LICH SU VU TRU

Mặc dù các mô hình hình học chi tiết chủ yếu được tạo ra bằng những vòng tròn hai chiều Platon, nhưng nó cũng có khả năng, ít nhất là về nguyên tắc, giải thích cho các hiện tượng như ch

LỊCH SỬ

VŨ TRỤ HỌC

hiepkhachquay dịch từ http://www.aip.org/history/cosmology/

Kiên Giang, tháng 8 & 10/2007

MỤC LỤC

Phần 1 Các tư tưởng vũ trụ học

Trang

Chương 1 – Thế giới quan Hi Lạp 3

Chương 2 – Sự ra đời của khoa học về vũ trụ 11

Chương 3 – Vũ trụ cơ giới 21

Chương 4 – Vũ trụ cô lập 29

Chương 5 – Vũ trụ dãn nở 48

Chương 6 – Big Bang hay trạng thái bền 61

Chương 7 – Cuộc hành trình vẫn tiếp tục 72

Phần 2 Các phương tiện nghiên cứu vũ trụ học Chương 8 – Mắt trần 79

Chương 9 – Những chiếc kính thiên văn đầu tiên 87

Chương 10 – Kính thiên văn phản xạ buổi đầu 95

Chương 11 – Thời kì vàng son của kính thiên văn khúc xạ 103

Chương 12 – Quang phổ học và sự ra đời thiên văn học vật lí 114

Chương 13 – Sự hồi sinh của kính thiên văn phản xạ 123

Chương 14 – Những công cụ mới cho nghiên cứu vũ trụ học 131

Tài liệu download tại http://www.thuvienvatly.com hoặc http://home.1asphost.com/manhan101/

PHẦN I CÁC TƯ TƯỞNG VŨ TRỤ HỌC

Chương 1 THẾ GIỚI QUAN HI LẠP

hế giới quan Hi Lạp là tư

tưởng tồn tại lâu đời

nhất trong lịch sử khoa học

vũ trụ Liên quan gần gũi với

giả khoa học chiêm tinh học,

nó tiếp diễn từ thời Hi Lạp

cổ đại qua nền văn minh Hồi

giáo Trung cổ cho đến châu

Âu thế kỉ thứ 17

Nền tảng của thế giới

quan Hi Lạp là triết học của

Plato Ông cố đạt được một

mức thực tại sâu sắc hơn cái

mà cảm giác có thể đạt tới

Ông cũng theo đuổi một lí

thuyết đơn giản về vũ trụ có

sức mạnh giải thích không

thể tin nổi Kết quả là một

niềm tin nhất quán, đó là

chuyển động tròn Niềm tin

này thống trị tư tưởng của

nhiều nhà thiên văn học và

vũ trụ học phương Tây trong

hai ngàn năm trời

Hình ảnh tái dựng lại thế giới quan Hi Lạp, với Trái Đất ở giữa, quay xung quanh là Mặt Trăng, Mặt Trời, các hành

tinh và hoàng đạo sao.

Plato (428-348/347 trước Công nguyên)

Plato chỉ lên trời, còn học trò của ông

Aristotle thì chỉ xuống đất Tranh của

Raphael thuộc trường phái Athens

Triết học của Plato và mối liên quan của nó đối với vũ trụ học Hi Lạp không thể hiểu là một sự phản ứng lại các vấn đề xã hội và chính trị Plato thuộc về thời đại bước vào đời sống công chúng khi Bạo chúa thứ ba mươi, gồm hai người bà con của ông, thống trị Athens Hành động của họ khiến Plato phẫn nộ Khi ách thống trị của họ bị lật đổ, Plato lại tính đến chuyện tham gia chính quyền Nhưng rồi nền dân chủ đã làm khổ người thầy và người bạn của ông, Socrates Những kinh nghiệm sau đó, có lẽ gồm một lần chạm trán với sự độc tài của Syracuse, xác nhận sự mất hết can đảm của Plato đối với hành động của những kẻ cầm quyền Ông tìm kiếm những chuẩn bất biến để trụ lại với những phán quyết thiên vị của kẻ cầm quyền

Trong câu chuyện ngụ ngôn nổi tiếng của ông về hang động, Plato tưởng tượng con người bị trói buộc từ thời thơ ấu trong một hang động, vì gông cùm nên họ vẫn phải ngồi đó, chỉ nhìn

T

Bản sao bức tượng bán thân chân

dung nhà khoa học Hi Lạp với cái mũi

đã được sửa chữa lại

vào một hướng Một ngọn lửa phía sau họ tạo nên bóng của các vật in lên vách hang phía trước mặt họ Trong sự thiếu vắng bất

cứ thứ kinh nghiệm nào khác, những kẻ bị cầm tù chấp nhận bóng đổ là thực tại Plato giải thích rằng nhà tù hang động đó tương ứng là bộ phận của thế giới được khám phá bởi các giác quan thể xác của chúng ta Việc thoát khỏi hang động tương ứng với việc sử dụng trí thông minh để tiến tới hiểu biết về thế giới thực tại

Công việc cho các nhà thiên văn là xác định chuyển động của các hành tinh Những người quan sát bầu trời ở Trung Đông, Trung Mĩ, và Trung Hoa cổ đại đã tiến hành nhiều quan trắc Từ bảng số liệu của họ, họ đã nghĩ ra kế hoạch tiên đoán

sự chuyển động tương lai trên trời Nhưng các giải thích mà những nhà quan sát bầu trời người Babylon, người Maya, và người Trung Hoa cổ đại nghĩ ra cho những chuyển động này không gì hơn những câu chuyện mang màu sắc thần thoại

Khoa học về vũ trụ - tìm kiếm một bức tranh của vũ trụ thu được mà không

đề cập tới sự hiện diện của thần thánh – bắt đầu với người Hi Lạp Họ theo đuổi việc tìm kiếm xa hơn ngoài khuôn mẫu số cho một số điều cơ bản Dưới ảnh hưởng của Plato, các nhà tư tưởng Hi Lạp cố gắng nghĩ ra các kết hợp của chuyển động tròn đều để mô phỏng chuyển động quan sát được, chúng thường là không đều Chuyển động tròn

Một sự kết hợp của chuyển động tròn đều có

thể gồm một vòng tròn lớn (nội luân - vòng

tròn DBC với Trái Đất tại tâm của nó), cuốn

đi xung quanh ở tốc độ không đổi một vòng

tròn nhỏ hơn (ngoại luân), vòng tròn này

thành ra quay xung quanh hành tinh (P) ở

tốc độ không đổi

Chuyển động kết hợp của nội luân và ngoại luân có thể

mô phỏng chuyển động “thụt lùi” quan sát thấy của các hành tinh Khi nhìn từ Trái Đất ở chính giữa tại

Bên cạnh giả thuyết nội luân, còn có giả

thuyết lệch tâm, trong đó vòng tròn lớn

không còn có tâm trên Trái Đất nữa Nó

trở thành một “đĩa lệch tâm” có tâm

nằm ở một điểm gần Trái Đất, E Trong

giả thuyết lệch tâm, hành tinh P chuyển

động tròn đều dọc theo vòng tròn APDB

có tâm của nó tại C Đối với nhà quan

sát trên Trái Đất, chuyển động có vẻ

nhanh lên và chậm xuống.

