Isaac Newton
1. Giới thiệu
Bản sao kính viễn vọng của Newton đã trình bày trước Hội Đồng Hoàng Gia năm 1672.
Isaac Newton Jr. là một nhà vật lý, nhà thiên văn học, nhà triết học, nhà toán học, nhà thần học và nhà giả kim thuật người Anh, được nhiều người cho rằng là nhà khoa học vĩ đại và có tầm ảnh hưởng lớn nhất. Theo lịch Julius, ông sinh ngày 25 tháng 12 năm 1642 và mất ngày 20 tháng 3 năm 1727; theo lịch Gregory, ông sinh ngày 4 tháng 1 năm 1643 và mất ngày 31 tháng 3 năm 1727.
Luận thuyết của ông về Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các Nguyên lý Toán học của Triết học Tự nhiên) xuất bản năm 1687, đã mô tả về vạn vật hấp dẫn và 3 định luật Newton, được coi là nền tảng của cơ học cổ điển, đã thống trị các quan niệm về vật lý, khoa học trong suốt 3 thế kỷ tiếp theo. Ông cho rằng sự chuyển động của các vật thể trên mặt đất và các vật thể trong bầu trời bị chi phối bởi các định luật tự nhiên giống nhau; bằng cách chỉ ra sự thống nhất giữa Định luật Kepler về sự chuyển động của hành tinh và lí thuyết của ông về trọng lực, ông đã loại bỏ hoàn toàn Thuyết nhật tâm và theo đuổi cách mạng khoa học.
Trong cơ học, Newton đưa ra nguyên lý bảo toàn động lượng (bảo toàn quán tính). Trong quang học, ông khám phá ra sự tán sắc ánh sáng, giải thích việc ánh sáng trắng qua lăng kính trở thành nhiều màu.
Trong toán học, Newton cùng với Gottfried Leibniz phát triển phép tính vi phân và tích phân. Ông cũng đưa ra nhị thức Newton tổng quát.
Năm 2005, trong một cuộc thăm dò ý kiến của Hội Hoàng gia về nhân vật có ảnh hưởng lớn nhất trong lịch sử khoa học, Newton vẫn là người được cho rằng có nhiều ảnh hưởng hơn Albert Einstein.
2. Tiểu sử
Isaac Newton sinh ra tại một ngôi nhà ở Woolsthorpe, gần Grantham ở Lincolnshire, Anh, vào ngày 25 tháng 12 năm 1642 (4 tháng 1, 1643 theo lịch mới). Ông chưa một lần nhìn thấy mặt cha, do cha ông, một nông dân cũng tên là Isaac Newton Sr., mất trước khi ông sinh ra không lâu. Sống không hạnh phúc với cha dượng từ nhỏ, Newton bắt đầu những năm học phổ thông trầm uất, xa nhà và bị gián đoạn bởi các biến cố gia đình. May mắn là do không có khả năng điều hành tài chính trong vai anh cả sau khi cha dượng mất, ông tiếp tục được cho học đại học (trường Trinity College Cambridge) sau phổ thông vào năm 1661, sử dụng học bổng của trường với điều kiện phải phục dịch các học sinh đóng học phí.
Mục tiêu ban đầu của Newton tại Đại học Cambridge là tấm bằng luật sư với chương trình nặng về triết học của Aristotle, nhưng ông nhanh chóng bị cuốn hút bởi toán học của Descartes, thiên văn học của Galileo và cả quang học của Kepler. Ông đã viết trong thời gian này: "Plato là bạn của tôi, Aristotle là bạn của tôi, nhưng sự thật mới là người bạn thân thiết nhất của tôi". Tuy nhiên, đa phần kiến thức toán học cao cấp nhất thời bấy giờ, Newton tiếp cận được là nhờ đọc thêm sách, đặc biệt là từ sau năm 1663, gồm các cuốn Elements của Euclid, Clavis Mathematica của William Oughtred, La Géométrie của Descartes, Geometria a Renato Des Cartes của Frans van Schooten, Algebra của Wallis và các công trình của François Viète.
Ngay sau khi nhận bằng tốt nghiệp, năm 1630, ông phải trở về nhà 2 năm vì trường đóng cửa do bệnh dịch hạch lan truyền. Hai năm này chứng kiến một loạt các phát triển quan trọng của Newton với phương pháp tính vi phân và tích phân hoàn toàn mới, thống nhất và đơn giản hoá nhiều phương pháp tính khác nhau thời bấy giờ để giải quyết những bài toán có vẻ không liên quan trực tiếp đến nhau như tìm diện tích, tìm tiếp tuyến, độ dài đường cong và cực trị của hàm. Tài năng toán học của ông nhanh chóng được hiệu trưởng của Cambridge nhận ra khi trường mở cửa trở lại. Ông được nhận làm giảng viên của trường năm 1670, sau khi hoàn thành thạc sĩ, và bắt đầu nghiên cứu và giảng về quang học. Ông lần đầu chứng minh ánh sáng trắng thực ra được tạo thành bởi nhiều màu sắc, và đưa ra cải tiến cho kính thiên văn sử dụng gương thay thấu kính để hạn chế sự nhoè ảnh do tán sắc ánh sáng qua thuỷ tinh.
Newton được bầu vào Hội Khoa học Hoàng gia Anh năm 1672 và bắt đầu vấp phải các phản bác từ Huygens và Hooke về lý thuyết hạt ánh sáng của ông. Lý thuyết về màu sắc ánh sáng của ông cũng bị một tác giả phản bác và cuộc tranh cãi đã dẫn đến suy sụp tinh thần cho Newton vào năm 1678. Năm 1679 Newton và Hooke tham gia vào một cuộc tranh luận mới về quỹ đạo của thiên thể trong trọng trường. Năm 1684, Halley thuyết phục được Newton xuất bản các tính toán sau cuộc tranh luận này trong quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Quyển sách đã mang lại cho Newton tiếng tăm vượt ra ngoài nước Anh, đến châu Âu.
Năm 1685, chính trị nước Anh thay đổi dưới sự trị vì của James II, và trường Cambridge phải tuân thủ những điều luật phi lý như buộc phải cấp bằng cho giáo chủ không thông qua thi cử. Newton kịch liệt phản đối những can thiệp này và sau khi James bị William III đánh bại, Newton được bầu vào Nghị viện Anh nhờ những đấu tranh chính trị của ông.
