Tới nay ta có hai mô hình về ánh sáng. Một mô hình là ánh sáng gồm những hạt quang tử chuyển động theo đường thẳng, mô hình kia là sóng dao động của ê-te lan tỏa trong không gian. Thế nhưng chưa ai dám đả động đến tự tính của ánh sáng, thực chất nó là gì. Kể cả Newton cũng không, ông luôn luôn nhấn mạnh mô hình hạt của mình chỉ dùng để “tưởng tượng cho dễ” sự vận động của ánh sáng. Con người đầy trí tuệ đó tự biết mô hình của mình chỉ là “một trong nhiều giả thiết về ánh sáng”.
Khoảng đầu thế kỷ thứ 19, lịch sử khoa học có một phát minh bất ngờ. Nó được một người Anh hết sức khiêm tốn phát hiện ra.
Tại London, cách xa các viện đại học khả kính Oxford và Cambridge, cách xa các nhà học giả đầy uy quyền và thường tranh cãi lẫn nhau, có nhiều khu vực lầm than nghèo khổ. Tạo một nơi tối tăm đó, năm 1791, một đứa trẻ ra đời, con của một người thợ rèn. Gia đình người thợ rèn nghèo đến nội cậu bé phải đi làm nghề thợ in để kiếm sống. Cậu bó đó tên là Michael Faraday.
Cuối cùng Faraday trở thành một trong những nhà vật lý thực nghiệm xuất chúng của nhân loại. Cuộc đời ông kéo dài được 76 năm; và đứa trẻ thất học đó về sau được phong tước, được mời làm hội viên danh dự của vô số các việ khoa học, viện hàn lâm tại châu Âu. Thế nhưng ông đều từ chối các hàm bậc đó. Và khi một đồng nghiệp rất thân yêu cầu ông phải nhận lời mời danh dự, ông trả lời: “ Không, Tyndall, tôi vẫn là Michael Faraday đơn sơ”. Faraday “đơn sơ” được xem là người phát hiện ra trường điện từ mà ngày nay mỗi người chúng ta hàng ngày đều sử dụng đến nó. Trường là gì, điện và điện từ là gì?
Điện là một hiện tượng đã được biết từ rất lâu trong lịch sử loài người. từ thế kỷ thứ sáu trước công nguyên, người Hy Lạp đã biết, mỗi khi một loại đá amber bị xoa nóng lên thì có thể hút giấy vụn. Thế nhưng mãi đến thế kỷ thứ 16
người ta mới bắt đầu tìm hiểu tính chất “tụ điện” của những loại chất liệu trong thiên nhiên mà đá amber chỉ là một, khám phá thấy chúng có thể “xẹt lửa”. Sau đó, người ta nhìn lên bầu trời và tự hỏi lúc sét đánh tên trời, đó cũng là hiện tượng “xẹt lửa”, phải chăng đó cũng là một dạng của điện. Dần dần người ta đến với một quan niệm về “điện tích”, đơn vị đầu tiên nói lên tính chất và sức mạnh của điện. Một sĩ quan người Pháp, Coulomb cho rằng điện tích có hai lực âm dương, tùy theo đó mà hút hay đẩy lẫn nhau. Đặc biệt, lực đẩy hay hút cũng như lực hút trọng trường của Newton, tăng giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích.
Không bao lâu sau đó người ta bắt đầu tạo được một dòng điện ổn định bằng một dung dịch acid, bình ắc-qui đầu tiên ra đời. Thế nhưng người ta chỉ biết hiện tượng điện, cách tạo ra điện và các thiết bị đo lường đơn giản nhưng không thể giải thích tự tính của nó là gì.
Faraday đến với giới khoa học bằng một tinh thần say mê miệt mài và với một triết lý nhất định. Xuất thân từ một gia đình hết sức sùng đạo, ông tin nơi một sự nhất thể trong thiên nhiên. Ông nói: “Đã từ lâu, cùng với những người bạn khác trong giới khoa học tự nhiên, tôi đã có một niềm tin chắc chắn là, những dạng khác nhau của lực và vật chất đều có chung một nguồn gốc, hay nói cách khác, chúng nằm trong một mối liên hệ trực tiếp, chúng phụ thuộc lẫn nhau, để chúng có thể được chuyển hóa lẫn nhau và để chúng tác động với những lực có giá trị tương ứng”.