Như một phương kế cũ, tốc độ góc đều

đặn có thể đo được không phải tại

khoảng tâm của vòng tròn mà ở một số

điểm khác, điểm mặt bằng, A Mặt Trời,

S, chuyển động trên vòng tròn có tâm tại

Trái Đất, nhưng nó không chuyển động

ở tốc độ đều Tốc độ chuyển động của nó

được thiết đặt bởi điều kiện góc a biến

đổi đều theo thời gian

các thời điểm 1, 2, 3 và 4, hành tinh chuyển động biểu kiến trên nền mặt cầu của các sao từ 1,2 quay trở lại 3, rồi lại tiếp tục chuyển động về phía 4, chuyển động nhanh hơn hành tinh ở phía ngoài, bắt kịp và đi qua nó

Eudoxus có thể, nhưng không cần thiết, giải thích chuyển động giật lùi theo kiểu như sau

Mặt cầu phía ngoài không được vẽ trong hình Trục quay của nó là thẳng đứng, trong mặt phẳng màn hình, theo hướng bắc-nam Mặt cầu bên ngoài mang mọi thứ bên trong nó về phía đông Trục của mặt cầu trong nằm ngang và trong mặt phẳng màn hình Chuyển động của một hành tinh mang bởi mặt cầu trong là hướng lên (hướng bắc) và hướng xuống (nam) và đi vào (tây) và

đi ra khỏi (đông) mặt phẳng màn hình Hành tinh có vẻ

đi sang bắc và nam từ 1 đến 2, sang hướng bắc và đông đến 3, theo hướng nam và đông đến 4, và theo hướng nam và tây trở lại 1 Khi mặt cầu phía trong truyền một chuyển động về phía đông cho hành tinh, di chuyển hành tinh từ 2 đến 3 đến 4, chuyển động toàn thể về phía đông, kể cả chuyển động về phía đông đều đặn truyền bởi mặt cầu ngoài, sẽ rất nhanh chóng Nếu như tốc độ đi về phía tây truyền bởi mặt cầu trong lớn hơn tốc độ đi về phía đông đều đều truyền bởi mặt cầu ngoài, thì hành tinh sẽ có vẻ chậm dần và trong thời gian ngắn đi về phía tây theo lộ trình từ 4 sang 1 đến 2, khi vận tốc đi về phía tây của mặt cầu trong lớn hơn vận tốc đi về phía đông của mặt cầu ngoài Mặc dù các mô hình hình học chi tiết chủ yếu được tạo

ra bằng những vòng tròn hai chiều Platon, nhưng nó cũng có khả năng, ít nhất là về nguyên tắc, giải thích cho các hiện tượng như chuyển động giật lùi quan sát thấy của các hành tinh với mặt cầu ba chiều Aristotle

Các nhà thiên văn Arab trong những thế kỉ sau đó tiếp tục tinh lọc mưu đồ của người Hi Lạp Họ nêu ra thêm nhiều cách giải thích cho chuyển động hành tinh quan sát được Để hiểu rõ sự khéo léo của họ, bạn có thể tìm hiểu thêm tại http://www.csit.fsu.edu/%7Edduke/models

Các nhà khoa học-triết học Hi Lạp đã đặt ra cho mình nhiệm vụ hình dung

vũ trụ là một tập hợp các thực thể vật lí Học trò của Plato, Aristotle, bắt đầu thống trị tư tưởng trong lĩnh vực này Chỗ những người theo chủ nghĩa Plato nghĩ dưới dạng toán học lí tưởng hóa về các vòng tròn hai chiều thì những người theo trường phái Aristotle hình dung là những quả cầu ba chiều thực sự

Aristotle dạy rằng các quả cầu quay mang theo Mặt Trăng, Mặt Trời và các hành tinh xung quanh một Trái Đất tĩnh tại Trái Đất là độc nhất do vị trí trung tâm của nó và thành phần vật chất của nó Mọi sự sinh ra và hủy diệt xảy ra trong vùng

“trần thế”, nằm bên dưới Mặt Trăng và ở phía trên Trái Đất Vùng này gồm có bốn nguyên tố: đất, nước, không khí và lửa Vùng bên ngoài Mặt Trăng là bất biến và là vùng hoàn toàn thuộc về thiên đường Vùng đó chứa một nguyên tố bí mật thứ năm

Các nhà triết học Hi Lạp đã ước tính khoảng cách tới Mặt Trăng, và còn cố gắng tính ra kích thước của toàn bộ vũ trụ Họ tin rằng nó là hữu hạn Mặt cầu bên ngoài của các sao mang chúng trên hành trình hàng đêm của mình xung quanh Trái Đất

Aristotle (384-322 tCN)

Aristotle là con trai của vị bác sĩ riêng của vua xứ Macedon, vùng đất nghèo nàn của những kẻ ngang ngược ở rìa bắc của bán đảo Hi Lạp Khi ông 17 tuổi, năm 367, Aristotle nam tiến tới Athens Ông ở lại đó 20 tiếp theo để học tại Viện của Plato Trong khi đó, ở Macedon, Philip II lên ngai vàng năm 359 và từ từ mở rộng quyền lực Athens vẫn là địch thủ chính của ông ta Cảm nhận được sự chống đối Macedon ở Athens, cùng với cái chết của Plato vào năm

397, khuyến khích Aristotle rời khỏi Athens Ở Tiểu Á, ông tìm được một viện hàn lâm mới dưới sự bảo trợ của người trị vì địa phương, người có cô con gái nuôi 18 tuổi gả cho Aristotle Từ mô tả của ông về thời kì lí tưởng cho kết hôn là

37 tuổi đối với nam và 18 tuổi đối với nữ, có thể suy luận ra rằng sự lưu vong tự nguyện của Aristotle khỏi Athens không phải là một chuyện không vui Năm 342, Aristotle trở lại Macedon giám hộ con trai của Philip, Alexander Philip hoàn thành cuộc chinh phục xứ Hi Lạp vào năm 338, chỉ bị

ám sát chết vào năm 336 Alexander lên ngôi và Aristotle trở lại Athens một cách thoải mái trên phương diện kẻ chiến thắng Trong khi Alexander xâm chiếm vùng Cận Đông, ông không xao lãng việc gửi về Athens cây cỏ, động vật và các bản ghi chép thiên văn về cho Aristotle nghiên cứu Khi Alexander Đại đế chết vào năm 323, Aristotle lại đi tha hương tự nguyện Ông mất một năm sau đó, năm 322

Vị trí tự nhiên của nguyên tố đất là ở dưới, tại trung tâm của vũ trụ Nguyên

tố đất có xu hướng chuyển động về vị trí tự nhiên của nó, hướng về trung tâm của thế giới Lửa thì di chuyển lên phía trên để tới được vị trí tự nhiên của chúng tại trên cùng của vùng trần tục

Không hề có thế giới khác nào nằm rải rác trong vũ trụ này, vì bản chất đất của chúng sẽ buộc chúng chuyển động về phía vị trí tự nhiên của chúng tại trung tâm vũ trụ

Với Trái Đất nằm ở trung tâm, và hình cầu các sao nằm bên ngoài, vũ trụ quan Aristotle nhỏ bé hơn hệ Mặt Trời của chúng ta

Kế tục truyền thống Hi Lạp của Plato và Aristotle là nghiên cứu của Clausius Ptolemy Ông đã hệ thống hóa hàng trăm năm vũ trụ học hình học Hi Lạp với sự thể hiện và bằng chứng chặt chẽ

Ptolemy viết chuyên luận toán học của ông, sau này mang tên là Almagest (sách chiêm tinh), vào khoảng năm 150 sau Công nguyên Ông đã phát triển các hệ thống hình học của chuyển động hợp nhất trên các vòng tròn hai chiều cho phù hợp với những chuyển động quan sát được

Trời không phải cấu tạo từ đá, kim loại, hoặc những chất đất khác, mà từ một

số chất thiêng liêng thuộc về thiên đường Chất này không gây cản trở lối đi của một phía qua phía bên kia

Trong quyển sách sau này của ông,

Planetary Hypotheses (Giả thuyết về thế gian), Ptolemy sử dụng các quả cầu rỗng ba chiều, xếp lồng quả này trong quả khác và bao quanh Trái Đất Không có không gian trống rỗng giữa các quả cầu Chiều dày của mỗi lớp vỏ khớp với chuyển động nhỏ bên trong và bên ngoài Trái Đất Quả cầu quay tự mang hành tinh hoặc Mặt Trời hoặc Mặt Trăng trong quỹ đạo của nó xung quanh Trái Đất

