Suốt lịch sử tồn tại của mình, thiên văn và vật lí luôn là 2 môn khoa học đi liền với nhau, cùng góp phần vào sự phát triển nhận thức của nhận loại. Bài viết dưới đây xin phép không nhắc đến toàn bộ các bước phát triển của vật lí học từ cơ học, điện học, … đến vật lí lượng tử ngày nay.
1. Lược sử thiên văn học
Bài viết dưới tôi chỉ xin được trình bày một phần hiểu biết của bản thân về những ngày đầu tiên của thiên văn học và cơ học. Trong bài này, đôi chỗ tôi đã xin phép được sử dụng một số thông tin trong một số cuốn sách tôi đã may mắn được đọc như Giáo trình thiên văn, 7 bước đến vật lí hiện đại, Các lực trong tự nhiên….
1.1- Quan niệm cũ của con người về vũ trụ và hệ Mặt Trời
1.1.1 Thần thoại
Thuở xa xưa của con người, tất cả đều tỏ ra bí ẩn. Loài người lo sợ trước tất cả, từ những hiện tượng đơn giản như mưa, nắng, gió…đến các thiên tai như lũ lụt, mưa bão…. và cả những biện tượng kì lạ như nhật thực, nguyệt thực. Với hiểu biết hạn chế của mình, loài người khi đó không thể giải thích được các hiện tượng như vậy, thậm chí họ hoàn toàn bất lực trước những tai hoạ do thiên nhiên mang đến. Sống trong lo sợ, con người dần tin vào những nguyên nhân mang đến tai hoạ cho họ - những nguyên nhân được dựng lên nhờ chính trí tưởng tượng của họ. Cùng với thời gian, những câu truyện tưởng tượng được hệ thống lại và trở thành những cái mà ngày nay ta vẫn gọi là thần thoại.
Thần thoại xuất hiện sớm ở các nước có nền văn minh phát triển sớm như Hi Lạp, ấn Độ, Trung Quốc.
Hi Lạp là đất nước có thần thoại được xây dựng có hệ thống chặt chẽ nhất. Thần thoại Hy Lạp ghi lại rằng thuở xưa, khi toàn bộ các sinh vật còn chưa xuất hiện, cả vũ trụ chỉ là một vực thẳm đen tối tên là Chaos. Thế rồi từ Chaos mới sinh ra địa ngục, bóng tối, đêm đen, đất (Gaia) và tình yêu. Đất mẹ Gaia chính là nguồn gốc của tất cả các vị thần sau này.
Thế giới thiên đình trong thần thoại Hy Lạp gồm có nhiều thần trong đó có 12 vị thần tối cao :
Zeus
Hades
Poseidon
Hera
Hestia
Demeter
Apollon
Artemix
Atena
Aphrodite
Ares
Hephaitos
Theo thần thoại Ấn Độ, mọi sinh vật trong đó có loài người đều ra đời từ thần Mẹ. Cũng từ thần mẹ còn ra đời các thần cai quản các công việc, ngành nghề của loài người và cả yêu quái, ma quỷ.
Ở Trung Quốc, mọi hoạt động của con người và cả thiên tai, lũ lụt đều do thế giới thiên đình cai quản. Thiên đình, nơi ngự trị của ngọc hoàng và các thần linh, thiên binh, thiên tướng là nơi cao xa vĩnh cửu, nơi con người không bao giờ có thể đặt chân tới. Nhìn chung tổ chức thiên đình này được sao chép tương đối chính xác với mô hình triều đình của người Trung Hoa cổ.
Thần thoại Việt Nam có nhắc đến một câu chuyện kể lại nguyên nhân khai sinh ra Trái Đất và vũ trụ. Đó là truyện “Thần trụ trời”, truyện kể rằng thời xưa trời đất hoàn toàn chỉ là một mớ hỗn độn. Cho đến một ngày nọ, một vị thần xuất hiện, thần vươn tấm thân khổng lồ của mình đứng dậy, dùng 2 tay nâng bầu trời lên và lấy chân đạp đất tách ra khỏi trời. Khi trời đất đã phân chia, thần lấy đất đá xây thành một cái cột để chống trời. Đến khi trời đất đã ổn định, thần phá cột và ném đất đá đi khắp nơi tạo thành sông núi, biển cả.
Nói chung, mỗi nơi, mỗi dân tộc có một cách giải thích riêng của mình. Mỗi cách giải thích đều phụ thuộc vào quan niệm và văn hoá của từng nơi và chịu ảnh hưởng của một sự khuôn mẫu hoá nào đó.
1.1.2 Kinh thánh và tôn giáo
Như trên đã nói, mỗi câu chuyện thần thoại ra đời đều xuất phát từ những lo lắng, khát vọng và tất nhiên là cả từ những ước mơ được nắm bắt tự nhiên của con người. Thần thoại phát triển cùng với sự phát triển của xã hội phong kiến loài người. Việc biến thần thoại trở thành một phương tiện quyền lực trở nên cần thiết đối với các nhà nước phong kiến, và từ đó các tôn giáo ra đời. Nói chính xác, tôn giáo chính là sự hệ thống hoá một cách hoàn chỉnh nhất các câu chuyện thần thoại, đưa nó vào cuộc sống xã hội với mục đích tối đa về quyền lực cho xã hội
Kinh thánh có ghi rằng Thượng Đế đã sáng tạo ra con người và toàn bộ vũ trụ trong 6 ngày.
Ngày thứ nhất Thượng Đế sáng tạo ra sự sáng và sự tối
Ngày thứ hai Thượng đế nặn ra toàn vũ trụ
Ngày thứ ba nặn ra Trái Đất
Ngày thứ tư nặn ra Mặt Trời và Mặt Trăn
Ngày thứ năm nặn ra các loài cây và động vật
Và ngày thứ sáu Thượng Đế nặn ra con người
Tóm lại là toàn bộ vũ trụ đã được sáng tạo ra sau 6 ngày lao động của nghệ sĩ thiên tài – Thượng Đế.
