STEPHEN HAWKING& LEONARD MLODINOW
BẢN THIẾT KẾVĨ ĐẠI
TRẦN NGHIÊM dịch
Ebook miễn phí tại : www.Sachvui.Com

1 - Bí ẩn của sự tồn tại
Mỗi người chúng ta tồn tại nhưng chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn, và
trong thời gian đó chúng ta khám phá nhưng chỉ
khámphámộtphầnnhỏcủatoànbộvũtrụ. Nhưngconngười vốn là giống loài hiếu
kì. Chúng ta muốn biết, và chúng ta đi tìm những câu trả lời. Sống trong thế
giới rộng lớn đã phân chia thành thiện và ác này, và săm soi vào bầu trời bát
ngát phía trên đầu, con người luôn luôn nghi vấn biết bao nhiêu câu hỏi:
Làm thế nào chúng ta có thể tìm hiểu thế giới mà chúng ta tìm thấy bản thân
mình trong đó? Vũ trụ hành xử như thế nào? Bản chất của thực tại là gì?
Tất cả những cái này từ đâu mà có? Vũ trụ có cần một đấng sáng tạo không?
Đa số chúng ta không mất nhiều thời gian trong quãng đời mình để lo ngại
về những câu hỏi này, nhưng hầu như tất cả chúng ta đều lo ngại về chúng
vào lúc này hay lúc khác.
Thường thì đây là những câu hỏi dành cho triết học, nhưng triết học không
còn sinh sôi nữa. Triết học không đuổi kịp các phát triển hiện đại trong khoa
học, đặc biệt là vật lí học. Các nhà khoa học đã trở thành những người cầm
đuốc khám phá trong công cuộc đi tìm tri thức của chúng ta. Mục đích của
cuốn sách này là đưa ra những câu trả lời mà những khám phá và tiến bộ lí
thuyết gần đây đề xuất. Chúng dẫn chúng ta đến với một bức tranh mới của
vũ trụ và vai trò của chúng ta trong đó rất khác với vai trò truyền thống xưa
nay và thậm chí còn khác với bức tranh mà chúng ta đã có thể vẽ ra cách đây
một hoặc hai thập kỉ trước. Tuy nhiên, những phác họa đầu tiên của quan
điểm mới đó về vũ trụ có thể lần ngược dòng lịch sử về cách nay gần một thế
kỉ trước.
Theo quan niệm truyền thống của vũ trụ, các vật thể chuyển động trên những
lộ trình rõ ràng và có lịch sử xác định. Chúng ta có thể chỉ rõ vị trí chính xác
của chúng tại mỗi thời điểm trong thời gian. Mặc dù mô tả đó đủ thành công
cho những mục đích hàng ngày, nhưng vào thập niên 1920, người ta nhận ra
rằng bức tranh “cổ điển” này không thể nào mô tả cho hành trạng có vẻ kì
quái quan sát thấy ở cấp bậc nguyên tử và hạ nguyên tử của sự tồn tại. Thay
vào đó, điều cần thiết là thừa nhận một khuôn khổ khác, gọi là vật lí lượng
tử. Các lí thuyết lượng tử hóa ra hết sức chính xác trong việc tiên đoán các
sự kiện ở những cấp bậc đó, đồng thời còn tái dựng các tiên đoán của các lí
thuyết cổ điển cũ kĩ khi áp dụng cho thế giới vĩ mô của cuộc sống hàng

ngày. Nhưng vật lí lượng tử và vật lí cổ điển xây dựng trên những quan niệm
rất khác nhau của thực tại vật chất.