Các quả cầu quay vì đó là chuyển động tự nhiên của chúng Ptolemy tin rằng điều đó thích hợp cho sự phân bố chuyển động tròn đều cho các hành tinh vì sự hỗn loạn và không đều là không quen thuộc với những thứ thiêng liêng Nghiên cứu thiên văn học, cùng với những thứ thiêng liêng,

là đặc biệt hữu ích cho việc nâng cao linh hồn của

con người

Claudius Ptolemy (100-170)

Về con người Ptolemy, chúng ta biết rất ít Ông đã ghi lại các quan sát kéo dài trong thời kì từ năm thứ chính của chế

độ Hadrian (125) cho đến năm thứ tư của Antoninus Pius

(141), và thực hiện tại kinh độ của thành Alexandria Đây có

thể chính là thành phố Alexandria hoặc có khả năng là gần

Canopus Được Alexander đại đế xây dựng ở rìa phía tây của

đồng bằng châu thổ sông Nile, Alexandria thu lợi từ đất đai

màu mỡ dọc theo sông Nile của Ai Cập và nhanh chóng trở thành một trong những đô thị phồn vinh nhất trong thế giới Hi Lạp Thư viện của thành phố có lẽ có khoảng nửa triệu cuốn sách, có khả năng bao gồm cả bộ sưu tập cá nhân của Aristotle Các thiết bị thiên văn cũng được xây dựng tại Thư viện, và các quan trắc được thực hiện, vào lúc đầu là dưới

sự bảo trợ của các pharaoh đang tại vị Tuy nhiên, vào thời của Ptolemy, Alexandria là một thành phố La Mã cấp tỉnh

Ptolemy: nhà khoa học hay kẻ lừa gạt ?

Ptolemy được hình dung một qua

bức tranh cũ, với góc cung một phần

tư và thần thơ ca Astronomia.

Ptolemy là nhà thiên văn học cổ đại vĩ đại nhất hay là kẻ lừa gạt thành công nhất trong lịch sử khoa học ?

Quan sát của ông phù hợp với những người đương thời một cách kì lạ; sự ăn khớp giữa lí thuyết và quan sát là quá tốt cho sự thật Dường như Ptolemy bịa đặt ra những số liệu quan sát của ông

Tuy nhiên, sự phù hợp giữa các thông số của ông và giá trị hiện đại quá gần đến mức ngẫu nhiên Có thể là Ptolemy đã

có một số lượng lớn quan sát, và sai số đã được triệt tiêu lẫn nhau ở mức độ lớn trong tính toán của các thông số Sau đó, Ptolemy có thể đã chọn trong số những quan sát của ông một vài quan sát phù hợp tốt nhất với lí thuyết, và rồi đưa những

ví dụ này vào minh họa cho lí thuyết

Ptolemy thiếu kiến thức hiện đại của chúng ta về ngưỡng sai

số, độ lệch chuẩn, và việc sử dụng giá trị trung bình từ những quan sát lặp đi lặp lại – các ý tưởng cho phép ông đề xuất một lí thuyết nói chung là không cần thiết và phù hợp tuyệt đối với mỗi điểm số liệu thu được, nhưng lại ăn khớp kém chặt chẽ hơn với tất cả các điểm số liệu trong khoảng thời gian giới hạn thống kê xung quanh một giá trị trung bình Thay vì vậy, không hề có bất kì dao động nào có thể chấp nhận được trong sự ăn khớp giữa lí thuyết và quan sát, nên mỗi số đo phải được hiểu là một kết quả chính xác Bởi vậy,

sự lựa chọn sáng suốt từ trong số nhiều số đo là cần thiết Chúng ta cũng cần nhớ rằng Almagest không phải là một bài báo nghiên cứu hiện đại, mà là một cuốn sách giáo khoa Mục đích của Ptolemy là đưa ra các thủ tục và số liệu ví dụ, chỉ rõ cho các nhà thiên văn tương lai biết nó được thực hiện như thế nào và cho phép họ đưa những quan sát riêng của mình trong một ranh giới thời gian dài hơn để thu được các thông

số còn tốt hơn nữa

Bất kì sự ba hoa hay bịa đặt nào do Ptolemy đưa ra phải được nhìn nhận là một sự lừa dối được phép trong việc làm ngăn nắp khoa sư phạm của ông, chứ không có xu hướng làm cho những độc giả của ông hiểu sai lệch về những vấn đề quan trọng Truyền thống thiên văn học Hi Lạp liên quan nhiều đến các thủ tục hình học nói chung hơn là những kết quả bằng số nhất định Tiêu chí hiện đại của khoa học cho đến nay vẫn chưa có

Khi đế chế La Mã sụp đổ và nền văn minh châu Âu thu hẹp lại, nền văn minh Hồi giáo mạnh dần lên đã giải thoát cho vũ trụ học của Ptolemy – và mở rộng thêm cho nó Toàn bộ hệ thống kiến thức được truyền bá ngược trở lại phương Tây khi nền học thuật ở đó hồi sinh vào cuối thời kì Trung cổ Các bản dịch biểu lộ nhiều sửa đổi Chuyên luận toán học của Ptolemy được gọi là megiste, tiếng Hi Lạp có

nghĩa là “lớn nhất” Cuốn này được chuyển tự sang tiếng A rập và thêm vào đầu tiếp ngữ al (giống như trong các từ như algebra và tên các ngôi sao như Aldebaran) Dịch từ tiếng A rập sang tiếng Latinh thời Trung cổ, cuốn sách của Ptolemy trở thành “The Almagest” Người A rập cũng dạy cho phương Tây các chữ số A rập, hệ thống giá trị tính toán sử dụng số không, và nhiều kĩ thuật lượng giác, tất cả đều có nguồn gốc từ Ấn Độ và đã thực hiện những cải tiến toán học quan trọng của riêng

họ

Nền văn minh Hồi giáo quan tâm mức độ cao của nghiên cứu khoa học Thiên văn học thật quan trọng trong việc cung cấp thời gian cho cầu nguyện (từ độ cao của Mặt Trời hoặc các sao) và quibla, hay là sự định hướng thần thánh: những người sùng đạo ở bất kì đâu trên thế giới cần phải biết hướng của Mecca để họ có thể quay mặt về đó khi cầu nguyện và các nhà thờ Hồi giáo phải quay mặt về phía thành phố thiêng liêng đó Dụng cụ đo độ cao thiên thể là một thiết bị thiên văn cơ

sở, dùng làm đồng hồ và công cụ hàng hải Những ông hoàng đạo Hồi cũng xây dựng những thiết bị khổng lồ để đo vị trí của các hành tinh và các sao cho mục đích thiên văn học

Dụng cụ đo độ cao thiên thể thời xưa

Các chấm cong là vị trí của những ngôi

sao sáng.

Chiếc đồng hồ Mặt Trời lớn này tại Jaipur, Ấn Độ, được xây dựng khoảng năm 1730, dành cho Moghul Maharaja Sawai Jai Singh II Tên gọi là Jantar- Mantar (tiếng Sankrit có nghĩa là “Dụng cụ thần kí”), thiết bị này có một mẫu mô phỏng ở Samakand.

Vũ trụ học và tôn giáo ở châu Âu Thời kì Tăm tối

“Điều quan trọng cần phải biết là Trái Đất hình cầu, hình trụ, hình đĩa, hay là một bề mặt lõm ?”, St Basil đã hỏi như vậy vào thế kỉ thứ tư “Điều quan trọng cần phải biết là tôi sẽ đối xử với tôi như thế nào, với khách khứa của tôi như thế nào, và với Chúa như thế nào” Cùng với sự sụp đổ của nền văn minh cổ ở Tây Âu, một vài người lại chú ý tới vũ trụ học Những công việc mà họ làm chủ yếu là giữ lại các phiên bản đơn giản hóa của các nghiên cứu của thời Hi Lạp Một số sử dụng quyền lực của thi ca Kinh thánh mơ hồ để trở lại hình ành nguyên thủy về một Trái Đất phẳng Có lẽ thế giới của chúng ta là một cái đĩa, tâm nằm

ở Jerusalem (đây là một ý tưởng mới, đối với những người không theo khoa học khác, họ đã đặt quê hương của mình ở trung tâm của Vũ trụ) Khi văn minh và lòng say mê khoa học hồi sinh vào cuối thời kì Trung cổ, các học giả cố tìm lại những tác phẩm thời Hi Lạp cổ đại trong nhà kho đầy bụi bặm của các tu viện, họ nhận thấy rằng có nhiều tác phẩm đã bị tẩy xóa bởi các thầy tu, phục hồi lại bản giấy da có giá trị lớn cho công việc sùng đạo

Bản đồ thế giới lấy từ Anh năm 1300 với Jerusalem ở chính giữa Châu Âu nằm ở góc phần

tư bên trái, thấp hơn.