Nhìn chung, tất cả các câu chuyện thần thoại cũng như nội dung của kinh thánh nói trên đều tỏ ra thiếu sức thuyết phục. Nhưng với khả năng hiểu biết còn hạn hẹp thời đó, con người đã tạm bằng lòng với những cách giải thích đơn giản và dễ hiểu đó. Mặt khác do ảnh hưởng của xã hội phong kiến mà các bí ẩn của tự nhiên càng được dấu kín hơn nữa.
Tuy nhiên khoa học thì buộc phải phát triển, sức mạnh của khoa học, của sự thật là không gì chống lại được. Những tư tưởng đầu tiên về vũ trụ duy vật bắt đầu được hình thành từ những thế kỉ 2, 3 trước Công Nguyên, mở đầu cho quá trình khám phá vũ trụ của con người.
Thế kỉ VI trước Công nguyên, Tallette đã tính được rằng chu kì thời tiết là 365 ngày, dự đoán được từng ngày có nhật thực, nguyệt thực. Theo Tallette, mọi thứ trong tự nhiên đều tạo thành từ nước và sớm muộn cũng lại về là nước. Tiếp theo, Aristotle cho rằng thế giới tự nhiên được tạo thành từ 4 yếu tố cơ bản (Element) là đất , nước, không khí và lửa.
Một nhà triết học khác là Democrite đưa ra ý tưởng rằng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ, tuy nhiên ngoài Trái đất, Mặt Trời và Mặt Trăng còn có vô số các thiên thể khác hợp lại thành Ngân Hà. ông cũng đã nói rằng mọi dạng vật chất đều chỉ là sự kết hợp các nguyên tố mà thành.
Chính những ý tưởng đầu tiên này mà các nhà thiên văn cổ đã dần khám phá ra tương đối chính xác chu kì nhật động, chu kì thời tiết và quĩ đạo biểu kiến của các thiên thể trên bầu trời. Đó chính là những cơ sở bước đầu cho sự ra đời của mô hình địa tâm Ptolemy sau này.
1.3-Ptolemy với tác phẩm Almagest và mô hình vũ trụ địa tâm
Năm 125 sau Công nguyên, Claudius Ptolemy (100-170 sau Công nguyên) đưa ra tác phẩm Almagest mô tả lại toàn bộ cấu tạo và chuyển động của bầu trời. Đặc biệt, trong tác phẩm này, Ptolemy đưa ra một mô hình vũ trụ tương đối đầy đủ và chính xác với những đạc điểm nhìn thấy của bầu trời (ngày nay gọi là mô hình địa tâm Ptolemy)
Nội dung chủ yếu của mô hình địa tâm Ptolemy là như sau:
- Trái Đất nằm ở trung tâm vũ trụ.
- Quay xung quanh Trái Đất là các mặt cầu của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh. Mặt cầu nằm xa nhất là mặt cầu chứa các sao cố định. Đây chính là biên của vũ trụ
- Mặt Trời và Mặt Trăng chuyển động trên quĩ đạo của mình với chu kì nhỏ hơn chu kì nhật động.
- Các hành tinh chuyển động với quĩ đạo tròn trên mặt cầu của mình.
- Tâm quĩ đạo của sao Thuỷ và sao Kim nằm trên đường nối tâm Mặt Trời- Trái Đất.
Nhìn chung thì mô hình địa tâm của Ptolemy mô tả tương đối chính xác các chuyển động nhìn thấy cuả bầu trời, giải thích được nhiều đặc điểm chuyển động của các hành tinh như sự dao động trên thiên cầu so với “các sao cố định” hay điểm đặc biệt của quĩ đạo chuyển động của sao Thuỷ và sao Kim….
Tuy nhiên bản thân Ptolemy cũng thừa nhận mô hình của ông chỉ là những mô tả kết luận cho những quan sát trực tiếp mà chưa thể khẳng định toàn bộ về cấu tạo của vũ trụ. Đáng tiếc rằng chính sự mô tả thiếu chính xác này đã vô tình trở thành cơ sở để củng cố thêm cho thuyết về sự sáng tạo của Chúa Trời trong các tôn giáo.
Hơn 1000 năm , mẫu địa tâm Ptolemy tồn tại vững chắc dưới sự bảo hộ của nhà thờ tôn giáo. Với nhiều quan sát tỉ mỉ hơn, mô hình địa tâm bộc lộ nhiều điểm thiếu sót, người ta đã phải đưa thêm vào mô hình này nhiều các mặt cầu hơn, các quĩ đạo rắc rối hơn làm cho mô hình hình học của mẫu này trở nên hết sức rắc rối, khó mà tưởng tượng hết được. Mặc dù vậy , như trên đã nói, với sự bảo hộ quá vững chắc của nhà thờ tôn giáo, đó đã là mô hình chuẩn của vũ trụ cho đến năm 1543.
1.4. Cơ học và những khám phá về vũ trụ và bầu trời
1.4.1 Hệ nhật tâm Copernics, con tàu Trái Đất được khởi động
Ngay từ những ngày đầu tiên khi mô hình địa tâm Ptolemy bị nghi ngờ, một mô hình nhật tâm đã được đưa ra với mục đích phủ nhận mẫu địa tâm này. Tuy nhiên, tất cả mọi quan sát cũng như sự can thiệp của giáo hội thời đó đều có tính phủ nhận làm cho nó dần bị lãng quên. Phải 1500 năm sau khi mẫu địa tâm ra đời và thống trị tư duy con người, mô hình nhật tâm mới được chứng minh. Năm 1543, năm cuối cùng của đời mình, Nicolas Copernics (1473 – 1543) đã cho xuất bản cuốn “Về sự tự quay của thiên cầu” trong đó ông giải thích rất rõ về mô hình nhật tâm của mình:
- Mặt Trời nằm ở trung tâm vũ trụ (do đó gọi là hệ nhật tâm Copernics)
- Các hành tinh chuyển dộng cùng chiều quanh Mặt Trời theo các quĩ đạo tròn.
