Bốn nguyên tố đất nước khí lửa: từ Empedocles tới Aristotle và ether

Thuyết bốn nguyên tố cho rằng mọi vật được tạo nên từ đất, nước, khí và lửa. Người đề ra là Empedocles, triết gia Hy Lạp sống ở Sicily vào thế kỷ 5 TCN; Aristotle một thế kỷ sau gắn bốn nguyên tố với bốn tính nóng, lạnh, khô, ẩm và thêm "ether" làm chất thứ năm cho bầu trời. Khung này thống trị khoa học tự nhiên châu Âu và thế giới Hồi giáo gần hai nghìn năm, tới khi hoá học hiện đại thay thế vào thế kỷ 17–18.

Trước Empedocles: mỗi người chọn một chất

Các triết gia Hy Lạp đầu tiên, thường gọi là "tiền Socrates", đặt câu hỏi: vạn vật từ đâu ra? Họ đưa ra những câu trả lời một chất. Thales ở Miletus, theo lời Aristotle kể lại, cho rằng khởi nguyên là nước. Anaximenes, cũng ở Miletus, chọn khí: khí đặc lại thành gió, mây, nước, đất, đá; loãng ra thành lửa. Heraclitus ở Ephesus nói thế giới là "ngọn lửa sống mãi", lúc bùng lúc tắt theo chừng mực.

Vấn đề của các thuyết một chất là: nếu mọi thứ là nước, làm sao nước biến thành lửa, thứ ngược hẳn với nó? Parmenides còn đẩy câu hỏi đi xa hơn, lập luận rằng cái "có" không thể từ cái "không" mà ra, nên sinh và diệt thật sự là không thể. Empedocles trả lời cả hai vấn đề cùng lúc.

Empedocles: bốn "rễ" và hai lực

Empedocles quê ở Akragas, nay là Agrigento trên đảo Sicily. Ông viết bằng thơ, ít nhất hai tập thường được gọi là Về tự nhiên và Thanh tẩy, nay chỉ còn những mảnh được người đời sau trích lại. Năm 1999, các nhà nghiên cứu công bố thêm những mảnh mới từ một cuộn giấy cói ở Strasbourg, hiếm hoi trường hợp văn bản tiền Socrates được bổ sung trực tiếp.

Ông không dùng chữ "nguyên tố". Ông gọi chúng là bốn rễ (rhizōmata) và đặt cho mỗi rễ tên một vị thần: Zeus sáng chói, Hera, Aidoneus và Nestis. Thần nào ứng với chất nào thì ngay từ thời cổ đại đã có nhiều cách hiểu, chỉ Nestis gần như chắc chắn là nước. Ý chính thì rõ: có bốn chất gốc, không sinh không diệt, không chất nào biến thành chất nào. Cái ta gọi là sinh ra chỉ là trộn, chết đi chỉ là tách.

Để trộn và tách, Empedocles đặt ra hai lực: Tình yêu (Philotēs) kéo những cái khác nhau lại với nhau, và Xung khắc (Neikos) đẩy chúng ra. Vũ trụ chuyển qua lại giữa hai thái cực: lúc Tình yêu thắng hẳn, mọi thứ hoà vào một khối cầu; lúc Xung khắc thắng hẳn, bốn chất tách hẳn ra thành bốn lớp. Thế giới của chúng ta nằm ở giai đoạn giữa, khi hai lực đang giằng co.

Công thức của xương

Một mảnh thơ còn lại cho thấy Empedocles nghĩ theo tỉ lệ: xương trắng được tạo nên từ hai phần Nestis (nước), hai phần đất và bốn phần lửa. Đây không phải hoá học đúng, nhưng là ý tưởng rất hiện đại: vật khác nhau vì cùng mấy thành phần mà phối theo tỉ lệ khác nhau, như hoạ sĩ chỉ có vài màu mà vẽ được muôn vật. Chính Empedocles dùng hình ảnh người thợ vẽ trộn màu để so sánh.

Về cái chết của ông, Diogenes Laërtius kể lại truyền thuyết rằng ông nhảy vào miệng núi lửa Etna để người đời tin mình đã thành thần, và núi lửa phun lại một chiếc dép đồng của ông. Chính Diogenes cũng chép những bản kể khác. Đây là truyền thuyết, không phải sử liệu.

Plato: nguyên tố làm từ tam giác

Trong đối thoại Timaeus, Plato nhận bốn nguyên tố nhưng cho chúng một nền toán học. Mỗi nguyên tố ứng với một khối đa diện đều: lửa là tứ diện nhọn sắc, khí là bát diện, nước là nhị thập diện tròn trịa dễ lăn, đất là khối lập phương vững chãi. Các mặt của chúng lại được dựng từ những tam giác cơ bản, nên lửa, khí, nước có thể bẻ ra lắp lại thành nhau; riêng đất làm từ loại tam giác khác nên không chuyển được. Khối thứ năm, thập nhị diện, dành cho toàn thể vũ trụ.

