Ánh sáng là người bạn tri kỉ của tôi. Trong công việc của nhà vật lý thiên văn, tôi thường xuyên phải làm việc với nó. Nó là phương tiện đặc ân mà tôi có để đối thoại với vũ trụ. Các hạt có năng lượng cao phát ra từ các cơn hấp hối bùng nổ của các ngôi sao nặng, mà người ta gọi là các “tia vũ trụ”, hay các sóng hấp dẫn, các sóng độ cong của không gian được tạo ra từ sự co mạnh ở lõi của một khôi sao nặng để trở thành nơi giam cầm ánh sáng – một lỗ đen —, hay từ chuyển động điên cuồng của một cặp lỗ đen nhảy múa quanh nhau, đều mang đến cho chúng ta rất nhiều thông tin mới lạ về không gian xa xôi. Nhưng không phải các tia vũ trụ, cũng chẳng phải các sóng hấp dẫn là các sứ giả chính của vũ trụ. Chính ánh sáng mới là cái đảm nhiệm vai trò này. Không còn nghi ngờ gì nữa, phần lớn các thông tin về vũ trụ mà chúng ta biết được đều là nhờ sự giúp đỡ hữu hiệu và trung thành của ánh sáng. Đó là sứ giả tuyệt vời nhất của vũ trụ. Chính ánh sáng cho phép chúng ta giao tiếp và kết nối với vũ trụ. Chính ánh sáng đã chuyển tải những đoạn nhạc và các nốt rời rạc của cái giai điệu bí ẩn của vũ trụ mà con người kỳ công tái dựng với tất cả vẻ đẹp tráng lệ của nó.
Ánh sáng đóng vai trò sứ giả của vũ trụ nhờ ba tính chất cơ bản mà các bà mụ đã ban tặng cho nó lúc chào đời:
1) ánh sáng không lan truyền tức thì, và phải mất một khoảng thời gian mới đến được chỗ chúng ta
2) ánh sáng tương tác với vật chất; và
3) ánh sáng thay đổi màu sắc khi được phát đi bởi một nguồn sáng chuyển động đối với người quan sát.
Bởi vì ánh sáng không lan truyền tức thì, nên chúng ta nhìn vũ trụ bao giờ cũng muộn hơn, và chính điều này cho phép chúng ta lần ngược trở lại theo thời gian, để khám phá quá khứ của vũ trụ và tái tạo bản sử thi hoành tráng và kỳ diệu của vũ trụ khoảng 14 tỉ năm dân đến chúng ta. Ngay cả khi ánh sáng lan truyền với vận tốc lớn nhất có thể trong vũ trụ: 300.000 kilômét mỗi giây – một cái nháy mắt là ánh sáng đã có thể chạy bảy vòng quanh Trái đất! −, thì ở thang vũ trụ vận tốc ấy cũng chỉ như rùa bò. Bởi vì nhìn xa, nghĩa là nhìn sớm – chúng ta nhìn Mặt trăng muộn hơn hơn một giây, Mặt trời gần tám phút, ngôi sao gần nhất hơn bốn năm, thiên hà gần nhất giống dải Ngân hà của chúng ta, thiên hà Andromède, sau 2,3 triệu năm, các quasar' xa nhất sau khoảng mười hai tỉ năm –, nên các kính thiên văn, hay còn gọi là các giáo đường của thời hiện đại, nơi đón nhận ánh sáng của vũ trụ, là các cỗ máy đích thực lần ngược lại thời gian. Các nhà thiên văn học đang miệt mài chế tạo các kính thiên văn tiếp nối các kính thiên văn khổng lồ hiện nay để nhìn được những thiên thể mờ hơn, cũng có nghĩa là xa hơn và sớm hơn, và lần ngược lại thời gian khoảng 13 tỉ năm ánh sáng tới tận khoảng 1 tỉ năm sau Big Bang với hy vọng ngắm nhìn trực tiếp sự ra đời của các ngôi sao và thiên hà đầu tiên. Bằng cách khám phá quá khứ của vũ trụ, các nhà vật lý thiên văn có thể sẽ hiểu được hiện tại và tiên đoán được tương lai của nó.
