Liên hiệp các hội và khoa học kỹ thuật Việt Nam
Chủ đề:
Thứ năm, 20/01/2005 22:34 (GMT+7)

Issac Newton - Nhà khoa học phát hiện ra lý thuyết trọng lực và các định luật chuyển động

Việc đó đã xảy ra vào đúng ngày mà Issac Newton đang vật lộn với vấn đề khó hiểu là: Cái gì đã giữ mặt trăng trong quỹ đạo quanh trái đất và hành trình của các hành tinh quanh mặt trời? Chỉ sau khisuy nghĩ tại sao quả táo đã rơi xuống đất, chạm vào đầu mình trên đường rơi, Isaac Newton mới thực sự bắt đầu có câu trả lời cho những vấn đề này - Lý thuyết về trọng lực.

Isaac Newton sinh ngay sau nửa đêm lễ Noel năm 1642. Cha ông, một chủ nông trại khá thành công, đã qua đời ba tháng trước, bỏ lại mẹ của Issac là Hannah phải nuôi cậu bé tí xíu một mình. Khi mẹ IsaacNewton tái hôn với một mục sư ở làng Nam Witham cách Woolsthorpe vài dặm, ông phải sống với bà nội.

Thời thơ ấu của Isaac là một thời kỳ cô độc. Ông có rất ít bạn, chỉ tư lự một mình và thường giam mình trong phòng sau ở nhà bà nội, suốt ngày làm những mô hình và những cánh diều, những đồng hồ mặt trời và những dụng cụ cơ học nhỏ.

Khi Isaac lên mười, cha ghẻ ông, ông Barnabas Smith, qua đời và mẹ ông, bà Hannah, trở về ngôi nhà ở Woolsthorpe. Hai năm sau, Isaac đến trường trung học Grantham gần bên. Ông đã ở lại đó với chú ông trong thành phố. Isaac ít gây được ấn tượng ở trường. Các thầy giáo nhận xét ông là trung bình, còn các bạn học thì lại cho ông khó gần. Sau này, ông thú nhận rằng ông đã không hiểu bài và dành nhiều thời gian làm những mô hình, những thí nghiệm riêng của ông.

Chủ nông trại hay nhà thông thái?

Dù thế, năm 1659, bà Hannah Newton đã quyết định bắt con trai rời trường Grantham để về làm việc trên nông trại gia đình. Nếu không phải là vì hai sự kiện may mắn phi thường thì Isaac Newton có thể đã vẫn là một chủ nông trại suốt cuộc đời còn lại của ông. Sự kiện thứ nhất là thiên tài vĩ đại của ông đã được hai người rất quan trọng nhận ra, đó là chú ông và hiệu trưởng trường Grantham - ông Henry Stokes. Trong vài năm cuối cùng ở trường Grantham, Isaac đã trở thành học sinh ngôi sao và Henry Stokes xem ông là học sinh xuất sắc nhất. Ông luôn luôn đọc những quyển sách uyên thâm và nghĩ ra những đáp án tài tình cho các vấn đề. Ông nghiên cứu các thuyết của các nhà khoa học cổ xưa, tìm ra những giải đáp cho các câu đố toán học. Tuy vậy ông lại hay lơ đãng và hay quên - thường bỏ dở công việc ở nông trại. Điều này dẫn đến lý do thứ hai - mẹ ông đã bắt đầu tin rằng ông sẽ không thể là một chủ nông trại thành công.

Bởi vậy, năm 1661, anh chàng Isaac trẻ tuổi được nhận vào Đại học Cambridge. Mẹ của Isaac, bà Hannah, không nghèo, nhưng bà không thể cung cấp cho Isaac suốt thời gian học đại học được nên ông đã phải làm việc thêm.

Từ hiệu ứng cầu vồng khám phá ra quang phổ

Một chiều Chủ nhật đầu xuân năm 1664, Isaac và John Wickins, bạn thân của ông, quyết định đi xem một hội chợ tổ chức tại Cambridge. Ông đi ngang qua các gian triển lãm và các quầy hàng trưng bày những đồ chơi về màu và những đồ nữ trang rẻ tiền. Trong khi mải mê chuyện trò với John, thì thình lình mắt ông chợt thấy một đồ vật kỳ lạ lấp lánh ánh nắng chiều. Đó là một lăng kính. Ông lập tức nghĩ rằng ông có thể tiến hành vài thí nghiệm hữu ích với lăng kính đó nên đã mua nó.

Trước tiên, ông kéo rèm che kín hầu hết các cửa sổ trong phòng, chỉ đề chừa một cái. Trên bệ cửa sổ còn lại, ông đặt một tấm bìa cứng để cho ánh sáng có thể lọt vào trong phòng từ ánh sáng trắng của mặt trời bên ngoài. Tiếp theo, ông cầm lăng kính lên đưa vào ánh sáng, để cho tia sáng đi qua một cạnh của lăng kính và quan sát những dải khác nhau từ nó ló ra chiếu sáng trên vách tường trắng phía sau ông. ánh sáng tự nhiên đi vào lăng kính đã được tách ra như hình ảnh một cầu vồng trên vách tường. Các màu sắc được sắp xếp thứ tự từ tím ở đỉnh qua chàm, lam, lục, vàng, cam với đỏ ngay ở đáy.

Nhiều người tin rằng hiệu ứng cầu vồng đã được chứa sẵn bên trong lăng kính và được để lọt ra ngoài bằng cách chiếu ánh sáng mặt trời lên trên nó. Các nhà khoa học thời đó nhận thấy rằng thủy tinh làm thay đổi ánh sáng đi vào lăng kính, nhưng họ lại không biết tại sao.

Sau khi đã tạo ra cầu vồng trên vách mà sau này ông gọi là quang phổ, Newton bắt đầu thí nghiệm trên đó. Việc đầu tiên ông làm là ngăn chặn tất cả các dải ánh sáng thoát ra ngoài lăng kính, ngoại trừ một dải: đỏ. Các dải khác bị cắt khỏi quang phổ bằng cách dùng một tấm bìa cứng có một khe hở hẹp chỉ để cho tia sáng đỏ lọt qua.

Ông mua một lăng kính nữa và đặt nó trên đường đi của dải ánh sáng đỏ, xoay nó để xem cái gì ló ra từ cạnh bên kia. Và từ cạnh xa của lăng kính, không có gì ló ra ngoài tia đỏ mà ông đã chiếu nó. Không có hiệu ứng cầu vồng, chỉ có tia đỏ đơn. Tất cả những gì đã xảy ra chỉ là một chỗ hơi cong từ đường nó đi vào lăng kính.

Newton ghi chép những khám phá của mình và bắt đầu xác định xem tất cả điều này có ý nghĩa gì. Ông đo bề rộng của mỗi dải, thay đổi khoảng cách từ lăng kính đến vách tường và thử nghiệm tất cả mọi khả năng.

Không chỉ quan sát, ông luôn chuyển dịch cái mà ông đã thấy vào ngôn ngữ toán học và nêu lên những lý thuyết tổng quát. Đây là điều đã làm cho ông khác hẳn các nhà khoa học khác cùng thời đại. Các nhà khoa học hiện đại sử dụng phương pháp này để làm việc và vì Isaac Newton đã dùng nó trên ba trăm năm rồi nên ông được xem là nhà khoa học hiện đại đầu tiên.

Dựa trên các thí nghiệm, Isaac đã khám phá ra rằng ánh sáng thấy được, ánh sáng làm cho chúng ta có khả năng nhìn thấy thế giới, được tạo bằng tất cả các sắc thái khác nhau của cầu vồng. Khi các sắc thái này được trộn lẫn với nhau, chúng ta thấy ánh sáng trắng. Khi một phần của quang phổ bị mất, ánh sáng không còn xuất hiện trắng nữa - nó bị nhuộm màu.

Đã chứng minh ánh sáng được tạo bằng những sắc thái khác nhau của quang phổ, ông muốn xem ông có thể phối hợp chúng lại để tạo ra ánh sáng trắng trở lại không. Ông dựng tấm bìa cứng lên cửa sổ và để lại một ít ánh sáng xuyên qua khe hở. Ánh sáng này ông cho qua lăng kính đúng y như ông đã làm trong thí nghiệm đầu tiên. Quang phổ hiện ra trên vách. Tuy vậy, lần này, ông để cho tất cả ánh sáng từ lăng kính thứ nhất đi qua lăng kính thứ hai được đặt gần lăng kính thứ nhất. Chỉ có một tia ánh sáng trắng duy nhất ló ra từ mặt thủy tinh của lăng kính thứ hai. Có lẽ ông là người đầu tiên trong lịch sử đã phối hợp tất cả các sắc thái của cầu vồng lại với nhau thành một tia ánh sáng trắng duy nhất. Ông đã tháo gỡ một cầu vồng.

Trong vòng một vài thập niên, sau khi những nghiên cứu của Newton được công bố, chúng đã giúp tạo ra những cải tiến lớn trong chế tạo các thấu kính và kính đeo mắt.

Kính hiển vi đã được phát minh trên năm mươi năm trước khi Newton sinh ra, nhưng đó là một dụng cụ sơ khai, chỉ tạo ra một hình ảnh mờ nhạt. Khoảng thế kỷ XVIII, việc áp dụng các khám phá của Newton đã biến nó thành một dụng cụ tinh vi hơn nhiều. Dụng cụ này, đến lượt nó, đã dẫn đến việc đột phá các rào cản trong nhiều lĩnh vực y học, sinh học...

Nhưng, có lẽ kết quả quan trọng nhất trong công trình của Newton với ánh sáng trong những tháng ấy ở Cambridge là mở đường cho một khoa học mới - quang phổ học. Quang phổ học là môn khoa học nghiên cứu ánh sáng phát ra bởi những ngọn lửa phát sinh khi một chất bị đốt cháy. Khi các chất khác nhau bị đốt cháy, chúng tạo ra ánh sáng được cấu thành bằng những lượng khác nhau của mỗi sắc thái trong quang phổ. Bằng cách để cho ánh sáng đi xuyên qua lăng kính, các nhà khoa học có thể tách ánh sáng thành những phần cấu thành của nó, đúng như Newton đã làm với ánh sáng mặt trời. Trong cách này, họ có thể khám phá những chất hóa học nào ở trong chất đang bị đốt cháy.

Newton đã thực hiện tất cả những khám phá lớn này trước khi ông tốt nghiệp. Năm 1665, ông đậu bằng Cử nhân học thuật (Bachelor of Arts). Điều này có nghĩa là ông có thể sống bốn năm nữa ở trường Đại học Ba Ngôi, theo đuổi bất cứ lãnh vực kiến thức nào mà ông muốn nghiên cứu.

Năm 1665, ông cũng tìm ra định lý nhị thức và phép tính vi phân. Ngày nay, các nhà khoa học dùng cả hai định lý này trong các chương trình máy tính. Các kỹ sư không gian dùng chúng để giải quyết những vấn đề liên quan đến việc chắc chắn rằng các tên lửa lên đến mặt trăng cách trái đất trên 240.000 dặm và trở về trái đất an toàn. Các nhà kinh tế sử dụng các phép toán này để tiên đoán cái gì xảy ra đối với tiền tệ khắp nơi trên thế giới và tình trạng kinh tế của các nước khác nhau.

Lý thuyết trọng lực

Khi quả táo rơi từ cây xuống trong khu vườn của mẹ ông và trúng vào đầu của thiên tài trẻ tuổi, Isaac, thì ông biết rằng quả táo đã bị kéo xuống đất bởi cùng một lực vô hình đã giữ các hành tinh và mặt trăng trong quỹ đạo của chúng - trọng lực. Trái đất sử dụng một lực kéo trên quả táo và kéo nó xuống, cùng một cách mặt trời sử dụng một lực kéo trên các hành tinh và trái đất sử dụng một lực kéo trên mặt trăng. Nhưng, nếu đúng như thế thì tại sao các hành tinh lại không đâm mạnh vào mặt trời và mặt trăng không đâm vào trái đất cùng một cách như quả táo đâm sầm xuống mặt đất?

Newton đã vật lộn với vấn đề này nhiều ngày, rồi đúng vào lúc ông sắp xếp hành lý trở lại đại học, sự thật đã đập vào ông. Vì một lý do kỳ lạ nào đó, vào đúng lúc ấy, ông nhớ lại một trò chơi ở trường. Những người chơi, mỗi người thay phiên nhau đứng giữa sân chơi, cầm một sợi dây được buộc vào quai của một xô nước. Để thắng, bạn phải quay nhanh xô nước sao cho nước không văng ra ngoài. Làm sao mà nước vẫn ở trong xô khi nó bị quay tròn?

