Chương I: Galileo nhà vật lý học khai sinh khoa học vật lý hiện đại
Chương I: Tại sao chuyển động cơ trong vật lý lại có tính tương đối (Đọc thêm)
Galileo Galilei (1564 – 1642) là một nhà khoa học, thiên văn học vĩ đại người Ý. Những thành tựu của ông trong lĩnh vực thiên văn học như chế tạo kính thiên văn, quan sát được các vệ tinh chính của Mộc tinh (Io, Europa, Ganymede và Callisto) đã cũng cố thuyết Nhật tâm của Copernicus đưa nhận thức của loài người sang một trang mới đồng thời những nghiên cứu của ông trong lĩnh vực cơ học đã tạo tiền đề cho Newton xây dựng thành công các định luật của vật lý cổ điển. Stephen Hawking đã nói: “Galileo, có lẽ hơn bất kỳ một người riêng biệt nào, chịu trách nhiệm về sự khai sinh khoa học hiện đại”.
Chương I: Galileo nhà vật lý học khai sinh khoa học vật lý hiện đại
Chân dung nhà khoa học vật lý học Galieo
Cân thủy tĩnh
Lấy cảm hứng từ câu chuyện Archimedes và thời khắc “Ơ rê ka”, Galileo bắt đầu quan tâm chuyện các nhà kim hoàn cân đong các kim loại quý trong không khí, rồi sau đó bằng cách thay chỗ, xác định trọng lượng riêng của chúng. Vào năm 1586, ở tuổi 22, ông đã lập lí thuyết của một phương pháp tốt hơn mà ông mô tả trong một chuyên luận mang tiêu đề La Bilancetta (Cân Tiểu).
Chuyên luận “La Billancetta” của Galileo, trong đó ông mô tả một phương pháp mới đo trọng lượng riêng của các kim loại quý. Năm 1585, vì không có tiền, ông phải thôi học, trở về Florence giảng dạy. Ở đây, năm 1586, Ông công bố một luận văn về cân thủy tĩnh, luận văn này đã làm ông nổi tiếng khắp nước Ý. Ông mô tả một cách cân chính xác các vật trong không khí và trong nước, trong đó một phần cánh tay đòn phía treo đối trọng được quấn dây kim loại. Lượng đối trọng phải lấy đi khi cân trong nước khi đó có thể xác định rất chính xác bằng cách đếm số vòng dây. Bằng cách cân như vậy, tỉ lệ kim loại như vàng so với bạc ở trong vật có thể được đọc ra trực tiếp.
Máy bơm Galileo
Năm 1592, Galileo được bổ nhiệm chức danh giáo sư toán học tại Đại học Padua và có những chuyến viếng thăm thường xuyên đến Arsenal – cảng nội địa nơi tàu bè Venice hay lui tới. Arsenal từng là một nơi nhộn nhịp phát minh và cải tiến thực tế trong hàng thế kỉ, và Galileo đã tận dụng cơ hội đó để nghiên cứu cặn kẽ các máy cơ học.
Năm 1593, ông tập trung nghĩ về việc bố trí các tay chèo trên thuyền ga lê và trình bày một báo cáo trong đó ông xem tay chèo là đòn bẩy và xem nước là điểm tựa. Một năm sau, Hội đồng thành phố Venice trao cho ông bằng sáng chế cho một dụng cụ đưa nước lên cao qua một con ngựa điều khiển. Bằng sáng chế này đã trở thành cơ sở của các máy bơm hiện đại.
Đối với một số người, Máy bơm Galileo chỉ đơn thuần là một cải tiến trên Đai ốc Archimedes, cái được phát triển lần đầu tiên vào thế kỉ thứ ba trước Công nguyên và đăng kí sáng chế ở Cộng hòa Venice vào năm 1567. Tuy nhiên, có bằng chứng cho thấy rõ phát minh của Galileo có liên hệ với thiết kế sớm hơn và ít phức tạp hơn của Archimedes.
Đồng hồ quả lắc
Vào thế kỉ 16, các lý luận của Aristotle vẫn là cơ sở lý thuyết để giải thích về các hiện tượng vật lý. Chẳng hạn, người ta tin rằng vật nặng phải tìm trở lại vị trí tự nhiên của chúng hay nằm yên – tức là tại trung tâm của vạn vật. Vì vậy, người ta chẳng có cách nào giải thích tại sao con lắc trong đó một vật nặng treo bên dưới một sợi dây lại đong đưa tới lui và không chịu nằm yên ở tại giữa.