Khi đến với hiện tượng điện, Faraday đã biết đến sự tương tự giữa sóng âm thanh và sóng ánh sáng, ông tự hỏi phải chăng điện cũng là một thứ sóng. Ngoài ra, Faraday còn có một hình dung cụ thể về hình dạng của sóng vì đã tìm hiểu các dạng rung động của chất rắn, chúng được minh họa bằng một lớp cát được rải trên bề mặt của những đĩa tròn bằng kim loại. Thông qua sự rung động, cát sẽ xếp thành dạng hình và đọng lại tại những nơi không có sự rung. Đó là những dạng hình được biết đến với tên Chaladni, một nhà khoa học người Đức, người được xem là đã khai sinh ngành âm học, khoa học về âm thanh.
Thú vị thay, sự rung động tưởng chừng như hết sức trừu ượng đã được minh họa bằng hình ảnh. Năm 1831, Faraday phát hiện ra một nguyên lý mà ta gọi là nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguyên lý này có hai hiệu ứng riêng biệt, chúng sẽ dẫn đến những hệ quả rất to lớn về khoa học và cả triết học
Trước hết, Faraday cho thấy mỗi dòng điện, khi nó bị thay đổi thì sinh ra một sự cảm ứng với các mạch điện khác. Điều đó có nghĩa là mỗi điện tích sinh ra một điện trường xung quanh nó. Faraday tưởng tượng có một thứ sóng điện lan tỏa trong không gian. Mỗi vật mang điện tích là nguồn của sóng đó; ta có thể nói nó là sự nhiễu loạn nếu ta tưởng tượng điện tích đó cũng như cây gậy đập xuống mặt nước để sinh sóng. Sự cảm ứng chính là phản ứng của các mạch điện đối với sóng điện và phát ra tín hiệu có thể đo lường được. Tương tự như thế, khi ta vỗ tay một tiếng, âm thanh sẽ lan tỏa đến vách tường và dội lại tiếng vang hay khi thắp một cây đèn, ánh sáng cũng tỏa đến các vật xung quanh và dội lại cho ta thấy chúng.
Còn thế nào là từ tính của nam châm? Bản chất của nam châm thì tới ngày ngay cũng không ai hiểu thấu đáo, nhưng tác dụng của nó thì người ta biết từ xưa. Nam châm luôun luôn có hai cực, cực bắc và cực nam, xung quanh nó là một từ trường.
Từ trường này được minh họa bởi vụn sắt rải xung quanh một thỏi nam châm. Faraday thấy từ trường dường như là hình ảnh một sự rung động của Chladni, ông thấy nơi đó phải là một sóng từ.
Trước Faraday khoảng 20 năm có một nhà vật lý người Đan Mạch tên là Oerstedt. Oerstedt theo học tại Jena (Đức) và nghiên cứu mối liên hệ giữa điện trường và từ trường, hai lĩnh vực xem ra hoàn toàn không liên quan gì với nhau. Oerstedt phát hiện ra một điều hết sức quan trọng là xung quanh một ống dây có điện chạy qua thì phát sinh ra một từ trường, nó có thể làm vụn sắt “nhúc nhích”. Đó là phát minh đầu tiên về mối liên thệ điện-từ. Sức mạnh của từ trường phụ thuộc trực tiếp vào sức mạnh của điện trường.
Faraday suy nghĩ về tính chất này và tự hỏi, phải chăng nếu điện trường sinh ra được từ trường thì ngược lại, từ trường cũng phải sinh ra được điện trường. Ông cho một thỏi nam châm nằm trong một ống đây điện và đo thử xem có điện chạy ra chăng. Thế nhưng, ông hoàn toàn thất vọng vì không có gì xảy ra cả!