- Ngoài chuyển động quanh Mặt Trời, Trái đất còn tự quay quanh trục của nó
- Mặt Trăng chuyển động tròn quanh Trái Đất
- Các sao rất xa cố định trên thiên cầu.
Về cơ bản, mô hình hệ nhật tâm Copernics mô tả tương đối đúng về cấu trúc hệ Mặt Trời và giải thích được hiện tượng nhật động và chuyển động của các thiên thể trên thiên cầu.
Tiếp tục ý tưởng về hệ nhật tâm, Jordano Bruno (1548 – 1600) còn cho rằng mỗi sao là một Mặt Trời (chứ Mặt Trời không thể là trung tâm của vũ trụ) và như vậy thì sự sống không chỉ tồn tại trên Trái đất mà là phổ biến trong vũ trụ. Chính vì ý tưởng này mà năm 1600, Bruno bị thiêu sống với lí do “chống lại sự sắp đặt của Chúa Trời”
-Những năm 1577 - 1588, Tycho Brahe - một nhà thiên văn nổi tiếng người Đan Mạch đã thực hiện những quan sát hết sức tỉ mỉ của mình và lập ra danh mục tương đối chính xác của 788 sao trên thiên cầu.
1.4.2 Sự ra đời của vật lí thực nghiệm và cơ học thiên thể
Là môn khoa học ra đời sớm nhất của nhân loại, vật lí luôn đóng vai trò hết sức quan trọng trong đời sống và nhận thức mỗi con người. Tuy nhiên trong suốt nhiều năm tồn tại, sự phát triển của môn khoa học này chỉ là dựa trên cơ sở quan sát. Người ta đưa ra các nguyên tắc vật lí mà không cần có một sự giải thích nào cả, tất cả chỉ là sự mô tả các hiện tượng được tổng quát hoá. Người đầu tiên có công sáng lập ra các phương pháp nghiên cứu vật lí là Galileo Galilei (1564–1642), một trong nhưng người đầu tiên dũng cảm bảo vệ cho mô hình hệ nhật tâm Copernics. Phương pháp nghiên cứu của Galilei có thể mô tả như sau: dựa trên các số liệu thực nghiệm đã được loại trừ các nhân tố phụ, cố gắng thiết lập các hệ thức toán học chính xác có tính chất định lượng giữa các tham số đặc trưng cho hiện tượng nghiên cứu, và từ đó thiết lập định luật vật lí. Có thể nói, Galilei là người sáng lập ra vật lí thực nghiệm. Học thuyết Aristotle, một học thuyết đã ăn sâu vào nhận thức của con người suốt 2000 năm khẳng định rằng vũ trụ là tĩnh, mọi định luật là đã được định sẵn trên cái tĩnh đó, mọi chuyển động đều là sai với tự nhiên. Dựa trên cơ sở đó mà Ptolemy chỉ ra rằng các ngôi sao là những quả cầu lửa đính trên một khối cầu pha lê bao quanh Trái Đất. Galilei nghiên cứu các định luật của vật lí Aristotle và nhận thấy nhiều điểm vô lí trong học thuyết này. Bằng nhiều thí nghiệm cụ thể, ông đã đưa ra những chứng minh về sự sai lầm của học thuyết Aristotle như thí nghiệm thả rơi các vật từ tháp nghiêng Pisa để chứng minh cho sự rơi có gia tốc của các vật hay giải thích thí nghiệm thả một qu cầu trên con tàu đang chạy (thí nghiệm này chính là cơ sở cho sự ra đời của định luật quán tính mà sau này Newton mới chính thức phát biểu đầy đủ – mọi vật luôn bảo toàn chuyển động của mình). ít năm sau đó, Galilei mới đưa ra một vế nữa của định luật quán tính mà ông tạm phát biểu như sau: mọi sự thay đổi về trạng thái chuyển động đều có thể qui cho sự can thiệp của môi trường xung quanh.
Thí nghiệm của Galilei về sự bảo toàn vận tốc của các vật:
Một trong nhữngluận cứ của những người theo học thuyết Aristotle đưa ra để phủ nhận mô hình nhật tâm Copernics là việc thả rơi một con tàu. Họ lí giải như sau: Nếu ta thả rơi một qu cầu trên đỉnh cột buồm của một con tàu đứng yên thì quả cầu sẽ rơi xuống đúng vào chân cột buồm. Cái đó không có gì phải bàn. Mặt khác khi con tàu đang chạy thì quả cầu sẽ rơi cách cột buồm một đoạn. Đó là vì trong khi quả cầu rơi trong không khí thì con tàu đã chạy được một đoạn rồi. Như vậy thì suy ra nếu Trái Đất thật sự có quay thì trong khi thả quả cầu ngay cả khi con tàu đứng yên thì nó vẫn cứ phi chạy được một đoạn cùng với Trái Đất. Như thế thì quả cầu phi rơi cách cột buồm một đoạn, vậy mà nó vẫn cứ rơi đúng chân cột buồm, điều đó chứng tỏ một điều là Trái đất không hề có một chuyển động nào cả. Thế nhưng những người đó, họ chỉ biết lí luận chứ chưa hề làm thí nghiệm kiểm chứng. Galilei đã chứng minh rằng ngay cả khi con tàu chuyển động thì quả cầu vẫn rơi đúng chân cột buồm, và như vậy thì quả cầu vẫn phi rơi đúng chân cột buồm ngay cả khi Trái Đất có chuyển động như thế nào chăng nữa. Ông nêu rõ rằng vì quả cầu và con tàu luôn mang theo cùng một vận tốc, khi ngưòi đứng trên cột buồm nắm tay cầm quả cầu thì quả cầu cùng chuyển động với con tàu. Khi người đó thả tay ra thì quả cầu vẫn mang theo được vận tốc ban đầu này mà nó đã được nhận từ trước đó. Do đó việc quả cầu chạm chân cột buồm không thể kết luận rằng con tàu có chuyển động hay không. Cũng như vậy, vì mọi vật luôn luôn bảo toàn chuyển động của mình nên không thể kết luận xem Trái đất có chuyển động hay không dựa vào thí nghiệm này.