“... Và đó là triết lí của tôi”
Các lí thuyết lượng tử có thể thiết lập theo nhiều cách khác nhau, nhưng cái
có lẽ là mô tả trực quan nhất mang lại bởi Richard (Dick) Feynman, một
nhân vật đa tài làm việc tại Viện Công nghệ California và là một tay trống
bongo cừ khôi. Theo Feynman, một hệ không chỉ có một lịch sử mà có mọi
lịch sử khả dĩ. Khi chúng ta đi tìm những câu trả lời của mình, chúng ta sẽ
giải thích cách tiếp cận của Feynman một cách chi tiết, và dùng nó để khảo
sát quan điểm cho rằng vũ trụ tự nó không có một lịch sử đơn nhất, thậm chí
không có một sự tồn tại độc lập. Điều đó có vẻ như một ý tưởng triệt để,
thậm chí với nhiều nhà vật lí. Thật vậy, giống như nhiều quan điểm trong
khoa học ngày nay, nó có vẻ như vi phạm giác quan thông thường. Nhưng
giác quan thông thường dựa trên kinh nghiệm hàng ngày, chứ không dựa
trên vũ trụ như nó hé lộ qua các thành tựu của công nghệ như các thành tựu
cho phép chúng ta săm soi vào thế giới nguyên tử hoặc nhìn ngược về vũ trụ
sơ khai.
Cho đến khi ra đời vật lí học hiện đại, người ta thường nghĩ rằng toàn bộ
kiến thức về thế giới có thể thu được qua sự quan sát trực tiếp, rằng mọi thứ
là cái như chúng trông như vậy, như được cảm nhận qua các giác quan của
chúng ta. Nhưng sự thành công ngoạn mục của vật lí học hiện đại, nền khoa
học xây dựng trên các quan niệm như quan niệm của Feynman xung đột với
kinh nghiệm hàng ngày, chứng tỏ rằng suy nghĩ như thế là chưa đúng. Cái
nhìn chất phác như thế của thực tại, do đó, không tương thích với vật lí học
hiện đại. Để xử lí những nghịch lí như vậy, chúng ta sẽ chấp nhận một
phương pháp ta gọi là thuyết duy thực phụ thuộc mô hình. Nó xây dựng trên
quan niệm cho rằng não của chúng ta giải mã tín hiệu thu vào bởi các cơ

quan cảm giác của chúng ta bằng cách tạo ra một mô hình của thế giới. Khi
một mô hình như vậy thành công ở việc giải thích các sự kiện, chúng ta có
xu hướng gán cho nó, và cho các bộ phận và khái niệm cấu thành nên nó,
chất lượng của thực tại hay sự thật tuyệt đối. Nhưng có thể có những phương
pháp khác trong đó người ta có thể lập mô hình tình huống vật lí giống như
vậy, với mỗi mô hình sử dụng các bộ phận và khái niệm cơ bản khác nhau.
Nếu hai lí thuyết hay hai mô hình vật lí như vậy tiên đoán chính xác những
sự kiện như nhau, thì người ta không thể nói mô hình này thực tế hơn mô
hình kia; thay vào đó, chúng ta tùy ý sử dụng mô hình nào tiện lợi nhất đối
với mình.
Trong lịch sử khoa học, chúng ta đã và đang khám phá ra một chuỗi những lí
thuyết hay mô hình ngày một tốt hơn, từ Plato đến lí thuyết Newton cổ điển
đến các lí thuyết vật lí hiện đại. Liệu chuỗi khám phá này cuối cùng có đạt
tới một điểm kết, một lí thuyết tối hậu của vũ trụ, lí thuyết sẽ bao gồm hết
các lực và tiên đoán mọi quan sát mà chúng ta có thể thực hiện, hay là chúng
ta sẽ tiếp tục tìm thấy những lí thuyết tốt hơn nữa mãi mãi, và không bao giờ
có một lí thuyết nào mà không thể nào cải tiến thêm nữa? Cho đến nay,
chúng ta chưa có một câu trả lời dứt khoát cho câu hỏi này, nhưng hiện tại
chúng ta đã có một ứng cử viên cho lí thuyết tối hậu của mọi thứ, nếu thật sự
một lí thuyết như vậy có tồn tại, gọi là lí thuyết M. Lí thuyết M là mô hình
duy nhất có mọi tính chất mà chúng ta nghĩ lí thuyết tối hậu sẽ phải có, và nó
là lí thuyết mà phần lớn nội dung thảo luận của chúng ta ở phần sau xây
dựng trên đó.
Lí thuyết M không phải là một lí thuyết theo ý nghĩa thông thường. Nó là cả
một họ gồm những lí thuyết khác nhau, mỗi một lí thuyết đó là một mô tả tốt
của những quan sát chỉ trong một chừng mực nào đó của các tình huống vật
lí.
Nó có chút gì đó giống như một tấm bản đồ. Như ai cũng biết, người ta
không thể nào thể hiện toàn bộ bề mặt của trái đất trên một tấm bản đồ. Phép
chiếu Mercator bình thường dùng cho bản đồ thế giới tạo ra những vùng
trông mỗi lúc một lớn hơn ở xa về phía bắc và phía nam, nhưng không bao
quát Cực Bắc và Cực Nam. Để lập bản đồ đầy đủ của toàn bộ trái đất, người
ta phải sử dụng một tập hợp bản đồ, mỗi bản đồ bao quát một khu vực hạn
chế. Các bản đồ chồng lên nhau, và ở nơi chúng chồng lên nhau, chúng thể
hiện diện mạo giống như nhau. Lí thuyết M tương tự như vậy. Những lí
thuyết khác nhau trong họ hàng lí thuyết M có thể trông rất khác nhau,

