Khái niệm hư không hay chân không đương nhiên sẽ xuất hiện ngay khi ta đặt câu hỏi về nguồn gốc của vũ trụ. “Vũ trụ từ đâu tới? Nó bắt đầu thế nào? Có cái gì trước khi vũ trụ sinh ra không? Hư không liệu có phải là trạng thái trước khi vũ trụ được sinh ra?” Các câu hỏi này đã là mối bận tâm của tất cả các nền văn hóa và văn minh qua các thời đại, bởi vì hiểu được nguồn gốc của vũ trụ chính là hiểu được nguồn gốc của chính chúng ta.

Cách đây khoảng mười ngàn năm, con người sống trong vũ trụ thần thoại trong đó mọi hiện tượng tự nhiên, kể cả sự sáng tạo vũ trụ, đều là kết quả hành động của các vị thần, tùy theo sự yêu hay ghét của họ. Tự nhiên giống như một sân khấu múa rối do các vị thần toàn năng điều khiển, để từ hỗn mang nguyên thủy trật tự có thể xuất hiện. Các thần thoại khác nhau về sáng thế đã được đưa ra để giải thích sự ra đời của thế giới. Trong đa số các câu chuyện thần thoại xuất hiện ở phương Tây, vũ trụ không chuyển từ trạng thái không tồn tại sang tồn tại. Hay nói một cách khác, nó không hình thành từ hư vô mà từ một môi cảnh đã tồn tại từ trước. Chẳng hạn, theo thần thoại Babylon về sáng thế như được kể trong Enuma Elish (2000 – 3000 trước CN), nước là vật chất nguyên thủy khởi nguồn của vạn vật. Qua sự kết hợp của các sinh vật ban đầu Apsu, đại diện cho nước ngọt, và Tiamat, đại diện cho nước mặn, đã sinh ra thần bầu trời Anu – ta có thể thấy rằng các thần thoại về sáng thế thường lấy cảm hứng từ địa lý của vùng nơi chúng được sinh ra, như trong câu chuyện trên thì đây chính là nơi nước ngọt gặp nước mặn của vịnh Ba Tư. Nước là vật chất nguyên thủy bởi vì nó sinh ra sự sống: các trầm tích lắng đọng bởi hai con sông Tigris và Euphrates trong vùng vịnh đem lại sự màu mỡ của đất đai và tạo điều kiện cho nông nghiệp phát triển. Trong thần thoại Ai Cập xuất hiện gần như vào cùng thời kỳ đó, nước cũng là vật chất nguyên thủy và là nguồn gốc của sự sống. Nước sông Nile và các đợt lũ hằng năm đã cho phép nông nghiệp và nền văn minh Ai Cập lấy đà vươn lên. Thần thoại của các nước Bắc Âu cũng không kém cạnh. Trong Poetic Edda (khoảng 1220), vũ trụ cũng không sinh ra từ hư vô. Hai vật chất nguyên thủy được đề cập tới: một là cái lạnh và băng giá, một là nóng và lửa. Sự gặp gỡ của hai vật chất nguyên thủy này sinh ra giọt nước và từ đó xuất hiện sự sống dưới dạng người khổng lồ Ymir và con bò Audhumla (xem hình), và chúng sẽ sinh ra toàn bộ các sinh vật sống khác.

Sự ra đời của tư duy khoa học

Tư duy khoa học về hư vô và cái Không, cũng giống như nhiều chủ đề nghiên cứu khác, đã xuất hiện với người Hy Lạp. Ở giữa vũ trụ thần thoại, vào khoảng thế kỷ 6 trước CN, dọc theo bờ biển Tiểu Á ở vùng Ionia, đã xuất hiện “sự thần kỳ Hy Lạp” kéo dài gần tám thế kỷ. Một nhóm người kiệt xuất đã thành công trong việc gieo mầm cho một vũ trụ mới và dẫn tới sự cáo chung của vũ trụ thần thoại: đó là vũ trụ khoa học giống như của chúng ta ngày nay. Người Hy Lạp đã có một ý tưởng cách mạng cho rằng tự nhiên được chi phối bởi các định luật, và các luật này không phải dành riêng cho các vị thần mà lý trí của con người cũng có thể hiểu được. Không gì thoát khỏi con mắt tinh tường của họ. Họ đặc biệt quan tâm tới câu hỏi về nguồn gốc của vũ trụ, và trong khi suy ngẫm về vũ trụ, họ đã phải đối mặt với khái niệm chân không. Với đại đa số, ý tưởng vũ trụ có thể sinh ra từ hư vô và có thể chuyển từ trạng thái không tồn tại sang trạng thái tồn tại là không thể chấp nhận được. Giống như trong các câu chuyện sáng thế trước đó, người Hy Lạp nghĩ rằng cần phải tồn tại một vật chất nguyên thủy để từ đó vũ trụ xuất hiện. Vật chất nguyên thủy này ban đầu là hỗn độn, và thế giới tự nhiên chỉ xuất hiện khi trật tự chiến thắng, Hỗn mang trở thành Vũ trụ ( 11 ) .

Với nhà toán học và triết gia Thales (khoảng 625-546 trước CN), một trong những nhà tư tưởng tiền Socrates, vật chất nguyên thủy chính là nước, giống như trong những câu chuyện thần thoại, dưới các dạng vật lý khác nhau: lỏng, rắn hay khí. Vật chất nguyên thủy có nhiều dạng khác nhau với các nhà tư tưởng tiếp theo: với Anaximenes (khoảng 585-528 trước CN) chính là không khí; với Heraclitus (khoảng 544 480 trước CN) lại là lửa. Empedocles ( 12 ) (khoảng 490-430 trước CN) là người đầu tiên đưa ra ý tưởng vật chất nguyên thủy không chỉ là một mà bao gồm nhiều nguyên tố: đất, nước, lửa, không khí và một nguyên tố thứ năm tràn ngập toàn bộ vũ trụ, một “tinh chất thứ năm” nhẹ hơn mọi vật chất đã biết. Sự có mặt của tinh chất thứ năm này (mà Aristotle sau này đặt tên là ether) là cần thiết để tránh cái chân không xuất hiện ở những nơi mà vật chất tạo bởi bốn nguyên tố còn lại không thể có mặt. Đây là lần đầu tiên người ta nhắc tới một chất vô hình được cho là có mặt khắp nơi trong vũ trụ. Khái niệm này sẽ thống trị tất cả các cuộc trao đổi khoa học về bản chất của không gian trong suốt 20 thế kỷ sau đó. Theo Empedocles, ngay cả vật chất cũng không thoát khỏi sự chi phối của ether: do vật chất là xốp, nên các khoảng không sẽ bị lấp đầy bởi chất nhẹ và huyền bí này. Sự xạ khí từ những lỗ hổng làm cho các vật thể hoặc hút nhau bởi tương tác gọi là Tình yêu hoặc đẩy nhau bởi tương tác gọi là Ghét bỏ. Khái niệm tương tác này chính là tiền đề cho ý tưởng lực hút và lực đẩy được phát triển khoảng 2000 năm sau bởi nhà vật lý người Anh Isaac Newton.

Các nguyên tử chuyển động trong chân không vũ trụ

Chân không xuất hiện trong khoa học cùng với sự phát triển của nguyên tử luận. Leucippus (khoảng 500 trước CN) không chỉ là người đầu tiên đưa ra ý tưởng rằng vật chất được tạo từ các đơn vị cơ bản không thể chia nhỏ hơn được nữa, gọi là “nguyên tử” (từ tiếng Hy Lạp atomos , nghĩa là không thể chia được) ( 13 ) , mà còn đề xuất một cách nghiêm túc ý tưởng về một không gian trống rỗng, ở đó các nguyên tử có thể tiến triển. Theo ông, khoảng trống này là cần thiết để cho phép mọi biến đổi hay chuyển động có thể xảy ra. “Trừ phi có một khoảng trống nội tại, độc lập với các thứ khác, nếu không sẽ không thể có chuyển động và không thể phân biệt mọi thứ bởi vì không có gì chia cách chúng”, ông nói. Triết gia nguyên tử luận này đã trao lại ngọn đuốc tiếp sức cho học trò của ông là Democritus (khoảng 460-370 trước CN), người kế thừa và phát triển ý tưởng về một vũ trụ có kích thước vô hạn, tạo bởi không gian trống rỗng, chứa các hạt đặc và không thể chia nhỏ được nữa, với các hình dạng và kích thước khác nhau. và luôn luôn chuyển động. Sau này nhà thơ La Mã Lucretius (khoảng 98-55 trước CN) người luôn ngợi ca và phổ biến thuyết nguyên tử, đã mô tả sự cần thiết của chân không trong tuyệt tác thi ca về vũ trụ De rerum natura (Về bản chất sự vật) : “Như vậy, tồn tại một nơi bất khả xâm phạm, trống rỗng và không có gì. Nếu nó không tồn tại, mọi vật không có cách nào dịch chuyển; vì những thứ là chức năng của vật thể sẽ chống lại và cản trở, sẽ ở đó tác động lên mọi thứ mọi lúc; không gì có thể tiến lên được vì không có gì nhường chỗ... Nếu chân không không tồn tại, mọi vật không chỉ bị tước mất khả năng chuyển động không ngừng, mà chúng còn không có cách nào tồn tại được, bởi vật chất bị đông cứng và khắp nơi luôn ở trạng thái nghỉ. Hơn nữa, nếu các vật thể là đặc, như ta vốn nghĩ như thế, thì ta lại có thể thấy rằng chúng là một thể xốp vì các lý do sau. (...) Đồ ăn lan tỏa khắp cơ thể động vật. Cây cối lớn lên, chúng đơm hoa kết trái theo mùa bởi chất dinh dưỡng khuếch tán khắp nơi từ chân rễ qua thân cây, rồi cành cây. Tiếng nói xuyên qua tường và bay xuyên qua các ngôi nhà kín cửa... Nếu như không có các khoảng không, qua đó mọi vật thể có thể đi qua, ta không có cách nào thấy được những điều trên xảy ra. ( 14 ) ”

Các nhà nguyên tử luận không phải là những người duy nhất bảo vệ ý tưởng về một không gian trống rỗng. Vào thế kỷ 3 trước CN, phong trào khắc kỷ ( 15 ) đã xuất hiện. Những người khắc kỷ đề xuất một vũ trụ tắm trong một chất đàn hồi gọi là pneuma , tạo bởi không khí và lửa. Trái với các nhà nguyên tử luận, họ nghĩ rằng không có chân không giữa các thành tố khác nhau của thế giới, nhưng khái niệm chân không vẫn có mặt trong triết lý của họ: đúng là có tồn tại một chân không, chỉ có điều nó ở bên trên thế giới vật chất bị pneuma giữ lại, không thể lạc vào khoảng chân không ấy.

