Galileo và sự khởi đầu của khoa học hiện đại

Nhiều khái niệm khoa học hiện đại về quan sát, thử nghiệm và kiểm tra các giả thuyết thông qua các phép đo định lượng cẩn thận đã được một người đàn ông sống sau Copernicus gần một thế kỷ đi tiên phong. Galileo Galilei (Hình 2.19), người cùng thời với Shakespeare, sinh ra ở Pisa. Giống như Copernicus, ông bắt đầu được đào tạo cho một sự nghiệp y tế, nhưng ông không quan tâm đến chủ đề này và sau đó chuyển sang toán học. Ông giữ các vị trí giảng viên tại Đại học Pisa và Đại học Padua, và cuối cùng trở thành nhà toán học cho Đại công tước Tuscany ở Florence.

Những đóng góp lớn nhất của Galileo là trong lĩnh vực cơ học, nghiên cứu chuyển động và tác động của các lực lên các vật thể. Đối với tất cả mọi người lúc đó, cũng như chúng ta bây giờ, đã quen thuộc rằng nếu một cái gì đó ở trạng thái nghỉ, nó có xu hướng ở trạng thái nghỉ và cần một số tác động bên ngoài để bắt đầu chuyển động. Do đó, phần còn lại thường được coi là trạng thái tự nhiên của vật chất. Tuy nhiên, Galileo đã chỉ ra rằng trạng thái nghỉ cũng không hẳn là tự nhiên hơn so với trạng thái chuyển động.

Hình 2.19 Galileo Galilei (1564–1642). Galileo chủ trương rằng chúng ta thực hiện các thí nghiệm hoặc quan sát để hỏi thiên nhiên theo cách của nó. Khi Galileo quay kính viễn vọng lên bầu trời, ông nhận thấy mọi thứ không giống như cách mà các nhà triết học đã nghĩ.

Nếu một vật trượt dọc trên mặt sàn thô nằm ngang, vật đó sẽ sớm dừng lại vì lực ma sát giữa vật đó và mặt sàn đóng vai trò là lực hãm. Tuy nhiên, nếu sàn nhà và vật thể đều được đánh bóng cẩn thận, vật thể, với cùng tốc độ ban đầu, sẽ trượt xa hơn trước khi dừng lại. Trên một lớp băng mịn, nó sẽ trượt xa hơn. Galileo lý luận rằng nếu có thể loại bỏ tất cả các ảnh hưởng sức cản, vật thể sẽ tiếp tục ở trạng thái chuyển động ổn định vô thời hạn. Ông lập luận rằng một lực cần thiết không chỉ để bắt đầu một vật chuyển động từ trạng thái nghỉ mà còn để làm chậm lại, dừng lại, tăng tốc hoặc thay đổi hướng của một vật chuyển động. Bạn sẽ đánh giá cao điều này nếu bạn đã từng cố gắng dừng một chiếc ô tô đang lăn bánh bằng cách dựa vào nó, hoặc một chiếc thuyền đang di chuyển bằng cách kéo mạnh một sợi dây.

Galileo cũng nghiên cứu cách các vật thể tăng tốc — thay đổi tốc độ hoặc hướng chuyển động của chúng. Galileo quan sát các vật thể khi chúng rơi tự do hoặc lăn xuống một đoạn đường dốc. Ông nhận thấy rằng các vật thể như vậy tăng tốc đồng đều; nghĩa là, trong những khoảng thời gian bằng nhau, chúng đạt được tốc độ gia tăng bằng nhau. Galileo đã xây dựng các định luật mới được tìm thấy này bằng các thuật ngữ toán học chính xác cho phép các nhà thí nghiệm trong tương lai dự đoán khoảng cách và tốc độ các vật thể sẽ di chuyển trong các khoảng thời gian khác nhau.