Trong số những người A rập và Ba Tư là những nhà tính toán và nhà toán học vĩ đại, những người đã nghiên cứu nhằm hoàn thiện lời giải thích mang tính vũ trụ học của các số đo thiên văn Ví dụ, Nasir al-din al-Tusi ở Maragha đã sáng tạo ra một phép cộng mới đặc biệt cho chuyển động tròn của Ptolemy “Cặp Tusi” tính ra một chuyển động thẳng từ một sự kết hợp của các chuyển động tròn đều Trong tác phẩm mang tính cách mạng của ông về hệ Mặt Trời xuất bản năm 1543, Copernicus

sử dụng một công cụ gây ấn tượng giống như vậy Copernicus cũng sử dụng một

mô hình cho chuyển động của Mặt Trăng giống hệt như mô hình đã được nghĩ ra hai thế kỉ trước đấy bởi nhà thiên văn Ibn al-Shatir ở Damascus Copernicus trích dẫn nghiên cứu của các nhà thiên văn Hồi giáo và nhất định đã học được từ họ Các nhà sử học vẫn đang cố gắng xác định toàn vẹn quy mô của món vay nợ trí tuệ của ông

Chương 2

SỰ RA ĐỜI CỦA KHOA HỌC VỀ VŨ TRỤ

Cách mạng trong khoa học, giống như trong chính trị, thường bắt đầu từ cách mạng trong nhận thức

Năm 1543, Nicolas Copernicus nêu ra một sự chuyển đổi vị trí giữa Trái Đất

và Mặt Trời Ông đặt Mặt Trời ở trung tâm của vũ trụ và đặt Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời Để giải thích chuyển động hàng ngày của bầu trời, ông đặt Trái Đất quay tròn xung quanh trục riêng của nó

Một trang trong cuốn sách Về sự chuyển động của Copernicus ( De revolutionibus orbium coelestium ) Copernicus đã tặng cuốn sách năm 1543 của ông cho

Giáo hoàng Paul III.

Nicholas Copernicus (1473-1543)

Copernicus học tại trường đại học Cracow,

Ba Lan, và sau đó trở thành một giáo sĩ thuộc

giáo đường tăng lữ Frombork Ông phục vụ ở

đó cho đến khi qua đời Tuy nhiên, có sự gián

đoạn khi học luật giáo sĩ ở trường Bologna và

học y khoa ở Padua Ở Italia, Copernicus

cũng bận rộn với các nghiên cứu thiên văn

học

Copernicus có được cơ sở của lí thuyết nhật

tâm của ông vào năm 1514, nhưng ông chỉ

Bức tranh sơn dầu thế kỉ thứ 16 này, treo ở Tòa thị chính thành Torun, Ba Lan, có thể là bản sao của một bức phác họa do Copernicus tự vẽ.

thận trọng truyền bá nó trong số bạn bè để bình luận mà thôi Lí thuyết đó vẫn không được xuất bản vào năm 1539 khi một tông đồ Giêsu đảm nhận trọng trách Copernicus nhận được cuốn sách bàn về sự chuyển động của các quả cầu trên trời, De revolutionibus orbium coelestium, chỉ vào lúc hấp hối trên giường, năm 1543

Để tính vị trí của các hành tinh, Copernicus sử dụng một hệ hình học phức tạp, rất giống với những người tiền nhiệm Hi Lạp và Hồi giáo của ông (các nhà sử học vẫn đang nỗ lực phán xét những nguồn nào đã đóng góp cho ý tưởng của ông)

Hệ thống Ptolemy thỏa đáng một cách hợp lí trong việc phù hợp với quan sát Copernicus không có những quan sát mới và chính xác hơn như đòi hỏi để bác

bỏ lí thuyết cũ Sự khao khát về một sự hài hòa toán học hơn nữa khiến ông cố tìm một cái gì đó khác đi Theo quan điểm của Copernicus, khi Ptolemy đưa ra chuyển động xung quanh một điểm mặt bằng, ông ta đã vi phạm nguyên lí chuyển động tròn đều Hơn nữa, từ thuyết “nhật tâm” (Mặt Trời ở trung tâm) của Copernicus, một vài hiện tượng quan sát thấy tuân thủ tự động, chứ không phải điều chỉnh như trong thuyết Ptolemy

Hệ nhật tâm ngược lại niềm tin đã có lâu nay và dường như không thể tưởng tượng được đối với nhiều người Đây là lí do tại sao Copernicus lại viết trong phần

mở đầu cuốn sách của ông rằng ông “ngập ngừng lâu nay không biết có nên mang

ra ánh sáng những dẫn giải của tôi để chứng minh cho chuyển động của Trái Đất” Dẫu vậy, bạn bè của ông “thường thúc giục và nài nỉ tôi xuất bản công trình này” Copernicus hi vọng rằng “nỗ lực của tôi đóng góp ở chừng mực nào đó cho toàn thể con dân của Giáo hội… Không còn lâu nữa vì vấn đề cải cách lịch giáo hội đã được cân nhắc”

Thật vậy, trong hàng thế kỉ, bài toán khó về việc tính ngày tháng của lễ Phục sinh tương lai là một động cơ chính của các quan sát và tính toán thiên văn học

Trong hệ Copernicus, sự quay của Trái Đất gây ra chuyển động quan sát thấy của các sao, chứ không phải sự quay của mặt cầu sao Cho nên mặt cầu sao đã lỗi thời

Theo thế giới quan cổ đại và trung cổ, vũ trụ bị giới hạn bởi một mặt cầu phía ngoài chứa toàn bộ các sao Mặt cầu sao phía ngoài đơn giản là một vùng trời, có tâm ở Trái Đất, trong hình vẽ này (ở trên, bên trái) lấy

từ cuốn sách năm 1566 của Leonard Digges Con trai của ông, Thomas, cuối cùng nhận ra rằng mặt cầu các sao không cần thiết trong một vũ trụ trong đó Trái Đất quay Hình vẽ của ông (bên phải), có tâm ở Mặt Trời,

cho thấy các sao phân tán qua một không gian mở mênh mông.

Nhưng hệ quả hợp lí của sự cách tân của Copernicus không được nhận ra ngay, bởi Copernicus hoặc bởi những người khác Cuối cùng, nó được Thomas Digges nhận ra, trong một hình vẽ do ông đưa vào làm phần phụ lục cho cuốn sách của cha ông, Leonard Leonard Digges đã dịch và diễn giải những phần chính của công trình của Copernicus

Giờ thì Trái Đất không còn là độc nhất nữa Nó đơn thuần chỉ là một trong nhiều vật thể tương tự trong hệ Mặt Trời Nếu như Trái Đất là một trong nhiều hành tinh tương tự, thì các hành tinh khác cũng phải có dân cư tương tự Nguyên lí “sung túc”, xem bất kì tiềm năng không nhận thức rõ nào trong tự nhiên là sự hạn chế của sức mạnh của Tạo hóa, đã khuyến khích hơn nữa niềm tìn về nhiều thế giới Kết luận này được nhấn mạnh sâu sắc bởi Galileo và những quan sát bằng kính thiên văn mới của ông

Galileo Galilei (1564-1642)

Cha của Galileo muốn ông học y khoa, và ông đã học ngành y trong một thời gian ngắn tại trường đại học Pisa Nhưng Galileo thích toán học hơn Ông nghiên cứu với gia sư riêng ở Pisa và rồi tại nhà, ở Florence Ông sớm có những bài giảng riêng về toán học và rồi được bổ nhiệm làm trưởng khoa toán còn bỏ trống tại trường đại học Pisa Tại đây, người ta nói ông đã thả rơi những quả cầu sắt từ tháp nghiêng xuống, như một thách thức công chúng đối với triết học Aristotle, người nói rằng những quả cầu nặng phải rơi nhanh hơn Chúng không rơi nhanh hơn Trong khi có lẽ Galileo chưa bao giờ làm cái việc giống như câu chuyện huyền thoại này, nhưng nó đúng là tinh thần của ông – thách thức quyền lực, ý tưởng trong sáng, và dựa trên quan sát thực tế

Galileo Galilei (1564 – 1642) đầu những năm 40 tuổi, một vài năm trước khi bắt đầu thực hiện

những quan sát có tính đột phá bằng kính thiên văn vào năm 1609.