“Tự nhiên sợ chân không”

Khái niệm chân không do các nhà nguyên tử luận và những người khắc kỷ đưa ra, dù giống một cách đáng ngạc nhiên với phiên bản hiện đại, đã không được công nhận vì tiếng nói của họ nhanh chóng bị các ý tưởng có ảnh hưởng lớn hơn rất nhiều của Platon (khoảng 428-348 trước CN) và nhất là học trò của ông, Aristotle (384-322 trước CN), át đi. Hai triết gia này đã phản đối rất mạnh mẽ, họ chống lại cái chân không của các nhà nguyên tử luận bằng cách tái sử dụng ý tưởng của Empedocles: không gian vũ trụ không phải là trống rỗng mà chứa đầy một chất không hình dạng là ether, cùng với bốn nguyên tố khác là đất, nước, không khí và lửa tạo nên vũ trụ. Mục tiêu của Aristotle là xác định, phân tích và sắp xếp mọi thành phần của thế giới thành các nhóm tối giản, vì thế cái ý tưởng chân không không thể xác định, phân loại và nhận biết bởi các giác quan là không thể chấp nhận được. Ông lập luận rằng chân không phải đồng đều và đối xứng, tức ý muốn nói rằng không tồn tại sự phân biệt trước và sau, trên và dưới, trái và phải. Chính sự thiếu vắng một hướng ưu tiên sẽ không thể có chuyển động bởi không có lý do gì một vật lại chuyển động theo một hướng chứ không phải một hướng khác. Như vậy vũ trụ sẽ không có chuyển động và đông cứng, một kết luận rõ ràng là không thể chấp nhận được. Và thậm chí cả khi chuyển động của một vật trong chân không là có thể đi nữa, cũng sẽ không có lực cản nào cản trở chuyển động của nó. Vật khi đó sẽ chuyển động vĩnh cửu, mà điều này thì khó có thể chấp nhận được. Ngày nay ta biết rằng đó là suy luận sai lầm. Thực tế, chuyển động của một vật thẳng đều, nếu nó không chịu tác động của lực hay lực cản nào, sẽ là vĩnh cửu. Đây chính là định luật chuyển động thứ nhất trong lý thuyết vạn vật hấp dẫn của nhà vật lý học người Anh Isaac Newton được công bố năm 1687. Aristotle còn đưa ra một lý lẽ nữa: nếu vật có thể dừng lại, thì tại sao nó lại dừng tại vị trí này thay vì vị trí khác trong cái chân không hoàn toàn đồng nhất? Hơn nữa, nếu như chân không là “một cái gì đó” và khi ta đặt một vật vào trong nó thì như vậy sẽ có hai “cái gì đó” ở chính xác cùng một chỗ, và điều này cũng là không thể.

Vũ trụ của Aristotle là hữu hạn, có tâm là Trái Đất bất động và bị giới hạn bởi thiên cầu bên ngoài của các vì sao. Với ông, một không gian trống rỗng không thể tồn tại bên ngoài giới hạn của thế giới vật chất, như trường phái khắc kỷ đã đưa ra. Khi định nghĩa không gian trống rỗng như là “một nơi không chứa các vật thể nhưng có thể chứa một số trong chúng”, ông lý luận rằng nếu không gian trống rỗng tồn tại, thì theo định nghĩa, nó có thể chứa các vật nằm ngoài giới hạn của vũ trụ, mà điều này là vô lý. Aristotle đã đúc kết thành nguyên lý kết luận rằng chân không không thể tồn tại, đó chính là nguyên lý horror vacui nghĩa là “tự nhiên sợ chân không”.

Như vậy, đối với Aristotle, một số câu hỏi – tại sao thế giới tồn tại? Tại sao lại có cái gì đó thay vì không có gì cả? Chất không hình dạng mà theo ông tràn ngập khắp nơi trong vũ trụ ở đâu ra? – không hề được đặt ra. Trong tư tưởng của trường phái Aristotle, vũ trụ không được tạo ra: nó đã như thế và sẽ vĩnh viễn như thế. Câu hỏi về sự chuyển đổi từ không tồn tại sang tồn tại, từ hư vô thành tồn tại là không phù hợp. Ý tưởng của Aristotle về horror vacui sẽ còn thống trị mọi thảo luận khoa học về chân không trong suốt hai ngàn năm sau đó.

Thiên Chúa giáo và chân không

Mười lăm thế kỷ trôi qua với rất nhiều sự kiện. Sau khi Hy Lạp bị sáp nhập vào đế chế La Mã vào cuối thế kỷ 2 trước CN, tư tưởng Hy Lạp đã mất đi sự huy hoàng của nó. Người La Mã không quá hứng thú với các tư tưởng trừu tượng, họ không quan tâm gì đến vũ trụ học và đặc biệt là khái niệm chân không. Vào thế kỷ 5 và 6, đế chế La Mã sụp đổ sau những cuộc xâm chiếm triền miên của các tộc man hoang và tri thức Hy Lạp đã biến mất khỏi phương Tây. Ngọn đuốc khoa học được chuyển tới các khalifa của Bagdad, nơi mà vào giữa các năm 750 và 1000 đã cho dịch sang tiếng Ả Rập các tác phẩm lớn của Hy Lạp. Và ngay buổi bình minh của thế kỷ 11, châu Âu Thiên Chúa giáo đã tái phát hiện tư tưởng Hy Lạp nhờ vào Tây Ban Nha, nơi đã trở thành trung tâm trí tuệ lớn của thế giới Hồi giáo, và đã cho dịch các tác phẩm lớn của Hy Lạp từ tiếng Ả Rập sang tiếng Latin.

Trong thế giới trung cổ, tri thức bị giam giữ bởi Giáo hội, vì chỉ có các tu sĩ mới được tiếp xúc với các bản thảo được thu thập trong thư viện của các tu viện. Chính quan niệm của Aristotle về thế giới và đặc biệt sự chối bỏ tuyệt đối chân không đã khiến các nhà tu hành bối rối: làm thế nào để dung hòa sự bất tồn tại của chân không với các giáo điều Thiên Chúa giáo? Các nhà thần học Thiên Chúa giáo tranh luận về tính tất yếu của việc Chúa tạo ra thế giới “từ hư vô” ( ex nihilo theo tiếng Latin), làm thế giới chuyển từ trạng thái không tồn tại sang tồn tại: “Lúc khởi đầu, Thiên Chúa tạo ra Trời và Đất theo sách Sáng Thế. Ngay từ thế kỷ 5, thánh Augustine (354-430) đã loại bỏ ý niệm của Aristotle về một chất không hình dạng tồn tại từ trước. Trong cuốn Confessions (Lời xưng tội) ông viết: “Tôi không thể tưởng tượng nổi một cái gì đó tồn tại mà không có hình dạng” Theo ông, sự sáng thế không đơn giản chỉ là việc xây dựng từ một vật liệu nguyên thủy đã có sẵn, mà còn hơn thế, là một sự kiện quan trọng hơn sự triển khai ở một thời điểm nào đó trong quá khứ của một thực tại đã tồn tại. Ông nghĩ rằng hư vô thực sự tồn tại, sự tồn tại của một vật rõ ràng đại diện cho trạng thái không có Chúa. Được đồng nhất với Quỷ, hư vô chính là hình thái cực hạn của tội lỗi và cái ác. Được định nghĩa như là phản đề của Chúa, hư vô là trạng thái mà những kẻ chống lại Chúa sẽ bị biến thành. Nhưng trao cho hư vô một chiều kích bản thể luận đặt ra một câu hỏi tế nhị: Vậy thì Chúa làm gì trước khi tạo ra thế giới? Thánh Augustine đã né tránh vấn đề này một cách rất khéo léo khi tuyên bố rằng Chúa đã tạo ra thời gian (và không gian) đồng thời cùng với thế giới, và như vậy câu hỏi Chúa làm gì trước khi tạo ra thế giới sẽ không có ý nghĩa nữa vì khái niệm “trước” đã trở nên vô nghĩa trước khi thời gian được tạo ra. Quan niệm này, như ta sẽ thấy, trùng hợp với quan niệm của vũ trụ học hiện đại. Theo lý thuyết Big Bang, thời gian và không gian được tạo ra đồng thời với vũ trụ.

Nhưng bất chấp các lý lẽ của thánh Augustine, ý tưởng của Aristotle cho rằng tự nhiên sợ chân không vẫn tiếp tục thắng thế và tập hợp được đa số các triết gia trong suốt thế kỷ 13 và 14. Tuy nhiên các ý kiến ngày càng đa dạng và mang nhiều sắc thái hơn. Tất nhiên, một số nhà tư tưởng vẫn tiếp tục khẳng định theo Aristotle rằng sự tồn tại của chân không là bất khả, ngay cả trong một khoảng thời gian cực ngắn. Một số khác thừa nhận sự tồn tại của chân không nhưng vẫn nhấn mạnh đặc tính phù du của nó: mọi khoảng không sẽ rất nhanh chóng bị choán đầy bởi không khí hoặc chất nào đó khác, theo nguyên tắc horror vacui . Số khác nữa thì cho rằng thế giới vật chất không thể chứa chân không, nhưng chấp nhận ý tưởng của các nhà khắc kỷ cho rằng chân không tồn tại bên ngoài thế giới sự vật, Chúa, hiện diện ở khắp nơi, có mặt ở mọi điểm của khoảng không này. Thế nhưng cái chân không đó là hữu hạn hay vô hạn? Vào thế kỷ 13, tu sĩ dòng Dominic Thomas d’Aquin (1225-1274) đã kết hợp vũ trụ của Aristotle với Thiên Chúa giáo, trong đó Trái Đất vẫn là trung tâm của vạn vật. Mặt Trăng, Mặt Trời, các hành tinh, các ngôi sao đều quay xung quanh Trái Đất, và được khảm trên các tinh cầu. Có thêm một mặt cầu nữa ở ngoài những mặt cầu của các ngôi sao xuất phát từ ý tưởng của người Ả Rập: đó là mặt cầu sơ cấp, được Chúa ban cho chuyển động quay đều. Bên ngoài mặt cầu sơ cấp là vùng thuần khiết của các ngọn lửa vĩnh hằng gọi là “empyrea” (cõi trời) nơi Chúa đích thân hiện diện (hình bên). Trong vũ trụ của thánh Thomas d’Aquin, cõi trời cũng có một khoảng cách hữu hạn và vũ trụ là hữu hạn. Điều này gây ra vấn đề bởi vì theo Thiên Chúa giáo, Chúa là vô hạn và hiện diện mọi nơi. Giam hãm Ngài trong một vũ trụ hữu hạn và chỉ ở một nơi là cõi trời liệu có nghĩa là nghi ngờ quyền năng vô hạn của Ngài? Mặt khác, liệu con người có quá kiêu ngạo để nghĩ rằng mình là trung tâm của vũ trụ? Tại sao Chúa, người có mặt khắp nơi lại không ở trung tâm đó của thế giới?

Một bức khắc thời Trung Cổ miêu tả Chúa ngự trị bằng xương bằng thịt ở cõi trời. Với sự trợ giúp của các thiên thần, Chúa giám sát công việc của thế giới. Các thiên thần, sống trên các mặt cầu hành tinh và mặt cầu Mặt trời, đích thực là những “thợ cơ khí của trời”. Họ có trách nhiệm đẩy các mặt cầu hành tinh để làm quay chúng.

Đối với Estienne Tempier, giám mục của Paris vào thế kỷ 13, điều đó thật là quá đáng: các cuộc tranh luận như thế gây ra sự nghi ngờ trong tâm trí các nhà thần học về quyền lực tuyệt đối, sự toàn năng và hiện diện khắp nơi của Chúa. Để hạn chế ảnh hưởng quá lớn của các ý tưởng của Aristotle mà ông nghĩ là tai hại, giám mục này, vào năm 1277, đã ban hành lệnh cấm hàng trăm bài báo về thần học và triết học tự nhiên với nỗ lực dung hòa các tư tưởng của Aristotle với giáo điều Thiên Chúa. Đặc biệt, một trong các bài báo bị cấm này bảo vệ luận đề cho rằng chân không không thể tồn tại. Đối với Tempier, quan điểm này là không thể chấp nhận được bởi vì Chúa có thể tạo ra mọi thứ, nên phủ định sự tồn tại của chân không chính là hạn chế quyền lực của Ngài. Nhưng quan điểm của Aristotle có sự sống rất dai dẳng. Sắc lệnh của giám mục Paris đã bị thu hồi vào năm 1325 và horror vacui đã quay trở lại, mạnh mẽ hơn bao giờ hết.