nhưng chúng đều có thể xem là những khía cạnh của cùng một lí thuyết cơ
sở. Chúng là các phiên bản của lí thuyết chỉ có khả năng áp dụng trong
những ngưỡng hạn chế - thí dụ, khi những đại lượng nhất định, như năng
lượng, là nhỏ. Giống như các tấm bản đồ chồng lên nhau trong phép chiếu
Mercator, nơi các vùng thuộc những phiên bản khác nhau chồng lấn, chúng
tiên đoán các hiện tượng giống như nhau. Nhưng giống hệt như việc không
có tấm bản đồ phẳng nào là đại diện tốt cho toàn bộ bề mặt của trái đất,
không có một lí thuyết đơn lẻ nào là đại diện tốt của các quan sát trong mọi
tình huống.

Bản đồ thế giới. Có thể cần đến một loạt những lí thuyết chồng lấn lên nhau
để thể hiện vũ trụ, giống hệt như việc cần có nhiều tấm bản đồ chồng lên
nhau để thể hiện toàn bộ bề mặt trái đất.
Chúng ta sẽ mô tả lí thuyết M có thể mang lại những câu trả lời như thế nào
cho câu hỏi sáng tạo. Theo lí thuyết M, vũ trụ của chúng ta không phải là vũ
trụ duy nhất. Thay vào đó, lí thuyết M tiên đoán rằng có rất nhiều vũ trụ đã
sinh ra từ trống rỗng. Sự sáng tạo của chúng không đòi hỏi sự can thiệp của
một thế lực siêu nhiên hay thần thánh nào hết. Thay vào đó, các đa vũ trụ
này phát sinh tự nhiên từ quy luật vật lí. Chúng là một dự đoán của khoa học.
Mỗi vũ trụ có nhiều lịch sử khả dĩ và nhiều trạng thái khả dĩ ở những thời
điểm sau này, nghĩa là ở những thời điểm như hiện nay, đã lâu sau sự sáng
tạo của chúng. Đa số những trạng thái này sẽ có chút không giống với vũ trụ
mà chúng ta quan sát thấy và khá không thích hợp cho sự tồn tại của bất kì
dạng thức sống nào. Chỉ rất rất ít vũ trụ sẽ cho phép những loài sinh vật như
chúng ta tồn tại mà thôi. Vì thế, sự có mặt của chúng ta chọn ra từ vô số
những vũ trụ này chỉ những vũ trụ có khả năng tương thích với sự tồn tại của
chúng ta. Mặc dù loài người chúng ta nhỏ bé và yếu đuối ở cấp bậc vũ trụ,
nhưng chính điều này mang lại cho chúng ta cảm giác mình là những vị vua
của tạo hóa.

