Trước khi có những phương trình, những phòng thí nghiệm và máy gia tốc khổng lồ, con người đã bắt đầu quá trình tìm hiểu thế giới bằng công cụ duy nhất có lúc bấy giờ: trí tuệ thuần túy và quan sát tự nhiên bằng mắt thường. Lịch sử vật lý bắt đầu từ những câu hỏi tưởng như đơn giản: “Vì sao mặt trời mọc và lặn?”, “Vì sao vật rơi xuống?”, “Vì sao lửa cháy?”, “Vì sao sấm sét xảy ra?”. Và để trả lời, các nền văn minh đầu tiên đã khởi đầu một hành trình dài hàng ngàn năm – hành trình của vật lý triết học.
Tại Ai Cập và Lưỡng Hà – những cái nôi đầu tiên của văn minh nhân loại – mặc dù chưa có vật lý theo nghĩa hiện đại, con người đã biết sử dụng các quy luật tự nhiên trong kiến trúc (kim tự tháp), thiên văn học (lịch nông nghiệp theo trăng sao), và thủy lực (kênh tưới tiêu). Những hiểu biết này chủ yếu là thực nghiệm không có lý thuyết, được truyền lại bằng kinh nghiệm và trực giác. Tuy nhiên, chúng lại đặt nền móng cho cái nhìn hệ thống về thế giới.
Ở Trung Hoa cổ đại, tư tưởng vật lý phát triển theo hướng gắn liền với triết học và vũ trụ học. Ngũ hành (Kim – Mộc – Thủy – Hỏa – Thổ) không chỉ là nguyên lý triết học mà còn được dùng để lý giải biến đổi tự nhiên: từ thời tiết, y học cho đến vật chất. Dù thiếu chính xác về mặt khoa học hiện đại, hệ thống này phản ánh một nỗ lực sớm trong việc tìm mô hình tổng quát hóa các hiện tượng.
Tại Ấn Độ cổ đại, các kinh Veda và triết lý Samkhya đã nêu lên nhiều khái niệm đáng chú ý: từ hạt cơ bản (paramanu – ý niệm rất gần với nguyên tử), đến lý thuyết về không – thời gian mang màu sắc triết học. Các học giả như Kanada (thế kỷ 6 TCN) đưa ra thuyết nguyên tử luận của riêng mình – độc lập với Democritus bên Hy Lạp. Trong hệ thống tư tưởng này, vật chất gồm các nguyên tử không thể chia nhỏ, và chuyển động của chúng tạo ra thế giới – một cách tiếp cận rất gần với vật lý nguyên tử.
Tuy nhiên, đỉnh cao đầu tiên của vật lý cổ đại xuất hiện ở Hy Lạp, nơi triết học tự nhiên được khai sinh như một ngành khoa học độc lập. Thales ở Miletus (thế kỷ 6 TCN) được xem là người đầu tiên đặt câu hỏi vật lý một cách trừu tượng: “Bản chất vạn vật là gì?”. Ông cho rằng mọi thứ sinh ra từ nước – đây không phải phát hiện đúng, nhưng là bước đầu tiên cho một thái độ khoa học: thay vì quy cho thần linh, hãy đi tìm lời giải trong thiên nhiên.
Anaximander – học trò của Thales – đưa ra khái niệm “apeiron”, tức là một thứ vô định, bất định từ đó sinh ra vũ trụ. Ý tưởng này cực kỳ tiên phong, vì nó là một trong những lý thuyết đầu tiên về vũ trụ khởi nguyên, giống như cách các nhà vật lý ngày nay mô tả Big Bang.
Sau đó, Pythagoras và môn phái của ông đưa toán học vào vũ trụ học, tạo ra bước ngoặt lớn: niềm tin rằng thế giới có thể hiểu được bằng con số và hình học. Ông cho rằng các hành tinh và ngôi sao vận hành theo tỷ lệ toán học giống như âm nhạc – một tư tưởng lãng mạn nhưng mở đường cho lý thuyết quỹ đạo sau này.
Democritus, thế kỷ 5 TCN, đưa ra một thuyết nguyên tử mà cho đến nay vẫn được coi là mang tính cách mạng: thế giới được cấu tạo từ các hạt rất nhỏ, không thể chia, gọi là “atomos”. Không có công cụ nào để chứng minh, nhưng ông hình dung rằng mọi sự vật – kể cả tâm hồn và tư duy – đều là kết quả từ sự va chạm và tổ chức của các nguyên tử trong chân không. Dù không có bằng chứng thực nghiệm, tư tưởng của ông gần gũi đến lạ thường với lý thuyết nguyên tử hiện đại.
Nhưng người có ảnh hưởng lớn nhất lại là Aristotle – người đưa ra một hệ thống thế giới có vẻ hợp lý và có logic nội tại, mặc dù về sau bị chứng minh là sai. Ông chia thế giới thành hai phần: thiên thượng (hoàn hảo, chuyển động tròn) và hạ giới (bất toàn, chuyển động thẳng). Ông cho rằng vạn vật rơi xuống vì chúng “muốn” trở về vị trí tự nhiên – lý thuyết “động cơ tự nhiên” nghe rất hợp lý thời đó, dù nó sai cơ bản. Aristotle cũng là người đầu tiên phân tích logic nguyên nhân, lập luận nhân quả, đặt nền móng cho phép quy nạp khoa học về sau.
Kỷ nguyên cổ đại kết thúc bằng những mâu thuẫn nội tại trong hệ thống lý luận, khi thiếu phương pháp thực nghiệm để xác minh. Mặc dù các khái niệm như nguyên tử, chân không, động lượng, không gian, và thời gian đều đã được phác thảo, chúng vẫn nằm trong phạm trù triết học chứ chưa trở thành vật lý đúng nghĩa. Tuy nhiên, sự tò mò và tư duy khái niệm mà thời cổ đại để lại chính là nền móng cho toàn bộ vật lý hiện đại, một cuộc hành trình vĩ đại chỉ vừa mới bắt đầu...