Về lý thuyết, nếu Galileo nói đúng, một chiếc lông vũ và một chiếc búa nếu được thả xuống cùng một lúc từ độ cao, sẽ hạ cánh cùng một lúc. Ở Trái Đất, thí nghiệm này không thể thực hiện được vì lực cản của không khí và chuyển động của không khí làm cho chiếc lông vũ bay lên, thay vì rơi thẳng xuống và được gia tốc chỉ bởi lực hấp dẫn. Trong nhiều thế hệ, các giáo viên vật lý đã nói rằng nơi để thử thí nghiệm này là nơi không có không khí, chẳng hạn như Mặt trăng. Năm 1971, phi hành gia David Scott của Apollo 15 đã cầm một chiếc búa và lông vũ lên Mặt trăng và thử nó, trước sự thích thú của những người đam mê vật lý ở khắp mọi nơi. NASA cung cấp video về chiếc búa và lông vũ cũng như lời giải thích ngắn gọn.

Nếu bạn thả một cái búa và một chiếc lông vũ cùng nhau, cái nào chạm đất trước? Trên Trái đất, đó là cái búa, nhưng nguyên nhân có phải chỉ vì lực cản của không khí? Các nhà khoa học thậm chí trước Galileo đã cân nhắc và thử nghiệm thí nghiệm đơn giản này và cảm thấy rằng nếu không có lực cản của không khí, tất cả các vật thể sẽ rơi theo cùng một cách. Galileo đã tự mình thử nghiệm nguyên lý này và ghi nhận rằng hai quả cầu nặng có khối lượng khác nhau đã chạm đất đồng thời, mặc dù nhiều nhà sử học nghi ngờ rằng ông đã thực hiện thí nghiệm này từ Tháp nghiêng Pisa của Ý như cách nói của dân gian. Một nơi tốt không có lực cản không khí để kiểm tra nguyên lý tương đương này là Mặt Trăng, và vì vậy vào năm 1971, phi hành gia David Scott của sứ mệnh Apollo 15 đã thả cả một chiếc búa và một chiếc lông vũ xuống bề mặt Mặt Trăng. Chắc chắn, đúng như các nhà khoa học bao gồm cả Galileo và Einstein đã dự đoán, cả hai chạm đến bề mặt Mặt Trăng cùng một lúc. Nguyên lý tương đương đã được chứng minh nói rằng gia tốc mà một vật thể cảm nhận được do trọng lực không phụ thuộc vào khối lượng, mật độ, thành phần, màu sắc, hình dạng hoặc bất kỳ thứ gì khác. Nguyên lý tương đương quan trọng đối với vật lý hiện đại đến mức độ sâu và phạm vi tiếp cận của nó vẫn còn đang được tranh luận và thử nghiệm cho đến tận ngày nay.

Các quan sát thiên văn của Galileo

Không rõ ai là người đầu tiên hình thành ý tưởng kết hợp hai hoặc nhiều mảnh thủy tinh để tạo ra một công cụ phóng to hình ảnh của các vật thể ở xa, khiến chúng có vẻ gần hơn. Chiếc “kính do thám” đầu tiên như vậy (ngày nay được gọi là kính viễn vọng) thu hút nhiều sự chú ý được tạo ra vào năm 1608 bởi nhà sản xuất kính cảnh Hà Lan Hans Lippershey (1570–1619). Galileo đã nghe nói về khám phá này và chưa từng nhìn thấy kính viễn vọng hoàn chỉnh, đã chế tạo một kính viễn vọng của riêng ông với độ phóng đại ba lần (3×), làm cho các vật thể ở xa xuất hiện gần hơn và lớn hơn gấp ba lần (Hình 2.20).

Vào ngày 25 tháng 8 năm 1609, Galileo đã trình diễn một kính viễn vọng có độ phóng đại 9× cho các quan chức chính phủ của thành phố Venice. Với độ phóng đại 9×, chúng ta hiểu là kích thước tuyến tính của các đối tượng đang được xem xuất hiện lớn hơn chín lần, hoặc nói cách khác, các đối tượng xuất hiện gần hơn chín lần so với thực tế. Có những lợi thế quân sự rõ ràng liên quan đến một thiết bị để nhìn các vật thể ở xa. Nhờ phát minh của mình, tiền lương của Galileo đã tăng gần gấp đôi và ông được bổ nhiệm làm giáo sư suốt đời. (Các đồng nghiệp đại học của anh ấy đã phẫn nộ, đặc biệt là vì phát minh này thậm chí còn không phải là bản gốc.)