Khi ta ngồi trên một con tàu kéo dèm kín, ta không thể xác định được là nó có chuyển động hay không và nếu có thì nó đang chuyển động theo chiều nào. Cũng vậy, Galilei cho rằng đó chính là lí do khiến ta không thể cảm nhận thấy sự chuyển động của Trái Đất khi ta đứng trên nó. Và như vậy, Galilei chính là người đầu tiên khám phá ra nội dung chính của định luật quán tính mà sau này trở thành nội dung của định luật thứ nhất của Newton – một trong những định luật cơ bản nhất của động lực học.
Tác phẩm thiên văn học lớn nhất của Galilei là cuốn sách “đối thoại về hai hệ thống vũ trụ” trong đó ông chỉ ra sự khác biệt giữa 2 hệ thống Ptolemy và Copernics để rồi kết luận sự đúng đắn của hệ nhật tâm Copernics và nêu lên sự sụp đổ hoàn toàn của mô hình địa tâm Ptolemy. Năm 1604, một ngôi sao rất sáng bỗng xuất hiện trên bầu trời, các nhà khoa học thời đó xôn xao. Nhiều người cho rằng đó là sự xuất hiện của một ngôi sao băng, có ý kiến lại cho rằng đó là một thiên thạch khổng lồ. Galilei đã chỉ ra rằng đó thực chất chỉ là một vụ bùng nổ thời kì cuối của một ngôi sao mà ông tạm gọi là hiện tượng siêu tân tinh (Super Nova).
Bằng quan sát qua kính thiên văn của mình, Galilei cũng chỉ ra rằng Trái đất không thể là trung tâm của vũ trụ như mô hình vũ trụ địa tâm Ptolemy. Qua kính thiên văn, Galilei nhận thấy Mặt Trăng cũng có núi non và các thung lũng như Trái Đất, như vậy thì khó mà tin rằng Trái Đất lại có một vị trí ưu tiên nào trong vũ trụ và Mặt Trăng thì không thể là “quả cầu lửa” như Ptolemy đã nói. Trong khi đó, Galilei lại đồng thời phát hiện ra 4 vệ tinh lớn của sao Mộc (mà khi đó ông tạm gọi là các vệ tinh Medici với mục đích lấy lòng vị giáo hoàng yêu thích thiên văn này), một minh chứng cho thấy rằng không chỉ Trái Đất mới có vệ tinh quay quanh. Nếu như sao Mộc cũng có các vệ tinh quay quanh như Mặt Trăng quay quanh Trái Đất thì bản thân tất cả chúng, cả sao Mộc và Trái đất cũng đều cần phải quay quanh một tâm chung nào đó. điều này đã được Galilei đưa vào cuốn “Đối thoại” làm một bằng chứng thực nghiệm góp phần vào việc khẳng định mô hình nhật tâm Copernics. Những năm cuối của cuộc đời mình, Galilei không nhìn được nữa. Đôi mắt của ông đã dành quá nhiều cho những quan sát Mặt Trời và đôi mắt đó đã loà đi vì ánh Mặt Trời. Linh mục Casstelli, một người bạn của Galilei khi đó đã viết :”Thế là cặp mắt tinh anh nhất mà tự nhiên tạo ra nay đã tắt rồi!”
Cùng với sự ra đời của vật lí thực nghiệm Galilei, một người nữa có đóng góp hết sức quan trong trong việc ra đời của môn cơ học thiên thể là Johanne Kepler (1571 – 1630). Chính Kepler là người đã gửi cho Galilei toàn bộ nội dung của hệ nhật tâm Copernics để từ đó ra đời cuốn “Đối thoại…”. Bằng những phương pháp toán học chính xác của mình, Kepler đã cho ra đời một ngành khoa học mới trong lịch sử khám phá vũ trụ của con người – cơ học thiên thể. Nội dung cơ bn trong những nghiên cứu của Kepler có thể tóm gọn trong 3 định luật mà chúng ta sẽ nhắc tới kĩ hơn ở phần sau của bài viết này.
1.4.3. Newton – Các nguyên lí của triết học tự nhiên
Ra đời đúng vào năm mất của Galilei (1642), Newton chính là người đưa toàn bộ các lí thuyết của Galilei lên tuyệt đỉnh vinh quang. Để thuật lại và đánh giá hết những đóng góp của Newton cho vật lí - thiên văn học một cách ngắn gọn nhất, xin được trích ra những dòng sau (đây là những dòng được viết trên bia mộ của Newton):
Ở đây yên nghỉ
Ngài Isaac Newton
Người mà dường như với sức mạnh thần diệu của trí tuệ riêng
Lần đầu tiên
Bằng phương pháp toán học của mình
Đã giải thích
Hình dạng và chuyển động của các hành tinh
Đường đi của các sao chổi, thuỷ triều của đại dương
Ông là người đầu tiên nghiên cứu sự đa dạng của các tia sáng
Và rút ra từ đó các đặc điểm của màu sắc mà trước đó chưa ai hề nghĩ tới
Là một người giải thích sáng suốt, siêng năng và đúng đắn
Về tự nhiên, về cổ đại và các bút tích thiêng liêng
Bằng học thuyết của mình, ông làm quang vinh cho đấng sáng tạo toàn năng
Bằng cuộc đời của mình, ông chứng minh điều giản đơn mà kinh thánh đòi hỏi
Hỡi những người quá cố, hãy vui mừng vì có niềm tự hào của nhân loại sống cùng
Sinh ngày 25 tháng 12 năm 1642
Mất ngày 20 tháng 3 năm 1727
Có lẽ những dòng trên đủ để nói lên toàn bộ những đóng góp của Newton cho thiên văn cũng như vật lí học. Với cuốn sách “Các nguyên lí của triết học tự nhiên”, Newton đã phát triển và thống nhất toàn bộ các định luật và các nghiên cứu của Galilei để cùng với các định luật cơ bản của động lực học do ông đưa ra, lập nên toàn bộ cơ học cổ điển (ngày nay vẫn gọi là cơ học cổ điển Newton). Chính với 3 định luật cơ bản của động lực học và sự ra đời của định luật vạn vật hấp dẫn (một định luật hoàn toàn xứng đáng với cái tên của nó vì chẳng có vật nào mà lại không có hấp dẫn), Newton chính là người thực hiện bước quan trọng nhất trong việc chứng minh hệ nhật tâm Copernics. Và cũng thật kì lạ rằng Newton không chỉ sinh ra đúng vào năm mất của Galilei mà còn sinh ra vào đúng ngày 25 tháng 12 (ngày sinh của JESUS), có phải vì thế mà trong căn nhà nơi Newton chào đời còn được lưu lại dòng chữ của đức giáo hoàng trao tặng :
”Tự nhiên và các qui luật của tự nhiên còn chìm trong đêm tối, Thượng Đế truyền Newton hạ giới, và tất cả đều bừng sáng”.