Năm 1693, sau nhiều năm làm thí nghiệm hoá học thất bại và sức khoẻ suy sụp nghiêm trọng, Newton từ bỏ khoa học, rời Cambridge để về nhận chức trong chính quyền tại Luân Đôn. Newton tích cực tham gia hoạt động chính trị và trở nên giàu có nhờ bổng lộc nhà nước. Năm 1703 Newton được bầu làm chủ tịch Hội Khoa học Hoàng gia Anh và giữ chức vụ đó trong suốt phần còn lại của cuộc đời ông. Ông được Nữ hoàng phong bá tước năm 1705. việc ai phát minh ra vi phân và tích phân, Newton và Lepnic không bao giờ tranh luận cả, nhưng các người hâm mộ lại tranh cãi quyết liệt khiến hai nhà khoa học vĩ đại này cảm thấy xấu hổ. Ông mất ngày 31 tháng 3 năm 1727 tại Luân Đôn.
2. Sự nghiệp
Isaac Newton sinh ra trong một gia đình nông dân. Khi ông ở quãng tuổi từ khoảng 12 đến 17, ông học tại King's School, Grantham, nơi mà ông chỉ học tiếng Latinh và không có Toán. Sau đó, ông rời khỏi trường và đến tháng Mười năm 1659, ông có mặt tại Woolsthorpe-by-Colsterworth, nơi mà mẹ ông, lần thứ hai góa bụa, đang cố gắng khiến ông trở thành một nông dân. Nhưng Newton lại ghét việc đồng áng. Henry Stocks, thầy của ông tại King's School, đã thuyết phục mẹ ông cho ông quay trở lại trường học để ông có thể tiếp tục việc học của mình.
Vào tháng Sáu năm 1661, Newton được gửi tới Đại học Cambridge để trở thành luật sư. Tại Cambridge, Newton bị ấn tượng mạnh từ trường phái Euclid, tuy rằng tư duy của ông cũng bị ảnh hưởng bởi trường phái của Roger Bacon và René Descartes. Một đợt dịch bệnh đã khiến trường Cambridge đóng cửa và trong thời gian ở nhà, Newton đã có những phát kiến khoa học quan trọng, dù chúng không được công bố ngay.
Những người có ảnh hưởng đến việc công bố các công trình của Newton là Robert Hooke và Edmond Halley. Sau một cuộc tranh luận về chủ đề quỹ đạo của một hạt khi bay từ vũ trụ vào Trái Đất với Hooke, Newton đã bị cuốn hút vào việc sử dụng định luật vạn vật hấp dẫn và cơ học của ông trong tính toán quỹ đạo Johannes Kepler. Những kết quả này hấp dẫn Halley và ông đã thuyết phục được Newton xuất bản chúng. Từ tháng 8 năm 1684 đến mùa xuân năm 1688, Newton hoàn thành tác phẩm, mà sau này trở thành một trong những công trình nền tảng quan trọng nhất cho vật lý của mọi thời đại, cuốn Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.
Trong quyển I của tác phẩm này, Newton giới thiệu các định nghĩa và ba định luật của chuyển động thường được biết với tên gọi sau này là Định luật Newton. Quyển II trình bày các phương pháp luận khoa học mới của Newton thay thế cho triết lý Descartes. Quyển cuối cùng là các ứng dụng của lý thuyết động lực học của ông, trong đó có sự giải thích về thủy triều và lý thuyết về sự chuyển động của Mặt Trăng. Để kiểm chứng lý thuyết về vạn vật hấp dẫn của ông, Newton đã hỏi nhà thiên văn John Flamsteed kiểm tra xem Sao Thổ có chuyển động chậm lại mỗi lần đi gần Sao Mộc không. Flamsteed đã rất sửng sốt nhận ra hiệu ứng này có thật và đo đạc phù hợp với các tính toán của Newton. Các phương trình của Newton được củng cố thêm bằng kết quả quan sát về hình dạng bẹt của Trái Đất tại hai cực, thay vì lồi ra tại hai cực như đã tiên đoán bởi trường phái Descartes. Phương trình của Newton cũng miêu tả được gần đúng chuyển động Mặt Trăng, và tiên đoán chính xác thời điểm quay lại của sao chổi Halley. Trong các tính toán về hình dạng của một vật ít gây lực cản nhất khi nằm trong dòng chảy của chất lỏng hay chất khí, Newton cũng đã viết ra và giải được bài toán giải tích biến phân đầu tiên của thế giới.
Newton sáng tạo ra một phương pháp khoa học rất tổng quát. Ông trình bày phương pháp luận của ông thành bốn quy tắc của lý luận khoa học. Các quy tắc này được phát biểu trong quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica như sau:
1. Các hiện tượng tự nhiên phải được giải thích bằng một hệ tối giản các quy luật đúng, vừa đủ và chặt chẽ.
2. Các hiện tượng tự nhiên giống nhau phải có cùng nguyên nhân như nhau.
3. Các tính chất của vật chất là như nhau trong toàn vũ trụ.
4. Một nhận định rút ra từ quan sát tự nhiên chỉ được coi là đúng cho đến khi có một thực nghiệm khác mâu thuẫn với nó.
Bốn quy tắc súc tích và tổng quát cho nghiên cứu khoa học này đã là một cuộc cách mạng về tư duy thực sự vào thời điểm bấy giờ. Thực hiện các quy tắc này, Newton đã hình thành được các định luật tổng quát của tự nhiên và giải thích được gần như tất cả các bài toán khoa học vào thời của ông. Newton còn đi xa hơn việc chỉ đưa ra các quy tắc cho lý luận, ông đã miêu tả cách áp dụng chúng trong việc giải quyết một bài toán cụ thể. Phương pháp giải tích mà ông sáng tạo vượt trội các phương pháp mang tính triết lý hơn là tính chính xác khoa học của Aristoteles và Thomas Aquinas. Newton đã hoàn thiện phương pháp thực nghiệm của Galileo Galilei, tạo ra phương pháp tổng hợp vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay trong khoa học. Những câu chữ sau đây trong quyển Opticks (Quang học) của ông có thể dễ dàng bị nhầm lẫn với trình bày hiện đại của phương pháp nghiên cứu thời nay, nếu Newton dùng từ "khoa học" thay cho "triết lý về tự nhiên":
Cũng như trong toán học, trong triết lý về tự nhiên, việc nghiên cứu các vấn đề hóc búa cần thực hiện bằng phương pháp phân tích và tổng hợp. Nó bao gồm làm thí nghiệm, quan sát, đưa ra những kết luận tổng quát, từ đó suy diễn. Phương pháp này sẽ giúp ta đi từ các hợp chất phức tạp đến nguyên tố, đi từ chuyển động đến các lực tạo ra nó; và tổng quát là từ các hiện tượng đến nguyên nhân, từ nguyên nhân riêng lẻ đến nguyên nhân tổng quát, cho đến khi lý luận dừng lại ở mức tổng quát nhất. Tổng hợp lại các nguyên nhân chúng ta đã khám phá ra thành các nguyên lý, chúng ta có thể sử dụng chúng để giải thích các hiện tượng hệ quả.
Newton đã xây dựng lý thuyết cơ học và quang học cổ điển và sáng tạo ra giải tích trước Gottfried Leibniz nhiều năm. Tuy nhiên ông đã không công bố công trình về giải tích trước Leibniz. Điều này đã gây nên một cuộc tranh cãi giữa Anh và lục địa châu Âu suốt nhiều thập kỷ về việc ai đã sáng tạo ra giải tích trước. Newton đã phát hiện ra định lý nhị thức đúng cho các tích của phân số, nhưng ông đã để cho John Wallis công bố. Newton đã tìm ra một công thức cho vận tốc âm thanh, nhưng không phù hợp với kết quả thí nghiệm của ông. Lý do cho sự sai lệch này nằm ở sự giãn nở đoạn nhiệt, một khái niệm chưa được biết đến thời bấy giờ. Kết quả của Newton thấp hơn γ½ lần thực tế, với γ là tỷ lệ các nhiệt dung của không khí.
Theo quyển Opticks, mà Newton đã chần chừ trong việc xuất bản mãi cho đến khi Hooke mất, Newton đã quan sát thấy ánh sáng trắng bị chia thành phổ nhiều màu sắc, khi đi qua lăng kính (thuỷ tinh của lăng kính có chiết suất thay đổi tùy màu). Quan điểm hạt về ánh sáng của Newton đã xuất phát từ các thí nghiệm mà ông đã làm với lăng kính ở Cambridge. Ông thấy các ảnh sau lăng kính có hình bầu dục chứ không tròn như lý thuyết ánh sáng thời bấy giờ tiên đoán. Ông cũng đã lần đầu tiên quan sát thấy các vòng giao thoa mà ngày nay gọi là vòng Newton, một bằng chứng của tính chất sóng của ánh sáng mà Huygens đã không công nhận. Newton đã cho rằng ánh sáng đi nhanh hơn trong thuỷ tinh, một kết luận trái với lý thuyết sóng ánh sáng của Christiaan Huygens.
Newton cũng xây dựng một hệ thống hoá học trong mục 31 cuối quyển Opticks. Đây cũng là lý thuyết hạt, các "nguyên tố" được coi như các sự sắp xếp khác nhau của những nguyên tử nhỏ và cứng như các quả bi-a. Ông giải thích phản ứng hoá học dựa vào ái lực giữa các thành phần tham gia phản ứng. Cuối đời (sau 1678) ông thực hiện rất nhiều các thí nghiệm hoá học vô cơ mà không ra kết quả gì.
Newton rất nhạy cảm với các phản bác đối với các lý thuyết của ông, thậm chí đến mức không xuất bản các công trình cho đến tận sau khi người hay phản bác ông nhất là Hooke mất. Quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica phải chờ sự thuyết phục của Halley mới ra đời. Ông tỏ ra ngày càng lập dị vào cuối đời khi thực hiện các phản ứng hoá học và cùng lúc xác định ngày tháng cho các sự kiện trong Kinh Thánh. Sau khi Newton qua đời, người ta tìm thấy một lượng lớn thuỷ ngân trong cơ thể của ông, có thể bị nhiễm trong lúc làm thí nghiệm. Điều này hoàn toàn có thể giải thích sự lập dị của Newton.
Newton đã một mình đóng góp cho khoa học nhiều hơn bất cứ một nhân vật nào trong lịch sử của loài người. Ông đã vượt trên tất cả những bộ óc khoa học lớn của thế giới cổ đại, tạo nên một miêu tả cho vũ trụ không tự mâu thuẫn, đẹp và phù hợp với trực giác hơn mọi lý thuyết có trước. Newton đưa ra cụ thể các nguyên lý của phương pháp khoa học có thể ứng dụng tổng quát vào mọi lĩnh vực của khoa học. Đây là điều tương phản lớn so với các phương pháp riêng biệt cho mỗi lĩnh vực của Aristoteles và Aquinas trước đó.
Ngoài việc nghiên cứu khoa học, Newton dùng phần lớn thời gian để nghiên cứu Kinh Thánh, ông tin nhận một Chúa Trời duy nhất là Đấng tạo hóa siêu việt mà người ta không thể phủ nhận sự hiện hữu của ngài khi nhìn ngắm vẻ hùng vĩ của mọi tạo vật. Mặc dù được trưởng dưỡng trong một gia đình Anh giáo nhưng vào độ tuổi ba mươi của mình, niềm tin Kitô giáo của Newton không được coi là chính thống.
Cũng có các nhà triết học trước như Galileo và John Philoponus sử dụng phương pháp thực nghiệm, nhưng Newton là người đầu tiên định nghĩa cụ thể và hệ thống cách sử dụng phương pháp này. Phương pháp của ông cân bằng giữa lý thuyết và thực nghiệm, giữa toán học và cơ học. Ông toán học hoá mọi khoa học về tự nhiên, đơn giản hoá chúng thành các bước chặt chẽ, tổng quát và hợp lý, tạo nên sự bắt đầu của Kỷ nguyên Suy luận. Những nguyên lý mà Newton đưa ra do đó vẫn giữ nguyên giá trị cho đến thời đại ngày nay. Sau khi ông ra đi, những phương pháp của ông đã mang lại những thành tựu khoa học lớn gấp bội những gì mà ông có thể tưởng tượng lúc sinh thời. Các thành quả này là nền tảng cho nền công nghệ mà chúng ta được hưởng ngày nay.
