Lịch sử vũ trụ học (Phần 10)

Chương 3

VŨ TRỤ CƠ GIỚI

Isaac Newton (1642-1727)

Cha của ông qua đời trước khi ông chào đời và mẹ ông tái giá khi chưa đầy ba năm sau đó, để Newton lại cho bà ngoại chăm sóc. Những năm tháng khó khăn thuở đầu có lẽ đã góp phần cho sự khó tính của ông khi trưởng thành. Ông tốt nghiệp trường Trinity College, Cambridge, và phục vụ ở đó với tư cách là giáo sư Lucasian. Sau đó, Newton chuyển đến London và làm chủ tịch Hội Hoàng gia. Những thành tựu trí tuệ xuất sắc nhất của Newton gồm sự sáng tạo ra phép tính giải tích, phát minh ra kính thiên văn phản xạ, phát triển lí thuyết hạt ánh sáng, và phát triển các nguyên lí hấp dẫn và chuyển động trên Trái Đất và chuyển động thiên thể. “Thế giới quan Newton” không chỉ thâm nhập sự hiểu biết thế giới vật lí, mà còn thâm nhập những lĩnh vực trí tuệ như chính trị và kinh tế học – trong đó ngày nay người ta tìm kiếm những quy luật đơn giản và phổ quát thuộc loại mà Newton đã chứng minh trong vật lí và thiên văn học.

alt

“Cho đến nay tôi không thể phát hiện ra nguyên nhân của những tính chất đó của hấp dẫn từ các hiện tượng, và tôi không điều chỉnh giả thuyết… Và đối với chúng ta, thế là đủ cho hấp dẫn thật sự tồn tại, và tác dụng theo những quy luật mà tôi đã giải thích, và là nguyên nhân cho mọi chuyển động của các thiên thể, và của biển cả của chúng ta”.

Isaac Newton

Sự có mặt khắp nơi của Chúa tràn ngập vũ trụ quan Newton. Sự hiện diện thiêng liêng đó vận hành như một “ête” vô hình không làm cản trở vật nào, nhưng có thể di chuyển chúng bằng lực hấp dẫn.

Thuyết hấp dẫn Newton thực tế yêu cầu một phép lạ liên tục ngăn cản Mặt Trời và các sao cố định hút lẫn nhau. Newton hình dung ra một vũ trụ lớn vô hạn, trong đó Chúa đã đặt các vì sao ở khoảng cách vừa đúng sao cho sức hút của chúng triệt tiêu lẫn nhau, chính xác như các kim nam châm nằm cân bằng trên giá nhọn đỡ chúng. Một giải pháp khả dĩ khác là đặt các sao cố định cách nhau những khoảng cách khổng lồ sao cho chúng không thể cảm nhận được sức hút lẫn nhau trong vài nghìn năm kể từ thời sáng tạo ra thế giới.

Giả thuyết cổ xưa cho rằng các sao cố định ở một vị trí không phải là một vấn đề gì nghiêm trọng mãi cho đến năm 1718, khi nhà thiên văn người Anh Edmond Halley công bố một khám phá đáng chú ý. Ba ngôi sao sáng đã không còn ở vị trí xác định bởi những quan sát cổ xưa. Các ngôi sao tự do di chuyển như mọi đối tượng vật chất bình thường khác.

Vũ trụ học Newton và tôn giáo

Isaac Newton bị thuyết phục rằng những khám phá của ông chứng minh cho phép lạ của Chúa. Sự sáng tạo ngăn nắp của hệ Mặt Trời cho thấy trí tuệ và sức mạnh của Chúa, và con đường mà các hành tinh đi theo trong quỹ đạo của chúng, bất chấp sự nhiễu loạn do sức hấp dẫn của những hành tinh khác, biểu hiện sự can thiệp liên tục của Ngài. Nhưng sự chuyển biến nhận thức theo sau vũ trụ học Newton, nhất là ý niệm về một vũ trụ cơ giới, giống như một chiếc đồng hồ, đã báo trước mối liên hệ lịch sử giữa vũ trụ học và tôn giáo trong hệ tư tưởng phương Tây.

alt

Ngôi nhà nơi Newton trưởng thành. Các giáo sĩ thời Trung cổ nghiên cứu ánh sáng và cầu vồng là những biểu hiện của sự soi sáng thần thánh. Newton cũng cảm nhận một cái gì đó siêu nhiên nơi ánh sáng. Nhưng khi ông thử giải thích màu sắc dưới dạng các hạt cơ tính, ông đã đi đến một quan điểm khác về vũ trụ.

Nhà triết học người Đức Leibniz và các nhà phê bình khác chỉ trích rằng thế giới quan Newton đã góp phần dẫn đến sự suy tàn của tôn giáo tự nhiên ở nước Anh. Ý tưởng cho rằng Chúa thỉnh thoảng can thiệp vào vũ trụ, rất giống với một thợ chế tạo đồng hồ kém lành nghề phải thỉnh thoảng quấn lại và sửa chữa sản phẩm của mình, đặt ra nghi vấn về sự hoàn thiện của Chúa. Những người ủng hộ Newton thì chấp nhận rằng Chúa phải can thiệp vào vũ trụ, nhưng chỉ vì sự can thiệp là một phần của kế hoạch thần thánh.

Niềm tin thế kỉ thứ 18 về tính có trật tự của vũ trụ có tính quyết định đến sự ngăn nắp của các nghiên cứu thần học, triết học, và khoa học quan trọng. William Whiston, người kế tục Newton tại trường đại học Cambridge năm 1703, biện hộ rằng vũ trụ, với sự đối xứng tuyệt vời của nó, với những chuyển động đều, và các quy luật có thể nhận thức được, chắc chắn là công trình của đấng Tạo hóa ngay cả khi loài người không tìm hiểu được tất cả các nguyên lí chi phối vũ trụ.

Không có kính thiên văn cỡ lớn và những quan sát có tính khám phá về những ngôi sao ở xa, các nghiên cứu triết học và thần học thống trị trong vũ trụ học thế kỉ 18. Tình huống này bắt đầu biến chuyển sau khi nhà thiên văn học người Anh William Herschel đề ra một mô hình vũ trụ học có nguồn gốc từ quan trắc. Từ những năm 1780 trở đi, bầu trời, thâm nhập bởi những chiếc kính thiên văn cỡ lớn của Herschel, liên tục được hiểu rõ dưới dạng một cấu trúc ba chiều có thể mở rộng dần.

Nhu cầu cần thiết cho sự can thiệp thần thánh cũng giảm đi khi các nhà thiên văn trong thế kỉ 18 giải được các bài toán cơ học thiên thể. Năm 1786, chẳng hạn, nhà toán học và nhà thiên văn học người Pháp Pierre-Simon Laplace chứng minh được rằng tương tác hấp dẫn của Mộc tinh và Thổ tinh tự hiệu chỉnh được. Những nỗ lực như thế này là một cố gắng nhằm thay thế giả thuyết về vai trò của Chúa bằng một lí thuyết vật lí thuần túy để giải thích trật tự quan sát thấy của vũ trụ.

Nỗ lực của Laplace nhằm thay thế giả thuyết về vai trò của Chúa bằng một lí thuyết vật lí thuần túy để giải thích trật tự quan sát thấy của vũ trụ phản ánh cách tiếp cận tự nhiên theo chủ nghĩa vô thần của những nhà khai sáng Pháp. Laplace đã thành công, ít nhất là theo ý kiến của riêng ông. Theo truyền thuyết, khi Napoleon hỏi ông rằng ông có dành chỗ nào cho Đấng sáng tạo không, Laplace trả lời rằng ông không cần một giả thuyết như thế.

Sự tách rời Chúa khỏi vũ trụ vật lí là điều không thể tránh khỏi với sự phát triển của vũ trụ học hiện đại, cho dù Newton và những người khác có bị thuyết phục bao nhiêu rằng những khám phá của họ minh họa cho sự hiện diện và sức mạnh của Chúa. Thay vì vậy, nhiều người xem khoa học là một đối thủ của tôn giáo, xem đó là cảm hứng, xu hướng và tiêu chuẩn của sự thật.