Quả thật đúng như vậy, Newton chính là “niềm tự hào của nhân loại”
Cùng với sự nỗ lực của nhiều nhà vật lí khác, cơ học cổ điển đã được hoàn toàn hoàn tất vào cuối thế kỉ XVIII .
Do đây không phi là một bản tường thuật lại lịch sử vật lí học nên xin phép tôi được dừng ở đây về vấn đề này. Đây chỉ là một bài thuật lại đôi nét về lịch sử phát triển của thiên văn học có gắn với những bưóc phát triển quan trọng của vật lí. Vì lí do đó tôi đã xin được bỏ qua nhiều khâu trong những bước phát triển của vật lí học, nhất là sự phát triển của điện học vào thế kỉ XVIII với những nhà vật lí thực nghiệm xuất sắc như Faraday, Maxwell…. Bài này chỉ xin giới hạn ở những điều nói trên, tức là các vấn đề về cơ học có liên quan mật thiết đến việc phát triển nhận thức bước đầu của con người về vũ trụ. Giai đoạn sau của vật lí học với sự ra đời của cơ học lượng tử và vật lí tương đối tính có những góp phần hết sức quan trọng vào sự khai sinh và phát triển của vũ trụ học (cosmoslogy) thế kỉ XX và những năm đầu thế kỉ XXI này. Tuy nhiên tôi cũng xin phép không nhắc ở đây, các bạn có thể tham khảo vấn đề này trong nội dung của “Chủ đề tháng 6: Con người và Vũ trụ” (NoHellandHeaven)
2. Hấp dẫn, hấp dẫn…
Chắc rằng chúng ta đều biết hiện các lực trong tự nhiên được chia thành 4 dạng cơ bn là lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân và các tương tác yếu. Trong khuôn khổ bài viêt này, như trên đã nói, tôi sẽ xin được trình bày đôi chút về các định luật cơ bn của cơ học thiên thể mà một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc xác lập các định luật này là cái mà người ta gọi là “hấp dẫn”.
2.1 Bạn biết gì về hấp dẫn?
Trước hết xin hãy khẳng định rằng “vạn vật” đều hấp dẫn. Bất cứ là cái gì, một khi nó tồn tại trong vũ trụ này, để được gọi là một “vật” thì bản thân nó phi mang theo khối lượng, và như thế là nó phải có hấp dẫn. Từ chỗ này lại xin khẳng định một điều nữa là cho đến thời điểm tôi viết những dòng này chưa có một lí thuyết nào cho phép giải thích rằng “tại sao đã có khối lượng thì phải có hấp dẫn?”
Nói một cách ngắn gọn, lực hấp dẫn luôn là lực hút, không bao giờ có thể là lực đẩy, đó là tính chất quan trọng nhất của nó. Một tính chất quan trọng thứ hai mà ai cũng biết là lực này luôn tỷ lệ với khối lượng hai nguồn hấp dẫn và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Có lẽ những điều trên ai cũng biết cả, nhưng không phi ai cũng biết hết các tác dụng và sức mạnh của hấp dẫn trong tự nhiên. Mọi thứ chúng ta đang thấy được và bản thân cả sự sống của chúng ta sẽ khác nhiều thậm chí sẽ không tồn tại nếu thiếu hấp dẫn. Nhờ có hấp dẫn mà đồ vật, cây cối và cả con người không bị ném lung tung vào vũ trụ theo đủ mọi hướng bất cứ khi nào có chuyển động. Nhờ nó mà chúng ta mới có các vệ tinh, các con tàu nghiên cứu không gian và tất nhiên là nhờ nó mà mới hình thành cái thế giới này. Nhân nói về sự ra đời của các con tàu, các vệ tinh nhân tạo, chúng ta hãy nói qua một chút về một hiện tượng hấp dẫn gọi là …
Sự rơi vô hạn
Khi ta ném một vật trong không khí (trên Trái Đất) thì vật đó sẽ chuyển động dần ra xa ta (tất nhiên) và cũng tất nhiên là sớm muộn nó cũng phải chạm đất (rơi). Đấy là vì hấp dẫn đã không cho phép nó chuyển động mãi mãi như vậy. Tuy nhiên nếu ta ném với một lực càng mạnh thì nó sẽ càng văng đi xa hơn do khi đó ta đã truyền cho nó một động năng lớn hơn theo hướng chống lại hấp dẫn của Trái đất. Vậy thì với một lực nhất định nào đó, tức là nếu ta có thể truyền cho nó một vận tốc nhất định nào đó thì nó có thể sẽ thắng được hấp dẫn một cách vĩnh viễn. Ngày nay ta biết tới các giá trị tốc độ vũ trụ (áp dụng cho các mục đích khác nhau của các con tàu vũ trụ) trong đó có tốc độ vũ trụ cấp 1 là 7,9km/s. Đây chính là tốc độ để một vật có thể thoát khỏi hấp dẫn để không bị hút ngược trở lại, tuy nhiên nó vẫn bị buộc chặt vào Trái Đất mà không thể bay đi đâu được. Đó là vì ngoài chuyển động quán tính do được nhận động năng ban đầu, nó còn chịu một chuyển động nữa là chuyển động rơi, và như vậy trường hợp này ta gọi chuyển động của vật là sự rơi vô hạn.
