Những gì mắt thường có thể thấy
Những khả năng của mắt thường để quan sát và tính toán các thiên thể đã được đẩy tới hết giới hạn của chúng bởi một nhà thiên văn không biết mệt mỏi người Đan Mạch tên là Tycho Brahe (1546-1601), sinh ra ba năm sau khi Copernic qua đời. Cha ông là một nhà quý tộc giàu có Đan Mạch, luôn khích lệ ông phát triển những đức tính cao quý của nhà quý tộc và những sở thích xa hoa của giới quyền quý để có tiếng trong xã hội trí thức châu Âu thời đó. Tại Đại học Lutheran ở Copenhagen, ông được học đầy đủ bảy môn của các khoa học nhân văn thời bấy giờ, gồm tam khoa (ngữ pháp, tu từ và logic) và tứ khoa (hình học, thiên văn, số học và âm nhạc). Tại đây, ông ngốn ngấu những tác phẩm của Aristote và bắt đầu đi vào hệ thống các thiên thể của Ptolêmê. Tất nhiên ông cũng học khoa chiêm tinh, là một môn học kết hợp giữa thiên văn học và y học, rất hữu ích cho các nhà thiên văn trong đời sống hàng ngày. Sau đó ông đến Leipzig để học luật nhằm hoàn tất nền học vấn của mình.
Nhưng nền giáo dục sách vở đó đã không bóp nghẹt niềm đam mê quan sát thiên văn mà ông đã có từ hồi còn rất nhỏ. Đương nhiên quan sát thiên văn không phải là một môn trong chương trình đại hoc. Khi Tycho chưa đầy 14 tuổi, ông rất kinh ngạc và thích thú vì được chứng kiến một vụ nhật thực đã được tiên đoán trước và đã xảy ra vào đúng ngày dự báo. Ông nghĩ "con người quả là thần thánh khi có thể biết rõ những chuyển động của các ngôi sao nhờ đó có thể tiên đoán từ lâu vị trí và sự tương quan của chúng".
Nhưng vì gia đình muốn ông theo học các môn học truyền thống hơn, nên ông phải theo đuổi niềm đam mê của mình một cách bí mật. Tại Leipzig, gia đình thuê một giảng viên phụ đạo để theo dõi việc học của ông, vì thế ban ngày ông buộc phải học luật. Nhưng đêm đến, khi các ngôi sao xuất hiện và thầy phụ đạo đi ngủ, ông bắt đầu theo đuổi sở thích thực sự của mình. Ông để dành tiền mua thêm nhiều bảng thiên văn và tự học về các chòm sao bằng một quả cầu nhỏ chỉ bằng nắm tay mà ông giấu không cho thầy phụ đạo của mình biết.
Một vụ giao hội giữa các hành tinh đã đưa Tycho lên đường sự nghiệp của mình. Tháng 8 năm 1563, trong một vụ giao hội kéo dài nhiều ngày giữa sao Thổ và sao Mộc, Tycho lúc ấy chưa đầy 17 tuổi, đã chớp lấy cơ hội để bắt đầu việc quan sát thiên văn của mình. Dụng cụ duy nhất của ông là một cái compa thông thường của người vẽ đồ án. Ông đưa tâm của cây compa sát mắt mình, rồi quay mỗi chân compa về một hành tinh, sau đó đặt compa lên một tờ giấy trên đó ông đã vẽ một vòng tròn chia thành 360 độ và nửa độ. Ông đã ghi lại lần quan sát đầu tiên của mình vào ngày 17 tháng 8, 1563 và từ đó về sau còn tiếp tục hàng ngàn lần khác. Ngày 24 tháng 8, ông thấy sao Thổ và sao Mộc gần nhau đến nỗi khó mà nhận ra được khoảng cách giữa chúng. Ông ngạc nhiên phát hiện ra rằng những dự báo trong bảng thiên văn Alphongsine sai hẳn một tháng và ngay cả những bảng Plutenic của Reinhold cũng sai nhiều ngày.