Các giáo sư thuộc phái Aristotle tất nhiên không thèm chơi với Galileo, và ông sớm phải chuyển đến trường đại học Padua Galileo chế tạo được một chiếc kính thiên văn và là người đầu tiên sử dụng thiết bị mới này khảo sát bầu trời một cách có hệ thống, thực hiện những khám phá lạ lùng Ví dụ, ông phát hiện ra bốn vệ tinh của một tinh vào đầu năm 1610 Ông đặt tên cho chúng là sao Medicean, kỉ niệm Cosimo de Medici, vị đại công tước xứ Tuscany Sau đó, vào năm 1610, Galileo trở lại Florence làm nhà toán học và triết học, rồi đại công tước và nhà toán học hàng đầu tại trường đại học Pisa, mà không có trách nhiệm phải giảng dạy

Không có gì làm xáo trộn những ý tưởng cũ như cái mà Galileo nhìn thấy khi hướng chiếc kính thiên văn của ông lên Mặt Trăng Quan sát của ông về bề mặt Mặt Trăng mang đến kết luận có tính cách mạng rằng Mặt Trăng không phải là một quả cầu nhẵn nhụi, như những người theo chủ nghĩa Aristotle vẫn quan niệm Nó không

bằng phẳng và gồ ghề, giống như Trái Đất Đối với giáo điều cổ đại khi đó thì vấn

đề duy nhất nằm dưới bề mặt Mặt Trăng đó là nó thuộc về trần tục hay thiên đường?

Galileo thực hiện các bức phác họa này về các vệ tinh của Mộc tinh khi nhìn qua kính thiên văn của ông, trên mặt sau của một phong bì Những bản phác họa ghi lại các quan sát trong những đêm khác nhau suốt thời gian từ 14 đến 25/1/1610 Có vẻ như ông thích các ngôi sao luân phiên tới lui xung quanh hành tinh

đó

Cái mà ông nhìn thấy là bốn vệ tinh lớn của Mộc tinh, ngày nay gọi là Io, Europa, Ganymede, và Callisto Galileo có khó khăn rất lớn trong việc nhận ra ý nghĩa thực sự của cái ông đang nhìn thấy; Callisto thường nằm ra ngoài tầm nhìn (hạn chế) của kính thiên văn của ông, Io thường biến mất trong ánh chói của Mộc tinh, và một số vệ tinh thỉnh thoảng mất hút trong bóng của Mộc tinh hoặc ở phía sau, hoặc ở phía trước của chính hành tinh đó

Galileo đặt tên cho các vệ tinh là “sao Medicean”, kỉ niệm sự trị vì của dòng họ Florentine Medici Đây là một động thái có tính toán nhằm tăng cường cơ hội quay trở lại Florence của ông, và đã thành công.Các tên sử dụng ngày nay do Simon Mayr (1573 – 1624) đặt ra, Simon là người một thời chiếm ưu thế trong việc khám phá ra chúng

Hình Mặt Trăng do Galileo vẽ

“ Bề mặt của Mặt Trăng không phẳng lặng, đều đặn, và có dạng cầu chính xác như một số lượng lớn nhà triết học vẫn tin, mà nó gập ghềnh, gồ ghề, và đầy các chỗ lõm xuống và nhô lên, không phải không giống với bề mặt Trái Đất, bị bao vây bởi những dãy núi và thung lũng sâu”

Galileo Galilei Một sự tương đồng khác, giữa Mộc tinh và Trái Đất, được cung cấp bởi khám phá của Galileo về bốn vệ tinh của Mộc tinh, tương tự với một vệ tinh của Trái Đất Làm thế nào mà chúng có thể lấp đầy hệ thống các quả cầu mà mọi người

sử dụng kể từ thời Plato ? Galileo xem bốn hành tinh chưa bao giờ được nhìn thấy

từ khi khai sinh ra thế giới cho đến thời đại của chúng ta là khám phá quan trọng nhất của ông

“Ở đây, chúng ta có một luận cứ đẹp và tao nhã để làm lắng đi mối nghi ngờ của những người hết sức bối rối trước việc chỉ có độc nhất Mặt Trăng quay tròn xung quanh Trái Đất và hộ tống nó trong chuyển động quay hàng năm quanh Mặt Trời con mắt riêng của chúng ta chỉ ra cho chúng ta bốn

ngôi sao đi lang thang xung quanh Mộc tinh giống như Mặt Trăng đi xung quanh Trái Đất, trong khi tất cả cùng với nhau đi theo một chuyển động lớn xung quanh Mặt Trời ”

Galileo Galilei Năm 1613, trong một bức thư khá lâu không công bố, Galileo bắt đầu biện luận rằng Kinh Thánh và thuyết Copernicus là phù hợp với nhau Các môn đồ của Aristotle cố mang sức mạnh của nhà thờ chống lại Galileo, dẫn ra các đoạn Kinh Thánh mô tả rõ ràng Trái Đất không chuyển động Galileo biện luận rằng trong khi việc hòa giải giữa sự thật khoa học và Kinh Thánh là một vấn đề của các nhà thần học, thì họ không nên gây trở ngại cho các nhà khoa học nghiên cứu tự nhiên Năm

1616, Giáo hội buộc Galileo không được giữ quan điểm hoặc bảo vệ cho thuyết Copernicus Năm 1624, Giáo hoàng Urban VIII, một người bạn của Galileo, cho phép ông thảo luận hệ thống Copernicus trong sách vở nếu như ông cũng đồng thời nói về hệ thống Ptolemy Cuốn sách Đối thoại về hai hệ thế giới chủ yếu được xuất bản ở Florence năm 1632, sau một vài sửa đổi theo yêu cầu của Giáo hoàng Cuốn sách này thường được xem là một kiệt tác của Galileo Mặc dù ông khẳng định điều ngược lại, nhưng cuốn Đối thoại biểu hiện sự xác nhận mạnh mẽ nhất của Galileo cho hệ thống Copernicus hơn là anh bạn đồng hành Ptolemy của nó, mang lại nhiều

sự phản bác gay gắt của nhiều giáo lí trung tâm của nền vật lí Aristotle Cuốn sách

đó vẫn rất hấp dẫn độc giả ngày nay

Trang bìa cuốn Starry Messenger của Galileo Galileo và thần học

Xung đột của Galileo với chính quyền được công nhận

trước tiên là với các nhà triết học thuộc trường phái

Aristotle ở các trường đại học Italia Họ cố gắng mang giáo

điều Thiên chúa giáo, nhất là sức mạnh quyền lực của nó,

tòa án La Mã vào cuộc chiến đấu chống lại Galileo

Chính quyền giáo hội cấp cao lúc đầu không phản đối khoa

học của Galileo Thật vậy, một vị hồng y giáo chủ từng

nhận xét rằng Kinh Thánh chỉ cho chúng ta biết cách đi tới

Thiên đường, chứ không cho biết bầu trời chuyển động như

thế nào

Galileo viết rằng khoa học của ông “mâu thuẫn với những

khái niệm tự nhiên được giữ phổ biến trong số các nhà triết học hàn lâm” và “việc khích động chống lại tôi không phải là một số ít giáo sư” Họ “tung ra những công kích khác nhau và xuất bản hàng loạt tác phẩm chứa đầy những lí lẽ vô

nghĩa, và họ đã đào mộ chôn đi những sai lầm của việc gieo

rắc chúng với những đoạn trích lấy từ trong Kinh Thánh mà họ

đã thất bại trong việc hiểu chúng một cách đúng đắn” Họ đã

“kiên quyết bịa đặt ra một lá chắn cho ảo tưởng của họ nằm

ngoài vỏ bọc tôn giáo giả cách và quyền lực của Kinh Thánh

Galileo biện luận rằng học thuyết khoa học của ông “đã được

chứng minh, nên nó không thể mâu thuẫn với Kinh Thánh khi

chúng được hiểu một cách đúng đắn”