Để tìm hiểu vũ trụ ở cấp độ sâu sắc nhất, chúng ta cần phải biết không những
vũ trụ hành xử như thế nào, mà còn phải hiểu tạ i sao nữa.
Tạ i sao lạ i có cái gì đ ó chứ chẳ ng phả i hư vô cả ?
Tạ i sao chúng ta tồ n tạ i?
Tạ i sao lạ i là tậ p hợ p nhữ ng quy luậ t đặ c biệ t này chứ chẳ ng phả i nhữ
ng quy luậ t nào khác?
Đây là Câu hỏi Tối hậu của Cuộc sống, Vũ trụ, và Mọi thứ. Chúng ta sẽ cố
gắng trả lời nó trong quyển sách này. Không giống như câu trả lời có trong
cuốn Tìm hiể u Thiên hà của Hitchhiker, câu trả lời của chúng ta sẽ không
đơn giản là “42”.




2 - Vai trò của quy luật
Chú sói Skoll xua đ uổ i Mặ t tră ng Cho đế n khi chú bay lên Khu rừ ng Đ
au buồ n Còn sói Hati, họ Hridvirnir Thì ráo riế t theo đ uổ i Mặ t trờ i
“Grimnismal” – Văn thơ Băng đảo cổ rong thần thoại của người Viking,
Skoll và Hati săn đuổi mặt trời và mặt trăng. Khi hai con sói bắt gặp nhau,
thì có một kì nhật Tnguyệtthực. Khihiệntượngnàyxảyra,
mọingườitrêntráiđấtđổ xô đi cứu mặt trời hoặc mặt trăng bằng cách la hét
càng ồn ào càng tốt nhằm xua đuổi lũ sói. Có những câu chuyện thần thoại
na ná như vậy trong những nền văn hóa khác nhau. Nhưng sau một thời gian,
người ta phải để ý thấy rằng mặt trời và mặt trăng sớm hiện ra khỏi pha nhật
nguyệt thực, cho dù họ có chạy vòng quanh, la hét, và gõ tung mọi thứ lên
hay không. Sau một thời gian, họ cũng phải để ý thấy rằng nhật nguyệt thực
không chỉ xảy ra một cách ngẫu nhiên: Chúng xuất hiện đều đặn, với chu kì
lặp lại hẳn hoi. Những chu kì lặp lại này dễ thấy nhất đối với hiện tượng
nguyệt thực và đã cho phép những người Babylon cổ đại dự báo nguyệt thực
khá chính xác mặc dù họ không nhận ra được rằng chúng có nguyên do là
bởi trái đất chặn mất ánh sáng của mặt trời.
Nhật thực thì khó dự báo hơn vì chúng chỉ có thể trông thấy ở những dải hẹp
trên trái đất rộng chừng 30 dặm thôi. Tuy nhiên, một khi đã hiểu thấu, thì rõ
ràng chu kì nhật thực không phụ thuộc vào ý thích tùy hứng của các thế lực
siêu nhiên, mà bị chi phối bởi những quy luật nào đó.
Bất chấp một số thành công buổi đầu trong việc dự đoán chuyển động của
các thiên thể, đa số các sự kiện trong tự nhiên trước con mắt của tổ tiên
chúng ta là không thể nào dự báo trước được. Núi lửa, động đất, bão tố, dịch
bệnh, và móng chân mọc ngược vào trong dường như xảy ra mà chẳng có
nguyên do rõ ràng hay chu kì lặp lại nào hết. Vào thời cổ đại, cái người ta tự
nhiên nghĩ đến là quy các tác động dữ dội của tự nhiên cho một vị thần tinh
nghịch hay những vị chúa trời ác tính. Các tai họa được xem là dấu hiệu của
việc chúng ta đã làm điều gì đó xúc phạm đến chúa trời. Thí dụ, vào khoảng
8 năm 5600 tCN, núi lửa Mazama ở Oregon bùng nổ, gieo vãi đất đá và tro
bụi trong nhiều năm, và dẫn tới nhiều năm mưa rào cuối cùng gây ngập
miệng núi lửa ngày nay gọi là Hồ Miệng núi lửa. Những người thổ dân
Klamath xứ Oregon có một truyền thuyết phù hợp chính xác với từng chi tiết
địa chất của sự kiện trên, nhưng thêm thắt một chút hư cấu với việc miêu tả
một người là nguyên nhân gieo rắc tai ương. Tội lỗi của con người là người
ta luôn có thể tìm ra những cách để tự khiển trách. Như truyền thuyết kể lại,

