Khoa học đơn giản là một cách để mô tả thế giới tự nhiên cùng với mối quan hệ của chúng ta với thế giới đó và vũ trụ bên ngoài. Và đó mới chỉ là một cách; thực tế đã có những cách gọi khác (chẳng hạn như thuật giả kim và tâm linh) đã được sử dụng từ rất lâu trước khi khoa học hiện đại ra đời. Mặc dù những cách này không cầu kỳ phức tạp, chúng hiển nhiên đã phát huy hiệu quả. Tôi luôn cảm thấy kinh ngạc khi mọi người hỏi: “Chúng ta đã làm gì trước khi có khoa học? Chúng ta có mảy may biết gì về thế giới của chúng ta hay không?” Câu trả lời rõ ràng là “Có!” Chúng ta đã biết rất nhiều về vũ trụ.

Những kiến thức mà chúng ta biết có hiệu quả tốt đến nỗi nó cung cấp cả một khuôn khổ để hiểu mọi thứ từ nguồn gốc của sự sống cho đến việc tại sao chúng ta đau ốm và cần phải làm gì khi ốm, cho đến cách chúng ta tính toán các chu trình của mặt trời, mặt trăng và các vì sao. Mặc dù loại tri thức này hiển nhiên không được mô tả bằng từ ngữ kỹ thuật mà chúng ta quen thuộc ngày nay, nó đã làm rất tốt việc kể một câu chuyện có ích về mọi thứ vận hành ra sao và tại sao chúng lại như vậy trên thực tế, hiểu biết đó tốt đến nỗi nền văn minh đó đã tồn tại hơn 5000 năm mà không phụ thuộc vào ngành khoa học mà chúng ta biết ngày nay.

Khoa học và thời đại khoa học nhìn chung được thừa nhận vào đầu những năm 1600. Vào tháng 7 năm 1687, Isaac Newton đã hình thành ngành toán học, thứ dường như đã mô tả thể giới thường nhật của chúng ta, qua việc xuất bản tác phẩm kinh điển của ông Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (tạm dịch: Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên).

Trong hơn 200 năm, những quan sát của Newton về tự nhiên đã là nền tảng của lĩnh vực khoa học mà mà giờ đây có tên gọi là “vật lý cổ điển”. Cùng với các thuyết của Maxwell về điện và hiện tượng từ tính vào cuối những năm 1800 và các thuyết tương đối của Einstein từ đầu những năm 1900, vật lý cổ điển đã cực kỳ thành công trong việc giải thích về những thứ có kích cỡ lớn mà chúng ta có thể quan sát thấy, chẳng hạn như sự chuyển động của các hành tinh hay quả táo rơi từ trên cây. Vật lý cổ điển đã phục vụ tốt đến nỗi chúng ta có thể tính toán quỹ đạo của các vệ tinh và thậm chí đưa con người lên mặt trăng.

Tuy nhiên vào đầu thế kỷ 20, những tiến bộ trong khoa học đã hé lộ ra một nơi trong tự nhiên mà ở đó các định luật của Newton dường như không còn đúng nữa: Đó là thế giới nhỏ bé của hạt nguyên tử. Trước đó, chúng ta không có công nghệ để nhìn vào thế giới hạt nguyên tử hay theo dõi cách thức các hạt hoạt động trong quá trình sinh ra của một ngôi sao ở một dải ngân hà xa xôi. Trong cả hai thế giới – nhỏ nhất và lớn nhất các nhà khoa học bắt đầu nhìn thấy những điều không thể giải thích bảng vật lý có điển. Một ngành vật lý mới cần được phát triển với các quy tắc sẽ giải thích những ngoại lệ trong thế giới thường nhật của chúng ta: những thứ diễn ra trong thế giới vật lý lượng tử.

Định nghĩa về vật lý lượng tử nằm trong chính cái tên của nó. Lượng tử có nghĩa là “một đoạn năng lượng điện từ rời rạc” – do đó, khi chúng ta nhìn vào bản chất của lượng tử, nó chính là nguyên liệu tạo thành thế giới của chúng ta. Các nhà vật lý học lượng tử sớm đã phát hiện ra rằng thứ trông có vẻ cứng đặc, liền mạch thực ra không hề cứng đặc, liền mạch chút nào. So sánh sau đây có thể giúp bạn hiểu được tại sao.

Khi rạp chiếu phim chiếu một bộ phim trên màn hình trước mặt chúng ta, chúng ta biết rằng câu chuyện đang được chiếu là một ảo ảnh. Chuyện tình hay tấn bi kịch giằng xé trái tim của chúng ta thực sự là kết quả của nhiều bức ảnh tĩnh được lướt qua rất nhanh, hết bức này đến bức khác, để tạo ra cảm giác về một câu chuyện liên tục. Trong khi mắt của chúng ta thực sự nhìn thấy những hình ảnh đơn theo từng khung hình, não bộ của chúng ta kết hợp các hình ảnh này thành thứ mà chúng ta cảm nhận là chuyển động liên tục không ngừng.

Các nhà vật lý lượng tử tin rằng thế giới của chúng ta vận hành theo cách tương tự. Ví dụ: Những gì chúng ta nhìn thấy như cú ghi điểm trong môn bóng bầu dục hoặc cú xoay ba vòng của vận động viên trượt băng nghệ thuật trong chương trình thể thao chiều Chủ nhật theo thuật ngữ lượng tử, thực chất là một chuỗi các sự kiện riêng lẻ xảy ra rất nhanh và sát sàn sạt nhau. Tương tự như cách rất nhiều hình ảnh xâu chuỗi với nhau để tạo thành một bộ phim trông rất thật, cuộc sống thực sự diễn ra như những tia sáng lóe lên chóng vánh, rất nhỏ gọi là “các lượng tử” (quanta). Các lượng tử của sự sống xảy ra nhanh đến mức trừ khi não của chúng ta được huấn luyện để hoạt động theo cách khác (như trong một số hình thức thiền định) bằng không nó sẽ chỉ là đưa các xung động về mức trung bình để tạo ra hành động trơn tru không gián đoạn mà chúng ta nhìn thấy như các chương trình thể thao ngày Chủ nhật.

Vật lý lượng tử là việc nghiên cứu những sự vật diễn ra trên quy mô rất nhỏ của các lực định ra nền tảng cho thế giới vật chất của chúng ta. Sự khác biệt trong cách mà dường như thế giới lượng tử và thế giới thường ngày vận hành đã tạo ra hai trường phái tư duy giữa các nhà khoa học trong vật lý hiện đại: vật lý cổ điển và vật lý lượng tử. Và mỗi trường phái đều có những lý thuyết để làm nền tảng cho chính nó.

Thử thách lớn từ trước tới hiện tại là kết hợp hai trường phái tư duy rất khác biệt này thành một quan điểm duy nhất về vũ trụ – một thuyết hợp nhất. Để làm vậy đòi hỏi sự tồn tại của thứ gì đó lấp đầy cái mà chúng ta nghĩ là không gian trống rỗng. Nhưng thứ gì có thể chiếm hữu không gian trống rỗng?