Vào thế kỷ 16, việc phát hiện lại bài thơ De rerum natura của Lucretius, nhà thơ lớn luôn ngợi ca và phổ biến nguyên tử luận một cách nồng nhiệt, đã làm tái xuất ý tưởng về không gian trống rỗng giữa các nguyên tử, đồng thời cũng phát động cuộc tấn công ý tưởng chối bỏ chân không của Aristotle. Trong bài thơ tuyệt vời này, Lucretius không chỉ ca ngợi chân không mà còn cả ý tưởng về đa thế giới nữa: “Thoạt đầu, không ở đâu, theo bất cứ hướng nào, không ở bên phải cũng không ở bên trái, không ở trên cũng không ở dưới, vũ trụ không có giới hạn; tôi đã chứng minh cho bạn điều đó, các bằng chứng cũng đã rõ ràng, điều đó hiển nhiên suy ra từ bản chất của chân không. Nếu như mọi vật trải ra trong một không gian tự do vô hạn, nếu như vô số các hạt mầm nhân lên vô hạn bay lượn khắp nơi và mọi lúc, thì liệu có thể tin rằng hành tinh và bầu trời của chúng ta là những thứ duy nhất được tạo ra và ở ngoài kia chỉ có các nguyên tử nhàn rỗi?... Nếu cùng có một lực và cùng một tự nhiên tồn tại để tập hợp các nguyên tử ở mọi nơi và theo cùng trật tự như ở thế giới của chúng ta, thì phải chấp nhận rằng các vùng khác của không gian cũng có hành tinh, loài người và các động vật hoang dã của chúng ( 16 ) .” Quan điểm khắc kỷ về một vũ trụ hữu hạn bao quanh bởi một khoảng không vô hạn, liên tục, bất biến và không thể chia nhỏ cũng lại tái hiện. Quan điểm này không có gì là quá độc đáo. Nhưng cái mới trong quan điểm về vũ trụ ở thế kỷ 16 và trong các thế kỷ tiếp theo chính là sự tách biệt dần giữa quan niệm về Chúa và khái niệm chân không. Chúa không còn gắn liền, không thể tách rời với bản chất của không gian vô hạn, và các tính chất của không gian trống rỗng không còn chỉ phụ thuộc vào các thuộc tính thần thánh.

Vào cuối thế kỷ 18, các lý lẽ để giải thích sự hiện diện khắp nơi của Chúa không còn đóng bất cứ vai trò nào trong việc diễn giải các tính chất của không gian vật lý. Người ta có thể bàn luận về nó mà không cần nhắc tới Chúa – nhà kiến trúc vĩ đại. Thực ra, các cuộc tranh luận thần học về Chúa, thay vì đề cập tới sự hiện diện khắp nơi như trước, đã dần chuyển sang tính siêu việt. Chúa không cần thiết phải hiện diện ở một nơi cụ thể trong không gian vô hạn mà các nhà vũ trụ học xem là sân khấu tự nhiên nơi diễn ra các sự kiện của thế giới vật chất hữu hạn. Các nhà vật lý đã có thể mô tả không gian này bằng các định luật vật lý qua ngôn ngữ toán học mà không cần tới thần học. Chân không cuối cùng đã trở thành một chủ đề khoa học một cách đúng nghĩa.

Không khí không phải là không gian trống rỗng

Vào thời Phục Hưng, nhà thiên văn và vật lý Galilei (1564 1642) là nhà khoa học đầu tiên suy nghĩ một cách nghiêm túc về chân không. Ông cũng là người đầu tiên áp dụng phương pháp thực nghiệm, dựa trên thí nghiệm và quan sát, để khám phá các bí mật của tự nhiên. Đối với ông, bản thân các suy luận triết học không đủ để dẫn tới chân lý. Việc giải quyết các vấn đề của tự nhiên không thể thực hiện chỉ dựa vào lý lẽ của người có uy tín, như trong trường hợp của Aristotle về sự không tồn tại của chân không. Chỉ có khoa học, dựa trên nghiên cứu các tính chất đo được và định lượng được của các vật thể vật chất (như thể tích, trọng lượng hay vận tốc của chúng), mới có thể làm được điều này. Và vì “quyển sách về Tự nhiên được viết bằng ngôn ngữ toán học”, nên chỉ toán học mới có thể phát lộ cho chúng ta chân lý tối hậu. Trong tác phẩm lớn Bàn về hai hệ thống lớn của thế giới xuất bản năm 1632, ông khẳng định: “Trí tuệ con người có thể hiểu được một số mệnh đề một cách hoàn hảo và có thể có được sự chắc chắn về chúng như là chính Tự nhiên vậy. Đó là các mệnh đề hình học và số học ( 17 ) .” Với Galilei, vật lý phải bắt đầu từ thực nghiệm (quan sát và đo đạc), từ đó có động lực để đưa ra công thức toán học, công thức này sau đó phải đối mặt với thực tế và thí nghiệm trước khi được khẳng định hoàn toàn. Sự tác động qua lại liên tục giữa quan sát và lý thuyết tạo nên cái được gọi là “phương pháp khoa học” mà nhà bác học người Italy này xứng đáng được coi là cha đẻ.

Không còn là chủ đề của những tranh luận triết học nữa mà trở thành một vấn đề khoa học, chân không trở thành đối tượng của phương pháp thực nghiệm này. Nhưng trong lĩnh vực các thí nghiệm về chân không của vũ trụ, mảnh đất này không phải là hoàn toàn hoang sơ. Vào thế kỷ 5 trước CN, triết gia Hy Lạp Empedocles – người đã đưa ra ý tưởng vũ trụ tràn ngập một chất bí ẩn gọi là “quinte essence” (tinh chất thứ năm) – đã có một phát hiện quan trọng khi nghiên cứu về bản chất của không khí. Để biết không khí là một chất cụ thể hay chỉ là khoảng không, ông đã nghiên cứu hành vi của nước khi nhúng một ống pipet có đục các lỗ nhỏ ở phía dưới và một lỗ hở hẹp ở phía trên vào trong nước (xem hình vẽ). Ông nhận thấy rằng nếu ta bịt ngón tay vào lỗ hở ở trên để ngăn không khí thoát ra thì nước không thể vào trong ống mặc dù có các lỗ phía dưới. Chỉ khi thả ngón tay để cho phép khí thoát ra thì nước mới tràn vào ống. Ngạc nhiên hơn nữa là nếu ta tiếp tục bịt lỗ hở ở trên thì nước không chảy ra được kể cả khi ta lấy ống ra khỏi bồn nước, nước vẫn ở lại trong ống bất chấp trọng lực và các lỗ thủng ở đáy ống. Chỉ khi thả ngón tay ra để không khí đi vào ống thì nước mới chảy ra và bị thay thế bởi không khí “vào từ bên trên theo một dòng rối loạn”, theo ông ghi nhận.

Hành vi kỳ lạ của ống pipet chứa nước bị đục lỗ ở đáy được quan sát bởi Empedocles: nước không tràn vào (hình ngoài cùng bên trái) hoặc không chảy ra (hình bên phải) chừng nào lỗ hở bên trên bị bịt kín.

Từ các quan sát này, ông đã suy luận rất chính xác rằng không khí cũng như nước là một chất chứ không phải là trống rỗng. Mặt khác, ông cũng kết luận một cách đúng đắn rằng nước và không khí không thể chứa trong cùng một thể tích không gian: cái này sẽ đẩy cái kia ra. Điều này giải thích tại sao nước không thể đi vào trong ống qua các lỗ phía dưới chừng nào lỗ phía trên bị bịt kín vì không khí không thể thoát ra để dành chỗ cho nước. Còn để hiểu được tại sao nước không chảy ra khỏi ống khi phía trên bị bịt kín, ta phải đợi tới hai ngàn năm nữa, trước khi Evangelista Torricelli người Italy, học trò của Galilei, đưa ra lời giải thích.

Không khí có trọng lượng

Nhưng ngay cả khi chấp nhận không khí là một chất, thì liệu có thể tạo ra một khoảng không trống rỗng thực sự khi lấy hết không khí ra khỏi một thể tích không gian nào đó? Aristotle nghĩ rằng điều này là không thể bởi như ta đã thấy, “tự nhiên sợ chân không”. Giải thích đơn giản này có ưu điểm là tính đến cách tự nhiên nhất, ít ra là vẻ ngoài, của vô vàn các hiện tượng mà ta quan sát thấy hằng ngày. Chẳng hạn, hãy xem xét một ống hút mà ta vẫn dùng để hút nước từ một cái cốc. Việc hút làm cho nước chạy lên bất chấp lực hấp dẫn. Một cách giải thích “tự nhiên” là nói rằng hành động hút này đã rút không khí khỏi ống hút và nước dâng lên là để lấp đầy khoảng không còn lại. Các ví dụ khác dường như cũng gợi ý cho thấy tự nhiên sợ chân không, chẳng hạn đã được Lucretius mô tả vào thế kỷ 1 trước CN trong tác phẩm De rerum natura . Ông viết: ta hãy xem xét hai tấm phẳng làm bằng thủy tinh hoặc kim loại, đặt chồng lên nhau. Ta có thể làm cho chúng trượt trên nhau một cách dễ dàng, nhưng lại rất khó để tách chúng ra. Một cách giải thích khả dĩ cho hành vi này là khi tách chúng ra, một khoảng trống đã được tạo ra. Và do tự nhiên sợ chân không nên nó chống lại việc tách đó.

Galilei không tin vào khẳng định của Aristotle về chân không. Trực giác mách bảo ông rằng một khoảng không thực sự có thể tồn tại và ông bắt đầu suy nghĩ về các thí nghiệm nhằm chứng minh điều này. Trong cuốn Bàn về hai khoa học mới soạn vào năm 1683, sau khi ông bị cấm túc tại gia bởi tòa án dị giáo vì đã tuyên bố ủng hộ hệ thống nhật tâm của Copernicus, ông đã để Salviati, nhân vật thế thân và là người phát ngôn của ông, mô tả hai thí nghiệm sau đây trong không khí. Thí nghiệm thứ nhất dựa trên thực tế là khí nóng bay lên và thoát ra khỏi một bình được đun nóng. Bằng cách đo tỷ lệ khác biệt về trọng lượng giữa một bình lạnh, nặng hơn, và bình được đun nóng, nhẹ hơn do khí nóng thoát ra, ông đã chứng minh được bằng thực nghiệm rằng không khí cũng có trọng lượng. Nhưng mật độ của không khí, tức tỷ số giữa khối lượng và thể tích, vẫn còn chưa biết bởi vì Galilei không có thông tin gì về thể tích của không khí nóng đã thoát ra. Đó là lý do tại sao lại có thí nghiệm thứ hai: bằng cách cân một bình ban đầu chứa không khí, rồi sau đó chứa nước, ông đã xác định được rằng không khí nhẹ (hay loãng) hơn nước khoảng 400 lần. Một kết quả đáng kinh ngạc bởi nó chỉ sai biệt hai lần so với kết quả hiện đại là 800 lần ở mực nước biển. Ý tưởng không khí có trọng lượng không phải là mới. Vào năm 1500, Leonardo da Vinci (1452- 1519) đã nghĩ rằng không khí là một chất có trọng lượng và ta có thể dựa vào nó để bay lên. Ông thậm chí còn vẽ các thiết kế cho những máy bay đầu tiên (xem hình). Nhưng Galilei mới là người đầu tiên chứng minh được bằng thực nghiệm rằng không khí cũng có trọng lượng ( 18 ) .

Bản vẽ một máy bay của Leonardo da Vinci, dựa trên ý tưởng không gian không trống rỗng mà chứa đầy không khí.

