn
nhiều. Đó là một tiến bộ nhỏ từ sự nhận thức trái đất chỉ là một
hành tinh bình thường cho đến quan điểm rằng mặt trời của
chúng ta chẳng có gì đặc biệt hết. Aristarchus nghi ngờ vào

điều này và ông tin rằng các ngôi sao mà chúng ta thấy trên
bầu trời đêm thật ra chẳng là gì ngoài những mặt trời ở xa.
Quan niệm của người Ionia thuộc một trong nhiều trường phái
triết học Hi Lạp cổ đại, mỗi trường phái có những truyền
thống khác nhau và thường mâu thuẫn với nhau. Thật không
may, quan điểm của người Ionia về tự nhiên – nó có thể giải
thích qua những định luật tổng quát và giản luận thành một tập
hợp những nguyên lí đơn giản – chỉ có sức ảnh hưởng mạnh
trong vài ba thế kỉ.
Một lí do là các lí thuyết Ionia thường có vẻ không có chỗ
dành cho khái niệm tự nguyện hoặc mục đích, hay quan niệm
thần thánh can thiệp vào sự hoạt động của thế giới. Đây là
những thiếu sót đáng chú ý khiến nhiều nhà tư tưởng Hi Lạp
cũng như nhiều người ngày nay lo ngại. Nhà triết học Epicurus
(341 – 270 tCN) , chẳng hạn, đã phản đối nguyên tử luận trên
thực tế là “tốt hơn nên tin tưởng vào thần thoại về các vị thần
thay vì trở thành 'nô lệ' cho vận mệnh của các nhà triết học tự
nhiên”. Aristotle cũng phản đối khái niệm nguyên tử vì ông
không thể chấp nhận rằng con người sống cấu tạo từ những
thứ vô tri vô giác, không có linh hồn. Quan niệm Ionia rằng vũ
trụ không phải do con người làm chủ là một mốc son trong sự
hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, nhưng nó là một quan niệm bị
người ta ruồng bỏ, và không thèm nhặt lại lần nữa, hay được
chấp nhận rộng rãi, cho đến thời Galileo, gần hai mươi thế kỉ
sau đó.
Một số suy đoán của chúng về bản chất vũ trụ thật sâu sắc,
nhưng đa số quan điểm của người Hi Lạp cổ đại không giành
được sự thuyết phục là nền khoa học hợp lí trong thời hiện đại.
Trước hết, vì người Hi Lạp đã không phát minh ra phương
pháp khoa học, các lí thuyết của họ không được phát triển với
mục tiêu xác nhận bằng thực nghiệm. Cho nên, nếu một học
giả khẳng định một nguyên tử chuyển động theo một đường
thẳng cho đến khi nó va chạm với một nguyên tử thứ hai và
một học giả khác khẳng định nó chuyển động theo một đường
thẳng cho đến khi nó rơi vào con mắt hỏng của người khổng lồ
một mắt [trong thần thoại Hi Lạp] , thì chẳng có cách nào để
phân giải ai đúng ai sai.