Ánh sáng cho phép chúng ta lần ngược trở lại quá khứ do nó cần phải mất một khoảng thời gian mới đến được chúng ta. Ánh sáng cũng mang theo nó bản mật mã vũ trụ, và một khi giải được mật mã này chúng ta sẽ tiếp cận được bí mật về cấu tạo hóa học của các sao và thiên hà, cũng như bí mật về chuyển động của chúng. Sở dĩ như vậy là vì ánh sáng tương tác với các nguyên tử cấu thành vật chất nhìn thấy được của vũ trụ. Trên thực tế, ánh sáng chỉ có thể nhìn thấy được nếu nó tương tác với các vật. Ánh sáng tự thân là ánh sáng không nhìn thấy được. Để ánh sáng nhìn thấy được, thì đường đi của nó phải bị một vật nào đó chặn lại, vật ấy có thể là cánh hoa hồng, là các chất màu trên bảng màu của người họa sĩ, là gương của kính thiên văn hay võng mạc của mắt chúng ta. Tùy theo cấu trúc nguyên tử của vật chất mà ánh sáng tiếp xúc, ánh sáng sẽ bị hấp thụ một lượng năng lượng rất chính xác. Tới mức nếu chúng ta thu được quang phổ của ánh sáng do một sao hay một thiên hà phát ra – hay nói cách khác, nếu chúng ta dùng lăng kính phân tách nó thành các thành phần năng lượng hay màu sắc khác nhau –, thì chúng ta sẽ phát hiện ra rằng quang phổ này không liên tục, mà bị ngắt thành các vạch hấp thụ dọc tương ứng với năng lượng đã bị các nguyên tử hấp thụ. Vị trí của các vạch này không hề tùy tiện, mà là phản ánh một cách trung thực sự sắp xếp các quỹ đạo electron trong các nguyên tử của vật chất. Sự sắp xếp này là độc nhất đối với mỗi nguyên tố hóa học. Nó là một dạng dấu vân tay, một loại thẻ căn cước của các nguyên tố hóa học cho phép nhà vật lý thiên văn nhận ra các nguyên tố này một cách dễ dàng. Ánh sáng cho chúng ta biết thành phần hóa học của vũ trụ bằng cách như vậy đó.
Ánh sáng cũng cho phép nhà thiên văn học nghiên cứu chuyển động của các thiên thể. Vì trên trời chẳng có gì là đứng yên. Lực hấp dẫn làm cho tất cả các cấu trúc của vũ trụ – như sao, thiên hà, đám thiên hà... - hút lẫn nhau và “rơi” vào nhau. Chuyển động rơi này hòa vào chuyển động giãn nở chung của vũ trụ. Thực tế, Trái đất cũng tham gia vào một vũ điệu vũ trụ tuyệt vời. Nó mang chúng ta qua không gian với vận tốc khoảng ba chục kilômét mỗi giây trong chuyến chu du hàng năm quanh Mặt trời. Đến lượt mình, Mặt trời lại kéo theo Trái đất, và cùng với Trái đất là chúng ta, trong chuyến chu du của nó quanh trung tâm của Ngân hà, với vận tốc hai trăm ba mươi kilômét mỗi giây. Thế vẫn chưa hết: Ngân hà lại rơi với vận tốc chín mươi kilômét mỗi giây về phía thiên hà đồng hành với nó là Andromède. Đến lượt mình, cụm thiên hà địa phương chứa thiên hà của chúng ta và Andromède cũng lại rơi với vận tốc khoảng sáu trăm kilômét mỗi giây về đám Vierge, và đám này lại rơi vào một tập hợp lớn các thiên hà gọi là “Nhân hút Lớn”. Bầu trời tĩnh và bất động của Aristote đã chết hẳn! Trong vũ trụ, tất cả đều vô thường, đều thay đổi và chuyển hóa liên tục. Chúng ta không nhìn thấy sự náo động mãnh liệt này bởi vì các thiên thể ở quá xa, và cuộc sống của chúng ta quá ngắn ngủi. Một lần nữa, lại chính ánh sáng đã tiết lộ cho chúng ta sự vô thường này của vũ trụ. Ánh sáng thay đổi màu sắc khi nguồn sáng chuyển động so với người quan sát. Ánh sáng dịch chuyển về phía đỏ (các vạch hấp thụ dọc dịch chuyển về phía năng lượng nhỏ hơn) nếu vật tiến ra xa, và về phía xanh lam (các vạch hấp thụ dọc dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn) nếu vật tiến lại gần. Bằng cách đo sự dịch chuyển về phía đỏ hay phía xanh này, nhà thiên văn học sẽ tái hiện được các chuyển động vũ trụ.