Năm sau, ông trang bị thêm một cái thước đo góc, là một dụng cụ khá phổ biến thời ấy. Thước đo góc chỉ là một cái cây có khắc vạch, dài khoảng 1 mét, trên đó có đặt một cây khác dài bằng một nửa cây kia và có thể trượt qua lại để luôn luôn tạo thành một góc vuông với cây kia. Khi quan sát nhìn qua những ống ngắm gắn ở đầu của cả hai cây và từ từ trượt thanh ngắn cho tới khi cả hai vật được nhìn thấy, họ có thể đo được những độ xa góc. Tycho đã sử dụng thước đo góc này để tập luyện việc quan sát một cách lén lút trong lúc ông thầy phụ đạo ngủ. Khi thấy dụng cụ này quá thô sơ không cho những góc chính xác, Tycho muốn mua một chiếc tốt hơn. Ông không dám xin tiền của bố mẹ để mua, nên đã tự mình chế ra bảng điều chỉnh để cải thiện độ chính xác của dụng cụ của mình. Nhà khoa học vĩ đại Kepler đã gọi cố gắng này của Tycho vào năm 1564 là "sự phục hưng của thiên văn học".
Con người Tycho quả là một hiện tượng, ông không chỉ là mẫu mực của nhà quan sát thiên văn học, mà còn là một trong những nhân vật kỳ lạ nhất của thời đại. Ở tuổi 20, khi còn là sinh viên ở Đại học Rostock, trong dịp dự một buổi khiêu vũ ở nhà một giáo sư, ông đã cãi lộn với một sinh viên khác xem ai là nhà toán học giỏi hơn. Cuộc cãi luận được giải quyết bằng một cuộc thách đấu "hoàn toàn trong bóng tối" vào lúc 7 giờ tối ngày 29 tháng 12, 1566, làm cho Tycho bị mất một miếng mũi. Ông đã sửa cái mũi của mình bằng cách chế ra một miếng mũi rất khéo bằng vàng và bạc để đắp vào chỗ bị sứt. Đây chỉ là một trong rất nhiều chuyện lạ thường trong cuộc đời Tycho.
Những quan sát của Tycho đã đóng góp vào kho tàng sự kiện thiên văn nhiều hơn bất cứ ai trước ông. Hầu hết những sự kiện này được ông sưu tập trong thời gian 20 năm sống trên hòn đảo Hven rộng 2000 mẫu mà vua Frederick II đã tặng ông để làm đài thiên văn của ông. Từ tài sản của riêng mình, ông đã xây dựng một trung tâm khoa học lớn. Ông gọi trung tâm khoa học này là Thiên Lâu (Uraniborg), nhưng đúng ra phải gọi là Thiên Đô, vì nó là cả một Đô thị gồm những nhà nghiên cứu thiên văn đầy nhiệt huyết.
Tycho thực hiện những cuộc quan sát hết sức đều đặn, lặp đi lặp lại, phối hợp chúng và luôn luôn tính đến phần sai sót do dụng cụ của ông. Kết quả ông đã giảm mức độ sai sót xuống chỉ còn một phần của phút trong một cung và đã có được sự chính xác cao nhất từ trước đến giờ.
Với sự giúp đỡ của rất nhiều sinh viên và đồng nghiệp của mình, trong cuốn Progymnasmata (1602) ông đã liệt kê được vị trí của 777 định tinh. Để giúp những người khác đánh giá mức chính xác của ông, ông đã đưa vào trong sách này phần mô tả và những sơ đồ của các phương pháp quan sát cũng như các dụng cụ của ông. Chẳng bao lâu công trình phong phú của ông đã thay thế bảng liệt kê cổ điển của Ptolêmê. Cuối cùng ông đã thêm vào 223 ngôi sao nữa, nâng tổng số lên đúng 1000.
Hệ thống các thiên thể của ông đã chứng minh rằng hệ thống địa tâm của Ptolêmê không thỏa đáng, đồng thời cũng cho thấy chưa có đủ bằng chứng chắc chắn để chứng minh hệ thống nhật tâm của Copernic là đúng.
