Đến nay ta đã biết sóng nước là dạng dao động của nước, sóng âm thanh là dạng dao động của không khí. Thế nên sóng điện từ phải là dạng dao động của một chất liệu nhất định. Đó là suy luận nghe ra hết sức có lý.
Vì lẽ đó mà Huygens, người được xem là đã đặt nền tảng của quan niệm sóng ánh sáng, tin rằng có một chất ê-te trong vũ trụ và ánh sáng chính là dạng dao động của ê-te. Faraday là người nêu lên khái niệm về trường và về lực tuyến, ông cũng vẫn tin có một chất liệu ê-te tràn ngập vũ trụ. Còn Maxwell, năm 1878, cả chục năm sau khi phát hiện các phương trình căn bản của trường điện từ vẫn còn viết như sau về ê-te: “Dù thật khó để có một hình dung hữu lý về ê-te, nhưng không thể nghi ngờ là trong không gian của vũ trụ phải đầy ngập một chất liệu vật chất hay một thứ vật thể như thế”. Vì nếu không có chất đó thì ánh sáng truyền đi bằng cách nào?
Nước và không khí, chất liệu của sóng nước và của sóng âm thanh thì ta biết rõ. Nhưng ê-te thì sao, đặc tính, tỉ trọng, khối lượng, cấu trúc của nó như thế nào? Người ta tưởng tượng, nó phải rất loãng vì trái đất lao vùn vụt trong ê-te mà ta không thấy có dấu hiệu gì là bị cản trở cả. Thế nhưng vận tốc ánh sáng, thứ sóng truyền trong ê- te, lại rất cao, buộc chúng ta phải nghĩ ê-te là không thể loãng được.
Thử lấy một hình ảnh để minh hoạ: Hãy xem một sợi dây đàn và độ rung – tức là vận tốc truyền động – của nó. Khi thay đổi độ căng của dây thì ra dễ thấy, hễ dây càng căng thì âm thanh càng cao, vận tốc truyền động càng nhanh. Ngoài độ căng ra, ta còn một yếu tố thứ hai, đó là khối lượng của sợi dây. Nếu nó càng to nặng, tiếng rung của nó càng trầm, vận tốc rung càng chậm.
Tóm lại vận động của sóng tỉ lệ thuận với độ căng và tỉ lệ nghịch với khối lượng. Thế thì khối lượng của ê-te bao nhiêu và sức căng của nó thế nào để cho một vận tốc ánh sáng khủng khiếp như thế. Từ năm 1746, nhà vật lý người Thụy Sĩ Euler đã tính thử, so với không khí thì ê-te phải 100 triệu lần loãng hơn và có sức đàn hồi 1000 lần lớn hơn. Sức đàn hồi của ê-te như thế phải lớn hơn sắt thép, còn tỉ trọng của nó phải 100 triệu lần loãng hơn không khí.
Sau Euler còn có rất nhiều nhà khoa học phát biểu những mô hình khác cho ê-te, chúng co thể giải thích được các vận động “nhanh” như của ánh sáng cũng như các vận động “chậm” như của thiên thể và trái đất trong môi trường ê-te.
Không ai dám phủ nhận ê-te nhưng cũng không ai có một hình dung hữu lý về nó. Dần dần trong lịch sử khoa học xuất hiện những nhà vật lý, họ quyết tâm bảo vệ sự hiện diện của ê-te cho đến cùng mà người nổi danh nhất trong đó là Lord Kelvin. Họ suy luận mọi hiện tượng điện từ dựa trên những tính chất cơ học của ê-te, thí dụ xem các lực tuyến của Faraday là do ê-te “co giãn”.
Nhiều người hình dung ê-te cũng có những nguyên tử hẳn hoi. Thế nhưng một vấn đề nan giải được đặt ra là như thế thì các nguyên tử ê-te nằm trong không gian hay ê-te chính là không gian bất động. Nếu ê-te là không gian bất động thì ta sẽ có một hệ qui chiếu tuyệt đối, thậm chí được cấu tạo bằng vật chất. Nếu thế thì đây là khúc khải hoàn ca của nền vật lý cơ giới của Newton. Thế nhưng, điều này sẽ được Einstein trả lời khoảng vài mươi năm sau.
Năm 1887 một biến cố bất ngờ xảy ra. Hai nhà vật lý Michelson và Morley tìm cách chứng minh qua thực nghiệm sự hiện diện của ê-te bằng cách xác định vận tốc tương đối của ê-te so với trái đất. Hai ông đến với kết quả là ê- te không hề có thực! Thí nghiệm đó được Lord Kelvin nghiên cứu kỹ lưỡng nhưng ông không phát hiện ra sai sót nào và phải thừa nhận kết quả của nó là đúng.