Như vậy ánh sáng kết nối chúng ta với vũ trụ. Nhưng ánh sáng không chỉ thiết yếu đối với nhà thiên văn học. Tất cả chúng ta đều là con đẻ của ánh sáng. Ánh sáng đến từ Mặt trời là nguồn gốc của sự sống. Dù là tự nhiên hay nhân tạo, ánh sáng cho phép chúng ta không chỉ ngắm nhìn thế giới, mà còn tương tác với thế giới và tiến hóa trong thế giới. Nó không chỉ ban cho chúng ta nhìn thấy, mà còn ban cho chúng ta tư duy nữa. Từ những thời rất xa xưa cho tới ngày nay, ánh sáng luôn mê hoặc trí tuệ con người, dù đó là nhà khoa học, triết gia, nghệ sĩ hay tu sĩ. Tôi muốn thuật lại ở đây lịch sử hùng tráng của những nỗ lực của con người nhằm thâm nhập vào trong lòng của vương quốc ánh sáng để đột phá những bí mật của nó. Tôi muốn khám phá không chỉ các chiều kích khoa học và công nghệ của ánh sáng, mà cả các chiều kích thẩm mỹ, nghệ thuật và tâm linh của ánh sáng nữa. Tôi muốn nghiên cứu không chỉ vật lý về ánh sáng, mà cả siêu hình học về ánh sáng. Ý đồ của tôi là tìm hiểu xem bằng cách nào ánh sáng đã giúp chúng ta trở thành người.
Các chương từ 1 đến 3 kể lại các những nỗ lực của con người nhằm đột phá các bí mật khoa học của ánh sáng.
Chương đầu tiên bắt đầu với khái niệm của người Hy Lạp về một “ngọn lửa bên trong”, một con mắt chăm chú quan sát thế giới bằng cách phóng chiếu lên nó các tia sáng, trái ngược với quan niệm hiện nay về ánh sáng, theo đó, ánh sáng không phải đi từ mắt tới vật, mà từ vật tới mắt. Chương này tiếp tục với Euclid và hình học của ông về thị giác và mặt nón các tia thị giác, với nhà bác học Arập Alhazen, người vứt bỏ khái niệm ngọn lửa bên trong và đảo ngược hướng của các tia sáng, để rồi kết thúc với Léonard de Vinci, người hiểu được rằng các hình ảnh của thế giới bên ngoài được phóng chiếu theo chiều bị đảo ngược lên võng mạc của mắt.
Chương 2 phát triển các quan niệm mới về ánh sáng do cuộc đại cách mạng khoa học thế kỷ XVII mang lại. Kepler và Descartes đã phát hiện ra rằng não đóng vai trò tích cực trong thị giác, rằng chính não đã tái lập lại sự định hướng đúng của vật và làm cho chúng ta nhìn thấy thế giới ở đúng vị trí của nó. Bằng cách dùng lăng kính phân tách ánh sáng trắng thành bảy màu, bảy sắc cầu vồng, Newton đã đưa ra khái niệm về các màu cơ bản.
Chương 3 tập trung quanh cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng: ánh sáng là hạt, như Newton quả quyết, hay là sóng như Huygens, Young và Fres- nel khẳng định? Vào thế kỷ XVIII, Young đã chứng minh rằng sự thêm ánh sáng vào ánh sáng có thể lại dẫn đến bóng tối, điều này chỉ có thể giải thích được nếu ánh sáng có bản chất sóng. Faraday và Maxwell, khi ngợi ca sự kết hợp của điện và từ, và chứng tỏ rằng các sóng điện từ cũng không khác gì các sóng ánh sáng, đã củng cố thêm quan niệm sóng về ánh sáng. Vào thế kỷ XX, Einstein, bằng cách tự vấn thế giới có thể sẽ trình hiện như thế nào trước mắt mình khi nó cũng chuyển động nhanh như một hạt ánh sáng, đã tạo ra một cuộc cách mạng trong các quan niệm về thời gian và không gian, và đã thống nhất vật chất và năng lượng bằng thuyết tương đối hẹp. Để giải thích hành trạng của các electron phát ra từ bề mặt của một kim loại dưới tác dụng của ánh sáng – mà người ta gọi là “hiệu ứng quang điện” –, Einstein đã đưa trở lại quan niệm ánh sáng là hạt, nhưng gán cho các hạt này một “lượng tử năng lượng”, ý tưởng đã được Planck đưa ra trước đó.
Vậy ánh sáng là sóng hay hạt? Bohr và các đồng nghiệp của ông, những người sáng lập ra một môn vật lý mới gọi là “cơ học lượng tử”, tuyên bố rằng ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Giống như Janus, ánh sáng có hai khuôn mặt bổ sung cho nhau. Nó xuất hiện như một sóng hoặc như một hạt tùy theo dụng cụ đo được sử dụng.