Đó đúng là ánh sáng đầy cảm hứng lóe lên từ trí nhớ mà ông cần. Đột nhiên toàn bộ sự việc trở nên sáng tỏ. Có một lý do khiến các hành tinh vẫn ở trong quỹ đạo thay vì đâm sầm về phía mặt trời và khiến nước vẫn ở lại trong xô thay vì chảy tràn ra ngoài. Đó là do tốc độ chạy về một bên mà các hành tinh đã đạt được trong khi chúng xoay quanh hoặc đi theo quỹ đạo. Cũng như đối với xô nước, sức căng của sợi dây kéo vào trong bắt buộc cái xô phải chạy trong một vòng tròn, nhưng nước tuân theo cái mà sau này trở thành định luật chuyển động thứ nhất của Newton, nó tự nhiên chuyển động trong một đường thẳng và vì vậy nó ở lại trong xô. Quả táo rơi thẳng xuống đất vì nó không có tốc độ hay vận tốc chạy về một bên.

Newton nhận thấy có một lực vô hình tác động giữ các hành tinh trong đường đi của chúng. Ông nhận thấy rằng hễ mỗi vật càng xa vật kia hơn thì trọng lực càng yếu hơn. Thí dụ, các hành tinh càng xa mặt trời nhất phải chịu một sức kéo yếu hơn các hành tinh gần mặt trời. Nhưng sức mạnh thay đổi như thế nào?
Sử dụng toán học cấp cao, ông đã tính toán ra rằng nếu một hành tinh cách xa mặt trời gấp hai lần một hành tinh khác thì nó chỉ chịu một phần tư trọng lực mà thôi. Nếu là ba lần xa hơn thì nó chỉ chịu một phần chín lực này.

Nếu những con số của ông đúng, thì trọng lực tuân theo “một luật bình phương nghịch đảo”.

Ủy viên Giám đốc Đại học và giáo sư Toán

Nhờ tất cả điều này và các khám phá của ông về ánh sáng, chàng thanh niên 25 tuổi Newton được bầu vào chức vụ ủy viên Giám đốc Đại học Ba Ngôi.

Ở tuổi 26, Isaac Newton đã trở thành Giáo sư Toán học trẻ nhất từ trước đến nay ở Cambridge.

Trên cương vị mới, Newton tiếp tục thực hiện các nghiên cứu của mình. Vào đầu thập niên 1670, ông đã chế tạo được kính viễn vọng phản xạ.

Vào đầu năm 1672, ông được mời gia nhập Hội Hoàng gia ưu tú. Đây là một nhóm nhỏ các nhà khoa học cự phách. Họ được vua Charles II ủng hộ và trong số hội viên có những người nổi tiếng như nhà hóa học Robert Boyle và nhà khoa học - kiến trúc, người đã xây dựng Nhà thờ chính tòa Thánh Phaolô, Christopher Wren.

Năm 1686, Newton cho ra đời cuốn sách “Các nguyên lý toán học của Triết học Tự nhiên” (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica - Principia), trong đó miêu tả các ý tưởng của ông về trọng lực, lực ly tâm và mối liên hệ của chúng. Tuy nhiên, quan trọng nhất là Principia đề cập đến các định luật chuyển động (lực và quán tính). Những phát minh này của Newton đã mở đường cho cuộc cách mạng công nghiệp lớn sau này. Chính nhờ các định luật chuyển động của ông mà kỹ sư người Anh, Isambard Kingdom Brunel chế tạo được những chiếc tàu lớn chạy bằng hơi nước và xây dựng các cầu treo vào thế kỷ XIX. Nếu không có những định luật này thì James Watt không thể chế tạo được động cơ chạy bằng hơi nước đầu tiên... Những lý thuyết của Newton cũng được ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực khoa học như cơ học, vũ trụ...

Sau Principia, năm 1704, Newton cho xuất bản cuốn sách “Quang học” (Optics) trình bày những khám phá của ông về ánh sáng được thực hiện khi ông còn là sinh viên trường Đại học Cambridge. Một năm sau, vì những đóng góp vĩ đại cho khoa học, ông được Nữ hoàng Anne phong tước hầu.

Isaac Newton qua đời ngày 20/3/1727, thọ 84 tuổi. Ông được mai táng giữa các nhà vua và nữ hoàng, các quận công và bá tước của nước Anh trong Tu viện Westminter - London.

