Bức tranh Vũ trụ
Khoảng năm 340 trước CN, triết gia Aristotle, trong cuốn sách của ông nhan đề Về bầu trời, đã chỉ ra rằng Trái Đất chúng ta là hình cầu (chứ không phải phằng như nhiều người tin trước đó) và là trung tâm của Vũ Trụ. Ý tưởng này đã được Ptolemy phát triển thành một mô hình vũ trụ hoàn chỉnh gọi là thuyết Địa Tâm. Thuyết này được nhà thờ Thiên Chúa giáo ủng hộ, vì nó có một ưu điểm rất lớn là để dành khá nhiều chỗ cho thiên đường và địa ngục.
Năm 1554, Nicholas Copernicus, một mục sư người Ba Lan, đề xuất mô hình mới hay thuyết Nhật tâm cho rằng Mặt trời đứng yên, còn Trái đất và các hành tinh khác quay xung quanh nó. Quỹ đạo chuyển động của các hành tinh, đã được Johannes Kepler chỉ ra, là hình elip chứ không phải hình tròn (sau này được chứng minh trong công trình của Isaac Newton).
Năm 1867, Isaac Newton công bố tác phẩm kinh điển ‘Những nguyên lí toán học của triết học tự nhiên’ gồm các định luật về chuyển động và luật hấp dẫn. Trong hệ thống của Newton, vẫn chịu ảnh hưởng nhiều từ các tư tưởng trước đó, khẳng định rằng không gian và thời gian là tuyệt đối và vẫn chưa chỉ ra được nguồn gốc của lực hấp dẫn.
Từ khi con người bắt đầu quan sát, khám phá vũ trụ, thì câu hỏi thường xuyên được thảo luận là: liệu vũ trụ có điểm bắt đầu trong thời gian và có bị giới hạn trong không gian hay không? St. Augustaine khẳng định rằng vũ trụ ra đời vào khoảng 5000 năm trước CN, phù hợp với sách Sáng thế ký (quyển đầu của Kinh Cựu Ước) nhưng một số nhà tư tưởng khác (bao gồm Aristotle và các triết gia Hy Lạp khác) lại tin rằng vũ trụ không thay đổi, tĩnh.
Năm 1929, Edwin Hubble đã chứng minh rằng vũ trụ đang giãn nở. Điều này gợi ý rằng, có một thời điểm gọi là Vụ Nổ Lớn (Big Bang), tại đó vũ trụ vô cùng nhỏ và vô cùng đặc (mật độ vô hạn). Thời điểm Big Bang, cho tới nay, được công nhận là thời điểm bắt đầu của vũ trụ. Mọi định luật vật lý (mà con người khám phá được cho tới thời điểm này) đều vô nghĩa trước thời điểm Big Bang.
Năm 1905, Albert Einstein công bố thuyết Tương đối hẹp khẳng định không gian và thời gian là tương đối; không gì có thể vượt qua vận tốc ánh sáng và vận tốc ánh sáng là như nhau đối với mọi người quan sát. Hệ quả nổi tiếng nhất của thuyết Tương đối hẹp là khám phá ra mối quan hệ giữa khối lượng và năng lượng qua công thức nổi tiếng E = mc2 . Thuyết tương đối hẹp cũng chỉ ra rằng, không còn hai thực thể độc lập là không gian và thời gian, chỉ còn một thực thể duy nhất là không – thời gian.
Năm 1915, cũng là Einstein, công bố thuyết tương đối rộng (hay thuyết tương đối tổng quát) khẳng định rằng không-thời gian không phải là cơ cấu tĩnh, như mọi người vẫn nghĩ trước năm 1915, mà rất ‘năng động’. Không – thời gian không còn phẳng mà sẽ bị cong do khối lượng của vật chất chứa trong nó và không – thời gian cong sẽ ảnh hưởng đến cách thức mà các vật chuyển động.
Năm 1965, Roger Penrose, nhà Vật lý và Toán học người Anh, đã chỉ ra sự tồn tại của điểm kì dị trong không-thời gian hay còn gọi là lỗ đen.
Năm 1970, trong một bài báo viết chung của Penrose và Stephen Hawking (tác giả cuốn sách), đã chứng minh được rằng cần phải có điểm kì dị vụ nổ lớn chỉ với điều kiện thuyết tương đối rộng là đúng và vũ trụ chứa một lượng vật chất như chúng ta quan sát thấy. Như vậy vũ trụ có một điểm khởi đầu trong thời gian đã được chứng minh.
Tóm lại lịch sử của khám phá vũ trụ bắt đầu từ mô hình ‘Địa tâm’ của Ptolemy đến mô hình ‘Nhật tâm’ của Copernicus và đến mô hình hiện đại trong đó trái đất chỉ là một hành tinh kích thước vừa phải quay xung quanh một ngôi sao kích cỡ trung bình trong vùng biên của một thiên hà xoắn ốc bình thường vốn chỉ là một trong triệu triệu triệu thiên hà của vũ trụ quan sát được.