Tycho không muốn bỏ đi niềm tin của mình vào hệ thống coi trái đất đứng yên và là trung tâm của vũ trụ. Ông quá gắn bó với khoa vật lý của Aristote chủ trương trái đất nặng và đứng yên. Ông nhận xét, nếu thực sự trái đất quay, một quả đại bác bắn ra theo chiều quay của trái đất sẽ đi xa hơn là nếu bắn ngược với chiều quay của trái đất. Nhưng trong thực tế điều này không xảy ra. Và ông cũng dựa vào lập luận rõ ràng của sách Giosuê trong bộ Kinh thánh kể lại rằng mặt trời đã dừng lại trên bầu trời.
Nhưng ông cũng thấy hệ thống nhật tâm có thể làm cho hình ảnh của thế giới đơn giản đi rất nhiều, nên ông đã nghĩ ra một cách thỏa hiệp. Ông vẫn giữ lại quan niệm trái đất đứng yên ở trung tâm trong khi mặt trời quay chung quanh nó giống như trong hệ thống địa tâm của Ptolêmê. Nhưng trong hệ thống mới của Tycho, các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời theo đường quay của mặt trời quanh trái đất.
Trên giường hấp hối, ông đã trối lại kho công trình đồ sộ của mình cho một nhà khoa học khác có đầu óc trẻ trung và khoáng đạt hơn. Ông xin Johannes Kepler cải thiện những bảng thiên văn của ông. Và ông hi vọng Kepler sẽ có thể dùng những bảng thiên văn này để chứng minh lý thuyết của ông (chứ không phải của Copernic) là đúng.
Mặc dù Copernic đã dám thay đổi các tương quan của các thiên thể, ông vẫn không dám sửa đổi chuyển động theo đường tròn hoàn hảo của các thiên thể, hay thay đổi hình tròn của cả hệ thống. Kepler đã thực hiện bước tiếp theo này. Trong khi tìm kiếm một sự đối xứng tinh vi hơn trong quỹ đạo của các thiên thể và những tương quan giữa những độ xa và chu kỳ của chúng, Kepler đã dám rời bỏ lý thuyết Aristote về chuyển động của thiên thể theo đường tròn hoàn hảo. Nhìn lại, chúng ta thấy ông đã tình cờ làm cho hệ thống Copernic hợp lý hơn bằng cách đưa tất cả các chuyển động quan sát được thành những định luật thực nghiệm được diễn tả dưới dạng toán học.
Johannes Kepler (1571-1630) sinh tại Wurttemberg, thuộc miền nam nước Đức. Cho tới năm 22 tuổi, Kepler luôn luôn được chuẩn bị để trở thành một mục sư. Lòng đạo của ông và của gia đình đã luôn luôn thôi thúc ông nhìn mọi biến cố trong cuộc đời đều là do sự an bài của Thiên Chúa.
Johannes Kepler (1571-1630) sinh tại Wurttemberg, thuộc miền nam nước Đức. Cho tới năm 22 tuổi, Kepler luôn luôn được chuẩn bị để trở thành một mục sư. Lòng đạo của ông và của gia đình đã luôn luôn thôi thúc ông nhìn mọi biến cố trong cuộc đời đều là do sự an bài của Thiên Chúa. Ông luôn luôn cảm nếm được hương vị của đời sống thiên quốc và suốt đời ông hăm hở đi tìm biết ý định của Thiên Chúa.
Giá như gia đình ông giàu có, ông đã có thể trở thành một mục sư, chứ không phải một nhà thiên văn. Ông say mê thần học và chỉ vì hoàn cảnh tài chính mà ông phải bỏ ơn gọi mục sư để kiếm sống bằng nghề giáo viên toán học tại một làng nhỏ miền nam nước áo. Ông bổ sung thu nhập của mình bằng việc xuất bản những lịch thiên văn dự báo những mùa, số mệnh của những bậc quân vương, các cuộc nổi dậy của nông dân và những nguy cơ xâm lăng của người Thổ. Nghề thiên văn luôn luôn là nguồn thu nhập chính của ông khi mọi nguồn thu nhập khác không còn. Ông nói, làm nghề bói toán ít ra cũng còn hơn là đi ăn mày.