Vậy là mọi vật trong vũ trụ đều có hấp dẫn và đều phải chịu hấp dẫn. Thật khó tìm được một thành tựu khoa học nào có giá trị nếu không có sự có mặt phần nào của hấp dẫn trong đó. Hơn thế nữa, hấp dẫn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách và như vậy có nghĩa là dù có bị yếu đi bao nhiêu lần thì nó vẫn tồn tại, nó có tầm tác dụng vô hạn, bất chấp mọi khoảng cách và bất chấp cả môi trường nữa. Tiện đây xin được nói sơ qua về điều khẳng định trên: hấp dẫn có tầm tác dụng xa vô hạn và bất chấp mọi môi trường.
Ngay sau thời gian Newton đưa ra khái niệm hấp dẫn, giới khoa học không ngừng tranh cãi, vậy thì hấp dẫn truyền đi như thế nào? Nhiều nhà vật lí khi đó đưa ra một khái niệm mới, theo họ thì “không gian sợ sự trống rỗng”, và do đó để hấp dẫn có thể truyền qua mọi khoảng cách thì không gian phải được lấp đầy bởi một loại vật chất cho phép truyền mọi loại tương tác trong đó. Và thế là khái niệm Ete ra đời. Vậy là vũ trụ tràn ngập bởi Ete, mọi chuyển động của chúng ta đều là chuyển động trong Ete. Cả Trái Đất cũng quay quanh mặt Trời trên một quĩ đạo đầy Ete, tất cả đều bơi trong một biển Ete khổng lồ. Đó là quan điểm của những người theo thuyết tác dụng gần. Newton phản đối điều này, ông khẳng định rằng Ete không hề tồn tại, nhất là khi chưa có thực nghiệm chứng minh sự tồn tại của nó. Thật vậy, nếu như quả thật tràn ngập không gian của chúng ta là một chất Ete nào đó thì lí do nào mà ta lại không thể cảm nhận thấy ta đang chuyển động trong nó. Lẽ nào Ete chuyển động cũng chiều với tất cả chúng ta ở khắp mọi nơi? Lẽ nào lại có một loại vất chất thần diệu mà không hề có ma sát để ta không thể cảm nhận được nó và nó lại không hề cản trở chuyển động của Trái Đất? Với Newton, chân lí bao giờ cũng đn giản và dễ hiểu, chính ông là người đầu tiên phản đối lí thuyết này. Theo ông, hấp dẫn là loại tương tác có thể truyền đi trong mọi môi trường và với vận tốc vô hạn, tức là ngay khi một vạt thể có khối lượng xuất hiện thì nó sẽ gây ra hấp dẫn và đồng thời chịu hấp dẫn của các vật thể khác ngay tức khắc bất chấp mọi khoảng cách (tác dụng ngay tức khắc). Ngày nay ta biết rằng hấp dẫn có tốc độ truyền tương tác chính bằng với tốc độ truyền của bức xạ điện từ trong chân không. Hấp dẫn là loại lực yếu nhất trong 4 loại lực cơ bn nhưng lại là loại lực có tầm tác dụng xa nhất và gặp phổ biến nhất trong mọi hiện tượng của tự nhiên.
Về lịch sử phát triển của lí thuyết hấp dẫn cũng như những cuộc tranh cãi xung quanh khái niệm Ete thì quả thật còn rất nhiều mà nếu nói ra đầy thì sẽ biến đây thành một bài bình luận về các quá trình cơ học mất. Mặt khác do giới hạn của chủ đề này là “Vũ trụ và cơ học – Lược sử thiên văn học” nên xin phép dừng ở đây, nêu có điều kiện, tôi sẽ xin được trình bày kĩ hơn về vấn đề này ở một chủ đề khác trong nhưng tháng tới đây.
2.2 Định luật vạn vật hấp dẫn
Định luật Vạn vật hấp dẫn, một định luật hết sức cơ bản mà có lẽ chẳng cần nhắc ra thì ai cũng đã biết đến nội dung của nó rồi. Tuy nhiên vẫn xin được nhắc lại một lần nữa:
“Mọi vật luôn hấp dẫn lẫn nhau với một lực tỷ lệ với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.” Đấy là nội dung hết sức quen thuộc của định luật này. Còn về bản thân các đặc điểm hấp dẫn thì đều đã được nhắc đến ở trên. Vậy thì ở đây xin nói rõ xem liệu định luật nổi tiếng này đã làm được những gì cho Thiên văn học của chúng ta.
Thực chất, ứng dụng đầu tiên của định luật này là ứng dụng vào thiên văn học. Chính nhờ định luật vạn vật hấp dẫn mà Newton tính được chính xác các nhiễu loạn của Mặt Trời tác động vào Mặt Trăng. Hơn thế nữa, nó còn được sử dụng vào việc xác định chu kì của các sao chổi. Đặc biệt, việc tính toán chính xác chu kì xuất hiện của sao chổi Hallei là một bằng chứng cho sự thành công rực rỡ của cơ học Newton. Newton còn dựa vào định luật này mà tiên đoán được sự dẹt ở 2 cực của Trái Đất.
Từ một sự bất thường trong quĩ đạo chuyển động của sao Thiên Vương mà năm 1846, người ta phát hiện ra hành tinh thứ tám của hệ Mặt Trời tại một vị trí đã được tính toán trước – sao Hải Vưng (Neptune) . Ngay cả việc nghiên cứu sự hình thành của hệ Mặt trời cũng như việc xây dựng nên thuyết “bầu trời” của Cante cũng dựa trên những phương trình của định luật hấp dẫn này.