Tình cờ, khi rút thỏi nam châm ra khỏi cuốn dây điện, Faraday bỗng nhiên thấy kim của thiết bị đo lường nhúc nhích, tức là có điện sinh ra. Thế là Faraday phát hiện mối liên hệ điện từ quan trọng nhất, đó là có thể tạo ra điện trường bằng cách thay đổi một từ trường. Đó là buổi bình minh của nền vật lý điện từ trường và của cả nền văn minh ngày nay. Không thể dùng ngôn ngữ để nói hết tầm quan trọng của phát minh này. Đó là nguyên tắc phát điện bằng cách quay một thỏi nam châm. Nó giải thích tại sao chiếc đèn xe đạp phát sáng chỉ nhờ quay chiếc dyname. Ngày nay mỗi nhà máy phát điện đều vận hành chỉ với một nguyên tắc duy nhất này.
Với sóng điện từ, loài người đi vào một kỷ nguyên mới. Ngày nay mỗi hệ thống thông tin và đo lường hiện đại đều làm việc với sóng điện từ. Einstein xem vai trò của Faraday trong nền vật lý mới cũng như vài trò của Galileo với cơ học.
Thế nhưng trên tất cả mọi thứ, tầm quan trọng của những phát minh của Faraday nằm ở chỗ, nó nêu lên một quan niệm hoàn toàn mới về thực tại, một quan niệm triết học.
Nhờ Faraday lần đầu tiên ta có khái niệm trường. Đây là một ý niệm mới của vật lý xuất hiện trong thế kỷ thứ 18. Trước đó mô hình bao quát của vũ trụ là một không gian trống rỗng, cố định, trong đó vật chất là những hạt, được qui thành điểm, vận động dưới tác động của lực trọng truờng. Đó là một thứ lực mà tính chất của nó là tác động từ xa, tức thì và nguồn gốc đích thực của nó không ai giải thích được. Ngoài ra đặc điểm của lực này là do hai vật thể mang khối lượng tác động lên nhau mà thành nếu vắng mặt một vật thì không thể hình thành lực đó.
Với khái niệm trường, Faraday lý giải nghi vấn, thế nào là “tác động từ xa” của lực. Ông xem có một trường lực nhất định trong không gian và cho mỗi điểm trong đó một trị số và phương của lực, có thể gọi nó là “khả năng cảm ứng”. Điện trường hay từ trường tạo xung quanh mình một khu vực với những lực tuyến có phương nhất định, mà nếu một vật bị lọt vào trong đó nó sẽ nhận một lực tác động. Hãy nhớ đến các vụn sắt xung quanh một thỏi nam châm để minh họa cho ý niệm này.
Với khái niệm trường, Faraday từ bỏ lực tác dụng theo cách của Newton hay Coulomb, từ bỏ quan niệm có vật thể mới có lực, từ bỏ khái niệm một không gian trống rỗng bất động. Faraday quan niệm khi một vật hoặc mang điện tích, hoặc có từ tính, nó sẽ sinh ra những trường, chúng làm không gian quanh mình bị “nhiễu”. Thế nên lực không còn là thuộc tính của hai vật thể nữa mà là một đơn vị tồn tại độc lập.
Với khái niệm trường tinh tế hơn hẳn các hạt vật chất vận động trong không gian trống rỗng, nền vật lý khám phá ra một thực tại mới, xem ra cơ bản hơn. Về sau ta sẽ thấy khái niệm trường sẽ dẫn đến tư tưởng tương đối trong vật lý, lý giải một cách xuất sắc thắc mắc của Newton do dâu mà có lực hút giữa các thiên thể.
Thậm chí nhiều nhà khoa học sẽ xem trường chính là đơn vị cơ bản của hạt vật chất. không phải hạt vật chất sinh ra trường mà hạt vật chất chỉ là một nơi bất thường, đặc biệt của trường mà người ta gọi là “điểm kỳ dị”. Khái niệm trường cũng hết sức phù hợp để nghiên cứu các nguồn năng lượng khác, kể cả năng lượng “tâm linh” như tác động tâm lý của con người với môi trường xung quanh, giữa người với người, giữa người với động vật, thực vật và môi trường vô sinh.
Thế là con trai của một người thợ rèn nghèo khổ đã khởi động một cuộc cách mạng trong ngành vật lý, một ngành khoa học tưởng chừng như chỉ dành cho những nhà thông thái qúi phái và khả kính của các trung tâm nghiên cứu châu Âu.