Cấu tạo vật chất
Aristotle tin rằng vật chất được cấu tạo từ bốn yếu tố là đất, nước, không khí và lửa. Ông cũng tin rằng vật chất là liên tục và có thể chia nhỏ hơn một cách vô tận. Tuy nhiên, một triết gia Hy Lạp khác, Democritus, lại tin rằng vật chất được cấu tạo từ các hạt không thể phân chia được gọi là nguyên tử.
Năm 1830, John Dalton – nhà Vật Lý và Hoá Học người Anh – chỉ ra rằng các hợp chất hoá học luôn luôn được hoá hợp theo những tỷ lệ nhất định có thể được giải thích là do các nguyên tử đã cụm lại thành những đơn nguyên được gọi là phân tử.
Năm 1905, trong một bài báo, Einstein đã chỉ ra rằng chuyển động Brown là kết quả va chạm của các nguyên tử chất lỏng với các hạt bụi. Cùng thời gian đó, J.J. Thompson, một nghiên cứu sinh của trường Cambridge, đã chứng tỏ sự tồn tại của một loại hạt mà ông gọi là electron.
Năm 1911, Ernest Rutherford, nhà Vật Lý người Anh, đã chứng minh rằng các nguyên tử có cấu trúc bên trong: gồm một hạt nhân mang điện dương và các electron mang điện âm quay xung quanh. Đến năm 1932, James Chadwick, đồng nghiệp của Rutherford tại Cambridge, đã phát hiện cấu tạo hạt nhân gồm hạt mang điện dương là proton và hạt không mang điện gọi là neutron. Đến giữa cuối thế kỉ 20 người ta còn phát hiện nhiều hạt nhỏ hơn cả proton và neutron và những hạt này được nhà Vật Lý Mỹ Murray Gell-Mann gọi là các hạt quark.
Năm 1900, Max Plank, nhà khoa học người Đức, đã cho rằng ánh sáng, tia X và các sóng khác không thể được phát xạ với một tốc độ tuỳ ý mà thành từng phần nhất định gọi là lượng tử (photon). Điều này đã được Einstein sau này chứng minh qua hiệu ứng quang điện (và ông nhận giải nobel vì công trình này chứ không phải thuyết tương đối). Năm 1926, một nhà Vật Lý người Đức khác, Werner Heisenberg phát minh ra Nguyên lý bất định nổi tiếng. Những năm sau đó, Heisenberg và các nhà vật lý thiên tài Edwin Schrodinger và Paul Dirac đã xây dựng lại cơ học với nguyên lý bất định là nền tảng thành một lý thuyết mới gọi là cơ học lượng tử.
Năm 1928, Paul Dirac là người đầu tiên kết hợp thành công cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp. Lý thuyết này của Dirac còn tiên đoán được electron còn có phản electron hay còn gọi là positron. Ngày nay, chúng ta biết rằng mỗi hạt đều có phản hạt của nó, vật chất có phản vật chất, nhân loại có phản nhân loại…
Như vậy lúc này ánh sáng vừa có tính sóng, vừa có tính hạt (lưỡng tính sóng/hạt) và cơ học lượng tử đã đưa vào một yếu tố không thể tránh khỏi và đã gây ra nhiều phản ứng bởi các nhà khoa học, trong đó có Einstein, yếu tố ngẫu nhiên, bất định. Và dưới cái nhìn của cơ học lượng tử, các lực trong tự nhiên, thay vì là những nguyên nhân bí ẩn, đã được chỉ ra là quá trình trao đổi các hạt. Có bốn lực cơ bản trong tự nhiên: lực hấp dẫn hình thành do sự trao đổi các hạt graviton, lực điện từ là sự trao đổi các photon, lực hạt nhân yếu gây ra sự phóng xạ là sự trao đổi các boson và cuối cùng là lực hạt nhân mạnh giữ cho các quark trong proton và neutron, proton và neutron trong nguyên tử, là sự trao đổi các hạt gluon.
Kết luận
Hiện nay, khoa học hiện đại, với hai cột trụ là thuyết tương đối và cơ học lượng tử, đã có nhiều thành tựu đáng kể trong khám phá nguồn gốc vũ trụ và cấu tạo thế giới vật chất. Nhiều mô hình, lý thuyết mới ra đời như lý thuyết thống nhất, lý thuyết dây,…, trong một nỗ lực thống nhất hai cột trụ tương đối và lượng tử. Mặc dù còn nhiều hạn chế, chủ yếu là do chưa đủ khả năng thí nghiệm kiểm chứng, nhưng những lý thuyết này cũng mang lại nhiều hướng mới trong việc giải thích vũ trụ, cấu tạo vật chất.
