Trong đêm trường Trung Cổ dài đằng đẵng cả ngàn năm, thiên văn học giậm chân tại chỗ. Hồi giáo ra đời và bành trướng sau thế kỷ thứ bảy đã tạo tiền đề cho văn hóa Do Thái và Ả Rập nở rộ. Hai nền văn hóa này đã bảo tồn, dịch thuật, và bổ sung các ý tưởng thiên văn của người Hy Lạp. Nhiều ngôi sao sáng trên bầu trời ngày nay được đặt những cái tên Ả rập, và nhiều thuật ngữ thiên văn cũng có gốc Ả Rập, như zenith (thiên đỉnh).
Khi văn minh châu Âu bắt đầu trỗi dậy sau đêm dài tăm tối, việc buôn bán với các nước Ả Rập đã tạo điều kiện cho châu Âu tái khám phá các tài liệu cổ đại như Almagest, và đánh thức lại niềm say mê thiên văn. Thời phục hưng của thiên văn học được ghi dấu bởi công trình của Copernicus.
Ý tưởng đột phát của Nicolaus Copernicus
Một trong những sự kiện quan trọng nhất thời kỳ Phục Hưng đó là sự loại bỏ thuyết Địa tâm. Đây là một cuộc cách mạng tri thức do một thầy tu người Ba Lan khởi xướng vào thế kỷ thứ 16. Nicolaus Copernicus sinh tại Torun, một thị trấn khiêm tốn bên dong Vistula. Ông học luật và y, nhưng lại đam mê thiên văn và toán học. Đóng góp lớn nhất của ông cho khoa học đó là việc khởi sự đánh giá lại các lý thuyết đương thời về chuyển động của hành tinh, và phát triển thuyết Nhật tâm. Copernucus kết luận rằng Trái Đất là một hành tinh, và mọi hành tinh đều xoay quanh Mặt Trời. Chỉ có Mặt Trăng là xoay quanh Trái Đất.
Copernicus giải thích chi tiết những suy nghĩ của ông trong cuốn De Revolutionibus Orbium Coelestium (Bàn về Quỹ đạo của các thiên thể), xuất bản năm 1543, cũng là năm ông tạ thế. Lúc ấy, hệ thống Ptolemaic cần những điều chỉnh quan trọng để có thể dự đoán được vị trí chính xác của các hành tinh. Copernicus muốn phát triển một lý thuyết hoàn thiện hơn để tính toán vị trí các hành tinh, nhưng khi bắt tay vào công việc đó, ông đã bị các định kiến truyền thống níu chân.
Ông bắt đầu với những giả thuyết phổ biến đương thời, chẳng hạn như ý tưởng cho rằng chuyển động của các thiên thể nhất định phải là những đường tròn. Nhưng ông không giả định (như mọi người vẫn làm) rằng Trái Đất phải nằm ở trung tâm vũ trụ, và ông bảo vệ thuyết nhật tâm, tin rằng nó thuyết phục hơn. Những ý tưởng của ông chỉ bắt đầu được chấp nhận sau hơn một thế kỷ kể từ ngày ông qua đời, nhưng chúng đã gây bão trong giới học giả, và cuối cùng đã tác động mạnh mẽ đến tiến trình của lịch sử.
Một trong những phản biện mạnh mẽ nhất đối với thuyết nhật tâm đó là nếu Trái Đất chuyển động thì tại sao con ngời lại không cảm thấy gì. Nếu Trái Đất chuyển động, thì các vật thể trên bề mặt của nó hiển nhiên sẽ phải bị hất văng đi, và nếu Trái Đất chuyển động thì thả quả bóng xuống nó sẽ không thể nào chạm đất v.v. Nhưng một người khi đang di chuyển không nhất thiết sẽ nhận ra sự chuyển động của mình. Chẳng hạn như khi ngồi trên tàu xe nhìn ra cửa sổ và bạn thấy những chiếc xe khác như đang di chuyển, nhưng thật ra chính bạn mới là người đang di chuyển.
