GALILEO
Tartaglia đã có những bước tiến quan trọng trong việc tìm hiểu quỹ đạo của vật bị ném, song nhiều vấn đề vẫn còn đó. Cần có một hiểu biết tốt hơn về bản chất của chuyển động này, cùng với một loại nhận thức nào đó về trọng lực. Bước đột phá thật sự đầu tiên đến từ Galileo Galileo ở Italy. Ông thường được gọi là cha đẻ của vật lí hiện đại, và chẳng nghi ngờ gì nữa các thành tựu của ông có tính hiện tượng học. Thật vậy, ông là nhà khoa học đầu tiên phản bác các giáo điều của Aristotle vốn được chấp nhận trong hàng thế kỉ trước đó. Không phải mọi vấn đề đều được giải quyết, song giai đoạn này đã thiết lập nền tảng cho một trong gã khổng lồ khác của khoa học: Isaac Newton.
Chào đời ở Pisa, Italy, Galileo là anh cả trong bảy anh chị em. Bố ông là một nhạc sĩ và nhà soạn nhạc học đòi làm toán học và thực nghiệm. Ông đã thực hiện một đột phá quan trọng trong vật lí học, chứng minh rằng trong một sợi dây kéo căng, độ cao hay tần số biến thiên theo căn bậc hai của lực căng dây. Quả thật, Galileo đã kế thừa từ bố ông chủ nghĩa hoài nghi trước uy quyền.6
Bố của Galileo biết rất rõ thực tế rằng nhạc sĩ và nhà toán học là những kẻ nằm trong nhóm được trả lương thấp nhất. Ông khuyến khích cậu con trai theo học y khoa, ngành được trả lương cao. Và thật vậy, ở tuổi mười bảy Galileo vào Đại học Pisa để học y khoa. Thế nhưng ông sớm chán nản. Một lớp học toán đã đưa đến hứng khởi về toán học và khoa học, và Galileo quyết định muốn đổi mục tiêu của mình. Bố ông cực kì thất vọng, vì ông biết rằng nhà toán học chẳng kiếm khá hơn nhạc sĩ, song cuối cùng ông cũng đồng ý.7
Galileo làm giảng viên tại Đại học Pisa vào năm 1589 và được bổ nhiệm một chức danh ngành toán vào năm 1592. Sau đó ông chuyển đến Đại học Padua, và ở lại đó cho đến năm 1610.
Bài toán đạn đạo
Trong vòng vài năm Galileo đã có những đóng góp chính cho nghiên cứu quỹ đạo của vật bị ném, đó là mối quan tâm hàng đầu của các pháo thủ. Mọi thứ bắt đầu với niềm hứng khởi của ông về trọng lực. Aristotle từng nói rằng mọi vật đều rơi xuống đất với tốc độ phụ thuộc vào sức nặng của chúng, và trong nhiều năm điều này được xem là hợp lí. Chẳng hạn, người ta có thể dễ dàng chứng kiến những sợi lông chim rất nhẹ rơi chậm hơn nhiều so với những tảng đá nặng nề. Galileo thấy hoài nghi, và theo truyền thuyết thì ông đã mang vài quả cầu có trọng lượng khác nhau lên đỉnh tháp Pisa và thả chúng rơi. Các quả cầu đều rơi chạm đất cùng một lúc. Aristotle đã sai. Thật ra, chẳng có chứng cứ nào cho thấy Galileo đã tiến hành thí nghiệm này, tuy rằng nó là một câu chuyện li kì.8
Tuy nhiên, Galileo muốn tiến xa hơn. Bấy giờ hiển nhiên ông thấy rằng các quả cầu tăng tốc khi chúng rơi, vì thế chúng có vận tốc khác nhau ở những vị trí khác nhau phía trên mặt đất. Thật vậy, chúng rơi được càng xa, thì vận tốc của chúng càng lớn, và Galileo muốn đo gia tốc của chúng. Nhưng bởi vì các vật rơi quá nhanh, thành ra khó mà bố trí một thí nghiệm trực tiếp. Vì thế ông quyết định làm chậm mọi thứ lại. Cách tốt nhất làm được việc này là cho vật lăn xuống một mặt phẳng nghiêng. Vật sẽ tăng tốc theo cách y hệt bởi vì trọng lực vẫn đang tác dụng lên nó. Một lần nữa, ông để ý thấy gia tốc của các quả cầu lăn xuống mặt phẳng nghiêng độc lập với khối lượng của chúng. Nói cách khác, chúng đều đi tới chân mặt phẳng nghiêng ở cùng một tốc độ, bất kể chúng cân nặng bao nhiêu. Một nghiên cứu tường tận về chuyển động này đã dẫn tới một vài kết luận quan trọng.