Ông nhận ra rằng “thật hết sức đạo đức giả khi nói và thận

trọng xác nhận rằng Kinh Tháng linh thiêng có thể chưa bao

giờ nói thiếu thành thật-mỗi khi ý nghĩa đúng đắn của nó được

hiểu rõ” Nhưng “vì cuộc tranh luận về các vấn đề vật chất chúng ta phải bắt đầu không phải từ quyền lực của các đoạn trích lấy từ thánh kinh mà từ kinh nghiệm cảm nhận hàng ngày và những luận chứng cần thiết”

Galileo khuyên chính quyền Thiên chúa giáo không nên có hành động chính thức chống lại học thuyết Copernicus, trong khi bằng chứng mới do kính thiên văn mang lại vẫn tiếp diễn Ông chủ trương hiểu các đoạn thánh kinh theo nghĩa ẩn dụ chứ không nên hiểu theo nghĩa đen, trong đó Mặt Trời dường như là chuyển động

Năm 1992, giáo hoàng John Paul II đã thành lập một ủy ban đặc biệt xét lại trường hợp của Galileo, và giáo hoàng đã có lời xin lỗi chính thức, xóa án cho Galileo

Có những lời phàn nàn, và Tòa án dị giáo triệu Galileo ra trước tòa ở Rome Ông bị ép buộc, có khả năng là dưới sự đe dọa tra tấn, phải thừa nhận rằng ông đã

đi quá xa trong tranh luận của ông cho Copernicus, và phải từ bỏ “tà giáo” Copernicus Cuốn sách của ông bị đặt trong danh mục sách cấm, nó vẫn bị cấm cho tới năm 1835 Năm 1633, chính Galileo bị kết án tù chung thân Bản ản ngay sau đó được giảm nhẹ là quản thúc tại nhà vĩnh viễn Ông đã sống những ngày còn lại của đời mình trong biệt thự của ông trên vùng đồi Florence, tiếp tục viết những kiệt tác khác – không phải về vũ trụ học mà về vật lí và cơ học

Vũ trụ học Aristotle hình dung ra các quả cầu mang những hành tinh quay xung quanh Trái Đất – những quả cầu pha lên rắn, theo một số người, cung cấp cấu trúc vật chất của vũ trụ Cuối thế kỉ 16, Tycho Brahe đã quan sát sao chổi chuyển động qua hệ Mặt Trời Sự thật này đã đập vỡ những quả cầu pha lê

Tuy nhiên, Tycho vẫn là người bảo thủ Ông miễn cưỡng đặt Trái Đất vào chuyển động Là một lựa chọn khác cho vũ trụ Copernicus với tất cả các hành tinh quay tròn xung quanh Mặt Trời ở chính giữa, Tycho có hệ thống thế giới riêng của ông Trong thế giới đó, các hành tinh khác quay xung quanh Mặt Trời, còn Mặt Trời quay xung quanh Trái Đất tĩnh tại ở trung tâm

Từ những quan sát của ông về sao mới xuất hiện năm 1572 và sao chổi năm

1577, Tycho bị thuyết phục bởi sự lừa dối của hệ thống Ptolemy Trong hệ thống của Tycho, Trái Đất tuyệt đối đứng yên, nên chuyển động hàng ngày của các ngôi sao cố định được gán cho là sự quay thường nhật của quả cầu ngoài cùng nhất, như trong hệ thống Ptolemy (Một hệ hành tinh tương tự đã được đề xuất thời cổ xưa bởi Heraklides (khoảng 388-310 tCN), tuy nhiên, ông đã gán cho Trái Đất một chuyển động quay quanh trục hàng ngày)

Trang bìa cuốn Đối thoại

về hai hệ thống thế giới chủ yếu của Galileo xuất bản ở Florence, tháng 2/1632.

Từ quan điểm chuyển động hành tinh biểu kiến khi nhìn từ Trái Đất, hệ thống này không thể phân biệt được bằng quan trắc với mô hình Copernicus, nhưng vẫn giữ lại sự bất động của Trái Đất Niềm tin về Trái Đất bất động đã theo Tycho cho đến cuối đời ông Lí do chủ yếu là ông đã không thể phát hiện ra thị sai hàng năm của các sao cố định mà mô hình Copernicus tiên đoán, bất chấp độ chính xác chưa từng có của những quan sát thực hiện với những thiết bị khổng lồ của ông tại Uraniborg Tycho có thể đo thị sai xuống tới hai phút cung (1/30 độ) Việc không nhìn thấy thị sai đối với các sao cố định ngụ ý rằng chúng phải ở xa hơn Thổ tinh hàng trăm lần, hành tinh ở ngoài cùng được biết vào lúc ấy

Mô hình hành tinh, do Tycho Brahe nghĩ ra khoảng năm 1583, 40 năm sau cuốn sách của Copernicus, là một nỗ lực không có sức thuyết phục nhằm lại đưa thuyết địa tâm vào hệ hành tinh

Copernicus

Hình trên vẽ lại từ cuốn Helenographia của Hevelius Trước khi Tycho qua đời, ông đã tiến cử Johannes Kepler là nhà toán học hoàng gia cho Rudolph II, hoàng đế của đế chế La Mã Thiên chúa giáo Số liệu của Tycho mang lại cơ sở cho nghiên cứu của Kepler

Tycho Brahe (1546-1601)

Sinh ra trong dòng dõi quý tộc Đan Mạch, Tycho du ngoạn cùng với một vị thầy dạy đến các trường đại học châu Âu và trở nên bị cuốn hút vào thiên văn học Ông nhận thấy ông cần nhiều thiết bị chính xác hơn và nhiều quan sát hơn nữa để hiệu chỉnh các lí thuyết không đúng Sau cái chết của cha ông, Tycho thừa hưởng một gia sản đủ để xây dựng một số thiết bị

và tiếp tục niềm say mê của ông với thiên văn học Ông tiếp tục trở thành nhà quan sát thiên văn nổi tiếng của thế kỉ thứ

16

Tycho trở nên nổi tiếng với việc quan sát một ngôi sao mới (sao siêu mới) vào năm 1572 Nhà vua Đan Mạch đã cấp cho Tycho hòn đảo Hveen, kể cả chi phí và nhân công làm việc trên đảo Tycho xây dựng một đài quan sát và bắt đầu tích lũy những quan sát mới có độ chính xác chưa từng có Từ những

số liệu này, Johannes Kepler sau này đã xác định được rằng quỹ đạo hành tinh hình elip, chứ không phải hình tròn

Cựu hoàng đế qua đời và Tycho bị thất sủng bởi vị hoàng đế mới Ông rời khỏi Hveen năm 1597 cùng với hai tá người trong nhà và các thiết bị của ông Tycho chu du khắp châu Âu hơn 2 năm trời trước khi dừng lại ở Prague, dưới sự bảo trợ rộng lượng của hoàng đế Rudolph II của Đế chế La Mã Thiên chúa giáo Tycho sớm qua đời ở đó

Johannes Kepler (1571-1630)