Hình 2.20 Kính viễn vọng được sử dụng bởi Galileo. Kính thiên văn có một ống gỗ bọc giấy và thấu kính có đường kính 26 mm.

Những người khác đã sử dụng kính viễn vọng trước Galileo để quan sát mọi thứ trên Trái Đất. Nhưng trong một cái nhìn thoáng qua đã làm thay đổi lịch sử thiên văn học, Galileo nhận ra rằng ông có thể hướng sức mạnh của kính viễn vọng về phía “thiên đường”. Trước khi sử dụng kính viễn vọng của mình để quan sát thiên văn, Galileo phải tạo ra một giá đỡ ổn định và cải thiện kết cấu quang học. Ông đã tăng độ phóng đại lên 30×. Galileo cũng cần có niềm tin vào chiếc kính viễn vọng này.

Vào thời điểm đó, mắt người được cho là thẩm phán cuối cùng của sự thật về kích thước, hình dạng và màu sắc. Thấu kính, gương và lăng kính đã được biết là có thể làm biến dạng các hình ảnh ở xa bằng cách phóng to, thu nhỏ hoặc đảo ngược chúng, hoặc truyền ánh sáng thành một quang phổ (cầu vồng màu sắc). Galileo đã tiến hành các thí nghiệm lặp đi lặp lại để thuyết phục bản thân rằng những gì anh nhìn thấy qua kính viễn vọng giống hệt những gì anh nhìn thấy cận cảnh. Chỉ khi đó, ông mới có thể bắt đầu tin rằng những hiện tượng kỳ diệu mà kính viễn vọng tiết lộ trên bầu trời là có thật.

Bắt đầu công việc thiên văn học của mình vào cuối năm 1609, Galileo nhận thấy rằng nhiều ngôi sao quá mờ không thể nhìn thấy bằng mắt thường đã có thể nhìn thấy bằng kính viễn vọng của ông. Đặc biệt, ông phát hiện ra rằng một số vết mờ ảo diệu đã phân giải thành nhiều ngôi sao, và Dải Ngân Hà - dải màu trắng trên bầu trời đêm - cũng được tạo thành từ vô số các ngôi sao riêng lẻ.

Kiểm tra các hành tinh, Galileo tìm thấy bốn mặt trăng quay xung quanh Sao Mộc trong khoảng thời gian từ chỉ dưới 2 ngày đến khoảng 17 ngày. Khám phá này đặc biệt quan trọng vì nó cho thấy rằng không phải mọi thứ đều phải xoay quanh Trái Đất. Hơn nữa, nó chứng minh rằng có thể có các tâm chuyển động mà bản thân chúng cũng đang chuyển động. Những người bảo vệ quan điểm địa tâm đã lập luận rằng nếu Trái Đất chuyển động, thì Mặt Trăng sẽ bị bỏ lại phía sau vì nó khó có thể theo kịp một hành tinh chuyển động nhanh. Tuy nhiên, đây là các mặt trăng của Sao Mộc đang làm chính xác điều đó. (Để ghi nhận phát hiện này và tôn vinh công việc của ông, NASA đã đặt tên cho một tàu vũ trụ khám phá hệ thống Sao Mộc là Galileo.)

Với chiếc kính viễn vọng của mình, Galileo đã có thể thực hiện thử nghiệm lý thuyết của Copernicus đã được đề cập trước đó, dựa trên các pha của Sao Kim. Trong vòng vài tháng, ông đã phát hiện ra rằng Sao Kim trải qua các pha giống như Mặt Trăng, cho thấy rằng nó phải xoay quanh Mặt Trời, để chúng ta nhìn thấy các phần khác nhau của phía ánh sáng ban ngày của nó vào những thời điểm khác nhau (xem Hình 2.18). Những quan sát này không thể hòa hợp với mô hình của Ptolemy, trong đó Sao Kim quay quanh Trái Đất. Trong mô hình của Ptolemy, Sao Kim cũng có thể hiển thị các pha, nhưng chúng là các pha sai và theo thứ tự sai so với những gì Galileo quan sát được.