Llao, chúa tể Địa ngục, đã phải lòng cô con gái xinh đẹp tuyệt trần của một
thủ lĩnh Klamath. Cô gái cự tuyệt vị chúa tể, cho nên để trả thù, Llao muốn
thiêu trụi xứ Klamath trong biển lửa. May thay, theo truyền thuyết, Skell, vị
chúa tể Thiên đường, đã thương xót loài người và ra tay đấu sức với vị chúa
tể cõi âm. Cuối cùng thì Llao bị thương và rơi trở vào trong ngọn Mazama,
để lại một cái hố khổng lồ, và miệng hố ấy cuối cùng thì chứa đầy nước.

Nhật thực. Người xưa không biết nguyên nhân gây ra nhật thực, nhưng họ
thật sự để ý đến sự xuất hiện có chu kì của chúng.
Sự thiếu hiểu biết trước các hiện tượng tự nhiên đã đưa những con người
thời cổ đại phát minh ra thần thánh và tôn vinh các thế lực siêu nhiên trong
mọi mặt đời sống của con người. Có các vị thần tình yêu và chiến tranh; thần
mưa 9
và thần sấm; kể cả thần động đất và thần núi lửa. Khi các vị thần vui vẻ, thì
loài người được hưởng thời tiết tốt, hòa bình, và không phải hứng chịu thảm
họa thiên nhiên và bệnh tật. Khi các vị thần bực dọc, thì xảy ra hạn hán,
chiến tranh, dịch hạch và các loại dịch bệnh. Vì mối quan hệ nhân quả trong
tự nhiên không hiện rõ trước con mắt của họ, nên những vị thần này có vẻ
thật bí hiểm, và loài người sống nhờ vào lòng nhân đức của họ. Nhưng với
Thales xứ Miletus (khoảng 624 tCN – khoảng 546 tCN) , cách nay chừng
2600 năm trước, điều đó bắt đầu thay đổi. Quan điểm nảy sinh là tự nhiên
tuân thủ những nguyên tắc phù hợp có thể hiểu được. Và vì thế bắt đầu quá
trình lâu dài là thay thế quan niệm về thế giới thần thánh bằng quan niệm về
một vũ trụ bị chi phối bởi các quy luật tự nhiên, và được tạo ra theo một bản
thiết kế mà một ngày nào đó chúng ta sẽ có thể đọc ra được.
Nhìn theo tiến trình lịch sử nhân loại, sự thẩm tra khoa học là một nỗ lực rất
mới. Giống loài của chúng ta, Homo sapiens, có gốc gác ở vùng hạ Sahara