Không ngoa dụ chút nào khi nói rằng Newton là danh nhân quan trọng nhất đóng góp cho sự phát triển của khoa học hiện đại. Như nhà thơ Alexander Pope đã viết:
|
Nature and nature's laws lay hid in night; God said "Let Newton be" and all was light. |
Tự nhiên và luật tự nhiên lẩn khuất trong màn đêm phủ; Chúa phán: Newton hãy xuất hiện! Và mọi thứ chói lòa. |
3. Nghiên cứu khoa học
3.1. Quang học
Bìa cuốn Opticks của Newton.
Từ năm 1670 đến 1672, Newton diễn thuyết về quang học. Trong khoảng thời gian này ông khám phá ra sự tán sắc ánh sáng, giải thích việc ánh sáng trắng qua lăng kính trở thành nhiều màu, và một thấu kính hay một lăng kính sẽ hội tụ các dãy màu thành ánh sáng trắng.
Newton còn cho thấy rằng ánh sáng màu không thay đổi tính chất, bằng việc phân tích các tia màu và chiếu vào các vật khác nhau. Newton chú ý rằng dù là gì đi nữa, phản xạ, tán xạ hay truyền qua, màu sắc vẫn giữ nguyên. Vì thế màu mà ta quan sát là kết quả vật tương tác với các ánh sáng đã có sẵn màu sắc, không phải là kết quả của vật tạo ra màu.
Nhờ vào những khám phá trên, Newton nhận ra nguyên nhân gây ra sự sai lệch màu của hình ảnh trên kính viễn vọng khúc xạ thời đó. Ông đã áp dụng nguyên lý của James Gregory để tạo ra kính viễn vọng phản xạ đầu tiên, khắc phục được nhiều nhược điểm về ảnh của kính viễn vọng khúc xạ đồng thời giảm đi đáng kể chiều dài của kính viễn vọng.
3.2. Quả táo Newton
Sau khi Newton công bố định luật vạn vật hấp dẫn, giới khoa học lưu truyền câu chuyện quả táo rơi trúng đầu Newton liệu có mối liên hệ giữa khối lượng và khoảng cách của vật thể trong nhà vật lý vĩ đại này. Thế nhưng, nhiều ý kiến cho rằng đó chỉ là câu chuyện thêu dệt, chỉ là một huyền thoại và rằng ông đã không xây dựng lý thuyết về lực hấp dẫn ở bất cứ thời điểm duy nhất nào.
Tuy nhiên, với bản thảo viết tay Memoirs of Life Sir Isaac Newton có từ năm 1752, nhà khoa học William Stukeley (một người quen của Newton) kể lại chi tiết về khoảng khắc khi Newton tìm ra thuyết vạn vật hấp dẫn.
Bài viết của Stukeley kể về những suy nghĩ của Newton về thuyết lực hấp dẫn khi hai người ngồi dưới bóng râm cây táo trong vườn của nhà khoa học, tại Kensington vào ngày 15 tháng 4 năm 1726:
Chúng tôi đã đi vào một khu vườn, và uống trà dưới bóng mát của vườn táo; chỉ có ông, và tôi. Ông nói với tôi, chính ở vị trí này, vào thuở trước khái niệm về lực hấp dẫn đã đến trong tâm trí. Thời điểm đó ông đang ngồi chiêm nghiệm và một quả táo rơi xuống. Ông đã nghĩ tại sao quả táo lại rơi thẳng xuống đất?
Quả táo chín rồi, tại sao lại rơi xuống đất? Tại vì gió thổi chăng? Không phải, khoảng không rộng mênh mông, tại sao lại phải rơi xuống mà không bay lên trời? Như vậy trái đất có cái gì hút nó sao? Mọi vật trên trái đất đều có sức nặng, hòn đã ném đi rốt cuộc lại rơi xuống đất, trọng lượng của mọi vật có phải là kết quả của lực hút của trái đất không?
Tại sao nó không đi ngang, hoặc đi lên? Mà lại hướng đến trung tâm trái đất? Chắc chắn, không có lý do nào khác rằng trái đất đã hút nó. Phải có một sức mạnh hút kéo vật chất & sức mạnh hút kéo của trái đất phải ở trung tâm trái đất, không phải từ bất kỳ bên nào của trái đất, do đó quả táo này rơi vuông góc với mặt đất, hay hướng về trung tâm do có lực hút của vật chất.. lực hút phải được cân đối với trọng lượng của nó, do đó quả táo hút trái đất, cũng như trái đất hút quả táo.
John Conduitt, trợ lý của Newton tại Royal Mint và chồng của cô cháu gái của Newton, cũng mô tả các sự kiện khi ông đã viết về cuộc sống của Newton:
Vào năm 1666, ông nghỉ hưu từ Cambridge với mẹ ông ở Lincolnshire. Trong khi đang lang thang trầm tư trong vườn, thì xuất hiện ý tưởng rằng sức mạnh của lực hấp dẫn (đã mang quả táo từ trên cây rơi xuống đất) không bị giới hạn trong một khoảng cách nhất định từ trái đất, nhưng sức mạnh này phải trải rộng ra xa hơn là người ta thường nghĩ. Tại sao không cao tới mặt trăng, và nếu như vậy, phải ảnh hưởng đến chuyển động của mặt trăng và có lẽ vì thế mà giữ mặt trăng lại trong quỹ đạo của nó. Từ đó ông lao vào tính toán những gì sẽ là kết quả của giả thuyết đó.
Trong một việc tương tự, Voltaire đã viết trong cuốn tiểu luận về Epic Thơ (1727), "Sir Isaac Newton đi bộ trong khu vườn của mình, có những suy nghĩ đầu tiên của hệ thống lực hấp dẫn của ông, khi thấy một quả táo rơi xuống từ một cây".