Galileo cũng quan sát Mặt Trăng và nhìn thấy các miệng núi lửa, dãy núi, thung lũng và những vùng tối bằng phẳng mà ông nghĩ có thể là nước. Những khám phá này cho thấy Mặt Trăng có thể không quá khác so với Trái Đất - cho thấy Trái Đất cũng có thể thuộc về cảnh giới của các thiên thể.

Sau công trình của Galileo, càng ngày càng khó để phủ nhận quan điểm của Copernicus, và Trái Đất dần bị truất ngôi khỏi vị trí trung tâm của nó trong vũ trụ và có vị trí thích hợp là một trong những hành tinh quanh Mặt Trời. Tuy nhiên, ban đầu Galileo vấp phải sự phản đối rất lớn. Nhà thờ Công giáo La Mã, vẫn quay cuồng với cuộc Cải cách Tin lành, đang tìm cách khẳng định quyền lực của mình và chọn Galileo làm gương. Ông phải xuất hiện trước Tòa án Dị giáo để trả lời các cáo buộc rằng công việc của ông là dị giáo, và cuối cùng ông bị kết án quản thúc tại gia. Sách của ông nằm trong danh sách cấm của Giáo hội cho đến năm 1836, mặc dù ở những quốc gia mà Giáo hội Công giáo La Mã ít gây ảnh hưởng hơn, chúng vẫn được đọc và thảo luận rộng rãi. Mãi đến năm 1992, Giáo hội Công giáo mới công khai thừa nhận rằng họ đã sai lầm trong vấn đề kiểm duyệt các ý tưởng của Galileo.

Những ý tưởng mới của Copernicus và Galileo đã bắt đầu một cuộc cách mạng trong quan niệm của chúng ta về vũ trụ. Cuối cùng, điều hiển nhiên là vũ trụ là một nơi rộng lớn và vai trò của Trái Đất trong đó là không được quan trọng cho lắm. Ý tưởng cho rằng Trái Đất chuyển động xung quanh Mặt Trời giống như các hành tinh khác đã làm dấy lên khả năng rằng bản thân chúng có thể là những thế giới, thậm chí có thể hỗ trợ sự sống. Khi Trái Đất bị tách khỏi vị trí trung tâm của vũ trụ, thì nhân loại cũng vậy. Vũ trụ, bất chấp những gì chúng ta có thể mong muốn, không xoay quanh chúng ta.

Ngày nay, hầu hết chúng ta coi những điều này là điều hiển nhiên, nhưng bốn thế kỷ trước, những khái niệm như vậy rất đáng sợ và là dị giáo đối với một số người, trong khi lại vô cùng kích thích đối với những người khác. Những người tiên phong của thời kỳ Phục hưng đã khởi đầu thế giới châu Âu trên con đường hướng tới khoa học và công nghệ mà chúng ta vẫn đang đi cho đến ngày nay. Đối với họ, thiên nhiên là hợp lý và cuối cùng là có thể biết được, và các thí nghiệm và quan sát cung cấp phương tiện để tiết lộ bí mật của nó.

Chiếc búa và chiếc lông vũ

Video: Chiếc búa và Chiếc lông vũ trên Mặt Trăng. Tín dụng: Phi hành đoàn Apollo 15, NASA. APOD: https://apod.nasa.gov/apod/ap111101.html 