Xác định hằng số hấp dẫn G, đo khối lượng Trái đất
Hằng số G được xác định đơn giản như sau. Ta đã biết rằng hấp dẫn tỷ lệ với khối lượng 2 vật và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Sử dụng một cân đĩa 2 bên đặt 2 quả nặng bằng nhau có cùng khối lượng đã được biết trước. Cân đĩa này hoàn toàn cân bằng. Bây giờ đặt xuống dưới một trong 2 đĩa cân một quả nặng khác có khối lượng khá lớn so với 2 quả nặng kia. Kết quả khi đó thu được là đĩa cân có thêm một khối lượng đặt phía dưới sẽ bị lệch xuống nhiều hơn so với đĩa cân bên kia do hấp dẫn của quả nặng mới này. Độ lệch này cho phép xác định được giá trị của hấp dẫn do quả nặng mới tác dụng lên quả đặt sẵn trên đĩa cân. Biết khối lượng 2 quả và khoảng cách giữa chúng, thay vào công thức hấp dẫn ta ra được hằng số G (giá trị của G xem cuối bài).
Như vậy ta đã xác định được giá trị của hằng số G. Bây giờ đặt thêm lên đĩa cân bên kia một khối lượng nữa, đĩa cân này lấy lại được ưu thế của mình so với bên có một quả nặng đặt phía dưới. Dựa vào sự thay đổi cân bằng này, ta lại xác định được lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên quả nặng mới đặt lên. Thay giá trị của lực này cùng với giá trị của G, khối lượng quả năng và khoảng cách của nó đến Trái Đất sẽ thu được khối lượng tưng đối chính xác của Trái Đất (~6 triệu tỷ tỷ tấn)
Cùng với 3 định luật cơ bản của động lực học và 3 định luật chuyển động hành tinh của Johanne Kepler, “Vạn vật hấp dẫn” đã trở thành một trong những nền móng cơ bản và vững chắc nhất cho việc xây dựng nên toàn bộ nền cơ học cổ điển nói chung và ngành cơ học thiên thể nói riêng.
2.3 Các định luật Kepler
Với những khám phá liên tiếp trong những thế kỉ XVI, XVII như hệ nhật tâm Copernics, các công trình thực nghiệm của Galilei, các định luật do Kepler đưa ra về sự chuyển động của các hành tinh trong hệ Mặt Trời có thể được coi là những định luật căn bản, đặt nền móng đầu tiên cho ngành cơ học thiên thể và là một trong nhưng bước ngoặt lớn trong quá trình xây dựng thiên văn học hiện đại. 3 định luật của Kepler có thể phát biểu như sau:
1. Các hành tinh chuyển động quanh Mặt trời theo quĩ đạo hình elip mà Mặt Trời nằm tại một trong 2 tiêu điểm của elip quĩ đạo.
2. Bán kính vectơ của hành tinh quét những diện tích bằng nhau trong nhưng khong thời gian bằng nhau
3. Bình phương chu kì chuyển động của hành tinh tỷ lệ với luỹ thừa bậc ba của nửa trục lớn quĩ đạo
Như vậy ta thấy rằng các hành tinh chuyển động quanh Mặt trời không phi theo một quĩ đạo tròn mà là theo quĩ đạo elip (thực ra là gần tròn) và hành tinh có tốc độ chuyển động càng nhanh khi càng tới gần Mặt Trời (nhanh nhất khi ở cận điểm và chậm nhất khi ở viễn điểm)
Định luật thứ 3 đưa ra công thức liên hệ giữa chu kì chuyển động của hành tinh và bán kính quĩ đạo của chúng. Từ đó cho phép xác định nhiều đặc điểm chuyển động của hành tinh hoặc xác định chu kì của từng hành tinh đó. Biểu thức chính xác của định luật này có dạng như sau:
(m1 + m2) . P^^² = 4 p²a³/G
m1: khối lượng Mặt Trời
m2: khối lượng hành tinh
P: chu kì chuyển động của hành tinh
G: hằng số hấp dẫn (G = 6,67 . 10¯ạạ)
Có lẽ những gì trình bày trên đây chưa thể được coi là một bài tóm tắt lịch sử Thiên văn học và những gì đã nêu cũng vẫn còn nhiều thiếu sót. Bản thân những dòng trên cũng còn nhiều điểm chưa hoàn chỉnh và dường như chưa thể là những dòng cuối cùng. Tuy nhiên tôi đành xin dừng ở đây vì chưa biết viết gì hơn thế nữa và cũng chẳng biết tìm đâu ra một kết luận cho bài viết này. Dù sao tôi vẫn hy vọng những gì trên đây đã phần nào thỏa mãn được cái tên “Lược sử thiên văn học” trong những giai đoạn đã được nhắc đến. Cũng xin được nhắc lại rằng bài trên chỉ nhắc đến các bước phát triển của thiên văn học gắn liền với quá trình sáng lập và hoàn tất cơ học cổ điển. Sự ra đời và phát triển của “Vũ trụ học” trong 2 thế kỉ gần đây không có nhiều sự góp mặt của cơ học Newton cũng như cơ sở toán học chính của nó là hình học Euclite. Nền tảng của những thành tựu Vũ trụ học (Cosmoslogy) trong 2 thế kỉ qua có sự đóng góp chủ yếu của cơ học lượng tử và vật lí tương đối tính mà tôi xin phép không nói đến trong phạm vi của bài viết này. Tôi rất hi vọng có thể trình bày về vấn đề này trong một chủ đề gần đây.
5. Một số sự kiện của Thiên văn và vật lí thiên văn trong thời gian hoàn thành cơ học cổ điển Newton và các sự kiện nổi bật của Thiên văn học hiện đại thế kỉ 20
Trong suốt những thế kỉ 17,18,19, 20 là thời kì phát triển hết sức mạnh mẽ của Thiên văn và Vật lí với những khám phá quan trọng cho nhận thức của nhân loại về vũ trụ. Do đây là một bài tường thuật lịch sử Thiên văn học nên xin được bỏ qua các giai đoạn vật lí ít có liên quan như các giai đoạn của Nhiệt học hay Điện học.