Để kiểm chứng các luận điểm của Aristotle Galileo đã tiến hành các thí nghiệm chứng trong đó thí nghiệm nổi tiếng tại tháp nghiêng Pisa nhằm chứng minh quan điểm vật nặng luôn rơi nhanh hơn vật nhẹ là thiếu chính xác.
Thí nghiệm nổi tiếng “rơi tự do” của Galileo tại tháp nghiêng PisaNgoài ra, ông còn chứng minh rằng các vật bị ném trong không khí chuyển động theo cung parabol. Dựa trên kết quả này và hứng thú của ông với chuyển động tuần hoàn của vật nặng treo dưới sợi dây, ông bắt đầu nghiên cứu con lắc vào năm 1588.
Năm 1602, ông giải thích các quan sát này trong một lá thư gửi cho một người bạn, trong đó ông mô tả nguyên lí đẳng thời. Theo Galileo, nguyên lí này khẳng định rằng thời gian để con lắc dao động không liên hệ với cung quỹ đạo của con lắc, mà với độ dài của con lắc. So sánh hai con lắc có độ dài bằng nhau, Galileo chứng minh được rằng chúng sẽ dao động với tốc độ như nhau, cho dù bị kéo ra những khoảng biên độ khác nhau.
Đồng hồ quả lắc điều khiển bằng lò xo, do Huygens thiết kế, được chế tạo bởi Salomon Coster (1657), và bản sao quyển Horologium Oscillatorium, Bảo tàng Boerhaave, Leiden. Theo Vincenzo Vivian, một trong những người đương thời của Galileo, vào năm 1641, trong khi đang chịu quản thúc tại nhà, Galileo đã sáng tạo một thiết kế cho đồng hồ quả lắc. Thật không may, lúc ấy mắt ông đã mù, nên ông không thể hoàn thiện nó trước khi qua đời vào năm 1642. Vì thế mà tác phẩm Horologrium Oscillatorium năm 1657 của Christiaan Huygens được công nhận là đề xuất đầu tiên được ghi lại cho đồng hồ quả lắc.
Cái sector
Súng đại bác, lần đầu tiên có mặt ở châu Âu vào năm 1325, đã trở thành phương tiện chiến tranh chủ lực vào thời Galileo. Cỗ máy chiến tranh trở nên phức tạp hơn và linh động hơn, các chiến binh cần dụng cụ giúp họ canh chỉnh và tính toán đường đạn của súng. Vì thế, khoảng năm 1595 đến 1598, Galileo đã nghĩ ra và cải tiến và một compa hình học và quân sự dùng cho pháo binh và thợ trắc đạc.
Cái sector, một compa quân sự/hình học do Galileo Galilei thiết kếNhiệt nghiệm Galileo
Vào cuối thế kỉ 16, chẳng có phương tiện thực tiễn nào cho các nhà khoa học đo nhiệt lượng và nhiệt độ. Các nỗ lực khắc phục tình trạng này ở giới trí thức thành Venice đã mang lại nhiệt nghiệm, một dụng cụ hoạt động dựa trên sự dãn nở của không khí do sự có mặt của nhiệt.
Vào khoảng năm 1593, Galileo đã xây dựng phiên bản nhiệt nghiệm của riêng ông hoạt động dựa trên sự co dãn của không khí trong một bầu thủy tinh làm dịch chuyển nước trong một ống gắn liền với nó. Theo thời gian, ông và các đồng sự đã bỏ công phát triển một thang đo số đo nhiệt lượng dựa trên sự dãn nở của nước bên trong ống.
Nhiệt kế của GalieoVà trong khi chờ một thế kỉ sau các nhà vật lý học – như Daniel G. Fahrenheit và Anders Celsius – mới bắt đầu phát triển các thang đo nhiệt độ phổ thông, thì nhiệt nghiệm Galileo là một bước đột phá lớn. Ngoài việc có thể đo nhiệt trong không khí, nó còn cung cấp thông tin khí tượng định lượng đầu tiên trong lịch sử.