Copernicus cho rằng dù Trái Đất xoay quanh Mặt Trời, hay Mặt Trời xoay quanh Trái Đất, thì người quan sát trên mặt đất cũng vẫn trông thấy cùng một chuyển động biểu kiến của Mặt Trời. Ông lý luận rằng hành trình di chuyển của Mặt Trời trên bầu trời mà mắt người nhìn thấy hoàn toàn có thể giải thích nếu giả định rằng Trái Đất xoay tròn còn bầu trời đứng yên. Đối với phản biện nói rằng nếu Trái Đất xoay tròn thì mọi thứ trên bề mặt phải bị hất văng đi, Copernicus trả lời rằng nếu Trái Đất bị xé toạc khi chuyển động như vậy, thì cả thiên cầu, tức là cả bầu trời, to lớn hơn và chuyển động nhanh hơn như quan niệm theo thuyết địa tâm, cũng phải bị xé toạc như thế và còn mãnh liệt hơn.
Tìm hiểu Thiên Văn Học:
Phân biệt chiêm tinh học và thiên văn học
Những thành tựu của thiên văn Hy Lạp cổ đại
Thuyết nhật tâm
Trọng tâm trong cuốn De Revolutionibus, Copernicus khẳng định rằng Trái Đất chỉ là một trong sáu hành tinh (được biết tới lúc đó) xoay quanh Mặt Trời. Với ý tưởng này, ông đã hình dung bức tranh chính xác của hệ mặt trời. Ông sắp xếp chính xác vị trí các hành tinh tính từ Mặt Trời, lần lượt là: sao Thủy, sao Kim, Trái Đất, sao Hỏa, sao Mộc, và sao Thổ. Hơn nữa, ông kết luận chính xác rằng hành tinh nào càng gần Mặt Trời thì tốc độ xoay càng lớn. Bằng lý thuyết này ông có thể tính toán đúng quy mô của hệ Mặt Trời, và giải thích được chuyển động phức tạp của các hành tinh, mà không cần dùng đến hệ thống ngoại luân của Ptolemy.
Copernicus chưa thể chứng minh được Trái Đất xoay quanh Mặt Trời. Trên thực tế thì thuyết Địa Tâm truyền thống của Ptolemy nếu điều chỉnh một chút thì vẫn có thể giải thích được chuyển động biểu kiến của các hành tinh trên bầu trời. Nhưng Copernicus chỉ ra rằng lý thuyết của Ptolemy quá rối rắm, và càng tính toán càng thêm rối răm, thiếu hẳn sự trật tự và hệ thống của lý thuyết mới.
Vào thời Copernicus, rất ít người tin có thể chứng minh cả thuyết Địa Tâm lẫn thuyết Nhật Tâm. Truyền thống triết học có từ thời Hy Lạp cổ đại, được Giáo hội Kitô bảo vệ, khẳng định rằng tư duy thuần túy của con người kết hợp với mặc khải của Thượng Đế đại diện cho con đường của chân lý. Tự nhiên mà giác quan ta cảm nhận thì mông lung. Ví dụ, Aristole lý luận rằng vật nặng hơn sẽ rơi nhanh hơn. Kiểm chứng bằng một thí nghiệm đơn giản chỉ ra rằng khẳng định này hoàn toàn sai. Tuy nhiên, vào thời Copernicus, nhưng thí nghiệm như vậy lại không thuyết phục bằng những gì Aristotle đã nói.
Trong bầu khí như thế thì người ta không mấy sốt sắng thực hiện những quan sát hoặc thí nghiệm để phân biệt hay kiểm chứng các lý thuyết về vũ trụ (hay bất kỳ lý thuyết nào khác). Vậy nên, ý tưởng thuyết Nhật Tâm gây tranh cãi hơn một nửa thế kỷ mà không có ai kiểm chứng tính xác thực của nó cũng là điều bình thường, người ta cãi miệng thôi. Và có một thực tế là thuyết Địa Tâm vẫn còn được dạy tại Đại học Harvard vào những năm 1636.