Chân không và chuyển động của các vật

Chân không cũng khiến Galilei quan tâm trong một bối cảnh khác: ông dùng nó để nghiên cứu chuyển động của các vật trong không gian. Trong khi Aristotle chỉ quan tâm tới chuyển động trong chân không để lý luận rằng nó không thể tồn tại, thì Galilei lại sử dụng nó như là nơi để mô tả chuyển động của các vật bởi các định luật vật lý và toán học. Trong tác phẩm đã nói ở trên, ông bàn về chuyển động của các vật trong một chân không giả tưởng để có thể loại bỏ sức cản của không khí có tác dụng cản trở và làm thay đổi chuyển động. Ông chứng minh được rằng trong chân không, mọi vật thể thả từ một độ cao nào đó sẽ có cùng vận tốc và gia tốc khi chúng chạm tới mặt đất, bất kể trọng lượng của chúng. Nói một cách khác, nếu ta thả một cái lông hoặc một mảnh chì từ đỉnh một ngọn tháp, và nếu chúng rơi trong chân không, chúng sẽ rơi với cùng tốc độ và chạm mặt đất vào cùng một thời điểm. Lập luận của ông rất đơn giản và tài tình. Giả sử, ông nói, hai vật thể một nặng một nhẹ được thả từ đỉnh tháp. Hai vật thể này không tự do mà được buộc với nhau bằng một sợi dây. Câu hỏi đặt ra là liệu vật nhẹ buộc vào một vật nặng sẽ làm cho nó rơi xuống đất chậm lại hay nhanh hơn? Nếu vật nhẹ rơi chậm hơn vật nặng, nó sẽ kéo dây lại và làm vật nặng rơi chậm hơn. Nhưng ta cũng có thể lý luận rằng hai vật buộc với nhau sẽ tạo thành một hệ nặng hơn so với vật nặng ban đầu, và như vậy hai vật cùng nhau sẽ phải rơi nhanh hơn so với khi chỉ có vật nặng ban đầu. Và như thế ta đã đi đến một kết luận vô lý rằng vật nhẹ vừa làm vật nặng rơi nhanh hơn lại vừa làm cho nó rơi chậm hơn! Cách duy nhất để tránh điều vô lý này là sự có mặt của vật nhẹ không làm ảnh hưởng gì tới chuyển động rơi của vật nặng, tức là nó rơi nhanh như vật nặng.

Truyền thuyết kể rằng Galilei đã làm thí nghiệm từ đỉnh tháp nghiêng Pisa, nhưng điều này nhiều khả năng là sai bởi vì không khí chắc chắn sẽ làm sai lệch kết quả thí nghiệm. Có lẽ hợp lý hơn là Galilei đã thực hiện một “thí nghiệm tưởng tượng”, tức là một thí nghiệm không phải được tiến hành trên thực tế nhưng về nguyên tắc thì những kết luận rút ra từ đó là không thể phủ nhận ( 19 ) . Do không có một chân không thực sự, nhà vật lý người Italy đã tưởng tượng ra tình huống như thế để có được kết quả về sự chuyển động của các vật. Để tỏ lòng tôn kính ông, các nhà du hành vũ trụ trên con tàu Apollo 15 đã thực hiện lại thí nghiệm này vào năm 1971 trên bề mặt không có không khí của Mặt Trăng: họ đã thả cùng lúc từ cùng một độ cao một chiếc lông chim ưng và một cái búa, hai vật này đã rơi chạm vào bề mặt Mặt Trăng vào cùng một thời điểm đúng như Galilei đã dự đoán trước đó hơn 300 năm.

Máy bơm nước và áp suất khí quyển

Trong tất cả các thí nghiệm, thí nghiệm với máy bơm là thứ có tính quyết định để xác định rằng không khí có trọng lượng và nó tạo ra một áp suất lên tất cả mọi thứ trên mặt đất. Galilei đã được chứng kiến máy bơm nước hoạt động ở các trang trại để bơm nước ra khỏi các hố. Một thực tế đã khiến ông băn khoăn: thợ bơm vùng Florentina đã nói với ông rằng dù các kỹ sư có tài tình đến mấy thì cũng không thể bơm được nước từ độ sâu 18 sải tay, hay theo đơn vị hiện nay là khoảng 10,4 m. Ông đã mô tả sự ngạc nhiên của mình trong cuốn Bàn về hai khoa học mới : “Khi lần đầu tiên tôi biết được vấn đề này, tôi nghĩ rằng máy bơm hoạt động không tốt; nhưng người thợ sửa máy nói với tôi rằng vấn đề không phải là do máy bơm, mà là mực nước đã xuống quá thấp; và anh ta nói thêm rằng bất cứ máy bơm hay thứ gì khác hoạt động dựa trên nguyên lý hút cũng không thể bơm được nước lên từ sâu hơn 18 sải tay dù là một li ( 20 ) .” Galilei học được kinh nghiệm của các nông dân đã từng thử hút nước khỏi các hố bị ngập nước: phương pháp bơm bằng cách hút nước chỉ có hiệu quả ở độ sâu thấp, và nó sẽ không hoạt động nếu hút nước từ độ sâu quá 10 m. Galilei đã nhận thấy ngay lập tức một lý lẽ chống lại horror vacui của Aristotle: nếu như tự nhiên sợ chân không, và nếu như nước dâng lên để lấp đầy khoảng trống tạo ra bởi cái bơm, thì tại sao sự sợ hãi này đột nhiên lại không hiệu quả từ độ sâu 10,4 m? Điều này thật vô lý.

Vinh dự giải quyết được bài toán bơm nước này không thuộc về Galilei mà thuộc về một trong các học trò của ông, Evangelista Torricelli (1608-1647). Là một nhà vật lý và toán học xuất sắc, Torricelli đã làm việc như một thư ký cho Galilei trong những năm 1641-1642. Ông cũng kế thừa chức toán học gia của Galilei tại cung đình của đại công tước Toscane Ferdinand II, trước khi mất sớm ở tuổi 39. Qua câu chuyện máy bơm không thể bơm nước từ độ sâu hơn 10,4 m, Torricelli cũng đã hiểu được rằng giới hạn này không thể giải thích được bởi cái gọi là sự sợ hãi chân không, mà điều này có thể có liên quan tới khí quyển của Trái Đất. Do trọng lượng của không khí, khí quyển sẽ tạo ra một áp lực lên mặt đất, và chính áp suất không khí này sẽ làm cho không khí lấp đầy mọi khoảng trống được tạo ra.

Để kiểm tra cảm nhận có tính trực giác này, bắt buộc phải có thí nghiệm. Nhưng nếu như ta làm thí nghiệm với một chất lỏng, như nước, thì sẽ cần loại bình cao tới 10 m, điều này không những đắt đỏ mà còn rất không thực tế. Torricelli đã có một ý tưởng rất tài tình là thay thế nước bằng thủy ngân. Tại sao lại chọn như thế? Bởi vì trong tất cả các chất lỏng, thủy ngân là đặc nhất (tức có mật độ hay khối lượng riêng lớn nhất), gần gấp 14 lần (chính xác là 13,6 lần) mật độ của nước. Nếu áp suất khí quyển ảnh hưởng tới việc bơm nước như Torricelli nghĩ, thì áp suất này cũng sẽ tác động như thế với mọi chất lỏng, mà cụ thể là thủy ngân. Nhưng do nó nặng hơn nước gần 14 lần, nên cột thủy ngân không thể lên được độ cao tối đa thấp hơn 14 lần so với cột nước, tức là chỉ 0,76 m (10,4 m/13,6) hay 76 cm. Do đó chỉ cần các bình nhỏ hơn nhiều, rẻ hơn và dễ xử lý hơn.

Vào năm 1643, Torricelli đã tiến hành ở Florentina thí nghiệm nổi tiếng mà ngày nay mang tên ông. Ông đổ đầy thủy ngân vào một ống thủy tinh cao 1m, bịt một đầu bằng tay rồi lật ngược đặt vào một chậu cũng chứa đầy thủy ngân, với miệng ống thấp hơn mặt thủy ngân trong chậu. Khi bỏ tay bịt ống, ông thấy rằng mực thủy ngân trong ống luôn giảm xuống một mức cố định là 0,76 m so với bề mặt thủy ngân trong chậu, đúng như ông đã dự đoán. Độ cao này là cố định, bất kể hình dạng, độ dài hay đường kính của ống ( 21 ) (xem hình bên). Cách giải thích thật đơn giản: với độ cao 0,76 m, cột thủy ngân trong ống có trọng lượng tạo nên một áp suất đúng bằng áp suất khí quyển tạo trên bề mặt của thủy ngân trong chậu. Ở đây, Torricelli đã chứng minh được rằng chính áp suất khí quyển quyết định độ cao cột thủy ngân trong ống. Ông đã trở thành người phát minh ra khí áp kế thủy ngân, dụng cụ ngày nay thường dùng để đo áp suất khí quyển (đồng thời cũng đo thời tiết, vì áp suất cao tương ứng với trời đẹp và áp suất thấp tương ứng với trời xấu) bằng cách quan sát độ cao của cột thủy ngân ( 22 ) .

Bằng thí nghiệm của mình, Torricelli đã đồng thời đưa ra chìa khóa để giải quyết vấn đề bơm nước đã từng làm Galilei đau đầu: tại sao nước lại không bơm lên được quá 10,4 m? Do áp suất khí quyển không đủ mạnh để đẩy nước lên cao hơn trong khoảng trống do bơm tạo ra. Thí nghiệm của ông cũng cho ta chìa khóa để giải thích một hiện tượng đã được Empedocles quan sát cách đây 2000 năm: tại sao nước lại không rơi khỏi ống pipet đục lỗ ở đáy khi miệng ống ở phía trên bị bịt chặt, trong khi nó sẽ chảy ngay xuống khi bỏ tay bịt ra? Với ngón tay bịt miệng ống, áp suất khí quyển không thể tác động vào nước, nhưng ngay khi ta thả tay ra, không khí sẽ ép xuống và đẩy nước ra.

Thí nghiệm Torricelli. Độ cao của cột thủy ngân luôn bằng nhau trong các ống của khí áp kế, bất kể hình dạng của nó. Độ cao này được xác định bởi áp suất do khí quyển gây ra ở bề mặt của thủy ngân trong chậu, và bằng 76 cm.

Torricelli tạo ra chân không

Một kết quả đáng kinh ngạc khác của thí nghiệm Torricelli đó là nó là thí nghiệm đầu tiên tạo ra chân không một cách bền vững. Thực vậy, không khí không thể có mặt trong ống chứa đầy thủy ngân, hai thứ này không thể cùng tồn tại. Khi ống được lộn ngược, khoảng không tạo ra do mực thủy ngân hạ xuống và ổn định ở độ cao 0,76 m sẽ phải là chân không. Torricelli hiểu rõ rằng chính nhờ vào áp suất của khí quyển mà ông có được kết quả này. Trong bức thư viết cho một người bạn vào ngày 10/6/1644, ông thổ lộ: “Nhiều người nghĩ rằng không thể tạo được chân không; số khác lại nghĩ rằng điều này là có thể nhưng rất khó khăn, bởi cần phải vượt qua sự cản trở của tự nhiên (...) Về phần tôi, tôi nghĩ rằng nếu như có tồn tại một sự cản trở như thế đối với việc tạo ra chân không thì ta cũng không nên gán sự cản trở đó cho chính bản thân chân không. Sự cản trở này phải tùy thuộc vào các tình huống bên ngoài (...) Chúng ta sống trong một đại dương không khí, và qua các thí nghiệm, ta đã biết chắc chắn rằng không khí có trọng lượng. Thực ra, ở mặt đất, không khí nhẹ hơn nước tới khoảng 400 lần ( 23 ) (...)”