Chương 4 khám phá các dạng ánh sáng thiên thể khác nhau xuất hiện trong suốt lịch sử dài dằng dặc của vũ trụ. Chương này đặt ra câu hỏi: trong tương lai rất xa những ánh sáng này sẽ trở nên như thế nào? Bắt đầu bằng ánh sáng nguyên thủy, vô cùng nóng của Big Bang, ánh sáng này trình hiện trước chúng ta ngày nay dưới dạng một bức xạ hóa thạch, bị lạnh đi rất nhiều bởi sự giãn nở của vũ trụ và choán khắp vũ trụ. Sau đó chương này sẽ đề cập đến sự tiến hóa của ánh sáng các sao và thiên hà, từ sự ra đời của các sao đầu tiên cho đến cái chết của các tinh tú gần đây nhất.
Chương này cũng nhắc đến đối trọng của ánh sáng, đó là bóng tối. Sau rốt, vật chất sáng của các sao và các thiên hà chỉ chiếm 0,5 tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Chúng ta đang sống trong một vũ trụ-tảng băng trôi, chỉ nhìn thấy phần nhô lên rất nhỏ. Trong 99,5% còn lại, 3,5% được cấu thành từ vật chất thông thường không phát ra bất kỳ ánh sáng nhìn thấy được nào, 26% vật chất ngoại lai không phát ra bất kỳ ánh sáng nhìn thấy được hoặc ánh sáng nào khác, và bản chất của chúng thì vẫn hoàn toàn là bí ẩn (người ta gọi đó là “vật chất tôi”), và 70% còn lại tạo thành “năng lượng tối”, tác dụng như một lực đẩy làm tăng sự giãn nở của vũ trụ, và bản chất của năng lượng này cũng hoàn toàn bí ẩn.
Chương 5 đề cập chi tiết hơn về ánh sáng mặt trời, nguồn gốc của sự sống và năng lượng, và vô số các cảnh tượng ánh sáng với tất cả những vẻ đẹp mà ánh sáng mặt trời sinh ra trên Trái đất. Chương này đề cập đến sự quang hợp của cây cối, phản ứng sinh hóa quan trọng nhất cho sự sống của chúng ta trên Trái đất, và những nguy cơ mà con người đang gây ra cho hành tinh bởi hành động phá hủy dại dột các khu rừng nhiệt đới và gây ô nhiễm khí quyển trái đất. Chương này không chỉ đề cập đến những mặt tích cực, mà còn cả những mặt tiêu cực của ánh sáng mặt trời khi người ta lạm dụng nó. Tác giả cũng giải thích cảnh tượng huyền diệu của cầu vồng, màu đỏ rực rỡ của hoàng hôn, “tia xanh” bí hiểm, màu trắng của những đám mây, màu lam thẫm của các dãy núi xa xa, màu xanh thẳm của đại dương, màu xanh vắt của bầu trời quang mây...
Chương 6 kể lại cách con người chế ngự ánh sáng phục vụ cuộc sống của mình và giao tiếp với đồng loại, và nhờ vậy đã biến hành tinh thành một ngôi làng toàn cầu. Chương này bắt đầu bằng công cuộc chinh phục lửa, sau đó để cập đến ánh sáng nhân tạo với phát minh ra đuốc và đèn thắp bằng mỡ động vật và dầu thực vật, nến, đèn gaz và cuối cùng là bóng điện và đèn huỳnh quang. Tiếp theo là phát minh ra lazer, đứa con của cơ học lượng tử, kết quả của sự “khuếch đại” ánh sáng nhìn thấy được, và với vô số các ứng dụng đa dạng bắt nguồn từ đó.
Sau đó tác giả đề cập đến việc sử dụng ánh sáng để vận chuyển thông tin và kết nối nhân loại. Các mạng cáp quang khổng lồ vận chuyển ánh sáng ngang dọc khắp thế giới. Chúng tải hàng triệu cuộc điện đàm và kết nối tất cả các máy tính của hành tinh thành một mạng khổng lồ gọi là Internet. Internet hiện nay vẫn dựa trên các máy điện quang trong đó các electron kết hợp chặt chẽ với các photon để truyền thông tin. Nhưng công nghệ internet điện quang này sẽ sớm được thay thế bằng Internet quang tử, dựa hoàn toàn trên ánh sáng.
Chương 6 kết thúc với các máy của tương lai, các máy lượng tử. Làm thế nào để sử dụng được các tính chất lượng tử lạ lùng và kỳ diệu của ánh sáng để viễn tải các hạt (viễn tải lượng tử), để ngăn chặn tin tặc (mật mã lượng tử) và tính toán cực kỳ nhanh (máy tính lượng tử)?