Hồng Ninh
(Trích lược từ Michel White - Isaac Newton, NXB Văn hoá thông tin, 2002)

Xem Thêm

Trí thức tiêu biểu Nguyễn Tiến Quyết - Người chinh phục khoa học để lấy mạng sống cho con người!

Trí thức tiêu biểu Nguyễn Tiến Quyết - Người chinh phục khoa học để lấy mạng sống cho con người!

Nhắc đến ông là nhắc đến chân dung của một người thầy thuốc tâm huyết, nhà khoa học nhiệt thành và một nhà giáo với tình yêu nghề đậm sâu. Có thể nói, xuyên suốt chặng đường cống hiến không ngừng nghỉ đã qua, bằng tâm sức, niềm đam mê khoa học bất tận, ông đã có những cống hiến đáng tự hào cho nền y tế nước nhà.

Tin mới

Bộ Chính trị điều động, phân công đồng chí Đỗ Trọng Hưng giữ chức Phó Trưởng Ban Tổ chức Trung ương

Bộ Chính trị điều động, phân công đồng chí Đỗ Trọng Hưng giữ chức Phó Trưởng Ban Tổ chức Trung ương

Hoạt động Đảng, đoàn thể - 05/09 16:46
Chiều 5-9, tại Hà Nội, Ban Tổ chức Trung ương tổ chức Hội nghị triển khai quyết định của Bộ Chính trị về công tác cán bộ. Đồng chí Lê Minh Hưng, Ủy viên Bộ Chính trị, Bí thư Trung ương Đảng, Trưởng Ban Tổ chức Trung ương chủ trì Hội nghị.
Liên hiệp Hội Việt Nam tham gia cuộc họp của Ban Thư ký của tổ chức phổ biến kiến thức khoa học thế giới

Liên hiệp Hội Việt Nam tham gia cuộc họp của Ban Thư ký của tổ chức phổ biến kiến thức khoa học thế giới

Hợp tác quốc tế - 04/09 21:03
Vào ngày 26/8, Ban Trù bị của Tổ chức quốc tế về Phổ biến kiến thức khoa học (WOSL) đã tổ chức buổi họp trực tuyến với sự tham gia của đầy đủ các tổ chức thành viên. Buổi họp do Thạc sĩ Yin Hao, Tổng Thư ký Hội Khoa học và Kỹ thuật Trung Quốc chủ trì.
Thanh Hoá: Phản biện đề án phát triển du lịch huyện Lang Chánh

Thanh Hoá: Phản biện đề án phát triển du lịch huyện Lang Chánh

Tư vấn - Phản biện - 04/09 09:39
Sáng ngày 30/8, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Thanh Hóa (Liên hiệp hội) tổ chức Hội thảo khoa học phản biện “Đề án phát triển du lịch huyện Lang Chánh, tỉnh Thanh Hóa đến năm 2030” với sự tham dự của các thành viên Hội đồng khoa học phản biện, các chuyên gia của Liên hiệp hội; các cơ quan, đơn vị liên quan.
An Giang: Liên hiệp hội bầu bổ sung nhân sự lãnh đạo

An Giang: Liên hiệp hội bầu bổ sung nhân sự lãnh đạo

Hội thành viên - 30/08 11:35
Sáng 27/8, Ban Thường vụ Liên hiệp hội tỉnh đã tổ chức hội nghị Ban chấp hành mở rộng lần thứ 5, khóa IV, nhiệm kỳ 2022-2027. Đến dự có các đồng chí: Nguyễn Hồng Châu, Phó Trưởng Ban Tổ chức Tỉnh ủy Nguyễn Hồng Châu; đại diện Ban Tuyên giáo Tỉnh ủy; đại diện sở, ngành, hội có liên quan.
Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam

Trang tin điện tử Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam

Chịu trách nhiệm nội dung:
Lê Thanh Tùng

Giấy phép số: 18/GP-TTĐT, Bộ Thông tin và Truyền thông cấp ngày 09/03/2022

   Lô D20, Ngõ 19 Phố Duy Tân, Dịch Vọng Hậu, Cầu Giấy, Hà Nội.

  024.3.9432206 - 0243 9438108

  banbientapvusta@gmail.com

Copyright © 2014 - VUSTA. All rights reserved