Sinh ra trong một gia đình thường dân

và nghèo xơ xác, Kepler vào học trường đại

học Tübingen (nay thuộc Đức) theo một học

bổng, nghiên cứu toán học và thiên văn học

Ông tiếp tục vào trường thần học, ý định trở

thành một giáo sĩ Cơ đốc Ông sớm được mời

rời khỏi đó và dạy toán ở một trường học tại

Graz (nay thuộc Áo)

Tại đấy ông đã tưởng tượng ra mô hình thế giới viễn vông của mình dựa trên

cơ sở học thuyết Platon Lí thuyết đó sai lầm, nhưng nó đã mang danh tiếng đến cho Kepler Sau khi Tycho Brahe dời từ Đan Mạch đến Prague, Kepler đến thăm ông ở

đó Kepler nhận thấy giá trị của những quan sát đồ sộ của Tycho chính xác hơn bất

kì quan sát nào trước đấy Ông thừa hưởng cả số liệu của Tycho và thiện chí của hoàng đế sau cái chết của Tycho năm 1601 Nghiên cứu số liệu, Kepler nhận ra cái sau này trở nên nổi tiếng là ba định luật mang tên ông, cũng với nhiều quy tắc khác, một số đúng đắn và một số khác nay đã lãng quên

Kepler tin rằng Thượng đế và Tạo hóa đã sáng tạo ra một thế giới có trật tự

và điều hòa Kepler thẳng thắn bênh vực cho hệ nhật tâm Copernicus cả vì sự tiện lợi về mặt kĩ thuật của nó, như nó có khả năng loại bớt một số rắc rối của hệ thống Ptolemy, và trên cơ sở triết học, gồm một nhân dạng tượng trưng của Mặt Trời với Thượng đế tại trung tâm của tất cả

Cuộc đời thăng trầm của Kepler đã bị ô nhục vào lúc cuối, bởi, trong số nhiều thứ khác, mẹ ông thử nghiệm làm ma thuật, và sự di cư liên tục và sự ổn định

về mặt kinh tế dưới tình trạng căng thẳng của chiến tranh và các chuyển biến chính trị

Mô hình vũ trụ của Kepler với quả cầu của Thổ tinh ở ngoài cùng, cho thấy mức độ mà khoảng

cách có thể xác định bằng các quy luật hình học

Niềm tin vào chuyển động tròn đều là một mặt căn bản của thiên văn học phương Tây trong hai thiên niên kỉ Niềm tin này bị phá vỡ vào đầu thế kỉ 17 Kepler, sử dụng số liệu quan trắc của Tycho, chỉ ra rằng Trái Đất và tất cả những hành tinh khác đều quay xung quanh Mặt Trời theo những quỹ đạo hình elip Đây là định luật thứ nhất trong ba định luật Kepler Nó được công bố năm 1609 trong cuốn sách của Kepler về nền thiên văn học mới của ông, Astronomia nova

Các định luật Kepler tìm thấy cho chuyển động của các hành tinh sử dụng tương tự cho quỹ đạo của Trái Đất Ông đã loại bỏ sự phân biệt cổ xưa giữa nền vật

lí của quả cầu đất của chúng ta bên dưới Mặt Trăng và nền vật lí thiêng liêng của một vương quốc cao hơn

Ba định luật Kepler

Mô hình hệ Mặt Trời của Tycho

Định luật thứ nhất và là định luật mang tính cách mạng nhất của Kepler là các hành tinh chuyển động theo những quỹ đạo elip đơn giản, chứ không phải một số sự kết hợp của những vòng tròn trịa như mọi người trước ông vẫn nghĩ

Định luật thứ hai của ông là định luật diện tích bằng nhau, như thế này:

Một hành tinh chuyển động nhanh nhất trên quỹ đạo elip của nó khi nó ở vị trí A, gần tiêu điểm S của elip nhất, là nơi của Mặt Trời Tốc độ quỹ đạo của hành tinh biến thiên sao cho trong những khoảng thời gian bằng nhau, nó đi được khoảng cách AB, BC, CD, và vân vân, sao cho vùng quét bởi đường nối nó và Mặt Trời luôn luôn có diện tích bằng nhau Định luật Kepler thứ ba phát biểu rằng bình phương chu kì thiên văn (thời gian cần thiết

để hoàn thành một vòng quay xung quanh các ngôi sao) của hành tinh tỉ lệ với lập phương bán trục lớn quỹ đạo của nó.

Nền vật lí Aristotle không còn hoạt động trong vũ trụ của Copernicus và Kepler Một lời giải thích cho câu hỏi làm sao mà các hành tinh tiếp tục quay trở lại cùng đường đi cũ mãi mãi xung quanh Mặt Trời vẫn là một bài toán lớn của thiên văn học mãi cho đến khi Isaac Newton giải thích cách các vật chuyển động dưới sự hấp dẫn Ông đạt tới điều này bằng cách chỉ ra cách thức các chuyển động trên bầu trời tuân theo cùng các quy luật xác định chuyển động của các vật trên Trái Đất Điều này dẫn đường tới việc hiểu cái không ngừng được nhìn nhận là vũ trụ cơ giới

Chương 3

VŨ TRỤ CƠ GIỚI

Isaac Newton (1642-1727)

Cha của ông qua đời trước khi ông chào

đời và mẹ ông tái giá khi chưa đầy ba năm sau

đó, để Newton lại cho bà ngoại chăm sóc

Những năm tháng khó khăn thuở đầu có lẽ đã

góp phần cho sự khó tính của ông khi trưởng

thành Ông tốt nghiệp trường Trinity College,

Cambridge, và phục vụ ở đó với tư cách là giáo

sư Lucasian Sau đó, Newton chuyển đến

London và làm chủ tịch Hội Hoàng gia Những

thành tựu trí tuệ xuất sắc nhất của Newton gồm

sự sáng tạo ra phép tính giải tích, phát minh ra

kính thiên văn phản xạ, phát triển lí thuyết hạt

ánh sáng, và phát triển các nguyên lí hấp dẫn và chuyển động trên Trái Đất và chuyển động thiên thể “Thế giới quan Newton” không chỉ thâm nhập sự hiểu biết thế giới vật lí, mà còn thâm nhập những lĩnh vực trí tuệ như chính trị và kinh tế học – trong đó ngày nay người ta tìm kiếm những quy luật đơn giản và phổ quát thuộc loại mà Newton đã chứng minh trong vật lí và thiên văn học

“Cho đến nay tôi không thể phát hiện ra nguyên nhân của những tính chất

đó của hấp dẫn từ các hiện tượng, và tôi không điều chỉnh giả thuyết… Và đối với chúng ta, thế là đủ cho hấp dẫn thật sự tồn tại, và tác dụng theo những quy luật mà tôi đã giải thích, và là nguyên nhân cho mọi chuyển động của các thiên thể, và của biển cả của chúng ta”

Giả thuyết cổ xưa cho rằng các sao cố định ở một vị trí không phải là một vấn đề gì nghiêm trọng mãi cho đến năm 1718, khi nhà thiên văn người Anh Edmond Halley công bố một khám phá đáng chú ý Ba ngôi sao sáng đã không còn

ở vị trí xác định bởi những quan sát cổ xưa Các ngôi sao tự do di chuyển như mọi đối tượng vật chất bình thường khác

Vũ trụ học Newton và tôn giáo

Isaac Newton bị thuyết phục rằng những khám phá của ông chứng minh cho phép lạ của Chúa Sự sáng tạo ngăn nắp của hệ Mặt Trời cho thấy trí tuệ và sức mạnh của Chúa, và con đường mà các hành tinh đi theo trong quỹ đạo của chúng, bất chấp sự nhiễu loạn do sức hấp dẫn của những hành tinh khác, biểu hiện sự can thiệp liên tục của Ngài Nhưng sự chuyển biến nhận thức theo sau vũ trụ học Newton, nhất là ý niệm về một vũ trụ cơ giới, giống như một chiếc đồng hồ, đã báo trước mối liên hệ lịch sử giữa vũ trụ học và tôn giáo trong hệ tư tưởng phương Tây