-Năm 1659, Huygens - nhà Thiên văn Hà Lan phát hiện ra vành đai của sao Thổ.
-Năm 1688, chiếc kính thiên văn phản xạ đầu tiên được Newton chế tạo, có độ chính xác cao hơn kính khúc xạ do Galilei sáng chế năm 1609
-Năm 1687, Newton công bố định luật vận vật hấp dẫn trong tác phẩm "Những nguyên lí toán học của triết học tự nhiên" đánh dấu sự ra đời cho ngành cơ học thiên thể
-Năm 1705, E.Halley phát hiện ra chu kì của sao chổi hay xuất hiện nhất và dự đoán được thời gian quay lại của sao chổi này. Đến nay sao chổi nổi tiếng này mang tên ông - sao chổi Halley.
-Năm 1725, một nhà thiên văn Anh là Flamsteed đưa ra một danh mục sao gồm 2866 sao với độ sáng và vị trí tương đối chính xác.
-Năm 1752, nhà Thiên văn Pháp Lacaille lập danh mục 1935 sao của thiên cầu Nam và xác định thi sai của Mặt trăng (thị sai ngày)
-Năm 1781, Herschel phát hiện ra Thiên Vương tinh Uranus. Cùng trong năm đó, Charles Messier công bố danh mục tinh vân gồm 103 tinh vân (sau đó được bổ sung thành 110, đánh số từ M1- M110, có thể tham khảo danh mục tinh vân tại đây)
-Năm 1783, Herschel phát hiện ra chuyển động của Mặt Trời trong không gian
-Năm 1846, Galle phát hiện ra Hải Vương tinh Neptune nhờ các tính toán về nhiễu động của Thiên Vương tinh của Le Verrier
-Năm 1862,Argelender (Đức) dưa ra danh mục sao gồm 546847 sao.
-Năm 1910-1913, Hertzprung (Đan Mạch) và Russel (Mỹ) độc lập đưa ra biểu đồ thể hiện độ trưng và nhiệt độ ngôi sao, nay mang tên 2 ông - biểu đồ H-R
-Năm 1929, bằng các quan sát bằng kính viễn vọng suốt những năm 1920, Edwin Hubble phát hiện ra sự dịch chuyển của phổ các thiên hà ở xa về phía đỏ chứng tỏ chúng đang chyển động ra xa chúng ta ngày càng nhanh, và từ đó định luật Hubble ra đời.
-Năm 1930, Tombaugh phát hiện ra Diêm Vương tinh Pluto.
-Năm 1948, Lí thuyết về sự khởi đầu của vũ trụ từ một vũ nổ lớn, vũ trụ có điểm khởi đầu đặc, nóng được đề ra bởi George Gamov.
-Năm 1965, một minh chứng cho sự chính xác của lí thuyết BigBang được phát hiện là bức xạ phông 3K tràn ngập vũ trụ, phát hiện bởi Arno Penzias và Robert Wilson.
-Năm 1990, kính thiên văn vũ trụ Hubble được đưa lên vũ trụ với nhiệm vụ chụp ảnh các thiên hà ở xa để tìm hiểu nguồn gốc vũ trụ.
-Năm 1998, các quan sát tỉ mỉ nhất cuối cùng cho thấy vũ trụ giản nở mãi mãi.
Nói qua một chút về thời gian xuất hiện các lí thuyết vật lí có tính chất quyết định cho sự phát triển của vũ trụ học thế kỉ 20 và đầu thế kỉ 21
2 lí thuyết cơ bản quan trọng nhất đã ra đời vào đầu thế kỉ 20 và đến nay vẫn là 2 nền tảng cơ bản của vật lí và vũ trụ học hiện đại là lí thuyết tương đối và lí thuyết lượng tử. (do đây chỉ là bài nói về lịch sử thiên văn nên xin phép chỉ nói rất sơ lược về nội dung của 2 lí thuyết này)
-Thuyết lượng tử được đề xướng vào năm 1901 bởi Max Plank. Lí thuyết này cho biết năng lượng không liên tục như chúng ta vẫn tưởng, nó thực chất gồm những phần gián đoạn gọi là các lượng tử năng lượng. Tiếp đó Einstein đã trên cơ sở của đề xướng này đưa ra một đề xướng khác về tính hạt của ánh sáng mà theo đó mỗi phôtn mang theo một năng lượng xác định có giá trị chính bằng lượng tử năng lượng và giải thích hiện tượng quang điện bằng cách này. Trong thời gian tiếp theo, lí thuyết lượng tử này tiếp tục được hoàn tất bởi các nhà vật lí lượng tử khác mà quan trọng nhất là các đóng góp của Niels Bohr và Weiner Heisenberg.
-Thuyết tương đối, một lí thuyết giờ đây là nền tảng quan trọng cho một môn vật lí mũi nhọn - vạt lí tương đối tính, được đề ra từ năm 1905 bởi Albert Einstein - khi đó đang là một nhân viên cấp bằng sáng chế tại Bern (Thụy Sĩ).
Năm 1905, cùng với đề xuất về sự lượng tử hóa ánh sáng, Einstein đã khai sinh ra môn vật lí tương đối tính bằng việc đăng một bài báo về lí thuyết tương đối hẹp. Lí thuyết này cho biết "mọi định luật vật là như nhau đối với người quan sát chuyển động trên mọi hệ qui chiếu quán có vận tốc bất kì". Tiếp tục ý tưởng về tính tương đối và hi vọng giải thích bản chất không gian và thời gian của vũ trụ, năm 1915, cuối cùng Einstein cũng đưa ra được lí thuyết tương đối rộng cùng phương trình trường mô tả vũ trụ. Phương trình này có ý nghĩa hết sức quan trọng và hằng số vũ trụ hoc trong phương trình (mà chính tác giả của nó từng cho là sai lầm) đến nay là hằng số quan trọng nhất giúp nhân loại biết rõ về tương lai của cả vũ trụ.