Chương 7 đề cập đến mối quan hệ mật thiết của mắt và não, đến cách kết hợp chặt chẽ của hai cơ quan này để cho phép chúng ta nhìn thấy. Chương này cũng khám phá cách thức mà ánh sáng góp phần làm phong phú thế giới tinh thần và nghệ thuật của con người. Mắt là một dụng cụ quang học kỳ diệu mà tiến hóa sinh học đã nhào nặn một cách độc lập cho rất nhiều loài. Mặc dù mắt người chỉ chứa ba loại tế bào thị giác nhạy cảm chỉ với ba loại màu: đỏ, xanh và tím, nhưng nhờ hoạt động của não, con người có thể tri giác được tới khoảng vài trăm sắc thái và màu của thế giới. Chính nhờ có não mà chúng ta nhạy cảm với ánh sáng, mà ánh sáng khơi dậy trong chúng ta biết bao xúc cảm và tình cảm. Theo Goethe, ánh sáng có một bản chất sâu kín và tâm linh, và các màu là “những hành động và nỗi đớn đau của ánh sáng”. Một vật có màu sắc được tri giác bởi cả mắt và não.
Các màu chuyển tải các mã, các ý nghĩa được che khuất, những điều cấm kị và các định kiến mà chúng ta phản ứng lại một cách vô thức. Các họa sĩ là những bậc thầy trong nghệ thuật sử dụng ánh sáng để gợi ấn tượng và cảm giác về hiện thực. Monet, một họa sĩ thuộc trường phái ấn tượng, đã biến ánh sáng thành một yếu tố căn bản và luôn thay đổi trong tranh của ông. Ông muốn thâu tóm trên tranh của ông “tính tức thời”, cái thần thái của sự vật ở một thời điểm nhất định. Ánh sáng, vốn thay đổi theo thời gian, và màu sắc, vốn thay đổi theo sự chiếu sáng phải được tính đến bằng mọi giá. Bị mê hoặc bởi các phát kiến khoa học liên quan đến ánh sáng và thị giác, Seurat đã sáng tạo ra lối vẽ điểm họa của ông. Những biến đổi của sắc độ không còn được tạo ra bằng cách pha trộn các màu trên bảng màu nữa, mà bằng cách bắt mắt và não của người xem phải tổ hợp các điểm màu khác nhau trong một loại “đại tổng hợp thị giác”. Từ bỏ phép phối cảnh truyền thống, Cézane đã tiến hành thử nghiệm với không gian và màu sắc. Theo ông, hội họa không phải là nghệ thuật bắt chước một vật. Vẽ, đó chính là sử dụng màu sắc và hình khối để thể hiện các cảm giác bên trong mãnh liệt trước thế giới bên ngoài. Còn Kandinsky đã đẩy sự trừu tượng đi xa hơn nữa: khẳng định chiều kích tinh thần của ánh sáng và các màu sắc, ông khẳng định rằng hội họa có thể vượt qua các hình khối và chỉ thể hiện bằng các đường nét, các vết và các màu, rằng mỗi một màu sắc đều biểu lộ một sự cộng hưởng nội tại riêng có đối với tâm hồn và do đó có thể được sử dụng một cách độc lập với hiện thực thị giác. Chiều kích tinh thần này của ánh sáng đã được các tôn giáo và các truyền thống tâm linh ca ngợi đến cực điểm. Trong Cơ đốc giáo, Chúa là ánh sáng, và nghệ thuật Gothic trước hết là nghệ thuật ánh sáng. Trong Phật giáo, ẩn dụ ánh sáng được sử dụng để chỉ sự tiêu tan của vô minh và nhận ra diệu để.
Cuốn sách này dành cho những “chính nhân” không nhất thiết phải có một hành trang kỹ thuật, mà chỉ cần có óc tò mò ham hiểu biết về vật lý và siêu hình của ánh sáng. Trong quá trình viết cuốn sách này, tôi đã cố gắng hết sức có thể để tránh sử dụng các thuật ngữ chuyên ngành mà vẫn không làm mất đi độ chính xác và nghiêm túc khoa học. Tôi đặc biệt quan tâm làm thế nào để cho hình thức trình bày là đơn giản nhất, rõ ràng nhất và dễ đọc nhất, nhằm chuyển tải đến bạn đọc các khái niệm đôi khi khô khan, xa lạ và khó hiểu. Tôi cũng đã đưa vào nhiều hình ảnh và một tập các hình minh họa màu không chỉ để cụ thể hóa những gì tôi đã trình bày, mà còn để việc đọc cuốn sách này thêm vui mắt.
TRỊNH XUÂN THUẬN
Charlottesville, tháng 11 năm 2006