Plato cũng là người dùng chữ stoicheia, vốn nghĩa là "chữ cái", để gọi các nguyên tố. Hình ảnh rất đẹp: vạn vật như chữ viết, ghép từ vài chữ cái. Từ chữ này, tiếng Latin có elementum, và tiếng Anh có "element".

Aristotle: bốn tính chất và chất thứ năm

Aristotle (384–322 TCN) giữ bốn nguyên tố nhưng thay đổi bản chất của chúng. Với ông, thứ thật sự cơ bản là hai cặp tính chất đối nghịch: nóng – lạnh và khô – ẩm. Mỗi nguyên tố là một cặp ghép:

Hệ quả quan trọng: khác với Empedocles, nguyên tố của Aristotle biến đổi được. Nước gặp nóng, đổi "lạnh" thành "nóng", hoá khí; đây chính là hơi nước bốc lên khi đun. Hai nguyên tố chung một tính chất thì chuyển cho nhau dễ hơn. Cánh cửa này về sau mở đường cho giả kim thuật: nếu chất này đổi được thành chất kia, thì biết đâu chì cũng thành vàng.

Với bầu trời, Aristotle thấy các thiên thể quay tròn không ngừng, không rơi, không tắt, nên chúng không thể làm từ bốn nguyên tố dưới mặt đất. Ông đề ra một chất thứ năm, sau gọi là ether. Các học giả Latin thời trung cổ gọi nó là quinta essentia, "tinh chất thứ năm", và tiếng Anh còn giữ chữ "quintessence" với nghĩa "tinh tuý".

Vì sao thuyết này sống lâu như vậy

Bốn nguyên tố khớp với kinh nghiệm hằng ngày một cách đáng kinh ngạc. Ví dụ hay được các tác giả cổ dùng: đốt một khúc củi tươi, ta thấy lửa, thấy khói bay lên như khí, thấy nhựa sôi rỉ ra như nước, cuối cùng còn tro như đất. Thuyết giải thích được vì sao đá rơi, lửa bốc, hơi nước bay, và vì sao bầu trời trông vĩnh cửu.

Thuyết cũng được ghép với y học cổ. Văn bản Về bản chất con người trong bộ Hippocrates đưa ra bốn thể dịch: máu, đờm, mật vàng, mật đen. Galen ở thế kỷ 2 gắn chúng với bốn tính chất của Aristotle, và từ đó có bốn khí chất mà sách tâm lý học tiếng Việt thường dịch là hăng hái, điềm tĩnh, nóng nảy và ưu tư. Đây là lịch sử tư tưởng y học; y học hiện đại không còn dùng khung này.

Các học giả thế giới Hồi giáo dịch và bình giải Aristotle, phát triển thêm thuyết lưu huỳnh – thuỷ ngân về kim loại. Châu Âu trung cổ nhận lại Aristotle qua các bản dịch ấy. Mãi tới thế kỷ 16–17, Paracelsus mới đề ra bộ ba muối – lưu huỳnh – thuỷ ngân, rồi Robert Boyle trong The Sceptical Chymist (1661) hoài nghi cả bốn nguyên tố lẫn bộ ba của Paracelsus. Câu chuyện từ đó tới 118 nguyên tố được kể trong một bài khác cùng danh mục.

Bốn nguyên tố và tứ đại: giống mà khác

Người Việt quen chữ "tứ đại" (đất, nước, gió, lửa) qua kinh Phật, và dễ nghĩ đó là bản Á Đông của thuyết Hy Lạp. Hai truyền thống có danh sách gần giống nhau, nhưng tứ đại trong Phật giáo được hiểu như bốn đặc tính (cứng, dính, nóng, động) hơn là bốn chất, và dùng để quán chiếu sự vô thường của thân thể. Ngũ hành Trung Hoa còn khác xa hơn, vì không có khí mà có gỗ và kim loại. Ba hệ này ra đời gần như cùng thời mà độc lập về cơ bản, chứ không phải bản sao của nhau.

Góc nhìn hôm nay

Nhiều sách phổ thông so bốn nguyên tố với bốn trạng thái vật chất: rắn, lỏng, khí và plasma (lửa là một dạng gần plasma). Phép so sánh này chỉ nên coi là gợi nhớ, vì người Hy Lạp nghĩ về chất chứ không về trạng thái. Điều thật sự còn lại từ Empedocles là ý tưởng vật chất được tạo nên từ vài thành phần cơ bản phối theo tỉ lệ; điều còn lại từ Aristotle là thói quen hỏi "vì sao vật này rơi, vật kia bay".

Muốn đọc tiếp, cuốn The Presocratic Philosophers của Kirk, Raven và Schofield có bản gốc và bản dịch các mảnh của Empedocles; Về sinh thành và huỷ diệt quyển II của Aristotle trình bày thuyết bốn tính chất. Nếu có dịp tới Sicily, Thung lũng Đền ở Agrigento, di sản thế giới UNESCO, là thành phố quê hương Empedocles, còn những ngôi đền Hy Lạp gần như nguyên vẹn.