Edmond Halley (1656 – 1743)

Edmond Halley (đôi khi còn gọi là “Edmund”) học tại trường đại học Oxford, nhưng ra trường trước khi tốt nghiệp, để quan sát sao trong vòng một năm ở bán cầu nam. Sau khi trở lại Anh, Halley hoạt động trong Hội Hoàng gia London. Ở đó, ông đã giúp ông bạn Isaac Newton của mình nghiên cứu về hấp dẫn và viết cuốn Principia (Nguyên lí), và còn chi tiền xuất bản cuốn sách đó. Halley nổi tiếng có khiếu phân tích quỹ đạo sao chổi, ông chỉ ra quỹ đạo của chúng có hình elip và tuần hoàn. Sao chổi Halley đã quay lại, như ông tiên đoán, năm 1758, 15 năm sau khi ông qua đời. (Sao chổi đó xuất hiện lần cuối vào năm 1986, và lần xuất hiện kế tiếp sẽ là năm 2061) Khám phá của Halley về chuyển động sao, ít được biết tới hơn sao chổi của ông, cũng là một thành tựu. Các ngôi sao không còn được ai tin là cố định nữa, dù là trên quả cầu ngoài cùng hoặc trong không gian. Lúc vào tuổi 63, Halley được bổ nhiệm là nhà thiên văn hoàng gia, ông giữ vị trí đó cho tới khi qua đời.

alt

Giải thích trật tự vũ trụ

Newton xem chuyển động của các sao và hành tinh là những bài toán trong cơ học, chi phối bởi cùng các quy luật chi phối chuyển động trên Trái Đất. Ông mô tả lực hấp dẫn bằng toán học.

Mặt khác, nhà triết học người Pháp René Descartes lại đề xuất một mô hình phi toán học. Ông cho rằng vũ trụ gồm những xoáy khổng lồ của vật chất vũ trụ. Hệ Mặt Trời của chúng ta sẽ chỉ là một trong số nhiều xoáy như thế. Descartes chính thức cấm nghiên cứu khoa học “che lấp” hiện tượng, hoặc làm ẩn đi sự cảm nhận. Ông cho vật chất trên trời chuyển động tròn xung quanh Trái Đất, đẩy tất cả vật chất địa cầu về phía Trái Đất. Những học trò của Descartes ngờ vực sự lựa chọn của Newton, một lực hấp dẫn bí ẩn tác dụng xuyên khoảng cách.

alt

Hình vẽ xoáy của Descartes trong cuốn sách Nguyên lí triết học năm 1644 của ông.

Vũ trụ học cơ giới, máy móc của Descartes được chấp nhận cao trong quan niệm của thế giới thế kỉ 17 nói chung như là một cỗ máy. Mặc dù giải thích của ông là sự mô tả lại định lượng của các hiện tượng bằng thuật ngữ cơ giới. Trong các lớp học thế kỉ 18, lí thuyết xoáy tỏ ra không thể tính toán những chuyển động hành tinh quan sát được. Trong khi đó, học thuyết Newton đối thủ lại tiến bộ từ thành công định lượng chính xác này đến thành công khác.

Hệ Mặt Trời có nhiều thiên thể, và việc tính toán quỹ đạo của bất kì hành tinh hoặc vệ tinh nào cũng không đơn giản là bài toán về sức hút hấp dẫn của nó lên những vật thể xung quanh quỹ đạo của nó. Ngoài ra, những vật thể khác có ảnh hưởng nhỏ hơn, nhưng không phải không đáng kể (gọi là “nhiễu loạn”). Ví dụ, Mặt Trời làm thay đổi chuyển động của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất, và Mộc tinh và Thổ tinh làm biến đổi chuyển động của từng hành tinh khác xung quanh Mặt Trời.

Nhà toán học người Thụy Sĩ Leonard Euler đã giúp phát triển những kĩ thuật toán học cần thiết cho tính toán những hiệu ứng nhiễu loạn. Ban đầu, ông áp dụng chúng cho Mặt Trăng, và rồi năm 1748, áp dụng cho Mộc tinh và Thổ tinh, với sự thành công một phần.