Lúc đầu Galileo phát hiện thấy cái tương tự với các con lắc. Trong khi ở nhà thờ ông để ý thấy các vật treo ở đầu dưới của những sợi dây dài đong đưa do các dòng không khí trong nhà thờ. Lúc bấy giờ chưa có đồng hồ nên ông đã sử dụng nhịp đong đưa này canh giờ chúng, và ông để ý thấy bất kể quãng đường mà chúng đong đưa (gọi là biên độ) chúng đều cần thời gian giống nhau để hoàn tất một vòng. Một lần nữa, chính trọng lực đang hút các vật nặng xuống (cùng với dòng không khí), làm cho các vật đong đưa. Galileo không hề đo được gia tốc trọng trường, nhưng ngày nay chúng ta biết rằng nó bằng 9,8 m/s2, và chúng ta biết rằng nó tác dụng lên mọi vật trên Trái Đất. Tuy nhiên, Galileo đã thật sự chứng minh được rằng bình phương chu kì của con lắc tỉ lệ thuận với độ dài của con lắc.
Dựa trên những khám phá của ông liên quan đến trọng lực, Galileo quyết định khảo sát chuyển động của đạn pháo thật thận trọng nhằm cố gắng hiểu thấu nó. Ông hình dung trước hết là không có lực cản của không khí, vì ông biết rằng không khí xung quanh đạn pháo tác dụng lên nó làm thay đổi chuyển động của nó. Bước đầu tiên tốt nhất là nên bỏ qua nó. Bước thứ hai, ông xét các lực tác dụng lên đạn pháo. Rõ ràng lực đầu tiên là chất khí đang giãn nở từ thuốc súng đẩy đạn pháo từ nòng đại bác. Một khi nó bay ra khỏi nòng, lực này không còn nữa, và đạn pháo sẽ có một vận tốc không đổi nếu như không có lực nào khác tác dụng lên nó. Khi nói lên điều này, Galileo đang hình dung một khái niệm mới mà ngày nay chúng ta gọi là quán tính. Tất cả các vật đang chuyển động đều có một mức quán tính nhất định, và do quán tính chúng sẽ tiếp tục chuyển động với vận tốc không đổi trừ khi quán tính này bị khuất phục bởi một ngoại lực. Trong trường hợp trên, có một ngoại lực đang tác dụng lên đạn pháo sau khi nó rời khỏi nòng, ấy là trọng lực, và trọng lực sẽ làm cho nó rơi xuống theo kiểu y hệt như bất kì vật nào khác sẽ rơi khi được thả ra. Khác biệt duy nhất trong trường hợp này là đạn pháo còn có một vận tốc nằm ngang.
Những kết quả này đã giúp Galileo hiểu rõ hơn về chuyển động của đạn pháo. Từ các kết quả quan sát của mình, ông đi tới những kết luận sau đây:
- Các vật rơi với gia tốc không đổi (đồng thời bỏ qua lực cản của môi trường).
- Các vật đang chuyển động duy trì chuyển động của chúng, trừ khi có một lực nào đó tác dụng lên chúng.
- Định luật gia tốc: tổng quãng đường đi được từ trạng thái nghỉ dưới chuyển động có gia tốc tỉ lệ với bình phương thời gian.
Phản bác mạnh mẽ của ông đối với những ý tưởng thời trước là nhận định cho rằng lực chỉ có mặt trong sự gia tốc của đạn pháo. Một khi lực thôi tác dụng, thì vật không còn gia tốc nữa, mà nó tiếp tục chuyển động ở vận tốc không đổi trừ khi bị tác dụng bởi một lực khác. Điều này mâu thuẫn với ý tưởng của Aristotle rằng quả đạn pháo đang chuyển động dưới tác dụng của một lực không đổi, nói cách khác, nó có một “kho” lực để xài từ từ. Galileo nói rằng ý tưởng này không đúng.
Galileo quả quyết rằng đường cong hợp lí nhất mà quả đạn pháo sẽ chuyển động do kết quả này là một parabol. Parabol là gì? Cách tốt nhất để hiểu nó là hãy nghĩ tới một hình nón. Nếu bạn cắt lát hình nón song song với mặt đáy, bạn sẽ thu được một vòng tròn, song nếu bạn cắt lát nó xiên một góc nào đó, thì bạn sẽ thu được một parabol (miễn là bạn đừng cắt qua mặt đáy).
Một parabol, đường cong thứ hai từ trên xuống
La bàn quân sự
Từ kết quả nghiên cứu của ông về chuyển động của đạn pháo, Galileo đã phát triển một la bàn hình học dùng trong quân sự. Nó nhại theo dụng cụ của Tartaglia dành cho các pháo thủ, song nó có nhiều cải tiến. Nó đem lại cho các pháo thủ một cách mới và an toàn hơn để nhắm đại bác của họ chính xác hơn. Ngoài ra, nó còn có thang chia và số ghi trên đó cho họ biết cần bao nhiêu thuốc súng cho những quả đạn pháo có trọng lượng và kích cỡ khác nhau.