Kính thiên văn Galileo
Galileo thật sự không phát minh ra kính thiên văn, nhưng ông thực hiện cải tiến lớn đối với chúng. Trong nhiều tháng năm 1609, ông đã công bố các thiết kế kính thiên văn mà ngày nay được gọi chung là Kính thiên văn Galileo. Cái thứ nhất, do ông chế tạo từ tháng 6 đến tháng 7 năm 1609, là một kính thiên văn nhỏ phóng đại ba lần, sau đó vào tháng 8 ông cho thay bằng một thiết bị phóng đại 8 lần mà ông trình diễn trước Hội đồng thành phố Venice.
Kính thiên văn do Galileo chế tạoNăm 1611, Galileo đến Rome và trình diễn chiếc kính viễn vọng của ông trước các nhân vật quan trọng ở triều đình của Giáo hoàng. Do được tiếp đón nồng nhiệt, trong ba báo cáo nói về các vết đen của Mặt Trời ấn hành ở Rome năm 1613, ông đã tỏ ra có một lập trường xác định hơn đối với lý thuyết của Copernicus. Theo ông, chuyển động của các vết đen ngang qua bề mặt Mặt Trời là chứng cớ về sự đúng đắn của Copernicus và sự sai lầm của Ptolemy.
Galileo trình diễn chiếc kính viễn vọng của mình trước Giáo hoàng. Ảnh minh họa
Với tài thuyết giảng, các ý kiến của ông đã được phổ cập bên ngoài giới đại học và tạo ra một dư luận mạnh mẽ. Các giáo sư theo học thuyết Aristotle tìm cách chống lại ông và họ đã được sự hợp tác của các thầy tu, những người này bí mật tố cáo Galileo với Tòa án Giáo hội.
Năm 1616, tác phẩm “De revolutionibus…” của Copernicus bị đưa vào danh mục sách cấm. Trước khi lệnh cấm được ban hành, Giáo chủ Hồng y Robert Bellarmine, với tư cách cá nhân, đã báo cho Galileo biết là từ nay trở đi ông không được bảo vệ lý thuyết của Copernicus nhưng vẫn có thể bàn cãi về lý thuyết này như là một giả định toán học.
Trong 7 năm sau đó, Galileo rút về nghiên cứu ở nhà riêng tại Bellosguardo gần Florence. Năm 1623, để trả lời một cuốn sách của Orazio Grassi về bản chất của sao chổi nhằm vào ông, ông đã viết “Saggiatore…” (Người thí nghiệm…), một cuộc luận chiến tuyệt diệu về thực tại vật lý và một sự trình bày về phương pháp khoa học mới.
Trong cuốn sách này, ông đã đưa ra lời tuyên bố nổi tiếng “Quyển sách của Tự nhiên… được viết bằng chữ toán học”. Cuốn sách được đề tặng Giáo hoàng Urban VIII và được ông này nhiệt tình tiếp nhận.
‘Dù sao thì Trái Đất vẫn quay!’
Năm 1624, Galileo lại đến Rome với hy vọng xin bỏ lệnh cấm năm 1616. Ông không làm được việc này nhưng được Giáo hoàng cho phép viết về “các hệ thống thế giới”, của Ptolemy cũng như của Copernicus, nhưng phải đi đến kết luận được Giáo hoàng đặt ra: con người không thể biết thế giới thực sự là gì vì Chúa có thể mang lại cùng những hệ quả theo những cách mà con người không thể tưởng tượng được và con người không được hạn chế cái quyền tuyệt đối của Chúa.
Galileo trở lại Florence và vào năm sau hoàn thành tác phẩm vĩ đại “Dialogo sopra i due masimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano” (Ðối thoại về hai hệ thống thế giới chính – của Ptolemy và của Copernicus). Cuốn sách xuất hiện năm 1632 và được khắp châu Âu ca ngợi là một kiệt tác về văn học và triết học, nhưng Giáo hoàng thì rất tức giận và ra lệnh khởi tố Galileo.
Mặc dầu đau ốm và già nua, tháng 2/1633, Galileo phải đến Rome để chịu xét xử trước Tòa án Giáo hội. Ông bị buộc tội “bảo vệ và giảng dạy” học thuyết Copernicus và buộc phải nói lên rằng ông “thề từ bỏ mãi mãi, nguyền rủa và ghét cay ghét đắng” những sai lầm đã phạm phải.