Đồng thời, không có sự khác biệt nào giữa con người và các
định luật vật lí.
Chẳng hạn, vào thế kỉ thứ năm tCN, Anaximander đã viết rằng
vạn vật phát sinh từ một chất cơ bản, và trở về với nó, để
chúng đừng “mang cái tốt đẹp và cái bất lợi đến cho tội lỗi của
chúng”. Và theo nhà triết học Ionia, Heraclitus (khoảng 535 –
475 tCN) , mặt trời hành sự như thế vì nếu không thì thần công
bằng sẽ bắn hạ nó xuống. Vài trăm năm sau đó, trường phái
Stoic, một trường phái triết học Hi Lạp ra đời vào khoảng thế
kỉ thứ ba tCN, thật sự đưa ra một sự khác biệt giữa những quy
luật con người và các quy luật tự nhiên, nhưng chúng lại đưa
những quy tắc làm người khi xem xét vạn vật – thí dụ như sự
tôn sùng thần thánh và vâng lời cha mẹ – vào nhóm các quy
luật tự nhiên. Ngược lại, chúng thường mô tả các quá trình vật
lí theo ngôn từ luật pháp và tin rằng chúng cần phải được thúc
ép, mặc dù các vật cần phải “tuân theo” những quy luật bất di
bất dịch. Nếu bạn nghĩ rằng thật khó khiến người ta tuân thủ
luật giao thông, thì hãy tưởng tượng việc thuyết phục một tiểu
hành tinh chuyển động trong quỹ đạo hình elip thử xem.
Truyền thống này tiếp tục ảnh hưởng đến các nhà tư tưởng kế
tục Hi Lạp nhiều thế kỉ sau đó. Vào đầu thế kỉ thứ 13, nhà triết
lí Cơ đốc Thomas Aquinas (khoảng 1225 – 1274) đã chấp
thuận quan điểm này và dùng nó để biện luận cho sự tồn tại
của Chúa. Ông viết “Rõ ràng [những vật vô tri vô giác] đi tới
sự kết thúc của chúng không phải bởi sự tình cờ, mà là có mục
đích… Vì thế, có một nhân vật sáng suốt nào đó mà thông qua
bàn tay của người mọi thứ trong tự nhiên đi theo trật tự đến sự
kết thúc của nó”. Đến tận thế kỉ thứ 16 sau này, nhà thiên văn
vĩ đại người Đức Johannes Kepler (1571 – 1630) còn tin rằng
các hành tinh có sự cảm thụ giác quan và tuân thủ có ý thức
theo những quy luật chuyển động mà “trí tuệ” của chúng mách
bảo.
Quan điểm rằng các quy luật tự nhiên phải được tuân thủ có ý
thức phản ánh tiêu điểm quan tâm của người cổ đại về nguyên
do tạ i sao vũ trụ hành xử như thế, thay vì lí giải nó hành xử
như thế nào. Aristotle là một trong những người đề xướng
hàng đầu cho cách tiếp cận như thế, ông bác bỏ quan điểm

khoa học xây dựng có nguyên tắc dựa trên sự quan sát. Vào
thời cổ đại, phép đo chính xác và tính toán toán học trong mọi
trường hợp đều là khó. Kí hiệu cơ số 10 mà chúng ta thấy tiện
lợi trong số học chỉ mới ra đời vào khoảng năm 700 khi người
Hindu bước những sải chân vĩ đại đầu tiên hướng đến việc
biến toán học thành một công cụ đầy năng lực. Kí hiệu cho
phép cộng và phép trừ vẫn chưa xuất hiện, mãi cho đến thế kỉ
15. Và dấu bằng cũng như những chiếc đồng hồ có thể đo thời
gian đến giây cũng không hề có trước thế kỉ 16.
Tuy nhiên, Aristotle không nhìn thấy những vấn đề trong đo
đạc và tính toán là những trở ngại cho sự phát triển của một
nền vật lí có thể mang đến những tiên đoán định lượng. Không
những vậy, ông còn thấy không cần thiết phải làm như thế.
Thay vào đó, Aristotle đã xây dựng nền vật lí của ông dựa trên
những nguyên lí thu hút ông về mặt trí tuệ. Ông bỏ đi những
thực tế mà ông thấy không hấp dẫn và tập trung sự nỗ lực của
ông vào những nguyên do mà vạn vật xảy ra, với công sức
tương đối ít đầu tư vào lí giải chi tiết cái gì đang xảy ra.
Aristotle thật sự đã điều chỉnh những kết luận của ông khi sự
mâu thuẫn hiển nhiên của chúng với quan sát là không thể bỏ
qua được. Nhưng những điều chỉnh đó thường là những lí giải
đặc biệt chẳng gì hơn là lấp liếm đi sự mâu thuẫn. Theo kiểu
như thế, cho dù lí thuyết của ông có trệch bao nhiêu so với
thực tại, ông luôn có thể điều chỉnh nó vừa đủ để loại bỏ sự
mâu thuẫn. Thí dụ, lí thuyết chuyển động của ông cho rằng
những vật nặng rơi với tốc độ không đổi tỉ lệ với sức nặng của
chúng. Để lí giải thực tế rõ ràng các vật có thể tăng tốc khi
chúng rơi, ông đã phát minh ra một nguyên lí mới – rằng các
vật hân hoan hơn, và vì thế tăng tốc, khi chúng càng đến gần
chỗ nằm nghỉ tự nhiên của chúng, một nguyên lí ngày nay
dường như là sự mô tả thông minh của những người nhất định
chứ không phải của những vật vô tri vô giác. Mặc dù các lí
thuyết của Aristotle thường có ít giá trị tiên đoán, nhưng cách
tiếp cận khoa học của ông đã thống trị ở phương Tây trong
hơn hai nghìn năm trời.
Những hậu duệ Cơ đốc của người Hi Lạp bác bỏ quan điểm
cho rằng vũ trụ bị chi phối bởi những quy luật tự nhiên không