Vẫn không giải thích được là những bất thường to lớn trong chuyển động của Mộc tinh và Thổ tinh, và sự gia tốc của tốc độ quỹ đạo của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất. Nhà thiên văn, toán học người Pháp Pierre-Simon Laplace đã giải quyết những vấn đề này vào năm 1785 và 1787. Trong cuốn sách của ông, Mécanique Céleste, xuất bản thành năm tập từ năm 1799 đến 1805, Laplace đã tổng kết những nghiên cứu của ông về cơ học thiên thể. Trong đó, ông đề xuất rằng mọi hiện tượng vật lí trong vũ trụ có thể đơn giản thành một hệ nhiều hạt tác dụng lực hút và lực đẩy lẫn nhau.

“Tôi muốn thiết lập rằng các hiện tượng của tự nhiên đơn giản hóa thành phép phân tích cuối cùng cho sự tác dụng xuyên khoảng cách từ phân tử lên phân tử và xem những tác dụng này phải đóng vai trò cơ sở cho lí thuyết toán học của những hiện tượng này”.

Pierre-Simon Laplace

Tác phẩm của Laplace không chỉ dành cho các nhà khoa học. Cuốn sách năm 1796 của ông, Exposition du Système du Monde, tóm tắt dành cho mọi người có mặt bằng hiểu biết chung về thiên văn học và vũ trụ học cuối thế kỉ 18. Trong cuốn sách đó, Laplace đã tiến tới một ý tưởng nổi tiếng là “giả thuyết tinh vân”. Ông đề xuất rằng hệ Mặt Trời của chúng ta, và thật ra là tất cả các ngôi sao, đều hình thành tự sự lạnh đi và hóa đặc của một “tinh vân” (một đám hạt khí) nóng quay tròn khối lượng rất lớn. Giả thuyết tinh vân ảnh hưởng mạnh mẽ lên các nhà khoa học trong thế kỉ 19, khi họ cố gắng xác nhận hoặc thách thức nó. Cơ sở của ý tưởng vẫn là trung tâm của kiến thức của chúng ta ngày nay về sự hình thành hệ Mặt Trời.

Các tác giả thuộc thời kì lãng mạn vào đầu thế kỉ 19 – ví dụ như William Wordsworth ở Anh và Friedrich Schelling ở Đức – quay trở lại chống đối vũ trụ học Newton. Bị thuyết phục rằng trật tự vũ trụ là nằm ngoài sự giải thích của khoa học, họ thổi hơi thở cuộc sống thần thánh trở lại cái dường như là một vũ trụ vô thần đã bị cơ giới hóa quá mức.

alt

Nhà triết học người Đức Immanuel Kant biện hộ phản bác các nhà lãng mạn, khăng khăng rằng siêu hình học không thể mang lại một lời giải thích cho nền tảng của tự nhiên vật chất, hữu hình và rằng vấn đề sự tồn tại của Chúa hoàn toàn bị tách khỏi kinh nghiệm cảm giác trực tiếp. Đối với ông, hệ Mặt Trời Newton mang lại một mô hình cho hệ thống sao rộng lớn hơn. Kant giải thích rằng cùng nguyên nhân đem lại cho các hành tinh lực li tâm của chúng, giữ chúng trong quỹ đạo xung quanh Mặt Trời, cũng có thể đem lại cho các sao sức mạnh quay tròn. Và bất cứ thứ gì làm cho mọi hành tinh chuyển động trên quỹ đạo đại thể là trên một mặt phẳng đều có thể thực hiện điều tương tự đối với các sao. Theo Kant, những vật thể xuất hiện mờ đục trên bầu trời trở thành những hòn đảo vũ trụ, giống như những hệ Mặt Trời khổng lồ.

Tư tưởng của Kant về vũ trụ ít mang nội dung quan sát. Cơ sở của giả thuyết vũ trụ học của ông là triết học và thần học. Sự quan sát lần đầu tiên đi vào vũ trụ học như một phương pháp chủ yếu là vào cuối thế kỉ 18, nhờ nhà thiên văn học nghiệp dư người Anh, William Herschel.

Còn tiếp...

Xem lại Phần 9