Như vậy là không có ê-te, thế thì ánh sáng là sự dao động của gì, cả ai? Không ai hiểu cả và cả Lord Kelvin, nhà khoa học nổi danh là kiêu ngạo cũng phải thừa nhận sự thất bại của mình lúc trên 80 tuổi. Trong một buổi lễ kỷ niệm 50 năm làm giáo sư tại đại học Glasgow, ông nói: “Chỉ có một từ ngữ nói lên sự cố gắng không ngừng của tôi trong suốt 55 năm qua, để đưa khoa học tiến lên, đó là sự thất bại. Bây giờ tôi cũng không biết gì hơn về lực của điện, lực của từ, về mối liên hệt giữa ê-te, điện và vật chất cụ thể, nếu so với kiến thức của 50 năm trước đây, khi tôi bắt đầu làm giáo sư và cố gắng giảng cho sinh viên hiểu”.
Điều mà Lord Kelvin không hiểu và không ai hiểu là, nếu không có vật chất thì làm gì có sự dao động. Sự dao động phải là dao động của một chất liệu. Chất liệu đã ăn sâu vào đầu óc Faraday cũng đã né tránh tính chất “chất liệu” của trường mà ông nhấn mạnh đến lực tuyến và ám chỉ sự dao động là dao động của lực tuyến. Về sau người ta thấy các phương trình của Maxwell cũng không buộc phải có một chất ê-te nữa, mặc dù tác giả của chúng vẫn tin là có ê-te.
Điều gì đã xảy ra trong cộng đồng vật lý vào cuối thế kỷ thứ 19? Thời đó xảy ra một cuộc cách mạng thầm lặng trong quan niệm về “chất liệu”. Ngày nay người ta biết rằng, sóng điện từ là có thật và nó lan truyền trong chân không với tốc độ của ánh sáng. Nó không có một chất liệu nào cả, nó là phi vật chất. Tự tính của ánh sáng là phi vật chất, tự tính của sóng điện từ là phi vật chất. Sự thiếu vắng một chất liệu trong trường điện từ sẽ dẫn đến một quan niệm triết học mới về thiên nhiên mà về sau chúng ta sẽ nói đến.
Ê-te chỉ là một huyền thoại. Người ta đoán phải có nó vì nếu không có nó thì không thể có sóng điện từ. Nhưng đó là một giả định sai lầm. Nhưng nguyên uỷ của sự sai lầm này là từ đâu?
Thế kỷ thứ 19 là đỉnh cao của chủ nghĩa duy vật trong khoa học. Phần lớn các nhà vật lý ở thời đại đó đều nghĩ rằng, nếu có một vật gì tồn tại bên ngoài, thì cái đó là vật chất, cái đó có chất liệu. Đó là trung tâm của triết học Descartes mà ta đã nói đến. Thế kỷ thứ 19 cũng là thời kỳ của những thành tựu vĩ đại của nền vật lý cơ giới của Newton, nền vật lý đặc trưng của các hạt vật chất. Tất cả mọi sự cần phải qui về sự vận động của các hạt vật chất, kể cả nhiệt động học – mà Lord Kelvin là một người có công rất lớn – cũng như các ngành khác như cơ học lưu chất (của thể lỏng và thể khí). Thế thì ánh sáng phải có chất liệu và chất liệu đó được đặt tên là ê-te.
Sự ràng buộc triết học về chất liệu trong thề giới tự nhiên lớn tới mức không chỉ Lord Kelvin mà cả những kiến trúc sư của lý thuyết trường như Faraday mà Maxwell cũng không thoát nổi. Điều này cho ta thấy triết học đóng vai trò quan trọng thế nào trong khoa học. “Phá vỡ một định kiến trong khoa học khó hơn phá vỡ một hạt nhân nguyên tử”, Einstein đã từng nói như thế. Chỉ khi nền vật lý thực nghiệm với những bằng cớ không ai chối cãi nổi mới buộc ta từ bỏ những định kiến triết học đó. Qui luật này sẽ còn lặp lại trong thế kỷ 20 và dĩ nhiên là mãi mãi về sau. Vì thế khoa học thường có những bước phát triển đột ngột, chúng xảy ra sau khi một số định kiến nhất định bị phá vỡ. Những định kiến đó xuất phát từ những giả định mà con người nêu lên một cách vô ý thức nhưng họ vẫn tưởng đó là hiển nhiên. Thật ra đó chính là những giả định siêu hình mà ta nói đến trong những chương đầu tiên của cuốn sách này.
Phần thứ tư NỀN VẬT LÝ HIỆN ĐẠI