Năm 1595, ông đã giải thích cho giáo sư Michael Maestlin của đại học Tubingen, là người đã hướng dẫn ông đến với hệ thống thiên văn của Copernic, “Tôi đã muốn trở thành một nhà thần học, vì từ lâu tâm hồn tôi luôn bị giằng co. Nhưng bây giờ, tôi nhận ra là Chúa muốn tôi làm rạng danh Người qua các cố gắng truy tìm thiên văn của tôi”. Cuốn sách đầu tiên của ông nhan đề Vũ trụ Mầu Nhiệm (1596) là một sự diễn tả khéo léo tính chất huyền bí toán học, là khởi điểm cho hoạt động suốt đời của ông. Ông kể lại rằng, vì ông tin chắc có vẻ đẹp toán học trong những kích thước tương đối giữa các hành tinh và quỹ đạo của chúng, nên ông lao mình vào cuộc tìm kiếm.
Hầu như cả mùa hè đã trôi qua với sự tìm kiếm nặng nề nhưng không kết quả này. Cuối cùng, trong một dịp rất tầm thường, tôi đã đến gần được sự thật hơn. Tôi tin Chúa quan phòng đã can thiệp để tôi may mắn đạt được điều mà tôi không bao giờ có thể đạt được chỉ bằng cố gắng riêng của mình. Tôi lại càng tin ở điều này hơn nữa vì tôi luôn luôn cầu xin Chúa cho tôi được thành công nếu lý thuyết của Copernic là đúng. Thế là chuyện đã xảy ra vào ngày 19 tháng 7, 1595. Khi tôi đang giảng cho sinh viên thấy những sự kiện giao hội lớn (của sao Thổ và sao Mộc) xảy ra liên tiếp tám ký hiệu hoàng đạo sau và chúng từ từ chuyển từ một khoảng cách 120 độ giữa hai hành tinh sang một khoảng cách khác, thì cùng lúc đó tôi đã vẽ lồng vào trong một vòng tròn nhiều hình tam giác với điểm cuối của tam giác này là điểm đầu của tam giác kia. Bằng cách này tôi có một hình tròn nhỏ hơn hợp bởi những điểm giao nhau của các cạnh hình tam giác.
Khi ông so sánh hai vòng tròn này, ông thấy vòng tròn không tương ứng với sao Mộc, vòng tròn ngoài tương ứng với sao Thổ. Ông đã tìm ra được chìa khóa chăng?
Bất ngờ Kepler nhớ lại một sự trùng hợp đặc biệt: trong hình học có năm loại hình khối đa diện và ngoài trái đất thì chỉ có năm hành tinh khác.
Và rồi... điều này làm tôi ngạc nhiên: tại sao lại có các hình phẳng trong số những quĩ đạo ba chiều? Thưa độc giả, xin hãy để ý đến lý do tại sao tôi viết cuốn sách nhỏ này. Để ghi nhớ sự kiện đó, tôi viết ra đây cho bạn câu phát biểu bằng chính những lời lúc nó mới được phát sinh trong đầu: Quĩ đạo của trái đất là thước đo mọi sự. Vẽ ngoại tiếp quĩ đạo này là một hình mười hai mặt và vòng tròn chứa hình này sẽ là sao Hỏa; vẽ ngoại tiếp sao Hỏa một hình tứ diện và vòng tròn chứa nó sẽ là sao Mộc; vẽ ngoại tiếp sao Mộc một hình lập phương và vòng tròn chứa nó sẽ là sao Thổ. Bây giờ vẽ nội tiếp trái đất một hình hai mươi mặt và vòng tròn nằm trong đó sẽ là sao Kim; vẽ nội tiếp sao Kim một hình tám mặt và vòng tròn nằm trong đó sẽ là sao Thủy. Bây giờ bạn đã hiểu lý do của con số các hành tinh.