Giống như Tartaglia, Galileo căm ghét chiến tranh và cảm thấy tội lỗi vì phát triển vũ khí chiến tranh, song ông cảm thấy chúng là cần thiết. Thêm nữa, tiền lương của ông tương đối thấp, và ông phải kiếm thêm. Vì thế không những ông đã phát triển la bàn dành cho pháo thủ; mà ông còn có hàng trăm cái được chế tạo và bán ra, đem lại cho ông một khoản thu không nhỏ. Ngoài ra, ông còn đứng lớp dạy các pháo thủ cách sử dụng dụng cụ mới, và ông còn viết sách về nó, để bán.
Thật thú vị, chỉ với những điều chỉnh tối thiểu, dụng cụ giống như vây cuối cùng đã được sử dụng trên thực địa.
Kính thiên văn
Mặc dù không phải là thiết bị dành riêng cho chiến tranh, song kính thiên văn là vô giá so với vũ khí. Chiếc kính thiên văn đầu tiên được chế tạo bởi Hans Lippershey ở Hà Lan vào năm 1604. Galileo nghe nói về nó trong một khoảng thời gian ngắn, và ông bắt tay vào chế tạo một cái. Ông đã quen với việc mài thấu kính, vì thế ông có thể chế tạo khá nhanh. Ông hoàn thành chiếc kính thiên văn đầu tiên của mình vào năm 1609, và nó là một cải tiến đáng kể so với mẫu Lippershey; nó có năng suất khoảng bằng ba (nói cách khác, nó phóng đại ba lần). Không lâu sau ông chế tạo một chiếc cải tiến cho năng suất chừng tám lần, và ông trưng bày nó trước các vị lập pháp thành Venice vào năm 1609. Họ vô cùng kính sợ và ấn tượng, và họ nhanh chóng nhận thấy nó sẽ hữu ích trong sự kiện tấn công, đặc biệt từ hướng biến. Cánh buồm của tàu giặc, chẳng hạn, có thể được nhìn thấy ít nhất hai giờ trước khi nó được nhìn thấy bằng mắt trần, và điều này đem lại ưu thế rất lớn. Ông được tặng một khoản thù lao để chế tạo thêm các kính thiên văn khác.
Thế nhưng công dụng quân sự chẳng mấy khiến Galileo bận tâm; ông hứng thú hơn với những gì kính thiên văn sẽ cho ông thấy phía trên Trái Đất ở bầu trời đêm. Và với vài năm sau đó, Galileo đã cách mạng hóa thiên văn học. Ông phát hiện Mộc tinh có bốn vệ tinh nhỏ, và Kim tinh biểu hiện các pha giống như mặt trăng của chúng ta khi nhìn gần. Ông cũng để ý thấy Thổ tinh có một cái vành kì lạ xung quanh nó, và ông đi tới nghiên cứu mặt trăng của chúng ta, lưu ý rằng nó có bề mặt đầy hang hố. Rồi cả mặt trời cũng khác với người ta từng nghĩ: nó chẳng phải một cái đĩa thuần khiết, trong trẻo mà mọi người từng giả định. Bề mặt nó đầy những vết đen – cái ngày nay gọi là các vết đen mặt trời. Và cuối cùng ông nhìn chi tiết vào Dải Ngân Hà và nhận thấy nó gồm hàng nghìn (có lẽ hàng triệu) ngôi sao riêng lẻ. Thật vậy, trong một khoảng thời gian tương đối ngắn ông đã có nhiều khám phá thiên văn học hơn cả hàng thế kỉ trước đó, và cả sau thời đại của ông nữa.
Và Galileo không dừng lại với kính thiên văn; ông còn chế tạo kính hiển vi. Một lần nữa nó không phải là chiếc kính đầu tiên, song có khả năng nó là chiếc kính tốt nhất lúc bấy giờ. Ông dùng để nó để khảo sát côn trùng cùng những vật thể nhỏ bé khác.
Những phát minh khác
Kính thiên văn và kính hiển vi không phải những dụng cụ duy nhất được Galileo chế tạo. Vào năm 1593, ông còn chế tạo một trong những nhiệt kế đầu tiên. Nó hoạt động dựa trên sự giãn ra và co lại của không khí trong một quả cầu làm dịch chuyển nước trong một cái ống gắn kèm theo. Ông còn cố gắng bán nó, song không thành công.
Galileo là một trong những người đầu tiên hiểu được vai trò của tần số (hay độ cao) đối với âm thanh, và ông đã cố gắng xác định tốc độ ánh sáng, nhưng không thành công. Và ông đã phát minh ra một dụng cụ dùng để xác định xem kim loại nặng hơn nước bao nhiêu.
Có lẽ Galileo được biết tới nhiều nhất với phản bác của ông đối với quan niệm vũ trụ địa tâm được chấp nhận vào thời của ông. Ông cam đoan rằng mặt trời nằm tại trung tâm của hệ mặt trời, và cuối cùng ông bị giáo hội kết án vì những ý tưởng của mình.
Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