thuộc châu Phi khoảng năm 200.000 tCN. Ngôn ngữ viết chỉ có niên đại
khoảng năm 7000 tCN, là sản phẩm của các xã hội quần tụ xung quanh
những khu vực trồng ngũ cốc. (Một số chữ khắc cổ thậm chí nói về khẩu
phần bia hàng ngày cho phép đối với từng người dân) Những bản viết tay
sớm nhất từ nền văn minh vĩ đại thuộc Hi Lạp cổ đại có niên đại vào thế kỉ
thứ 9 tCN, nhưng đỉnh cao của nền văn minh đó, “thời kì cổ điển” , xuất hiện
vài trăm năm sau đó, bắt đầu đâu đó trước năm 500 tCN. Theo Aristotle (384
tCN – 322 tCN) , khoảng thời gian đó Thales đã lần đầu tiên phát triển ý
tưởng cho rằng thế giới là có thể hiểu được, rằng những thứ phức tạp diễn ra
xung quanh chúng ta có thể giản lược thành những nguyên lí đơn giản hơn
và giải thích được mà không cần viện dẫn những yếu tố hoang đường hoặc
thần thánh.
Thales được sử sách ghi nhận là người đầu tiên dự báo nhật thực xảy ra vào
năm 585 tCN, mặc dù độ chính xác lớn của cái ông dự đoán có khả năng chỉ
là một sự may mắn tình cờ. Ông là một nhân vật không rõ ràng tung tích, vì
ông chẳng để lại bản viết nào của riêng ông cả. Ngôi nhà của ông là một
trong những trung tâm trí tuệ nằm trong một vùng gọi là Ionia, xứ xở thuộc
địa của Hi Lạp, và có sức ảnh hưởng cuối cùng lan tỏa đến tận Thổ Nhĩ Kì
và Italy ở phía tây xa xôi. Nền khoa học Ionia là một thành tựu được đánh
dấu bởi sự say mê cao độ trong việc hé lộ các quy luật cơ bản nhằm giải
thích các hiện tượng tự nhiên, một mốc son chói lọi trong lịch sử tư tưởng
của loài người. Cách tiếp cận của họ là duy lí và trong nhiều trường hợp đưa
đến những kết luận giống một cách bất ngờ với cái mà các phương pháp
phức tạp hơn của chúng ta đưa chúng ta đến chỗ tin tưởng như ngày nay. Đó
là một sự khởi đầu vĩ đại. Nhưng nhiều thế kỉ trôi qua, phần nhiều khoa học
Ionia đã bị lãng quên – thỉnh thoảng đâu đó trong lịch sử, nó được khám phá
trở lại hay phát minh ra trở lại.

Theo truyền thuyết, công thức toán học đầu tiên của cái ngày nay chúng ta

gọi là một quy luật tự nhiên có từ một con người thời kì Ionia tên gọi là
Pythagoras (khoảng 580 tCN – khoảng 490 tCN) , nhân vật nổi tiếng với
định lí mang tên ông: bình phương cạnh huyền (cạnh dài nhất) của một tam
giác vuông bằng tổng bình phương của hai cạnh còn lại. Sử sách kể rằng
Pythagoras đã phát hiện ra mối liên hệ số học giữa chiều dài các sợi dây
dùng trong các nhạc cụ và sự kết hợp hài hòa của âm thanh. Theo ngôn ngữ
ngày nay, chúng ta sẽ mô tả mối liên hệ đó bằng cách nói rằng tần số – số
dao động trong mỗi giây của một sợi dây dao động dưới một sức căng cố
định tỉ lệ nghịch với chiều dài của sợi dây. Từ quan điểm thực tiễn, điều này
lí giải vì sao đàn ghita bass phải có dây dài hơn đàn ghita thường. Pythagoras
có lẽ không thật sự phát hiện ra điều này – và có lẽ ông cũng chẳng khám
phá ra định lí mang tên ông – nhưng có bằng chứng cho thấy vào thời đại
của ông, người ta đã biết tới một số liên hệ giữa chiều dài dây nhạc cụ và
phách. Nếu đúng như vậy thì người ta có thể gọi công thức toán học đơn
giản đó là thí dụ đầu tiên của cái ngày nay chúng ta gọi là vật lí lí thuyết.
Ionia. Các học giả ở Ionia cổ đại nằm trong số những người đầu tiên lí giải
các hiện tượng tự nhiên qua các quy luật của tự nhiên thay vì dựa trên thần
thánh.
Ngoài định luật dây đàn của Pythagoras ra, những định luật vật lí duy nhất
được biết chính xác đối với người cổ đại là ba định luật được mô tả chi tiết
bởi Archimedes (khoảng 287 tCN – khoảng 212 tCN) , nhà vật lí lỗi lạc nhất
thời cổ đại. Theo thuật ngữ ngày nay thì định luật đòn bẩy lí giải rằng những
lực nhỏ có thể nâng những đối trọng lớn vì đòn bẩy khuếch đại lực theo tỉ số
của hai khoảng cách đến điểm tựa của đòn bẩy. Định luật sự nổi phát biểu
rằng mọi vật nhúng trong một chất lỏng sẽ chịu một lực hướng lên bằng với
trọng lượng của phần chất lỏng bị chiếm chỗ. Và định luật phản xạ ánh sáng
thừa nhận rằng góc hợp giữa một chùm ánh sáng và gương bằng với góc hợp
giữa gương và chùm tia phản xạ. Nhưng Archimedes không gọi chúng là
những định luật, ông cũng không lí giải chúng theo kiểu liên hệ với sự quan
sát và đo đạc.
Thay vì thế, ông xem chúng như thể chúng là những định lí thuần túy toán
học, trong một hệ tiên đề giống hệt như cái Euclid sáng tạo cho bộ môn hình
học.
Khi hệ tư tưởng Ionia lan rộng, ở Ionia xuất hiện những con người nhìn thấy
vũ trụ có một trật tự bên trong, một trật tự có thể hiểu được thông qua quan