Và Torricelli còn viết thêm: “Trọng lượng của không khí mà Galilei xác định được chỉ đúng ở độ cao nơi đa số người và động vật sinh sống, nhưng không còn đúng trên đỉnh các ngọn núi: ở đó không khí trong sạch hơn và nhẹ hơn đáng kể so với 1/400 trọng lượng nước. Ông cũng hiểu được rằng áp suất khí quyển thay đổi theo độ cao. Ở những nơi cao, trên núi chẳng hạn, có ít không khí hơn và áp suất cũng thấp hơn. Nói cách khác, nếu như thí nghiệm với ống thủy ngân được thực hiện ở nơi cao, thì độ cao của cột thủy ngân trong ống sẽ thấp hơn. Nhưng ông chỉ dừng lại ở đó và không thực hiện các thí nghiệm cần thiết để kiểm tra dự đoán của mình. Nhiệm vụ này nhường lại cho một thiên tài trẻ người Pháp tên là Pascal.

Pascal, chân không và rượu vang

Sinh ra tại Clermont-Ferrand, Blaise Pascal (1623-1662), nhà toán học, vật lý, triết học và đạo đức học chỉ sống được vẻn vẹn 39 năm. Mặc dù vậy cuộc đời của ông rất thỏa nguyện. Bất chấp mối lo ngại thường xuyên về sức khỏe do chứng đau đầu ác liệt gây ra, Pascal đã có những đóng góp rất cơ bản và độc đáo trong rất nhiều lĩnh vực: tính toán xác suất, hình học và đại số, và cái mà ta quan tâm nhất ở đây là những nghiên cứu về các chất lỏng và chất khí dưới áp suất.

Sinh ra trong một gia đình tiểu quý tộc pháp đình (cha là một thẩm phán), tự học (cha ông quyết định tự mình dạy dỗ con trai), ông sớm thể hiện các khả năng trí tuệ khác thường. Muốn con tập trung vào tiếng Latin và Hy Lạp hơn là toán học mà ông yêu thích, cha ông đã cấm ông đọc các tác phẩm về toán cho tới năm 15 tuổi. Bất chấp điều này, vào năm 12 tuổi, ông đã tự khám phá lại một số tính chất hình học của các tam giác mà Euclid đã đưa ra khoảng 2000 năm trước. 16 tuổi, ông xuất bản các phát minh đầu tiên về hình học trong cuốn Traité sur les coniques ( Chuyên luận về các đường conic ). Năm 19 tuổi, ông sáng tạo ra máy tính cơ học đầu tiên gọi là “pascaline” để giúp cha ông trong việc thu thuế. Vào năm 1646, lúc 23 tuổi, tại thành phố Rouen nơi gia đình ông chuyển tới sau khi rời Paris sáu năm trước do cha ông được thăng chức ủy viên thuế vụ, Pascal đã nghe một người bạn nói đến thí nghiệm của Torricelli. Ngay lập tức ông quyết định làm lại thí nghiệm này. Khi ấy, ông hành động như một nhà khoa học thực thụ: một thí nghiệm cần phải được kiểm tra một cách độc lập bởi các nhà nghiên cứu khác, sử dụng các công cụ và phương pháp khác, trước khi chấp nhận các kết quả. Thí nghiệm của Torricelli đã được Pascal làm lại và khẳng định. Giống Torricelli, Pascal kết luận rằng độ cao (0,76 m) của thủy ngân trong ống cần phải có giá trị sao cho áp suất tạo bởi cột thủy ngân phải cân bằng với áp suất của khí quyển tác động lên bề mặt thủy ngân trong chậu. Cũng giống như nhà vật lý người Italy, ông nghĩ rằng trong vùng không gian trong ống không chiếm bởi thủy ngân chỉ có thể là chân không.

Tuy nhiên, kết luận cuối này không có được sự đồng thuận tuyệt đối. Một số đưa ra giả thuyết cho rằng thể tích của không gian phía trên thủy ngân lỏng không phải do áp suất khí quyển tạo ra, mà bởi lượng thủy ngân đã bốc hơi. Không gian này không phải là chân không mà chứa đầy hơi thủy ngân. Để kiểm tra giả thuyết này, Pascal đã quyết định thực hiện lại thí nghiệm của Torricelli nhưng có sự thay đổi: chất lỏng sử dụng không phải thủy ngân mà là nước và... rượu vang. Việc sử dụng hai chất lỏng này, như ta đã xem xét trường hợp của nước, thật sự không thuận tiện bởi chúng có mật độ thấp hơn (hay nhẹ hơn) 13 lần so với thủy ngân. Điều này nghĩa là cột nước và rượu sẽ cao gấp 13 lần cột thủy ngân, tức là cần phải sản xuất được các ống khổng lồ bằng thủy tinh có độ cao tới 13 m, một việc rất tốn kém. Nhưng Pascal quyết định không lăn tăn về chi phí: các kết quả sẽ chính xác hơn và cho phép ông đo đạc sự khác biệt nhỏ giữa hành vi của hai chất lỏng. Theo suy luận của nhà vật lý trẻ, nếu như khoảng không phía trên của chất lỏng chứa đầy hơi thì do rượu vang bay hơi dễ hơn nước (chính sự dễ bay hơi này cho phép ta ngửi được hương vị của rượu trước khi thưởng thức nó), lượng hơi rượu lớn hơn thoát ra sẽ chiếm một khoảng thể tích lớn hơn trong ống so với nước. Hay nói một cách khác, mức rượu trong ống sẽ phải thấp hơn so với mức nước. Ngược lại, nếu áp suất khí quyển là nguyên nhân chính tạo ra khoảng không gian phía trên trong ống ta sẽ nhận được kết quả ngược lại: rượu có khối lượng riêng thấp hơn nước (0,994 thay vì 1 gram trên một centimet khối), nên cột rượu trong ống sẽ cao hơn cột nước để cả hai có cùng một trọng lượng, tức là cùng một áp suất chống lại áp suất khí quyển.

Những thí nghiệm đầu tiên được thực hiện vào đầu năm 1647 ở Rouen. Vào ngày D, thể hiện khả năng truyền thông của mình, Pascal đã cho dựng lên hai ống thủy tinh lớn gắn trên cột (Hình 1, ảnh màu) trước một đám đông 500 khán giả. Kết quả của thí nghiệm này là không thể tranh cãi. Cột rượu cao hơn cột nước trong ống. Khoảng chân không được tạo ra đúng là kết quả của áp suất không khí chứ không phải bởi hơi chất lỏng. Sau thí nghiệm này, Pascal đã tin chắc rằng mọi hiện tượng gán cho sự sợ hãi chân không của tự nhiên đều có thể giải thích một cách tự nhiên bằng áp suất khí quyển. Ông cũng chắc chắn rằng khoảng không gian không chứa chất lỏng trong ống (dù là thủy ngân, nước hay rượu) thực sự là chân không. Thật ra, cũng có một chút hơi chất lỏng trong khoảng không đó, tuy nhiên áp suất mà chúng tạo ra nhỏ đến mức nếu so với áp suất khí quyển thì sự có mặt của chúng hoàn toàn có thể bỏ qua.

Hình 1. Thí nghiệm khí áp kế dùng nước của Pascal ở Rouen, năm 1647. Áp suất khí quyển làm cho cột nước dâng lên cao gấp 13 lần so với thủy ngân trong ống thẳng đứng (khoảng 10,3 m) do nước có khối lượng riêng nhỏ hơn thủy ngân khoảng 13 lần.

Chân không trong chân không

Nhưng nhà vật lý trẻ không dừng lại ở đó. Để chứng minh một cách triệt để rằng chính áp suất khí quyển tạo ra không gian phía trên cột chất lỏng, ông đã tiến hành nhiều thí nghiệm. Bằng cách thực sự áp dụng phương pháp khoa học, ông ý thức rõ rằng ở đây không phải là khẳng định mà là phải đưa ra các bằng chứng. Ông đã miêu tả quyết tâm của mình như sau: “Tất cả mọi người tìm cách loại bỏ chân không, họ đua nhau áp đặt sức mạnh tinh thần mà người ta mệnh danh là sự tinh tế ở trường học, và để giải quyết các khó khăn thực sự, họ chỉ nói suông mà chẳng có căn cứ gì. Tôi quyết tâm làm các thí nghiệm có tính thuyết phục đến mức không ai có thể đưa ra các ý kiến phản đối ( 24 ) .”

Một trong những thí nghiệm tài tình của Pascal có thể được gọi là “chân không trong chân không”. Đầu tiên ông tạo ra chân không trong một ống lớn bằng thủy tinh bằng cách dựng ngược nó trong một chậu chứa đầy thủy ngân (như đã làm). Khi đó, độ cao của cột thủy ngân trong ống, như đã biết, bằng 0,76 m, tạo ra một khoảng chân không ở phía trên bề mặt thủy ngân. Trong khoảng chân không thứ nhất này, Pascal đưa vào một ống thủy tinh thứ hai, có kích thước nhỏ hơn, cũng được dựng ngược trong một chậu thủy ngân thứ hai nhỏ hơn. Ông nhận thấy rằng trong khoảng chân không này, không có áp suất khí quyển bên ngoài, mực thủy ngân trong ống thứ hai ngang bằng với bề mặt của thủy ngân trong chậu nhỏ. Chỉ khi ta đưa không khí vào trong khoảng chân không thứ nhất thì mực thủy ngân trong ống thứ hai mới dâng lên (và mực thủy ngân trong ống thứ nhất giảm xuống do áp suất của không khí mới đưa vào) (hình). Như vậy chính áp suất của không khí làm cho mực thủy ngân trong ống nhỏ cao hơn mực thủy ngân trong chậu nhỏ chứ không phải do sự sợ hãi chân không của tự nhiên như Aristotle đã tuyên bố.

Thí nghiệm của Pascal về “chân không trong chân không”. a) Mực thủy ngân trong ống nhỏ không dâng lên trong chân không, khi không có áp suất khí quyền; b) ngay khi ta tạo ra áp suất khí quyển bằng cách đưa không khí vào, mực thủy ngân trong ống nhỏ dâng lên. Như vậy, việc dâng lên của thủy ngân chính là do áp suất của không khí chứ không phải do sự sợ hãi chân không.

Nỗi sợ hãi chân không đã bị vứt vào quên lãng

Nhưng những người ủng hộ horror vacui không chấp nhận thất bại. Họ không ngừng tìm kiếm các lý lẽ ngày càng phức tạp để giải thích những kết quả của Pascal mà không phải dùng đến áp suất không khí. Chẳng hạn, để giải thích các kết quả của thí nghiệm chân không trong chân không, họ đưa ra ý tưởng rằng sự sợ hãi chân không của tự nhiên có thể đã được thỏa mãn đầy đủ bởi chân không đầu tiên, nên hoàn toàn không cần phải thể hiện trong chân không thứ hai.