khác gì nhau. Họ cũng bác bỏ quan điểm cho rằng con người
không giữ vị trí độc tôn trong vũ trụ đó. Và mặc dù thời trung
cổ không có một hệ triết lí kết hợp nào, nhưng diện mạo chung
là vũ trụ là sân chơi của Chúa, và tôn giáo đáng để nghiên cứu
hơn là các hiện tượng tự nhiên. Thật vậy, vào năm 1277, đức
giám mục thành Paris, theo chỉ dụ của Giáo hoàng John XXI,
đã công bố danh sách 219 sai lầm hay dị giáo phải kết án.
Trong số những dị giáo đó là quan điểm rằng tự nhiên tuân
theo các quy luật, vì điều này mâu thuẫn với quyền năng của
Chúa. Thật thú vị là vài tháng sau đó, chính Giáo hoàng John
đã qua đời vì tác dụng của lực hấp dẫn khi mái trần tòa lâu đài
của ông đổ sập lên người ông.

“Nếu tôi học được cái gì đó trong triều đại lâu đời của mình,
thì đó là nhiệt huyết đã dâng tràn”.
Quan niệm hiện đại về những quy luật tự nhiên xuất hiện vào
thế kỉ 17.
Kepler dường như là nhà khoa học đầu tiên hiểu được khái
niệm đó theo nghĩa khoa học hiện đại, mặc dù như chúng ta đã
nói, ông vẫn giữ quan điểm duy linh về những đối tượng vật
chất. Galileo (1564 – 1642) không sử dụng khái niệm “quy
luật” trong đa số các tác phẩm khoa học của ông (mặc dù nó
xuất hiện trong một số bản dịch của những tác phẩm đó). Tuy
nhiên, cho dù ông có dùng từ đó hay không, thì Galileo thật sự
đã làm sáng tỏ rất nhiều quy luật và chủ trương những nguyên
lí quan trọng rằng quan sát là cơ sở của khoa học và mục đích
của khoa học là nghiên cứu mối liên hệ định lượng tồn tại giữa
những hiện tượng vật chất. Nhưng người đầu tiên xác lập rõ

ràng khái niệm các quy luật của tự nhiên như chúng ta hiểu
chúng là René Descartes (1596 – 1650).
Descartes tin rằng mọi hiện tượng vật lí phải được giải thích
theo sự va chạm của những khối lượng đang chuyển động,
chúng bị chi phối bởi ba định luật – tiền thân của những định
luật Newton nổi tiếng của chuyển động. Ông khăng khăng
rằng những định luật tự nhiên đó có giá trị ở mọi nơi và mọi
thời điểm, và phát biểu dứt khoát rằng sự tuân thủ những định
luật này không có nghĩa là những vật đang chuyển động này
có trí tuệ. Descartes còn hiểu tầm quan trọng của cái ngày nay
chúng ta gọi là “các điều kiện ban đầu”. Những điều kiện đó
mô tả trạng thái của một hệ vào lúc bắt đầu của khoảng thời
gian bất kì mà người ta tìm cách đưa ra những tiên đoán. Với
một tập hợp những điều kiện ban đầu cho trước, các định luật
của tự nhiên xác định một hệ sẽ tiến triển như thế nào theo
thời gian, nhưng nếu không có một...