Vào khoảng những năm 1590, Galileo đã áp dụng giả thuyết của Copernicus về một Hệ Mặt Trời nhật tâm. Ở Ý theo Công giáo La Mã, đây không phải là một triết lý phổ biến, vì các nhà chức trách Giáo hội vẫn ủng hộ các ý tưởng của Aristotle và Ptolemy, và họ có những lý do chính trị và kinh tế mạnh mẽ để khẳng định rằng Trái Đất là trung tâm của sự sáng tạo. Galileo không chỉ thách thức tư duy này mà còn có sự gan dạ khi viết bằng tiếng Ý chứ không phải tiếng Latinh học thuật, và thuyết trình công khai về những chủ đề đó. Đối với ông, không có gì mâu thuẫn giữa thẩm quyền của Giáo hội trong các vấn đề tôn giáo và đạo đức, và thẩm quyền của tự nhiên (được tiết lộ qua các thí nghiệm) trong các vấn đề khoa học. Chính vì Galileo và những ý kiến “nguy hiểm” của ông mà vào năm 1616, Giáo hội đã ban hành một sắc lệnh cấm nói rằng học thuyết của Copernicus là “sai lầm và vô lý” và không được giữ hay bảo vệ.

Thực hành Quan sát các hành tinh

Vào bất kỳ thời điểm nào trong đêm và vào bất kỳ mùa nào, bạn có thể phát hiện một hoặc nhiều hành tinh sáng trên bầu trời. Tất cả năm hành tinh được người xưa biết đến - Sao Thủy, Sao Kim, Sao Hỏa, Sao Mộc và Sao Thổ - đều nổi bật hơn bất kỳ ngôi sao nào trừ những ngôi sao sáng nhất, và chúng có thể được nhìn thấy ngay cả từ các khu vực đô thị nếu bạn biết nơi và khi nào cần nhìn. Một cách để phân biệt các hành tinh với các ngôi sao sáng là các hành tinh ít lấp lánh hơn.

Sao Kim, ở gần Mặt Trời theo góc nhìn của chúng ta, xuất hiện dưới dạng "Sao Hôm" ở phía tây sau khi Mặt Trời lặn hoặc "Sao Mai" ở phía đông trước khi Mặt Trời mọc. Nó là vật thể sáng nhất trên bầu trời sau Mặt Trời và Mặt Trăng. Nó sáng vượt trội bất kỳ ngôi sao thực sự nào, và trong những trường hợp thuận lợi nhất, ánh sáng của Sao Kim thậm chí có thể tạo ra một cái bóng có thể nhìn thấy được. Một số binh lính trẻ đã từng cố gắng bắn hạ Sao Kim khi họ nhầm đó là một tàu địch hoặc UFO đang tiếp cận.

Sao Hỏa, với màu đỏ đặc biệt, có thể sáng gần như Sao Kim khi ở gần Trái đất, nhưng thường thì nó vẫn mờ hơn nhiều. Sao Mộc thường là hành tinh sáng thứ hai, độ sáng gần bằng với các ngôi sao sáng nhất. Sao Thổ mờ hơn, và nó thay đổi đáng kể về độ sáng, tùy thuộc vào việc các vành đai lớn của nó hướng  phần cạnh rìa (mờ) hay mở rộng hơn (sáng).

Sao Thủy khá sáng, nhưng ít người chú ý đến nó vì nó không bao giờ di chuyển xa Mặt Trời (nó không bao giờ xa hơn 28° trên bầu trời) và luôn được nhìn thấy trên một bầu trời hoàng hôn rực rỡ.

Đúng như tên gọi của chúng, các hành tinh "đi lang thang" trên nền của các ngôi sao "cố định". Mặc dù các chuyển động biểu kiến của chúng rất phức tạp, chúng phản ánh một trật tự cơ bản mà mô hình nhật tâm của Hệ Mặt Trời dựa vào, như được mô tả trong bài này. Vị trí của các hành tinh thường được liệt kê trên báo (đôi khi trên trang thời tiết), bản đồ và các hướng dẫn rõ ràng về vị trí của chúng có thể được tìm thấy hàng tháng trên các tạp chí như Sky & Telescope và Astronomy, hay đơn giản là truy cập trang mạng của VLTV (vatlythienvan.com). Ngoài ra còn có một số chương trình máy tính và ứng dụng điện thoại và máy tính bảng cho phép bạn hiển thị vị trí của các hành tinh vào bất kỳ đêm nào.

(còn tiếp...)

Tham khảo

  • Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy)