400 năm Galileo Galilei với kính viễn vọng

Đối với Việt Nam , thiên văn học là một cơ hội cho đại học và nghiên cứu...

Lược sử cuộc đời

Galileo Galilei sinh ngày 15.2.1584 tại Pise (Italia) và mất vào ngày 8.1.1642. Ông là nhà vật lý, toán học, thiên văn và triết học lỗi lạc. Những công trình dựa trên cơ sở thực nghiệm của Galileo đã củng cố thuyết nhật tâm (heliocentrism) của Copernicus và góp phần kết liễu tư duy trừu tượng của Aristotle.

Từ năm 1592 đến năm 1610, Galileo giảng dạy các môn hình học, cơ học, thiên văn học tại Đại học Padua . Năm 1632, Galileo bị Nhà thờ Công giáo (Catholic Church) nghiêm cấm ủng hộ thuyết nhật tâm vì thuyết này trái với Kinh Thánh (Scripture). Galileo bị quản thúc tại nhà trong suốt những năm cuối cuộc đời theo lệnh của Tòa án Công giáo [1].

Các hoạt động khoa học

Từ tháng 6 đến 7.1609, Galileo chế tạo kính viễn vọng (dựa trên một bản vẽ phác thảo của người Hà Lan từ 1608) với độ phóng đại bằng 3, sau đó làm tăng độ phóng đại lên 8 (21.8.1609) và dùng kính viễn vọng quan sát Mặt trăng từ 30.11 đến 18.12.1609.

Từ tháng 12.1609 đến tháng 1.1610, Galileo quan sát các sao, giải Ngân hà, sao Mộc (Jupiter) và phát hiện 4 vệ tinh của Jupiter.

Tháng 3.1610, ông công bố các quan trắc thiên văn đã thực hiện (Mặt trăng, các sao, sao Mộc) bằng kính viễn vọng trong tài liệu Sidereus Nuncius (Thiên sứ).

Từ tháng 7.1610, ông quan sát sao Kim (Venus) và phát hiện Venus có những pha xuất hiện giống như những pha của Mặt trăng và điều này càng chứng tỏ Venus là một hành tinh quay quanh Mặt trời trong thuyết nhật tâm.

Galileo là người châu Âu đầu tiên quan sát được những vùng đen trên Mặt trời (sunspots). Sự chuyển động biến đổi của những vùng đen này càng gây thêm nhiều khó khăn cho lý thuyết về tính hoàn hảo bất di bất dịch của vũ trụ theo triết học cũ.

Năm 1623, ông công bố cuốn sách The Assayeur (Người thử nghiệm) như một tuyên ngôn khoa học, trong đó trình bày những ý kiến của mình về bản chất của khoa học (đề tặng Giáo hoàng Urban VIII). Khởi ý ban đầu của cuốn sách là sự tranh luận về bản chất sao Chổi với nhà toán học Orazio Grassi làm việc ở Collegio Romano. Giá trị của cuốn sách là ở chỗ Galileo nhấn mạnh rằng vật lý phải mang tính toán học, ai không biết điều này sẽ rơi vào mê lộ của sự ngu muội. Điều trớ trêu là cuốn sách ca tụng toán học của Galileo lại viết để chống lại một nhà toán học.

Galileo đã có nhiều phát minh, sáng kiến đóng góp vào cái mà hiện nay gọi là công nghệ. Trong các năm 1595-1598, Galileo đã thiết kế và hoàn thiện La bàn hình học và quân sự (Geometric and Military Compass). Năm 1593, ông chế tạo nhiệt kế. Năm 1624, hoàn thiện kính hiển vi.

Trong cơ học, Galileo đã đạt nhiều kết quả làm cơ sở cho cơ học cổ điển của Isaac Newton, như chứng minh gia tốc rơi của vật không phụ thuộc vào khối lượng, tìm ra quán tính của vật (trái với Aristotle cho rằng vật sẽ dừng nếu không còn lực tác động), dẫn đến định luật số một Newton. Năm 1638, Galileo phác họa thí nghiệm để đo tốc độ ánh sáng. Ông đã đề ra nguyên lý tương đối: Các Định luật cơ học là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (chuyển động thẳng đều). Nguyên lý này là cơ sở cho các định luật Newton và là yếu tố trung tâm trong lý thuyết tương đối của Einstein.

Rắc rối với nhà thờ

Sự xuất hiện cuốn sách De Revolutionibus Orbium Coelestium Libri của Copernicus năm 1543 đã thay đổi vũ trụ học từ thuyết địa tâm (geocentrism, xem Trái đất đứng yên tại tâm của hệ) sang thuyết nhật tâm (heliocentrism, xem Trái đất quay quanh tâm của hệ là Mặt trời).

Nhiều đoạn trong Kinh Thánh như đoạn Chúa đã làm ngưng chuyển động của Mặt trời để kéo dài ánh sáng ban ngày giúp Joshua dẫn người Israel đến chiến thắng trước khi màn đêm buông xuống đều bị gián tiếp phản bác trong De Revolutionibus Orbium Coelestium Libri.

Galileo theo thuyết nhật tâm (heliocentrism), song muốn tránh mọi xung đột với Nhà thờ nên ông đưa ra quan điểm rằng Kinh Thánh (Scripture) được viết dưới góc độ của vũ trụ là Trái đất, vì vậy không nên đoán nhận Kinh Thánh theo kiểu từ chương. Tuy thế, Galileo cũng không tránh khỏi sự công kích của Nhà thờ.

Cuốn sách Đối thoại về hai hệ thống chủ yếu của vũ trụ (Dialogue Concerning the Two Chief World Systems) được viết dưới sự cho phép hình thức của Tòa án Nhà thờ (Inquisition) và Giáo hoàng (Hồng y giáo chủ Barberini được bầu làm Giáo hoàng Urban VIII, vốn là người có thiện cảm với Galileo). Song khi cuốn sách được xuất bản năm 1632 thì Giáo hoàng cũng không còn ủng hộ Galileo nữa. Galileo bị buộc tội theo tà giáo năm 1633, và Tòa án Nhà thờ đã đưa ra những phán quyết sau đây [2]: Galileo phải công khai tuyên bố từ bỏ thuyết nhật tâm (sự độc lập của các khoa học dựa trên cơ sở thực nghiệm thời bấy giờ cũng bị buộc tội vì trái với Kinh Thánh, và để tạo nên quyền lực tối cao của thần học đối với mọi khoa học, Nhà thờ đã công bố Index Librorum Prohibitorum - Danh sách các Sách bị cấm); Galileo phải bị cầm tù (nhưng về sau, quyết định này được đổi thành bị quản thúc tại gia); cuốn Đối thoại về hai hệ thống chủ yếu của vũ tru bị nghiêm cấm lưu hành.

Sau một thời gian bị quản thúc, Galileo được trở về thành phố Arcetri gần Florence và ở đấy đến lúc lâm chung. Ông bị mù và mất ngày 8.1.1642. Trong thời gian bị quản thúc, ông đã viết nên tuyệt phẩm của đời mình: Hai khoa học mới (Lý thuyết và chứng minh toán học về hai khoa học mới liên quan đến cơ học và các chuyển động định xứ - Discours et démonstrations mathématiques concernant deux nouvelles sciences touchant la mécanique et les mouvements locaux). Trong cuốn sách này, ông đã tổng kết các kết quả 40 năm làm việc về hai khoa học mà ngày nay được gọi là động học (kinematics) và sức bền vật liệu (strength of materials). Cuốn sách được Newton và Einstein đánh giá cao, Galileo được gọi là “cha đẻ của vật lý hiện đại - father of modern physics”.

Năm 1741, Galileo được phục hồi khi Giáo hoàng Benedict XIV cho phép xuất bản toàn bộ công trình của Galileo và năm 1758 các sách về nhật tâm được dỡ bỏ khỏi Index Librorum Prohibitorum. Nhà thờ Công giáo, Đại học Giáo hoàng Lateran ở Rome, Vatican Radio, Viện Hàn lâm Khoa học Giáo hoàng, Đại học Công giáo Milan cũng đều lên tiếng ủng hộ việc phục hồi cho Galileo.

Năm 1979, Giáo hoàng John Paul II trong hai diễn văn đọc tại Viện Hàn lâm Khoa học Giáo hoàng đã lên tiếng cho rằng, việc xét xử Galileo không những sai lầm mà còn là một điều không công bằng. Ngày 31.10.1992, Giáo hoàng John Paul II một lần nữa tỏ ý hối tiếc vì Nhà thờ đã phạm sai lầm trong vụ án Galileo.

Thiên văn học với Việt Nam                             

Như chúng ta đã thấy, từ vấn đề chế tạo kính viễn vọng dùng trong quan sát thiên văn, Galileo đã mở rộng nghiên cứu một cách tất yếu sang những vấn đề bao trùm cả toán học, vật lý và công nghệ để trở thành cha đẻ của vật lý hiện đại.

Việc nghiên cứu vũ trụ ngày nay đã đan quyện với những vấn đề lớn của vật lý vì tính chất lượng tử của vũ trụ (xem Vũ trụ lượng tử [3]). Vì thế, thiên văn học (astronomy) hiện đại có thể gọi là vật lý thiên văn (astrophysics) [4] .

Để hiểu được cấu trúc và quá trình tiến triển của vũ trụ, người ta phải nghiên cứu thuyết lượng tử (vốn là lý thuyết điều khiển hành vi của những hạt cơ bản, những thực thể vi mô) vì những hiện tượng vĩ mô đã quyện cùng với những hiện tương vi mô thành một thực tế thống nhất. Có thể nói, đây là một cuộc cách mạng của thuyết lượng tử, của vật lý các hạt cơ bản khi đã thực hiện một bước nhảy trong nhận thức của chúng ta đối với sự bí ẩn và cái đẹp của vũ trụ. Hơn lúc nào hết, các nhà vật lý đang ra sức tìm sự thống nhất giữa thuyết lượng tử (điều khiển thế giới vi mô) với lý thuyết hấp dẫn (điều khiển thế giới vĩ mô). Vũ trụ lượng tử có thể hiểu là thực thể thống nhất giữa vi mô và vĩ mô, cũng có thể hiểu đó là giai đoạn của vật lý, trong đó lý thuyết lượng tử và lý thuyết hấp dẫn có cơ hoà mình với nhau thành một lý thuyết thống nhất. Những vấn đề lớn của vật lý trong tương lai đều liên quan đến vật lý thiên văn: Phát hiện các hạt siêu đối xứng, vật chất tối, năng lượng tối, các chiều dư (extra dimensions) của không - thời gian... [5].

Theo ý kiến của GS Pierre Darriulat (giải thưởng André Lagarrigue 2008), vật lý thiên văn là một cơ hội cho đại học và nghiên cứu của Việt Nam, vật lý thiên văn có thể trở thành một trong những hạt nhân cho sự phát triển các ngành khoa học cơ bản ở nước ta [6]. Quá trình hoạt động khoa học của Galileo cũng là một quá trình xuất phát từ thiên văn học.

Hiện nay, GS Pierre Darriulat là cố vấn khoa học của tập thể Vietnam Auger Training LaboratorY (VATLY) thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân. Nhóm nghiên cứu này đã góp phần cùng với các tập thể quốc tế khác trong Pierre Auger Collaboration chứng minh rằng, các tia vũ trụ với năng lượng trên 6.1019 eV có nguồn gốc từ AGN (Active Galactic Nuclei) [7] nằm trong phạm vi 75 megaparsecs [8]. Thành tựu này cho phép chúng ta tin tưởng rằng theo quan điểm của GS Pierre Darriulat, sự phát triển nghiên cứu cơ bản tại Việt Nam thông qua vật lý thiên văn là khả thi, có cơ sở và đúng đắn.

Tài liệu tham khảo và chú thích

[1] Maurice Fiocchiaro, PhysicsWorld, 2, tháng 3.2009.

[2] Wikipedia Encyclopedia.

[3] Quantum Universe, DOE/NSF, HEPAP.

[4] B. Scharinghausen, Curious about astronomy: What’s the difference between astronomy and astrophysics. Tên của tạp chí Astronomy & Astrophysics cũng phản ánh tính song nghĩa hiện tại của hai từ đó.

[5] Cao Chi, Những vấn đề vật lý tương lai, Tia Sáng số 12, 20.6.2008.

[6] Pierre Darriulat, Vật lý thiên văn, một cơ hội cho Đại học và Nghiên cứu ở Việt Nam, Tia Sáng số 8, 20.4.2008.

[7] Science 9 tháng 11.2007.

[8] megaparsec = 3,086.1016 km.