Newton đã phải vật lộn tính toán trong năm 1660 với ý tưởng rằng lực hấp dẫn kéo dài đến mặt trăng; Tuy nhiên ông đã phải mất hai thập kỷ để phát triển các lý thuyết đầy đủ. Câu hỏi đặt ra không phải là liệu trọng lực có tồn tại, mà liệu nó có mở rộng ra xa trái đất, nó có thể là lực giữ mặt trăng trong quỹ đạo của nó. Newton đã chỉ ra rằng nếu lực giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách, người ta có thể tính toán chu kỳ quỹ đạo của Mặt trăng. Ông đoán cùng một lực chịu trách nhiệm về chuyển động của các quỹ đạo khác, và do đó đặt tên nó là "vạn vật hấp dẫn".
Sau này Newton nêu ra: Mọi vật trên trái đất đều chịu sức hút của trái đất, mặt trăng cũng chịu sức hút của trái đất, đồng thời trái đất cũng chịu sức hút của mặt trăng; Trái đất chịu sức hút của mặt trời, mặt trời đồng thời cũng chịu sức hút của trái đất. Nói một cách khác là vạn vật trong vũ trụ đều có lực hấp dẫn lẫn nhau, vì có loại lực hấp dẫn này mà mặt trăng mới quay quanh trái đất, trái đất mới quay quanh mặt trời.
3.3. Mười phát minh nổi tiếng của Isaac Newton
Nhắc tới nhà phát minh vĩ đại Isaac Newton, chắc chắn ai cũng nghĩ tới câu chuyện "quả táo rơi vào đầu" đã làm nên thuyết vạn vật hấp dẫn. Không chỉ vậy, ông còn sở hữu nhiều phát minh vĩ đại giúp thay đổi thế giới: ba định luật chuyển động, vi phân, tích phân, giả thuật kim...
Tại nhà thờ Westminster Abbey, một dòng chữ bằng tiếng Latin đã được khắc lên trên bia mộ của Newton "Hic depositum est, quod mortale fult Isaac Newtoni" với ý nghĩa là "Một con người đã từng tồn tại và trang hoàng cho sự phát triển của nhân loại".
Lời ca tụng trên không hề quá mức đối với những di sản mà thiên tài Newton đã để lại cho loài người. Cùng điểm lại 10 phát minh quan trọng và nổi tiếng nhưng cũng hết sức thú vị của Isaac Newton trong suốt sự nghiệp sáng tạo của ông mà có thể chúng ta ít khi chú ý đến.
1. Ý tưởng của Newton về khẩu pháo bắn vào quỹ đạo
Đối với một số ý kiến xuyên tạc sẽ cho rằng làm sao một người đàn ông đang ngáy ngủ và một quả táo vô tình rơi xuống lại làm nên một phát minh vĩ đại đến như vậy? Kết quả của quá trình "chờ sung rụng" chăng? Không hề, điều đó chỉ đến với một bộ óc thiên tài luôn suy nghĩ về các quy luật vật lý mà cụ thể là lực hấp dẫn. Không chỉ dừng lại ở trọng lực mà Newton còn đưa ra nhiều ý tưởng khác đi trước thời đại. Trong định luật hấp dẫn phổ quát, Newton đã diễn tả đến một ngọn núi khổng lồ mà đỉnh của nó là khoảng trên bầu khí quyển của Trái Đất, trên đỉnh có đặt một khẩu pháo vô cùng lớn có thể bắn một viên đạn theo chiều ngang ra ngoài không gian.
Newton không hề có ý định tạo ra một loại siêu vũ khí nhằm bắn những kẻ xâm lược ngoài hành tinh! Khẩu pháo của ông là một ý tưởng thí nghiệm nhằm giải thích làm thế nào để đưa một vật thể vào một quỹ đạo quay quanh Trái Đất.
Nếu lực hấp dẫn tác động lên quả đạn pháo, nó sẽ bay theo đường tùy thuộc vào vận tốc ban đầu của nó .
- Tốc độ thấp, nó chỉ đơn giản là sẽ rơi trở lại trên Trái đất. Nếu tốc độ là tốc độ quỹ đạo, nó sẽ đi lòng vòng xung quanh Trái đất theo một quỹ đạo tròn cố định giống như mặt trăng.
- Tốc độ cao hơn so với vận tốc quỹ đạo, nhưng không đủ lớn để rời khỏi trái đất hoàn toàn (thấp hơn vận tốc thoát) nó sẽ tiếp tục xoay quanh Trái đất dọc theo một quỹ đạo hình elip.
- Tốc độ rất cao, nó thực sự sẽ rời khỏi quỹ đạo và bay ra ngoài vũ trụ.
Thí nghiệm trên đã được trình bày trong Principia Mathematica vào năm 1687, theo đó, tất cả mọi hạt đều gây ra một lực hấp dẫn và bị hấp dẫn bởi những vật thể khác. Lực tương tác này phụ thuộc vào trọng lượng và khoảng cách của hạt hay vật thể đó. Quy tắc này chi phối tất cả các hiện tượng từ mưa rơi cho đến quỹ đạo của các hành tinh. Đây chính là tác phẩm nổi tiếng với nhiều đóng góp quan trọng cho vật lý học cổ điển và cung cấp cơ sở lý thuyết cho du hành không gian cũng như sự phát triển của tên lửa sau này. Sau đó, Einstein cùng các nhà vật lý thế kỷ 16, 17 đã tiếp tục củng cố học thuyết của Newton để cho chúng ta những hiểu biết về lực hấp dẫn như ngày nay.
2. Cánh cửa dành cho chó mèo
Không chỉ có tầm nhìn mang tính vĩ mô như khẩu pháo không gian và phát hiện ra mối liên hệ giữa vạn vật trong vũ trụ, Newton cũng dùng trí tuệ tuyệt vời của mình để giải quyết những vấn đề thường thức trong đời sống hàng ngày. Điển hình là phương pháp giúp các mèo không cần cào cấu vào cánh cửa nhờ vào tạo ra một lối đi dành riêng cho chúng.
Như chúng ta đã biết, Newton không kết hôn và cũng có ít các mối quan hệ bạn bè, đổi lại ông chọn mèo và chó làm bầu bạn trong căn phòng của của mình. Hiện nay, có nhiều giả thuyết và lập luận cho rằng ông dành nhiều mối quan tâm đến những "người bạn" bé nhỏ của mình. Một số sử gia đương đại cho rằng Newton là một người rất yêu động vật. Một số còn chỉ ra rằng ông đặt tên cho một con chó của mình là Diamond (kim cương). Dù vậy, một số nhà sử học vẫn nghi ngờ về giả thuyết trên.
Một câu chuyện kể rằng trong quá trình nghiên cứu của Newton tại Đại học Cambridge, các thí nghiệm của ông liên tục bị gián đoạn bởi một con mèo của ông luôn cào vào cánh cửa phòng thí nghiệm gây ra những âm thanh phiền toái. Để giải quyết vấn đề, ông đã mời một thợ mộc tại Cambridge để khoét 2 cái lỗ trên cửa ra vào phòng thí nghiệm: 1 lỗ lớn dành cho mèo mẹ và 1 lỗ nhỏ dành cho mèo con!
Dù câu chuyện trên là đúng hay sai thì theo các ghi chép đương thời sau khi Newton qua đời thì có một sự thật hiển nhiên rằng người ta đã tìm thấy 1 cánh cửa với 2 cái lỗ tương ứng với kích thước của mèo mẹ và mèo con. Cho tới ngày nay vẫn còn nhiều tranh cãi xung quanh câu chuyện trên. Tuy nhiên, nhiều ý kiến vẫn cho rằng chính Newton mới là tác giả của cánh cửa dành cho chó mèo vẫn còn được sử dụng ngày nay.
3. Ba định luật về chuyển động của Newton
Trong khi các sử gia vẫn còn tranh cãi về những cánh cửa dành cho thú cưng có phải là của Newton hay không thì không một ai có thể phủ nhận đóng góp của Newton cho hiểu biết của con người trong vật lý học ngày nay. Tầm quan trọng tương đương với việc phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn, 3 định luật về chuyển động được Newton giới thiệu vào năm 1687 trong tác phẩm Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các nguyên lý toán học trong triết học tự nhiên). 3 định luật của ông đã đặt nền móng vững chắc cho sự phát triển của cơ học cổ điển (còn gọi là cơ học Newton) trong thời gian sau này.
3 định luật của ông được miêu tả ngắn gọn như sau:
- Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng không thì nó giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.
- Gia tốc của 1 vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỷ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
- Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lực. Hai lực này có cùng giá trị, cùng độ lớn nhưng ngược chiều.
Bìa quyển sách Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các nguyên lý toán học trong triết học tự nhiên) xuất bản năm 1687.
Ngày nay, chúng ta có thể dễ dàng phát biểu và hiểu về 3 định luật nổi tiếng trên. Tuy nhiên, các học giả trong lịch sử đã phải vật lộn với những khái niệm cơ bản về chuyển động trong suốt nhiều thế kỷ. Nhà triết học Hy Lạp Aristotle từng nghĩ rằng sở dĩ khói có thể bay lên trên không là vì khói chứa nhiều không khí. Trước đó, các học giả khác lại nghĩ rằng khói bay lên trời để tụ hợp cùng với những đám khói "bạn bè" của chúng. Nhà triết học Pháp René Descartes đã từng nghĩ tới những lý thuyết về chuyển động tương tự như Newton nhưng cuối cùng, ông vẫn cho rằng Thiên Chúa mới chính là động lực của các chuyển động.
3 định luật Newton như một vẻ đẹp đến từ sự tối giản trong khoa học. Dù đơn giản như thế, nhưng đây chính là căn cứ để các nhà khoa học có thể hiểu được tất cả mọi thứ chuyển động, từ chuyển động của các hạt electron cho tới chuyển động xoắn ốc của cả thiên hà.
4. Hòn đá phù thủy của "nhà giả kim thuật" Newton
Trong một bức vẽ về một nhà giả kim thuật, chúng ta thấy các biểu tượng hành tinh diễn tả các kim loại trong một quyển sách đang mở ra dưới sàn nhà. Đây được cho là các biểu tượng mà Newton đã sử dụng trong các ghi chép của ông.
Newton đã cống hiến rất nhiều cho nhân loại với những khám phá khoa học của ông. Bên cạnh đó, người ta cũng nhắc đến ông như một trong những nhà giả kim thuật lỗi lạc nhất: huyền thoại giả kim thuật với hòn đá phù thủy. Các văn bản ghi chép lại còn được lưu trữ đến ngày nay đã có nhiều mô tả khác nhau về hòn đá này: từ khả năng tạo nên người từ đá cho tới khả năng chuyển hóa từ chì thành vàng. Thậm chí, những người bấy giờ còn cho rằng hòn đá của ông có thể chữa bệnh hoặc có thể biến một con bò không đầu thành một bầy ong.
Có lẽ các bạn sẽ thắc mắc tại sao một người là biểu tượng của khoa học lại trở thành một nhà giả kim thuật? Để trả lời câu hỏi đó, hãy nghĩ đến bối cảnh bấy giờ, cuộc cách mạng khoa học chỉ mới đạt được động cơ hơi nước vào những năm 1600. Các nhà giả kim thuật bấy giờ vẫn còn tồn tại cùng với những thủ thuật lỗi thời của họ cùng với các học thuyết và triết học huyền bí nhằm mê hoặc một số người. Dù vậy, các ghi chép giả kim thuật vẫn được cho là những thí nghiệm hóa học.
Bút tích còn lưu lại của Newton về nghiên cứu giả kim thuật.
Tuy nhiên, những ghi chép trong suốt 30 năm làm thí nghiệm của Newton đã tiết lộ rằng ông cũng hy vọng về một cái gì đó hơn là những phản ứng hóa học bình thường, thậm chí là hứa hẹn về việc biến các nguyên tố khác thành vàng. Theo sử gia William Newman, ông cho rằng Newton muốn tìm kiếm những "quyền lực siêu hạn trong tự nhiên".
Đây chính là những căn cứ cho lập luận rằng Newton cũng đã có những nghiên cứu và để lại ghi chép về giả kim thuật mà người đương thời gọi là "hòn đá phù thủy". Các ghi chép cho thấy ông đã tìm cách tạo nên những loại nguyên tố bí ẩn lúc bấy giờ. Trên thực tế, Newton đã có những nỗ lực nhằm tạo ra một loại hợp kim đồng màu tím. Dù vậy, nghiên cứu của ông đã thất bại.
Đây có thể không phải là một sáng chế của Newton, nhưng nó cũng cho chúng ta một cái nhìn về những suy nghĩ cũng như thời gian mà ông dành cho các nghiên cứu khoa học. Vào năm 2005, nhà sử học Newman cũng đã tạo nên một "hòn đá phù thủy" dựa trên các ghi chép 300 năm trước của Newton và dĩ nhiên, không có sự chuyển hóa tạo thành vàng xảy ra.
5. Cha đẻ của các phép tính vi phân
Bút tích của Newton còn lưu giữ đến ngày nay
Nếu bạn đã hoặc đang đau đầu với môn toán học mà đặc biệt là tích phân và vi phân đã cày nát bộ não của bạn, bạn có thể đổ một phần lỗi cho Newton! Trên thực tế, hệ thống toán học chính là một công cụ để chúng ra có thể tìm hiểu được mọi thứ trong vũ trụ này. Giống như nhiều nhà khoa học cùng thời, Newton cũng đã nhận thấy rằng các lý thuyết đại số và hình học trước đó không đủ cho yêu cầu nghiên cứu khoa học của ông. Hệ thống toán học đương thời không đủ để phục vụ ông.
Các nhà toán học lúc bấy giờ có thể tính toán được vận tốc của một con tàu nhưng họ vẫn không thể tính toán được mối liên hệ với gia tốc của nó cũng như tỷ lệ của lực tác động. Họ vẫn chưa thể tính toán được góc bắn là bao nhiêu để viên đạn pháo bay đi xa nhất. Các nhà toán học đương thời vẫn cần một phương pháp để tính toán các hàm có nhiều biến.
Một sự kiện đã xảy đến trong quá trình nghiên cứu của Newton, một đợt bùng phát bệnh dịch hạch đã khiến hàng loạt người chết trên khắp các đường phố tại Cambridge. Tất cả các cửa hàng đều đóng cửa và dĩ nhiên, Newton cũng phải hạn chế đi ra ngoài. Đó là khoảng thời gian 18 tháng nghiên cứu của Newton để rồi ông xây dựng nên một mô hình toán học và đặt tên là "khoa học của sự liên tục".
Ngày nay, chúng ta biết đó chính là các phép tính vi-tích phân. Một công cụ quan trọng trong vật lý, kinh tế học và các môn khoa học xác suất. Vào những năm 1960, chính các hàm số vi-tích phân này đã cung cấp công cụ cho phép các kỹ sư phi thuyền Apollo có thể tính toán được các số liệu trong sứ mạng đặt chân lên Mặt Trăng.
Dĩ nhiên, một mình Newton không tạo nên phép toán mà chúng ta sử dụng ngày nay. Ngoài Newton, nhà toán học người Đức Gottfried Leibniz (1646-1716) cũng đã độc lập phát triển mô hình phép tính vi - tích phân trong cùng thời gian với Newton. Dù vậy, chúng ta vẫn phải công nhận tầm quan trọng của Newton trong sự phát triển toán học hiện đại với các đóng góp không nhỏ của ông.
6. "Sinh sự" với cầu vồng
Thí nghiệm của Newton.
Cầu vồng? Cầu vồng là gì? Vào năm 1704, Newton đã viết một quyển sách về vấn đề khúc xạ ánh sáng với tiêu đề "Opticks". Quyển sách đã góp một phần không nhỏ trong việc thay đổi cách nghĩ của chúng ta về ánh sáng và màu sắc.
Các nhà khoa học bấy giờ đều biết rằng cầu vồng được hình thành khi ánh sáng bị khúc xạ và phản xạ trong những hạt nước mưa trong không khí. Dù vậy, họ vẫn chưa thể lý giải rõ ràng được tại sao cầu vồng lại chứa nhiều màu sắc như vậy. Khi Newton bắt đầu nghiên cứu tại Cambridge, các lý thuyết phổ biến trước đó vẫn cho rằng các hạt nước bằng cách nào đó đã nhuộm nhiều màu sắc khác nhau lên tia sáng Mặt Trời.
Bằng cách sử dụng một lăng kính và một chiếc đèn, Newton đã thực hiện thí nghiệm bằng cách cho ánh sáng chiếu qua lăng kính. Và kết quả như tất cả chúng ra đều biết, ánh sáng bị tách ra thành các màu như cầu vồng.
7. Kính viễn vọng phản xạ
Một bản sao của chiếc kính viễn vọng phản xạ do Newton chế tạo và đã trình bày trước Hội đồng hoàng gia vào năm 1672.
Newton được sinh ra trong thời kỳ mà sự hiện diện của kính viễn vọng vẫn còn khá mờ nhạt. Mặc dù vậy, các nhà khoa học đã có thể chế tạo nên các mô hình sử dụng một tập hợp các thấu kính thủy tinh để phóng to hình ảnh. Trong thí nghiệm với các màu sắc của Newton, ông đã biết được các màu sắc khác nhau sẽ khúc xạ với các góc độ khác nhau, từ đó tạo nên một hình ảnh lờ mờ cho người xem.
Để cải tiến chất lượng hình ảnh, Newton đã đề xuất sử dụng một gương khúc xạ thay cho các thấu kính khúc xạ trước đó. Một tấm gương lớn sẽ bắt lấy hình ảnh, sau đó một gương nhỏ hơn sẽ phản xạ hình ảnh bắt được tới mắt của người ngắm. Phương pháp này không chỉ tạo nên hình ảnh rõ ràng hơn mà con cho phép tạo nên một kính viễn vọng với kích thước nhỏ hơn.
Một số ý kiến cho rằng, nhà toán học người Scotland James Gregory là người đầu tiên đề xuất ý tưởng chế tạo kính viễn vọng phản xạ vào năm 1663 dù mô hình này vẫn chưa thể hoạt động hoàn chỉnh. Tuy nhiên, dựa trên các ghi chép còn lưu trữ lại, các nhà sử học cho rằng Newton mới là người đầu tiên có thể chế tạo một chiếc kính viễn vọng phản xạ dựa trên lý thuyết do ông đề xuất.