sát và lí giải. Anaximander (khoảng 610 tCN – khoảng 546 tCN) , một người
bạn và có lẽ là học trò của Thales, cho rằng vì con người lúc mới sinh ra
không có khả năng tự tồn tại, cho nên nếu những con người đầu tiên bằng
cách nào đó được mang đến trên trái đất lúc mới sơ sinh, thì loài người
chẳng thể sống sót.
Trong cái có lẽ là sự nhận thức mơ hồ đầu tiên về sự tiến hóa của nhân loại,
như Anaximander lí giải, loài người phải tiến hóa từ những loài động vật
khác có con nhỏ mới sinh cứng cáp hơn. Ở Sicily, Empedocles (khoảng 490
tCN –
khoảng 430 tCN) đã quan sát công dụng của một thiết bị gọi là cái đồng hồ
nước. Thỉnh thoảng được dùng làm môi múc nước, nó gồm một quả cầu có
một cái cổ hở và những lỗ nhỏ dưới đáy. Khi dìm trong nước thì nước tràn
đầy vào bên trong, và khi đó nếu như người ta đậy nắp cổ lại, thì có thể nâng
đồng hồ nước lên mà nước bên trong không chảy ra ngoài. Empedocles để ý
thấy nếu như bạn đậy nắp cổ lại trước khi dìm nó vào trong nước, thì nước
không tràn vào bên trong đồng hồ nước được. Ông lí giải rằng một cái gì đó
không nhìn thấy đã ngăn không cho nước tràn qua các lỗ nhỏ vào trong quả
cầu – ông đã khám phá chất liệu ngày nay chúng ta gọi là không khí.
Cũng khoảng thời gian trên, Democritus (khoảng 460 tCN – khoảng 370
tCN) , quê xứ thuộc địa Ionia ở miền bắc Hi Lạp, thì suy nghĩ về cái xảy ra
khi bạn đập vỡ hay cắt một vật thành từng mảnh. Ông cho rằng bạn không
thể nào tiếp tục quá trình đó một cách vô hạn. Thay vào đó, ông cho rằng
mọi thứ, kể cả mọi sinh vật sống, cấu tạo từ những hạt cơ bản không thể nào
phân tách hay chia nhỏ ra được nữa. Ông đặt tên cho những hạt vật chất tối
hậu này là nguyên tử, theo từ nguyên Hi Lạp có nghĩa là “không thể chia
cắt”. Democritus tin rằng mỗi hiện tượng vật chất là sản phẩm của sự va
chạm của các nguyên tử. Theo quan điểm của ông, đặt tên là nguyên tử luận,
tất cả các nguyên tử liên tục chuyển động trong không gian và, trừ khi có sự
tác động, chúng chuyển động mãi mãi thẳng về phía trước. Ngày nay, quan
điểm đó được gọi là định luật quán tính.
Quan điểm mang tính cách mạng cho rằng chúng ta là những cư dân bình
thường của vũ trụ, chứ chẳng phải giống loài đặc biệt hiện hữu tại trung tâm
của vũ trụ, lần đầu tiên được bảo vệ bởi Aristarchus (khoảng 310 tCN –
khoảng 230 tCN) , một trong những nhà khoa học Ionia cuối cùng. Chỉ một
trong những tính toán của ông còn sót lại, đó là một phân tích hình học phức