Tòa án buộc ông tội ngồi tù nhưng Giáo hoàng giảm xuống là quản thúc tại nhà ở Arcetri gần Florence mà ông trở lại vào tháng 12/1633. Tội này kéo dài suốt 8 năm cho đến khi ông qua đời. Người ta kể rằng sau khi bị tuyên án, ông đã giậm chân xuống đất và kêu lên “Eppur, si muovo” (Dù sao thì Trái Đất vẫn quay), song đây chỉ là truyền thuyết.
Di sản to lớn để lại cho khoa học hiện đại
Ðóng góp trực tiếp của Galileo cho thiên văn học là những khám phá với chiếc kính viễn vọng của ông. Biên giới của vũ trụ nhìn thấy đã được ông mở rộng ra rất nhiều. Trong hai năm sau khi khám phá ra các vệ tinh của Sao Mộc, ông đã lập các bảng chính xác về sự quay của các vệ tinh này.
Các quan sát của ông về các vết đen của Mặt Trời đã đạt độ chính xác rất cao và từ đó ông đã rút ra những kết luận rất quan trọng: sự tự quay của Mặt Trời và sự xoay vòng của Trái Ðất.
Có một điều kỳ lạ là Galileo không biết các định luật về chuyển động hành tinh của Kepler, người đương thời của ông. Ông tin rằng các quỹ đạo hành tinh phải là đường tròn để duy trì một trật tự hoàn hảo của vũ trụ. Song ông cũng đã có một số niềm tin đúng đắn như rồi sẽ phát hiện ra các hành tinh ở bên ngoài sao Thổ, ánh sáng có tốc độ hữu hạn tuy rất lớn. Ông cũng đã nói đến việc chế tạo kính hiển vi từ năm 1610 nhưng mãi đến năm 1624, khi nhìn thấy một chiếc kính hiển vi phức hợp ở Rome, ông mới làm ra một chiếc.
Galileo đã có những đóng góp vào cái hiện nay được gọi là công nghệ, phân biệt rõ khỏi vật lý thuần tuý, và đề xuất nhiều thứ khác. Điều này không giống với sự phân biệt của Aristotle, ông coi mọi vật lý của Galileo là techne hay tri thức hữu ích, trái ngược với episteme, hay sự xem xét theo quan điểm triết học đối với các những nguyên nhân của sự vật. Trong giai đoạn 1595–1598, Galileo sáng chế và cải tiến một La bàn Địa lý và Quân sự thích hợp sử dụng cho các pháo thủ và những người vẽ bản đồ.
Đây là việc cải tiến các thiết bị đã được thiết kế trước đó của Niccolò Tartaglia và Guidobaldo del Monte. Với các pháo thủ, ngoài một cách mới và an toàn hơn để nâng độ chính xác của pháo, nó còn cung cấp một cách tính toán nhanh chóng lượng thuốc súng cho các viên đạn pháo ở các kích thước và vật liệu khác nhau. Như một công cụ địa lý, nó cho phép xây dựng một hình đa giác đều bất kỳ, tính toán diện tích bất kỳ phần nào của hình đa giác hay hình tròn, và thực hiện nhiều tính toán khác.
Ðóng góp quan trọng nhất của Galileo rõ ràng là đóng góp vào việc thiết lập cơ học như một khoa học. Trước Galileo đã có một số khám phá về lực nhưng chính ông mới là người đầu tiên làm rõ ý tưởng lực là một tác nhân cơ học. Tuy ông không phát biểu về sự phụ thuộc giữa chuyển động và lực thành các định luật, nhưng các công trình của ông về động lực học luôn luôn cho thấy có các định luật này. Ông là người đã mở đường cho Isaac Newton sau này hoàn thành môn cơ học được gọi một cách đúng đắn là cơ học Galileo – Newton.
Khi còn sống, Galileo Galilei đã từng nói: “Chân lý luôn hàm chứa một sức mạnh; anh càng muốn công kích nó thì nó lại càng vững chắc, và cũng là anh đã chứng minh cho nó”. Cho đến giờ, hệ thống các học thuyết khoa học của ông vẫn là điểm tựa chắc chắn cho khoa học hiện đại phát triển. Trên mộ chí của Galilei, người ta kính cẩn ghi lên dòng chữ: “Ông đã mất thị giác, vì trong thiên nhiên không có cái gì ông chưa nhìn thấy”.