Để chấm dứt mọi tranh cãi vô bổ, Pascal quyết định ra đòn dứt điểm. Ông biết giả thuyết của Torricelli rằng không khí trở nên loãng hơn và áp suất khí quyển giảm đi ở những nơi cao hơn, độ cao của cột thủy ngân trong ống không phải là cố định mà giảm dần ở những độ cao lớn. Ông quyết định thực hiện lại thí nghiệm ở nhiều độ cao khác nhau, “trong cùng một ống, với cùng chất thủy ngân, khi thì ở chân núi, khi thì ở đỉnh núi (...) để kiểm tra xem liệu độ cao của cột thủy ngân trong ống sẽ giống hay khác nhau ở hai tình huống này (...) Nếu như khi ở trên đỉnh núi, độ cao của cột thủy ngân thấp hơn so với khi ở chân núi thì chứng tỏ trọng lực và áp suất không khí là nguyên nhân duy nhất gây ra sự thay đổi độ cao của cột thủy ngân, chứ không phải là sự sợ hãi chân không, bởi vì chắc chắn ở chân núi có nhiều không khí hơn ở đỉnh núi ( 25 ) ”. Pascal quá ốm yếu để có thể trực tiếp thực hiện thí nghiệm này nên ông đã nhờ người anh rể là Florin Périer, cũng sống ở Clermont-Ferrant, làm giúp. Thành phố này cách ngọn núi Dôme không xa, đó là một núi lửa đang ngủ thuộc vùng núi Massif Central ở Auvergne. Núi lửa Dôme cao 1465 m so với mực nước biển, là nơi phù hợp để thực hiện công việc này. Vào tháng 9 năm 1648, tuân theo những chỉ dẫn chi tiết của Pascal, Périer đã đổ đầy thủy ngân vào hai ống giống hệt nhau rồi dựng ngược chúng và đặt vào trong chậu thủy ngân. Ông đo độ cao của cột thủy ngân đầu tiên đặt ở chân núi Dôme, ống này coi như là để làm đối chứng. Rồi cùng với một bác sĩ và hai thẩm phán, ông leo lên đỉnh núi. Trong quá trình leo lên, ông tiến hành đo đạc độ cao của cột thủy ngân trong ống còn lại ở các độ cao khác nhau. Các đo đạc tương tự cũng được thực hiện trong quá trình đi xuống. Khi quay trở lại chân núi, Périer xác nhận lại độ cao của thủy ngân trong hai ống là y hệt nhau.

Các kết quả của thí nghiệm là không thể chối cãi: ở nơi có độ cao càng lớn thì cột thủy ngân trong ống thứ hai càng thấp (hình). Với độ cao chênh lệch 900 m, Périer đo được cột thủy ngân giảm 8,3 cm. Với thành công rực rỡ và theo yêu cầu của người em vợ, Périer thực hiện lại thí nghiệm này tại chân và trên đỉnh tháp của nhà thờ Đức Bà ở Clermont có độ cao 39 m. Kết quả vẫn như cũ: độ cao của cột thủy ngân ở đỉnh của nhà thờ thấp hơn so với ở dưới đất. Độ chênh lệch tất nhiên là ít hơn nhiều (chỉ 4,5 mm) nhưng vẫn có thể đo được. Sau đó Pascal thực hiện lại thí nghiệm này tại nhiều tòa nhà khác ở Paris và đặc biệt là ở tháp Saint-Jacques với độ cao 52 m. Các kết quả là không thể nghi ngờ và luôn phù hợp với những tính toán của ông.

Thí nghiệm của Pascal (do người anh rể Florin Périer thực hiện) ở núi lửa Dôme. Mực thủy ngân giảm dần khi thí nghiệm gia leo lên đỉnh núi. Tại đỉnh núi lửa Dôme, độ cao của mực thủy ngân thấp hơn khoảng 8 cm so với ở chân núi, bởi vì ở đây có ít không khí hơn, tức là áp suất khí quyển thấp hơn.

Tin tức này nhanh chóng lan truyền khắp châu Âu khoa học: phát súng ân huệ đối với nguyên lý horror vacui của Aristotle. Qua các thí nghiệm được thực hiện “với rất nhiều chi phí, vất vả và tốn thời gian”, Pascal đã chứng minh được rằng ý tưởng sợ chân không này không phù hợp vì “ta không thể nói rằng tự nhiên sợ hãi chân không ở chân núi nhiều hơn là trên đỉnh núi. Tại sao ở đỉnh tháp chuông nó lại sợ hãi chân không ít hơn so với ở dưới sân? Tại sao nó lại sợ hãi chân không ít hơn khi trời xấu, áp suất khí quyển thấp, so với khi trời đẹp, áp suất khí quyển cao? Thực tế, nhà vật lý này cũng đã phát hiện ra rằng áp suất khí quyển không chỉ phụ thuộc vào độ cao mà còn phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng, chẳng hạn như độ ẩm, lực gió hay nhiệt độ không khí. Điều này có nghĩa là ta có thể biết được thời tiết chỉ bằng cách đo áp suất khí quyển: đây chính là nguyên lý của khí áp kế (barometer , theo tiếng Hy Lạp baros nghĩa là trọng lượng) mà chúng ta đã đề cập tới ở trên, và nó chỉ được thương mại hóa rất lâu sau đó, vào giữa thế kỷ 19.

Các thí nghiệm của Pascal về chân không đã mang lại tiếng tăm cho nhà khoa học trẻ ở khắp châu Âu. Để vinh danh các nghiên cứu của ông về áp suất khí quyển, hậu thế đã lấy tên ông đặt cho đơn vị đo áp suất.

Descartes và chân không

Pascal không chỉ phản đối quan điểm tự nhiên sợ chân không của Aristotle, mà ông còn đi ngược lại các ý tưởng của một khoa học gia lớn người Pháp cùng thời, đó là René Descartes (1596-1650). Đối với Pascal, như ta đã thấy, không gian không bị chiếm bởi thủy ngân trong ống không chứa bất kỳ vật chất nào. Descartes phủ định quan điểm này, bởi theo ông, không gian không thể tồn tại mà không có mặt vật chất. Ông đã giải thích như sau trong quyển Principes de la philosophie ( Các nguyên lý của triết học ) (1644): “Nhưng vì không có không gian trống rỗng ở bất kỳ nơi nào của vũ trụ, rằng các phần của vật chất, do có dạng tròn, không thể xếp chặt với nhau, nên để lại những khoảng trống nhỏ giữa chúng: các khoảng trống này cần được lấp đầy bằng một số phần khác của vật chất đó.” Không gian cần tới vật chất cũng giống như vật chất cần tới không gian. Không thể có chuyện một thứ không có gì lại có ngoại diên. Đối với ông, nếu một cái bình không chứa nước thì nó chứa đầy khí. Nếu như nó là trống rỗng, không chứa gì thì các thành của nó sẽ phải chạm nhau. Cha đẻ câu nói Cogito ergo sum ( tôi suy nghĩ tức là tôi tồn tại ) đã chối bỏ, một cách sai lầm, các lý thuyết của Galilei về sự rơi của vật trong chân không: “Tất cả những gì ông ấy nói về tốc độ các vật rơi trong chân không là không có cơ sở; bởi trước hết ông ấy cần phải xác định xem trọng lực là cái gì; và nếu như biết sự thật về nó, ông ấy sẽ thấy rằng nó bằng 0 trong chân không” Descartes không thể sai lầm hơn về vấn đề này: trọng lực thực sự tồn tại ngay cả trong chân không.

Cuộc gặp gỡ duy nhất được biết đến giữa hai nhà khoa học vĩ đại người Pháp này xảy ra vào tháng 9 năm 1647, một năm trước các thí nghiệm được tiến hành ở núi lửa Dôme. Nhưng họ không tìm được sự đồng điệu. Trong cuộc nói chuyện này, tác giả của Discours de la méthode ( Bàn về phương pháp ) giải thích với Pascal rằng trong thí nghiệm của Torricelli, chân không không hề tồn tại, mà “nó chứa đầy một chất tinh diệu có trong không khí bình thường và nó len lỏi vào trong ống thế chỗ cho thủy ngân, qua các chuyển động tròn”. Chàng trai trẻ Pascal không đáp lời nhưng nghĩ rằng “các ý tưởng của Descartes chẳng qua chỉ là câu chuyện bịa đặt về tự nhiên ( 26 ) ”.

Sự đánh cược của Pascal

Từ năm 1654, đồng thời với các nghiên cứu khoa học, Pascal cũng dành nhiều thời gian hơn cho tư duy triết học và tôn giáo. Chính trong giai đoạn này ông đã viết cuốn Provinciales ( Những lá thư tỉnh lẻ ), gồm các lá thư viết từ năm 1656 tới 1657 trong đó ông bảo vệ giáo lý Jansen và nhất là tác phẩm Pensées ( Suy tưởng ), được coi là một tác phẩm thần học đầy đủ nhất và cũng là một tượng đài của văn học Pháp. Trong tác phẩm này, dù ông không thể kết thúc trước khi mất, và được xuất bản như là một di cảo vào năm 1669, Pascal đã phân tích niềm tin Thiên Chúa giáo theo tinh thần sự thật khoa học, một cách logic và mạch lạc đồng thời đưa ra khái niệm trật tự. Trong đó ông bàn về các nghịch lý triết học – niềm tin và lý tính, hư vô và vô hạn, tinh thần và vật chất, sự sống và cái chết – một cách thiện ý và khiêm tốn. Nếu nói về chân không, đó không còn là cái chân không của không gian mà ông đã nghiên cứu rất sâu khi còn trẻ, mà là cái không và hư vô bên trong con người, “cây sậy biết suy nghĩ” bị lạc bước vì quá yêu bản ngã và sức mạnh dễ lầm lẫn của trí tưởng tượng, tự dâng mình cho sự phù hoa, đem lại cảm giác bứt rứt trống rỗng, “buồn phiền” gây ra bởi sự thiếu đam mê và lười nhác. Ông đã đưa ra lời đánh cược nổi tiếng, khi sử dụng môn xác suất mà ông yêu mến để thuyết phục người vô thần đặt cửa vào sự tồn tại của Chúa. Ông lập luận rằng có hai khả năng xảy ra: hoặc Chúa tồn tại hoặc là không. Bởi vì lý trí không thể giúp ta quyết định, nên ta phải đặt cược. Như vậy sẽ có hai lựa chọn khả dĩ: hoặc ta tin vào sự tồn tại của Chúa hoặc là ta không tin. Đối với Pascal, cách đặt cược tốt nhất là đặt cửa tin vào Chúa, bởi nếu Chúa tồn tại ta sẽ trúng lớn, phần thưởng sẽ là vô hạn trong khi nếu Chúa không tồn tại thì sự mất mát của ảo tưởng chúng ta chỉ là hữu hạn. Quyết định tồi nhất là đặt cửa cho vô thần, bởi nếu Chúa tồn tại thì tổn thất là vô hạn, còn nếu không thì cái được biểu hiện bởi thực tế là mình có lý chỉ là hữu hạn mà thôi.

Chateaubriand, trong đoạn văn nổi tiếng trong cuốn Génie du christianisme ( Thiên tài Thiên Chúa giáo ) đã ca tụng thiên tài của Pascal như sau: “Có một người lúc 12 tuổi với các thanh và các vòng đã tạo ra toán học; lúc 16 tuổi đã viết được chuyên luận bác học về các đường conic, một điều chưa từng thấy từ thời Cổ đại; người lúc 19 tuổi, đã quy giản một khoa học tồn tại chỉ hoàn toàn trong tâm trí thành một cỗ máy; người, mà lúc mới 23 tuổi, đã chứng minh được các hiện tượng của trọng lượng không khí, và phá bỏ một trong những sai lầm lớn của vật lý cổ đại; người ở độ tuổi mà với những người khác hầu như mới được sinh ra, lại đã hoàn tất vòng tròn của khoa học nhân văn, nhận thức được sự trống rỗng của con người, và hướng suy nghĩ của họ về tôn giáo; người mà từ thời điểm này cho tới khi qua đời ở tuổi 39 tuổi, luôn luôn ốm yếu, đã sang sửa ngôn ngữ của Bossuet và Racine, đã đưa ra mô hình của sự khôi hài hoàn hảo nhất như một suy lý mạnh mẽ nhất; cuối cùng, người mà trong những khoảng thời gian ngắn giữa các cơn đau đã giải quyết, một cách trừu tượng, một trong những vấn đề cao nhất của hình học, và tung ra trên giấy những ý tưởng gần với cả Chúa và con người. Thiên tài đáng sợ này có tên là Blaise Pascal ( 27 ) .”