Đây là cơ hội và thành công của những lao nhọc của tôi. Và niềm thỏa mãn sâu xa của tôi trong khám phá này quả thực không thể diễn tả thành lời. Tôi không còn tiếc thời giờ đã mất nữa. Ngày đêm tôi không mỏi mệt trong việc tính toán, để xem ý tưởng này có phù hợp với những quĩ đạo của Copernic hay không, hay là niềm vui của tôi sẽ bay đi theo gió. Chỉ trong ít ngày, mọi cái đã hoạt động tốt và tôi cứ ngồi nhìn từng thiên thể tiếp nối nhau ăn khớp chính xác vào chỗ của nó trong số các hành tinh.
Trí tưởng tượng hình học của ông đã có tác dụng. Nếu chúng ta kể đến chuyển động ly tâm của các của hành tinh và bỏ qua một vấn đề nho nhỏ về sao Kim, thì mọi hành tinh đều ăn khớp với hệ thống của Kepler, với một sai biệt chỉ chừng 5 phần trăm.
Bất luận chúng ta nghĩ thế nào về “phương pháp” của Kepler, sản phẩm của ông quả là đầy ấn tượng. Đối với ông, hình như việc ông chuyển từ lãnh vực thần học sang thiên văn là một hành động chính đáng. Kể cũng lạ, cuốn sách này do một chàng thanh niên tên Kepler viết lúc 25 tuổi đúng một nửa thế kỷ sau cuốn De Revolutionibus của Copernic lại là tác phẩm đầu tiên sau chính bản thân Copernic công khai bảo vệ hệ thống mới.
Trong hệ thống của Copernic, mặt trời được đưa vào trung tâm thay chỗ cho trái đất, nhưng mặt trời vẫn chỉ thực hiện chức năng quang học là soi sáng cho toàn thể vũ trụ hành tinh, chứ không tạo ra chuyển động của các hành tinh đó. Kepler đã tiến một bước khổng lồ khi ông coi mặt trời là một trung tâm tạo lực. Ông nhận thấy rằng một hành tinh càng xa mặt trời, thì chu kỳ xoay vòng của nó càng dài. Đối với sự kiện này, các nhà thiên văn thời trung cổ chỉ cống hiến những giải thích thần bí hay duy linh. Ví dụ, các triết gia khắc kỷ tin rằng mỗi hành tinh có hồn riêng của mình - là tinh thần hay trí khôn - để hướng dẫn các chuyển động của nó trong bầu trời. Quan niệm trổi vượt của thời trung cổ gắn mỗi hành tinh vào một quả cầu trong suốt cũng tuyên bố rằng những quả cầu này được chuyển động bởi trí khôn thiên giới.
Khi Kepler tìm cách cắt nghĩa sự giảm tốc của một hành tinh khi nó chuyển động xa dần mặt trời, lúc đầu ông cũng nghĩ mỗi hành tinh có một “hồn chuyển động” (anima motrix):
Vì thế chúng ta phải thiết lập một trong hai sự kiện sau: hoặc là các animae motrices (của các hành tinh) trở nên yếu hơn khi chúng xa dần Mặt trời, hoặc là chỉ có một anima motrix duy nhất ở tâm điểm của tất cả các quỹ đạo, nghĩa là, ở Mặt trời, cái hồn chuyển động này tạo lực mạnh hơn đối với một vật thể khi vật thể này ở gần mặt trời, nhưng sẽ không có tác dụng đối với các vật thể ở xa hơn, vì khoảng cách và vì ảnh hưởng của lực tác động càng xa càng yếu.
Sau này chính Kepler đã trịnh trọng nói thêm rằng toàn thể hệ thống vật lý các thiên thể của mình sẽ có ý nghĩa hoàn hảo “nếu ta thay thế từ hồn (anima) bằng lực (vis). Thế là ông đã mạnh dạn vạch ra con đường chuyển từ việc giải thích vũ trụ theo cách hữu cơ sang lối giải thích cơ học. Các “tinh thần” và “trí khôn của các thiên thể” được thay thế bằng các lực.
Từ lý thuyết đầy trực giác của Copernic, từ lượng dữ liệu khổng lồ do Tycho Brahe thu thập được và với niềm say mê toán học thần bí của mình, Kepler đã hình thành ba định luật về chuyển động của hành tinh, nhờ đó ông đã trở thành nhà tiên phong cho một ngành khoa học mở đường cho khoa vật lý hiện đại.