Ngày nay các nhà khoa học luôn khẩn trương kiểm tra các lý thuyết mới, và chỉ khi nào có bằng chứng thực nghiệm thì họ mới chấp nhận. Chẳng hạn, năm 1989 khi hai nhà nghiên cứu tại đại học Utah tuyên bố đã tìm ra cách nấu chảy nguyên tử (quá trình tạo năng lượng cho cá vì sao) ở nhiệt độ phòng, trong vòng vài tuần giới khoa học ở hơn 25 phòng thí nghiệm khắp nước Mỹ cố gắng nhân bản “phản ứng nguyên tử ở nhiệt độ phòng” nhưng không có kết quả trên thực tế. Lý thuyết nguyên tử lạnh này nhanh chóng bị bác bỏ.
Ngày nay chúng ta nhìn nhận mô hình của Copernicus như thế nào? Khi một lý thuyết hoặc giả thuyết mới ra đời, trước tiên nó phải được kiểm nghiệm xem có khớp với những gì đã biết haye không. Ý tưởng nhật tâm của Copernicus đã vượt qua kiểm tra này, vì dựa trên ý tưởng này ta có thể tính toán được vị trí các hành tinh, ít nhất là như trong thuyết địa tâm. Bước tiếp theo là xác định xem các tiên đoán mà lý thuyết mới đưa ra có khác với những ý tưởng cạnh tranh khác không. Trong trường hợp của Copernicus thì ta có thể lấy một ví dụ về sự tiên đoán của nó. Đó là, nếu sao Kim xoay quanh Mặt Trời thì hành tinh này cũng sẽ trải qua đầy đủ các kỳ như Mặt Trăng xoay quanh Trái Đất, tức là có lúc tròn, lúc khuyết, và lúc tối. Nhưng trên thực tế thì không. Nhưng, chúng ta không thể nhìn thấy sao Kim vào ngày “trăng tròn” của nó vì nếu thế thì Mặt Trời phải nằm giữa Trái Đất với Sao Kim thì mới được. Nhưng vào thời Copernicus thì không ai tưởng tượng ra những dự đoán kiểu vậy.
Galileo và khởi đầu của thiên văn học hiện đại
Nhiều ý tưởng khoa học hiện đại về quan sát, thí nghiệm, và kiểm tra lý thuyết thông qua các phương pháp định lượng cẩn thận bắt đầu từ một con người sống ngay sau Copernicus, đó là Galileo Galilei, sống cùng thời với Shakespeare, sinh tại Pisa. Cũng như Copernicus, ban đầu ông học y nhưng không hứng thú, về sau chuyển qua toán học. Học từng giữ các vị trái trưởng khoa tại Đại học Pisa và Đại học Padua, và cuối cùng trở thành toán học gia cho Bá tước Tuscany tại Florence.
Đóng góp lớn nhất của Galileo là trong lĩnh vực cơ học, nghiên cứu chuyển động và hành động của các lực trên thực thể. Tức là, nếu vật nào đứng yên thì nó sẽ đứng yên mãi mãi, và chỉ chuyển động khi có lực tác động. Đứng yên được coi như trạng thái tự nhiên của vật. Tuy nhiên, Galile cho thấy rằng đứng yên hay chuyển động không phải là sự tự nhiên.
Nếu một vật thể trượt trên một mặt phẳng lỗi lõm thì nó sớm muộn cũng sẽ đứng yên vì lực ma sát giữa nó và mặt phẳng. Tuy nhiên, nếu mặt phẳng và vật thể đều được mài bóng và trơn thì với một vận tốc ban đầu tương tự vật thể sẽ trượt được xa hơn. Trên một mặt phẳng như tảng băng thì nó còn trượt xa hơn nữa. Galileo lý luận rằng nếu mọi tác động ngăn cản bị loại bỏ thì vật thể sẽ chuyển động mãi mãi. Ông cho rằng cần phải có một lực không chỉ để cho một vật bắt đầu chuyển động, mà còn để giản, ngăn cản, tăng, hoặc thay đổi hướng của một vật thể chuyển động.
Galileo cũng nghiên cứu cách mà mọi vật gia tốc, tức thay đổi tốc độ và hướng chuyển động. Galileo quan sát các vật thể rơi tự do và lăn đi trên một con dốc. Ông nhận thấy chúng gia tốc như nhau. Tức là, trong cùng một khoảng thời gian thì tốc độ của các vật thể tăng lên giống nhau. Galileo lập công thức toán học chính xác cho những định luật mới phát hiện này giúp cho các thí nghiệm trong tương lai có thể dự đoán được các vật thể sẽ đi được bao xa và nhanh thế nào khi di chuyển qua các khoảng thời gian khác nhau.
Khoảng năm 1590, Galileo áp dụng lý thuyết hệ mặt trời của Copernicus. Lý thuyết này khi ấy vẫn chưa được nước Ý Công giáo chấp nhận, và quyền lực Giáo hội vẫn ủng hộ các ý tưởng của Aristole và Ptolemy. Họ có những lý do mạnh mẽ về kinh tế và chính trị để theo đuổi lý thuyết cho rằng Trái Đất là trung tâm của công trình tạo dựng. Galileo không chỉ thách thức lý thuyết đó, mà còn cả gan viết các công trình của mình bằng tiếng Ý thay vì tiếng La Tinh như trong giới học thuật vẫn làm, nhằm loan truyền rộng rãi trong quần chúng. Đối với ông, tôn giáo và đạo đức mà Giáo hội bảo vệ không xung đột với những vấn đề khoa học tự nhiên. Chính vì những quan điểm “nguy hiểm” ấy mà năm 1616 Giáo hội đã ra một sắc chỉ tuyên bộ lý thuyết của Copernicus là “sai lầm và vô lý”, không được phép bảo vệ hay duy trì.
Các quan sát thiên văn của Galileo qua kính viễn vọng
Ta không chắc ai là người đầu tiên nghĩ ra cách kết hợp các thấu kích với nhau để tạo thành cái ống nhòm giúp quan sát những vật thể ở xa. Nhưng chiếc ống nhòm đầu tiên gây nhiều sự chú ý được sản xuất năm 1608 bởi Hans Lippershey (1570-1619), một người Hà Lan. Galileo nghe biết về phát minh này, tuy chưa từng nhìn thấy thành phẩm nhưng ông cũng tự mình làm được một cái ống nhòm có khả năng phóng đại gấp 3 lần, thấy được những vật ở xa rõ hơn và lớn hơn.
Ngày 25/08/1609, Galileo thử nghiệm một chiếc ống viễn vọng có độ phóng đại x9 trước các quan chức của thành Venice. Đây quả thực là một lợi thế lớn về mặt quân sự khi có thể quan sát đối thủ từ xa. Với phát minh này, tiền lương của Galileo lập tức tăng gấp đôi, và được phong hàm giáo sư trọn đời.
Người ta dùng ống nhòm của Galileo để quan sát những gì trên mặt đất, nhưng một tia sáng chợt lóe lên trong đầu nhà khoa học này, làm thay đổi triệt để lịch sử thiên văn. Ông hướng ống kính viễn vọng lên các vì sao. Ông tiếp tục nghiên cứu, chế tạo ra một cái chân đứng, và nâng cấp khả năng phóng đại của ống kính lên x30. Và ông cũng cần thêm một chút tự tin về sản phẩm của mình.
Vào thời ấy, mắt người được cho là phản chiếu hình ảnh, màu sắc, kích thước chân thực nhất của vạn vật. Ống kính, gương, hay lăng kính bị cho là làm méo mó hình ảnh sự vật khi phóng lớn, thu nhỏ, hay đảo ngược chúng. Galileo thí nghiệm nhiều lần để tự thuyết phục mình rằng những gì nhìn thấy qua ống viễn vọng là thực, và chính là những gì sẽ nhìn thấy khi tới gần. Chỉ khi đó ông mới bắt đầu sử dụng kính viễn vọng để nhìn lên bầu trời.
Quan sát các hành tinh, Galileo phát hiện ra bốn mặt trăng xoay quanh sao Mộc trong khoảng thời gian thay đổi từ 2 đến 17 ngày. Khám phá này đặc biệt quan trọng vì nó cho thấy rằng không phải mọi thứ đều xoay quanh Trái Đất. Hơn thế nữa, nó chứng minh rằng có những thứ vừa là trung tâm của chuyển động, vừa chính nó chuyển động. Những người bảo vệ thuyết địa tâm nói rằng nếu Trái Đất chuyển động, thì Mặt Trăng phải bị bỏ lại phía sau, vì nó khó mà theo kịp tốc độ chuyển động của một hành tinh. Nhưng, bằng chứng sao Mộc đã cho thấy rõ điều đó hoàn toàn có thể xảy ra.
Với ống viễn vọng, Galileo có thể kiểm chứng lý thuyết của Copernicus, dựa trên các kỳ chuyển động của sao Kim. Trong vòng một vài tháng, ông khám phá ra rằng sao Kim cũng có các kỳ tròn khuyết như Mặt Trăng, chứng minh rằng nó nhất định phải xoay quanh Mặt Trời, nên chúng ta mới thấy bề mặt được chiếu sáng của nó thay đổi theo thời gian. Các quan sát này đã đánh đổ mô hình của Ptolemy, vốn cho rằng sao Kim xoay quanh Trái Đất. Trong mô hình của Ptolemy, sao Kim cũng có các kỳ tròn khuyết, nhưng chúng sai so với những gì mà Galileo quan sát được trên thực tế.
Galileo cũng quan sát Mặt Trăng và thấy các miệng núi lửa, các dãy núi, thung lũng, các vùng tối, phẳng mà ông nghĩ có thể là nước. Những khám phá này chứng minh rằng Mặt Trăng có thể không khác biệt gì lắm với Trái Đất, và Trái Đất có thể cũng chỉ là một thiên thể như bao thiên thể khác.
Sau công trình của Galileo, lý thuyết của Copernicus càng khó đánh đổ, và Trái Đất dần dần bị truất ngôi vị trí trung tâm của vũ trụ, và trở về đúng vị trí của nó là một trong các hành tinh trong hệ Mặt Trời. Tuy nhiên, rốt cuộc thì Galileo gặp phải sự phản đối dữ dội. Giáo hội Công giáo, vẫn còn đang chao đảo bởi phong trào Kháng Cách, tìm cách khẳng định quyền lực của mình, và chọn Galileo xử làm gương. Ông phải ra trước Tòa án Dị giáo để trả lời các cáo buộc về công trình của mình, cuối cùng ông bị kết án cầm cố tại gia. Sách vở của ông bị cấm cho tới năm 1836, tuy trong những nước ít chịu ảnh hưởng của Công giáo thì người ta vẫn đọc và thảo luận rộng rãi. Cho đến 1992 thì giáo hội Công giáo mới công khai chấp nhận họ đã sai trong việc ngăn cấm những ý tưởng của Galileo.
Các ý tưởng mới của Copernicus và Galileo đã khởi đầu cuộc cách mạng nhận thức của chúng ta về vũ trụ. Cuối cùng ta đã biết chắc chắn rằng vũ trị là một vùng không gian rộng lớn, và vai trò của Trái Đất không quan trọng như ta tưởng. Trái Đất xoay quanh Mặt Trời như bao hành tinh khác, và khám phá này dẫn tới một kết luận hiển nhiên rằng các hành tinh khác cũng là một thế giới như chúng ta, có khi còn có sự sống. Vũ trụ, bất kể chúng ta có mong muốn thế nào, không xoay quanh chúng ta như trước giờ vẫn tưởng.
Nối tiếp Galileo và Copernicus là Brahe với kho dữ liệu quan sát thiên văn khổng lồ, và Kepler, dựa trên kho dữ liệu ấy, đã khám phá ra ba định luật Kepler nổi tiếng mô tả chuyển động của các hành tinh. Và tất cả hoàn thiện nơi Newton. Mời các bạn tiếp tục đọc các bài viết tiếp theo để theo dõi quá trình phát triển của thiên văn học hiện đại.