Trọng lượng của không khí và các bán cầu Magdeburg

Pascal không phải là nhà khoa học duy nhất được truyền cảm hứng từ các thí nghiệm của Torricelli về chân không và chứng minh sự tồn tại của áp suất khí quyển. Một số người khác cũng sử dụng những thí nghiệm đó để kiểm tra sự tồn tại của cái chất vô hình bao bọc xung quanh hành tinh của chúng ta. Gần như cùng thời với Pascal, một kỹ sư người Đức tên là Otto von Guericke (1602-1686) cũng tiến hành các thí nghiệm ngoạn mục nhằm chứng minh trọng lượng của không khí. Mặc dù hai người không quen biết nhau, cả hai đều có chung một khả năng truyền thông sắc sảo, chứng tỏ một sự nhạy bén nhất định đối với những thí nghiệm gây ấn tượng đến trí tưởng tượng của công chúng.

Ở mực nước biển, không khí tạo một áp lực khoảng 10 tấn trên một mét vuông. Chúng ta không cảm nhận được trọng lượng này bởi áp suất không khí được cân bằng với áp suất nội tại của cơ thể. Để chứng minh trọng lượng khủng khiếp mà không khí đè lên mọi thứ trên Trái Đất, von Guericke đã tiến hành một cuộc trình diễn nổi tiếng, được biết dưới cái tên “các bán cầu Magdeburg”, tên một thành phố ở Đức mà ông giữ chức thị trưởng. Ông cho làm hai bán cầu rỗng bằng đồng đường kính khoảng một mét, khi lắp ráp lại sẽ tạo thành một quả cầu kín. Ngày làm thí nghiệm, vào năm 1654, đầu tiên von Guericke yêu cầu các khán giả tới kiểm tra để chắc rằng không có gì giữ hai bán cầu lại với nhau: việc lắp hay tháo chúng đều rất dễ dàng. Sau đó ông rút khí ra khỏi quả cầu tạo bởi hai bán cầu nhờ vào một bơm không khí lắp bên trong. Sau khi hai bán cầu đã được rút hết không khí, ông lại mời người xem tới tháo hai nửa bán cầu ra. Việc này dường như là không thể: hai bán cầu bị dính chặt với nhau. Để gây ấn tượng hơn nữa với người xem – đây chính là điểm mấu chốt của thí nghiệm-biểu diễn của ông – von Guericke đã gọi tới hai dàn móc do tám ngựa kéo mỗi bên. Mỗi dàn móc vào một bán cầu và kéo theo hai hướng ngược nhau (xem hình 2, ảnh màu). Vô ích: hai bán cầu không tách nhau dù chỉ một ly! Ngay cả lực tạo bởi tám con ngựa mỗi bên cũng không thể làm gì nổi! Giống như thay vì sợ hãi chân không, và muốn xóa bỏ nó ngay tức khắc bằng cách tách hai nửa bán cầu ra, tự nhiên lại muốn giữ nó bằng mọi giá... Và, lúc đó von Guericke mới mở van cho không khí ùa vào trong quả cầu. Việc tháo hai bán cầu lại dễ dàng như trò trẻ con vậy.

Hình 2. Thí nghiệm các bán cầu Magdeburg. Vào năm 1654, kỹ sư Otto von Guericke, thị trưởng thành phố Magdeburg (Đức), đã dùng thí nghiệm ngoạn mục này để chứng minh trọng lượng không khí tác dụng lên các vật: một khi hút hết không khí bên trong quả cầu ghép từ hai bán cầu, áp lực tác dụng lên chúng lớn tới mức hai dàn móc do tám ngựa kéo mỗi bên, kéo về hai phía cũng không thể tách được chúng ra.

Việc giải thích thí nghiệm hai bán cầu Magdebourg rất đơn giản. Khi không khí bị rút ra khỏi quả cầu, không còn lực nào ở bên trong để cân bằng với áp lực mạnh tới 10 tấn trên một mét vuông do không khí ép từ bên ngoài ( 28 ) . Nhưng ngay khi không khí quay trở lại, nó sẽ tạo một áp suất bên trong quả cầu, cân bằng với áp suất khí quyển ở bên ngoài, nên tổng lực tác động lên hai bán cầu sẽ bằng không: và sẽ không còn khó khăn gì để tháo chúng ra.

Lớp kén không khí bảo vệ hành tinh chúng ta

Các thí nghiệm của Torricelli, Pascal và von Guericke về chân không, cho thấy sự tồn tại của áp suất khí quyển, đã gieo mầm cho một sự thay đổi sâu sắc về ý thức của con người đối với khí quyển của hành tinh chúng ta. Giờ đây ta biết rằng Trái Đất không tiếp xúc trực tiếp với không gian giữa các vì sao mà có một lớp không khí đặc biệt bao bọc và bảo vệ nó như một cái kén. Không có cái kén này, sự sống không thể xuất hiện. Lớp khí quyển dày vừa đủ để bảo vệ các sinh vật khỏi tia cực tím có hại của Mặt Trời và các tia vũ trụ ( 29 ) nguy hiểm của không gian, và cho phép các sinh vật này nảy nở và phát triển; nó cũng đủ mỏng để năng lượng ánh sáng từ ngôi sao của chúng ta đi qua, cần thiết cho việc duy trì sự sống.

Khí quyển là chất thiết yếu mà chúng ta hít vào phổi. Không khí chúng ta hít thở chủ yếu bao gồm nitrogen (78% thể tích) và oxygen (21%), với một chút argon (0,9%) và carbon dioxide (0,03% ). Tùy thuộc vào vị trí và điều kiện thời tiết, khí quyển cũng chứa một lượng hơi nước thay đổi (từ 0,1% trong sa mạc đến 3% ở vùng ẩm ướt). Không khí có thể nén được, như bất cứ ai đã từng bơm không khí vào một quả bóng đều nhận thấy. Trọng lượng của các tầng trên của không khí sẽ nén các tầng dưới, khí quyển có mật độ cao nhất trên mặt đất, và trở nên loãng dần theo độ cao. Do đó, trong khi khí quyển kéo dài đến 500 km bên trên bề mặt Trái Đất (xem hình trang sau) thì 99% khối lượng của nó nằm ở độ cao không đầy 30 km, tức là chỉ bằng 0,5% bán kính 6378 km của Trái Đất. Một nửa khối lượng của nó nằm dưới 5 km, tức là nhỏ hơn một phần nghìn bán kính Trái Đất. Nếu thu nhỏ hành tinh của chúng ta đến kích thước một quả cam, thì bầu khí quyển của nó sẽ mỏng hơn phần vỏ cam. Những người thường ở vùng núi đã quen thuộc với hiệu ứng loãng của không khí, kéo theo việc giảm oxygen theo độ cao. Và đó chính là lý do tại sao các đài thiên văn lớn luôn luôn đặt ở những nơi cao: để ánh sáng vũ trụ mà các kính thiên văn thu thập được ít bị ảnh hưởng nhất có thể bởi khí quyển của Trái Đất. Về phần mình, tôi thường đi đến Đài thiên văn Mauna Kea, một trong những nơi tốt nhất trên thế giới để nghiên cứu bầu trời. Nằm ở đỉnh một núi lửa đã tắt trên đảo Hawaii, đài thiên văn này ở độ cao hơn 4000 m. Tôi cảm nhận rất rõ sự thiếu oxygen, thỉnh thoảng nó gây cho chúng tôi những cơn đau đầu dữ dội. Để chống lại những bất tiện này, tôi luôn đề phòng bằng cách đến đài thiên văn ít nhất một ngày trước để cơ thể thích nghi và làm dịu càng nhiều càng tốt “chứng say núi” này. Cũng vì lý do đó, người leo núi phải đeo mặt nạ oxygen khi tiếp cận những đỉnh núi cao nhất.

Các tầng khác nhau của khí quyển Trái Đất và những ví dụ về các vật có thể thường thấy ở các tầng này. Không khí loãng đi rất nhanh theo độ cao. Nếu ta du hành từ Trái Đất tới biên của vũ trụ quan sát được thì ta sẽ gặp nhiều vật chất ở 10 km đầu tiên (ở tầng đối lưu) hơn so với phần còn lại của hành trình.

Một số ví dụ có thể cho ta ý niệm về những khác biệt áp suất này. Sir Edmund Hillary, người chinh phục đỉnh Everest ở độ cao 8848 m, đã cảm thấy áp suất không khí ở đó ba lần nhỏ hơn một thủy thủ cảm thấy trên tàu của mình. Nói cách khác, ở đỉnh núi cao nhất của Trái Đất, thủy ngân sẽ chỉ dâng lên đến độ cao 0,25 m thay vì 0,76 m như ở mực nước biển. Ở độ cao 100 km, áp suất không khí nhỏ hơn một phần tỷ so với trên mặt đất. Leo lên đến 400 km, nó chỉ còn bằng một phần ngàn tỷ áp suất dưới đất. Áp suất khí quyển giảm theo độ cao giải thích lý do tại sao cabin máy bay, bay cao khoảng 10 km so với mực nước biển, phải được điều áp ( 30 ) . Nói cách khác, trong chuyến bay, một lực bằng vài tấn trên một mét vuông được đè lên cửa của máy bay từ bên trong, giữ nó đóng chặt.

Bạn sẽ làm gì khi đi đến chỗ mà gần như là chân không? Đối với những chuyến bay ra ngoài không gian, các phi hành gia mặc một bộ quần áo đặc biệt để bảo vệ họ khỏi tia vũ trụ và các thiên thạch nhỏ, cho phép họ thở và duy trì cơ thể ở một nhiệt độ thoải mái trong cái lạnh băng giá của không gian, nhưng vẫn cho phép họ có được độ linh hoạt nhất định. Áp suất trong bộ quần áo này chỉ bằng 1/3 so với trên Trái Đất, tương đương với áp suất trên đỉnh Everest. Không thể duy trì áp suất khí quyển như ở bề mặt Trái Đất bởi vì trong chân không, một bộ quần áo dưới áp suất này sẽ trở nên hoàn toàn cứng đơ ( 31 ) , điều đó sẽ ngăn cấm bất kỳ chuyển động nào. Đây là điều nên tránh, nếu mục đích của việc đi ra bên ngoài không gian là để sửa chữa một bộ phận hỏng hóc của trạm quỹ đạo mà bạn đang ở!

Trời xanh và đêm đen

Ngoài việc bảo vệ và nuôi dưỡng sự sống, lớp khí quyển Trái Đất còn tặng cho chúng ta cảnh tượng tuyệt vời của không gian rộng lớn của bầu trời xanh vào ban ngày. Quang cảnh hành tinh chúng ta và bầu trời vào một ngày đẹp trời qua khoang cửa sổ của một chiếc máy bay ở độ cao 10 km trên mặt đất luôn là một cảnh tượng huy hoàng hiếm hoi. Vòm trời, những ngọn núi và những con sông dường như tan hòa trong một bản giao hưởng màu xanh. Tại sao bầu trời xanh, mà không trắng như ánh sáng mặt trời? Bởi vì các phân tử không khí trong bầu khí quyển lọc đi màu đỏ và màu vàng để ưu tiên khuếch tán ánh sáng màu xanh. Từ máy bay, bạn chắc đã thấy rằng bầu trời có màu đậm hơn so với nhìn từ mặt đất. Giải thích thật đơn giản: độ sáng của bầu trời được quyết định bởi số lượng các phân tử không khí nằm trên trục ngắm của chúng ta – càng nhiều phân tử không khí thì bầu trời càng sáng, và càng ít thì càng tối hơn. Bởi vì không khí càng loãng khi lên càng cao, nên sẽ có ít phân tử không khí trên trục nhìn khi chúng ta nhìn qua khung cửa sổ của máy bay, do đó không khí sẽ ít sáng hơn, và bầu trời trông giống như có màu xanh đậm hơn. Nếu đẩy thí nghiệm đến cực hạn, tức loại bỏ tất cả các phân tử của không khí, sẽ không còn ánh sáng xanh khuếch tán để thắp sáng bầu trời nữa và nó sẽ trở thành tối đen. Điều này giải thích tại sao các phi hành gia, từ không gian hoặc từ bề mặt hoàn toàn không có không khí của Mặt Trăng, lại luôn nhìn thấy bầu trời đen như mực vậy.