tạp của những quan sát tỉ mĩ của ông về kích cỡ của cái bóng của Trái đất in
lên trên mặt trăng trong một kì nguyệt thực. Ông kết luận từ số liệu của ông
rằng Mặt trời phải lớn hơn rất nhiều so với Trái đất. Có lẽ lấy cảm hứng từ
quan điểm cho rằng những vật thể nhỏ bé phải quay vòng xung quanh những
vật thể đồ sộ chứ không thể nào khác đi, nên ông trở thành người đầu tiên
cho rằng Trái đất không phải nằm tại trung tâm của hệ hành tinh của chúng
ta, mà thay vào đó, nó và các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời lớn
hơn nhiều. Đó là một tiến bộ nhỏ từ sự nhận thức trái đất chỉ là một hành
tinh bình thường cho đến quan điểm rằng mặt trời của chúng ta chẳng có gì
đặc biệt hết. Aristarchus nghi ngờ vào điều này và ông tin rằng các ngôi sao
mà chúng ta thấy trên bầu trời đêm thật ra chẳng là gì ngoài những mặt trời ở
xa.
Quan niệm của người Ionia thuộc một trong nhiều trường phái triết học Hi
Lạp cổ đại, mỗi trường phái có những truyền thống khác nhau và thường
mâu thuẫn với nhau. Thật không may, quan điểm của người Ionia về tự
nhiên – nó có thể giải thích qua những định luật tổng quát và giản luận thành
một tập hợp những nguyên lí đơn giản – chỉ có sức ảnh hưởng mạnh trong
vài ba thế kỉ.
Một lí do là các lí thuyết Ionia thường có vẻ không có chỗ dành cho khái
niệm tự nguyện hoặc mục đích, hay quan niệm thần thánh can thiệp vào sự
hoạt động của thế giới. Đây là những thiếu sót đáng chú ý khiến nhiều nhà tư
tưởng Hi Lạp cũng như nhiều người ngày nay lo ngại. Nhà triết học Epicurus
(341 – 270 tCN) , chẳng hạn, đã phản đối nguyên tử luận trên thực tế là “tốt
hơn nên tin tưởng vào thần thoại về các vị thần thay vì trở thành 'nô lệ' cho
vận mệnh của các nhà triết học tự nhiên”. Aristotle cũng phản đối khái niệm
nguyên tử vì ông không thể chấp nhận rằng con người sống cấu tạo từ những
thứ vô tri vô giác, không có linh hồn. Quan niệm Ionia rằng vũ trụ không
phải do con người làm chủ là một mốc son trong sự hiểu biết của chúng ta về
vũ trụ, nhưng nó là một quan niệm bị người ta ruồng bỏ, và không thèm nhặt
lại lần nữa, hay được chấp nhận rộng rãi, cho đến thời Galileo, gần hai mươi
thế kỉ sau đó.
Một số suy đoán của chúng về bản chất vũ tr