Trên thực tế, Newton đã tự mài các tấm gương, lắp ráp một mẫu thử nghiệm và trình bày nó với Hội đồng hoàng gia vào năm 1672. Đó chỉ đơn thuần là 1 thiết bị dài 15 cm, có khả năng loại bỏ sự khúc xạ và có độ phóng đại lên tới 40 lần. Đến ngày nay, gần như tất cả các đài thiên văn học đều sử dụng các biến thể của thiết kế ban đầu nói trên của Newton.
8. Đồng xu hoàn hảo
Những đồng 2 pound tại Anh với các khía xung quanh cạnh.
Vào những cuối những năm 1600, hệ thống tài chính tại Anh lâm vào tình trạng khủng hoảng nghiêm trọng. Bấy giờ, toàn bộ hệ thống tiền tệ trong cả nước Anh đều sử dụng các đồng xu bạc và dĩ nhiên, bản thân bạc có giá trị cao hơn so với giá trị định danh được in trên mỗi đồng xu. Lúc đó nảy sinh ra một vấn đề, có người sẽ cắt xén bớt hàm lượng bạc và thêm vào các kim loại khác trong quá trình nấu và đúc tiền. Lượng bạc cắt xén được sẽ bị "chảy máu" sang Pháp thông qua đường biên giới để bán được giá cao hơn.
Thậm chí, bấy giờ còn là cuộc khủng hoảng của việc tranh giành nhau nhận thầu đúc tiền. Do đó, lòng tin của người dân vào hệ thống tài chính suy giảm nghiêm trọng. Đồng thời, các tổ chức tội phạm làm tiền giả cũng mặc sức lan tràn do đã không còn một đồng tiền chuẩn đáng tin tưởng nào đang lưu thông. Mặt khác, sự gian lận cũng diễn ra ngay trong quá trình đúc tiền. Sau khi đúc mỗi mẻ tiền xu, người ta sẽ cân mỗi đồng xu lấy ra và xem nó lệch so với tiêu chuẩn là bao nhiêu. Nếu giá trị bạc dư ra lớn hơn so với giá trị in trên nó, những kẻ đầu cơ sẽ mua chúng, nấu chảy ra và tiếp tục bán lại cho chính xưởng đúc tiền để kiếm lời.
Trước tình hình đó, vào năm 1696, chính phủ Anh đã kêu gọi Newton giúp tìm ra giải pháp tìm ra giải pháp chống nạn sao chép và cắt xén đồng xu bạc. Newton đã có một bước đi hết sức táo bạo là thu hồi toàn bộ tiền xu trên khắp đất nước, tiến hành nấu lại và đúc theo một thiết kế mới của ông. Bước đi này đã khiến cho toàn bộ nước Anh không có tiền trong lưu thông trong suốt 1 năm.
Bấy giờ, Newton đã làm việc cật lực trong suốt 18 giờ mỗi ngày để rồi cuối cùng, thiết kế tiền xu mới cũng được ra đời. Những đồng tiền mới được đúc ra với chất lượng bạc cao hơn, đồng thời rìa mỗi đồng xu đều được khía các cạnh theo một công thức đặc biệt. Nếu không có các cỗ máy khía cạnh chuyên dụng thì sẽ không thể nào tạo ra được các đồng xu mang đặc trưng như do Hoàng gia đúc ra.
9. Sự mất nhiệt
Trong các nghiên cứu của mình, Newton cũng đã dành nhiều thời gian để tìm hiểu khía cạnh vật lý của hiện tượng lạnh đi của các chất. Vào cuối những năm 1700, ông đã tiến hành các thí nghiệm với quả cầu sắt nung đỏ. Ông đã lưu ý trong các ghi chép rằng có sự khác biệt giữa nhiệt độ của quả bóng sắt và không khí xung quanh. Cụ thể, nhiệt độ chênh lệch lên tới 10 độ C. Và ông cũng nhận ra rằng tốc độ mất nhiệt tỷ lệ thuận với sự khác biệt về nhiệt độ.
Từ đó, Newton hình thành nên định luật về trạng thái làm mát. Theo đó, tốc độ mất nhiệt của cơ thể tỷ lệ thuận với sự khác biệt về nhiệt độ giữa môi trường xung quanh so với nhiệt độ cơ thể. Sau này, nhà hóa học người Pháp Piere Dulong và nhà vật lý Alexis Prtot đã hoàn thiện định luật trên vào năm 1817 dựa trên nền tảng từ nghiên cứu của Newton. Nguyên tắc của Newton đã đặt nền móng cho nhiều nghiên cứu khác của vật lý hiện đại từ lò phản ứng hạt nhân an toàn cho tới việc thám hiểm không gian.
10. Dự đoán của Newton về ngày tận thế
Hình vẽ 4 loài thú dữ xuất hiện vào ngày tận thế mô tả trong Book of Daniel
Ngày tận thế luôn là nỗi ám ảnh của con người. Dù vậy, Newton không phải là dạng người có thể dễ dàng chấp nhận nỗi sợ hãi về ngày tận thế qua những câu chuyện hay những truyền thuyết. Bản thân Newton là một người thực tế và luôn tìm cách kiểm định, đưa ra các quan điểm của mình trong quá trình nghiên cứu Kinh Thánh.
Trong quá trình nghiên cứu, Newton đã không đặt nặng khía cạnh Thần học mà dùng các kiến thức của mình nhằm cố lý giải vấn đề. Theo các ghi chép cách đây 300 năm còn được lưu trữ đến ngày nay cho thấy Newton đã nghiên cứu Book of Daniel. Để phục vụ nghiên cứu, ông đã tự học tiếng Do Thái, tập trung nghiên cứu triết học Do Thái bí truyền.
Qua nghiên cứu, ông dự đoán ngày tận cùng của thế giới là vào năm 2060 hoặc có thể là sau đó nhưng không thể sớm hơn. Dù sao đi nữa, đó vẫn là những gì mà ông tuyên bố với mọi người vào thế kỷ 18. Dĩ nhiên, ngày nay, các nhà khoa học đã có một lời giải đáp hoặc dự đoán tốt hơn cho hiện tượng tận thế nói chung. Qua đó, chúng ta phần nào hiểu được thêm về quan điểm của 1 nhà khoa học vào thế kỷ 18 về ngày tàn của nhân loại.
Isaac Newton 1712.
Nguồn:
https://vi.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton
http://khoahoc.tv/10-phat-minh-noi-tieng-cua-isaac-newton-53580