Trái với những gì chúng ta nghĩ, không khí không phải là vô hình. Chúng ta luôn thấy nó qua màu xanh của bầu trời và những ngọn núi xa xôi. Nếu màu xanh khiến chúng ta xúc động một cách sâu sắc thì là bởi vì trực giác của ta cảm thấy rằng đó là màu của chất lưu có tầm quan trọng sống còn, màu của chất mà chúng ta hít vào phổi mình và giúp chúng ta duy trì sự sống. “Màu xanh là màu được Chúa chỉ định là nguồn mỹ vị!” nhà thơ người Anh John Ruskin đã thốt lên như thế. Khi nhìn lên bầu trời, tầm nhìn của chúng ta không bị mất hút trong vô tận. Ngược lại, nó gặp một lớp mỏng của bầu khí quyển màu xanh sáng, chiếu lên nền đen của không gian, giống như một loại chất dịch màng ối bảo vệ chúng ta khỏi sự giá lạnh và những tia sáng độc hại của không gian giữa các vì sao (hình 3, ảnh màu). Viễn cảnh hành tinh và vũ trụ mới mở ra từ thí nghiệm của Torricelli cũng nhấn mạnh tính dễ bị tổn thương của hành tinh chúng ta trong chân không vũ trụ và sự cô độc giữa các vì sao.

Hình 3. Mặt Trăng lặn phía sau Trái Đất và khí quyển của nó. Lớp khí quyển của Trái Đất rất mỏng nhưng lại rất quan trọng cho phép chúng ta tồn tại. Khí quyển có màu xanh chứ không phải là trắng như ánh sáng Mặt Trời, bởi vì các phân tử không khí chủ yếu làm tán xạ ánh sáng xanh. Bức ảnh do tàu con thoi Discovery chụp vào tháng 7 năm 1995.

Không gian gần như trống rỗng

Ta đã thấy rằng không khí không phải là chân không vì có khí quyển của Trái Đất. Nhưng một câu hỏi đặt ra là: bản chất của không gian bên ngoài hành tinh của chúng ta là gì? Nó hoàn toàn trống rỗng hay có chứa vật chất? Trên thực tế, Trái Đất được bao quanh bởi một thứ gần như là chân không. Trong hành trình khoảng 384 ngàn km đến Mặt Trăng, ở mười km đầu tiên của lớp khí quyển trên Trái Đất, các nhà du hành vũ trụ thuộc phi hành đoàn Apollo đã di chuyển qua lượng vật chất lớn hơn nhiều so với cả hành trình còn lại của họ. Nhưng vũ trụ không phải là chân không. Ngày nay chúng ta biết rằng vật chất sáng của vũ trụ quan sát được phân bố trong một trăm tỷ thiên hà, mỗi thiên hà chứa khoảng một trăm tỷ mặt trời (tức các ngôi sao) có các hành tinh quay quanh. Mật độ trung bình của một ngôi sao giống như Mặt Trời hoặc một hành tinh giống Trái Đất là khoảng một gram mỗi centimet khối, tương đương khoảng một triệu tỷ tỷ (10 24 ) nguyên tử trên một centimet khối, nhiều hơn rất nhiều mật độ trung bình của vật chất trong vũ trụ. Thật vậy, nếu chúng ta chia đều toàn bộ vật chất sáng của trăm tỷ thiên hà trong thể tích của vũ trụ quan sát được, ta chỉ nhận được 0,025 nguyên tử hydrogen trên mỗi mét khối, tức là một không gian trống rỗng hơn cả những chân không cao nhất mà chúng ta có thể tạo ra trên Trái Đất (khoảng một trăm triệu nguyên tử trong một mét khối). Nhưng vật chất sáng chỉ chiếm 0,5% khối lượng và năng lượng trong vũ trụ. Thực tế, vật chất không phát sáng lớn gấp khoảng 10 lần (tức 4,5%), được gọi là “vật chất tối thông thường”. Nó được gọi là “thông thường” là bởi vì nó được tạo bởi cùng các nguyên tố (tức từ các proton, neutron và electron) như vật chất tạo nên các vật trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta, như sách vở hay chậu hoa, chẳng hạn. Nhưng liệt kê như thế vẫn còn xa mới đủ. Chúng ta cũng biết rằng có 27% vật chất tối được gọi là “ngoại lai” (exotic). Sở dĩ gọi như thế là vì nó không được tạo ra từ vật chất bình thường tạo nên cơ thể chúng ta hay những cây mỹ nhân trên cánh đồng. Mặc dù vật chất ngoại lai này không phát sáng và hoàn toàn vô hình, nhưng các nhà thiên văn đã suy ra sự hiện diện của chúng từ lực hấp dẫn mà chúng tác dụng lên vật chất sáng. Bản chất của thứ vật chất này hiện vẫn còn giấu kín trong bức màn bí ẩn: bị tước mất ánh sáng, các nhà vật lý đúng là chìm trong bóng tối.

Cho đến nay, chúng ta đã kiểm kê được 32% lượng vật chất của vũ trụ (0,5% vật chất sáng, 4,5% vật chất tối thông thường và 27% vật chất tối ngoại lai). Thế 68% còn lại ở đâu? Chúng không được cấu tạo từ vật chất, mà là từ năng lượng tối sinh ra một lực phản hấp dẫn gây ra gia tốc giãn nở của vũ trụ. Bản chất của nó cũng rất bí ẩn ( 32 ) , nghĩa là với tất cả hiểu biết của chúng ta, 95% nội dung của vũ trụ vẫn chưa được biết đến! Đây thực sự là một bài học về sự khiêm tốn mà vũ trụ dạy chúng ta. Thế không gian trống rỗng đến mức nào nếu chúng ta tính đến sự hiện diện của cả vật chất tối thông thường, vật chất tối ngoại lai và năng lượng tối? Mật độ trung bình của vũ trụ khi đó là 5 nguyên tử/mét khối (được gọi là “mật độ tới hạn”), tức là một không gian hàng chục triệu lần trống rỗng hơn tất cả những chân không mà con người có thể tạo ra trên Trái Đất!

Như vậy, chúng ta đã điểm lướt qua vũ trụ chứa đựng những vật chất gì. Nhưng còn các bức xạ trong đó thì sao? Không gian giữa các vì sao và các thiên hà cũng chứa đầy ánh sáng tràn ngập toàn bộ vũ trụ và tạo thành cái gọi là “nền khuếch tán” của các bức xạ. Hầu hết (khoảng 90%) năng lượng của nền khuếch tán này là từ bức xạ nền (hay còn gọi là bức xạ hóa thạch), đó là ánh sáng nguyên thủy đến với chúng ta từ thuở xa xôi, giai đoạn có niên đại khoảng 380 nghìn năm sau Big Bang. Cùng với bức xạ nguyên thủy còn có thêm các loại ánh sáng khuếch tán khác từ các thiên hà và các ngôi sao. Chúng gồm ánh sáng gamma sinh ra từ các cơn hấp hối bùng nổ dữ dội của các ngôi sao nặng, ánh sáng X (tức tia X) được tạo ra bởi khí nóng của các đĩa kết tụ xung quanh những lỗ đen siêu nặng định cư ở tâm của các quasar và thiên hà với nhân hoạt động, ánh sáng hồng ngoại phát ra từ các hạt bụi được làm nóng bởi bức xạ năng lượng cao của các ngôi sao trẻ có khối lượng lớn, ánh sáng vô tuyến tạo ra từ các electron tự do chuyển động với tốc độ gần tốc độ ánh sáng xung quanh các đường sức từ nằm trong các thiên hà, chưa kể đến ánh sáng khả kiến và tia cực tím phát ra bởi tập hợp các ngôi sao và thiên hà. Nhưng tất cả những nguồn ánh sáng bổ sung này chỉ góp một phần rất nhỏ vào nền khuếch tán (khoảng một phần mười so với bức xạ nền). Sự đóng góp của tất cả các nguồn ánh sáng vào năng lượng của vũ trụ chỉ bằng một phần mười ngàn so với vật chất. Do đó thực tế hoàn toàn có thể bỏ qua chúng. Chúng ta sống trong một vũ trụ mà hành vi của nó chủ yếu được quyết định bởi lượng vật chất mà nó chứa. Mật độ ánh sáng lớn hơn so với vật chất chỉ trong khoảng 50 ngàn năm đầu tiên của vũ trụ và bức xạ chiếm vai trò chủ đạo trong suốt thời kỳ này. Nhưng sau đó, vật chất đã chiếm ngôi và ánh sáng không còn góp tiếng nói nào nữa trong việc kiểm soát sự giãn nở vũ trụ.

Như vậy, vũ trụ về trung bình là cực kỳ trống rỗng. Nó như vậy bởi vì nó rộng lớn không thể tưởng tượng nổi ( 33 ) ! Và ta có thể nói rằng chính sự rộng lớn của nó đã cho phép sự tồn tại của chúng ta. Thật vậy, chúng ta được tạo ra từ bụi các ngôi sao, mà vũ trụ thì cần thời gian cho các ngôi sao sinh ra, vận hành các lò luyện “giả kim thuật” hạt nhân của chúng và chết trong những vụ nổ kinh hoàng gọi là “siêu tân tinh”. Những cơn hấp hối bùng nổ của các ngôi sao khổng lồ này phóng ra môi trường giữa các thiên hà các mảnh vụn của sao vốn giàu các nguyên tố hóa học nặng được tạo ra từ phản ứng nhiệt hạch ở trung tâm các ngôi sao đó. Thời gian cũng là điều cần thiết để những bụi sao này tập hợp lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn nhằm sinh ra các hành tinh mà một ngày nào đó sẽ cưu mang sự sống và ý thức. Tất cả các quá trình vật lý này đòi hỏi ít nhất nhiều tỷ năm. Khoảng 13,8 tỷ năm trước, Big Bang đã cho vũ trụ một cú giãn nở chớp nhoáng từ một trạng thái cực kỳ nhỏ, nóng và đặc. Kể từ đó, vũ trụ đã không ngừng lớn lên và loãng đi. Đó là lý do tại sao hôm nay nó lại trống rỗng đến như thế. Chắc chắn, chúng ta sẽ không có mặt ở đây để nói về vũ trụ nếu như nó ít trống rỗng hơn. Cái Không, vì vậy, có liên hệ chặt chẽ với sự sống.

Nhưng câu hỏi thì vẫn còn đó: ở những nơi không có vật chất, liệu không gian có phải là hoàn toàn trống rỗng không? Một khái niệm từ hơn hai mươi thế kỷ vẫn ám ảnh mọi tâm trí: ether, được Empedocles đưa ra vào thế kỷ 5 trước CN và được làm sống lại bởi Aristotle. “Tinh chất thứ năm” này nhẹ hơn tất cả các chất đã biết (không khí, nước, đất và lửa) và có mặt khắp vũ trụ. Nó sẽ lấp đầy không gian, bất kể có sự hiện diện của vật chất hay không. Liệu không gian bên ngoài hành tinh của chúng ta có chứa đầy chất vô hình này? Nhiều tiếng nói có ảnh hưởng, bao gồm cả Descartes, đã lên tiếng, như chúng ta đã thấy, chống lại giả thuyết này. Đối với tác giả của Cogito , một không gian không chứa vật chất không thể tồn tại. Việc công bố thuyết vạn vật hấp dẫn của Isaac Newton ở nửa sau thế kỷ 17 và công trình của người đồng hương của ông là James Maxwell về sóng điện từ vào thế kỷ 19 sẽ khôi phục lại cuộc tranh luận về ether.