Ngôi nhà nơi Newton trưởng thành Các giáo sĩ thời Trung cổ nghiên cứu ánh sáng và cầu vồng là những biểu hiện của sự soi sáng thần thánh Newton cũng cảm nhận một cái gì đó siêu nhiên nơi ánh sáng Nhưng khi ông thử giải thích màu sắc dưới dạng các hạt cơ tính, ông đã đi đến một quan điểm khác về vũ trụ Nhà triết học người Đức Leibniz và các nhà phê bình khác chỉ trích rằng thế giới quan Newton đã góp phần dẫn đến sự suy tàn của tôn giáo tự nhiên ở nước Anh Ý tưởng cho rằng Chúa thỉnh thoảng can thiệp vào vũ trụ, rất giống với một thợ chế tạo đồng hồ kém lành nghề phải thỉnh thoảng quấn lại và sửa chữa sản phẩm của mình, đặt ra nghi vấn về

sự hoàn thiện của Chúa Những người ủng hộ Newton thì chấp nhận rằng Chúa phải can thiệp vào vũ trụ, nhưng chỉ vì sự can thiệp là một phần của kế hoạch thần thánh

Niềm tin thế kỉ thứ 18 về tính có trật tự của vũ trụ có tính quyết định đến sự ngăn nắp của các nghiên cứu thần học, triết học, và khoa học quan trọng William Whiston, người kế tục Newton tại trường đại học Cambridge năm 1703, biện hộ rằng vũ trụ, với sự đối xứng tuyệt vời của nó, với những chuyển động đều, và các quy luật có thể nhận thức được, chắc chắn là công trình của đấng Tạo hóa ngay cả khi loài người không tìm hiểu được tất cả các nguyên lí chi phối vũ trụ

Không có kính thiên văn cỡ lớn và những quan sát có tính khám phá về những ngôi sao ở

xa, các nghiên cứu triết học và thần học thống trị trong vũ trụ học thế kỉ 18 Tình huống này bắt đầu biến chuyển sau khi nhà thiên văn học người Anh William Herschel đề ra một

mô hình vũ trụ học có nguồn gốc từ quan trắc Từ những năm 1780 trở đi, bầu trời, thâm nhập bởi những chiếc kính thiên văn cỡ lớn của Herschel, liên tục được hiểu rõ dưới dạng một cấu trúc ba chiều có thể mở rộng dần

Nhu cầu cần thiết cho sự can thiệp thần thánh cũng giảm đi khi các nhà thiên văn trong thế

kỉ 18 giải được các bài toán cơ học thiên thể Năm 1786, chẳng hạn, nhà toán học và nhà thiên văn học người Pháp Pierre-Simon Laplace chứng minh được rằng tương tác hấp dẫn của Mộc tinh và Thổ tinh tự hiệu chỉnh được Những nỗ lực như thế này là một cố gắng nhằm thay thế giả thuyết về vai trò của Chúa bằng một lí thuyết vật lí thuần túy để giải thích trật tự quan sát thấy của vũ trụ

Nỗ lực của Laplace nhằm thay thế giả thuyết về vai trò của Chúa bằng một lí thuyết vật lí thuần túy để giải thích trật tự quan sát thấy của vũ trụ phản ánh cách tiếp cận tự nhiên theo chủ nghĩa vô thần của những nhà khai sáng Pháp Laplace đã thành công, ít nhất là theo ý kiến của riêng ông Theo truyền thuyết, khi Napoleon hỏi ông rằng ông có dành chỗ nào cho Đấng sáng tạo không, Laplace trả lời rằng ông không cần một giả thuyết như thế

Sự tách rời Chúa khỏi vũ trụ vật lí là điều không thể tránh khỏi với sự phát triển của vũ trụ học hiện đại, cho dù Newton và những người khác có bị thuyết phục bao nhiêu rằng những khám phá của họ minh họa cho sự hiện diện và sức mạnh của Chúa Thay vì vậy, nhiều

người xem khoa học là một đối thủ của tôn giáo, xem đó là cảm hứng, xu hướng và tiêu chuẩn của sự thật.

Edmond Halley (1656 – 1743)

Edmond Halley (đôi khi còn gọi là “Edmund”) học tại trường đại học Oxford, nhưng ra trường trước khi tốt nghiệp, để quan sát sao trong vòng một năm ở bán cầu nam Sau khi trở lại Anh, Halley hoạt động trong Hội Hoàng gia London Ở đó, ông đã giúp ông bạn Isaac Newton của mình nghiên cứu về hấp dẫn và viết cuốn Principia (Nguyên lí), và còn chi tiền xuất bản cuốn sách đó Halley nổi tiếng có khiếu phân tích quỹ đạo sao chổi, ông chỉ ra quỹ đạo của chúng có hình elip và tuần hoàn Sao chổi Halley đã quay lại, như ông tiên đoán, năm 1758, 15 năm sau khi ông qua đời (Sao chổi đó xuất hiện lần cuối vào năm 1986, và lần xuất hiện kế tiếp

sẽ là năm 2061) Khám phá của Halley về chuyển động sao, ít được biết tới hơn sao chổi của ông, cũng là một thành tựu Các ngôi sao không còn được ai tin là cố định nữa, dù là trên quả cầu ngoài cùng hoặc trong không gian Lúc vào tuổi 63, Halley được bổ nhiệm là nhà thiên văn hoàng gia, ông giữ vị trí đó cho tới khi qua đời.

Giải thích trật tự vũ trụ

Newton xem chuyển động của các sao và hành tinh là những bài toán trong

cơ học, chi phối bởi cùng các quy luật chi phối chuyển động trên Trái Đất Ông mô

tả lực hấp dẫn bằng toán học

Mặt khác, nhà triết học người Pháp René Descartes lại đề xuất một mô hình phi toán học Ông cho rằng vũ trụ gồm những xoáy khổng lồ của vật chất vũ trụ Hệ Mặt Trời của chúng ta sẽ chỉ là một trong số nhiều xoáy như thế Descartes chính thức cấm nghiên cứu khoa học “che lấp” hiện tượng, hoặc làm ẩn đi sự cảm nhận Ông cho vật chất trên trời chuyển động tròn xung quanh Trái Đất, đẩy tất cả vật chất địa cầu về phía Trái Đất Những học trò của Descartes ngờ vực sự lựa chọn của Newton, một lực hấp dẫn bí ẩn tác dụng xuyên khoảng cách

Hình vẽ xoáy của Descartes trong cuốn sách Nguyên lí triết học năm 1644 của ông.

Vũ trụ học cơ giới, máy móc của Descartes được chấp nhận cao trong quan niệm của thế giới thế kỉ 17 nói chung như là một cỗ máy Mặc dù giải thích của ông

là sự mô tả lại định lượng của các hiện tượng bằng thuật ngữ cơ giới Trong các lớp học thế kỉ 18, lí thuyết xoáy tỏ ra không thể tính toán những chuyển động hành tinh quan sát được Trong khi đó, học thuyết Newton đối thủ lại tiến bộ từ thành công định lượng chính xác này đến thành công khác

Hệ Mặt Trời có nhiều thiên thể, và việc tính toán quỹ đạo của bất kì hành tinh hoặc vệ tinh nào cũng không đơn giản là bài toán về sức hút hấp dẫn của nó lên những vật thể xung quanh quỹ đạo của nó Ngoài ra, những vật thể khác có ảnh hưởng nhỏ hơn, nhưng không phải không đáng kể (gọi là “nhiễu loạn”) Ví dụ, Mặt Trời làm thay đổi chuyển động của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất, và Mộc tinh và Thổ tinh làm biến đổi chuyển động của từng hành tinh khác xung quanh Mặt Trời Nhà toán học người Thụy Sĩ Leonard Euler đã giúp phát triển những kĩ thuật toán học cần thiết cho tính toán những hiệu ứng nhiễu loạn Ban đầu, ông áp dụng chúng cho Mặt Trăng, và rồi năm 1748, áp dụng cho Mộc tinh và Thổ tinh,

với sự thành công một phần

Vẫn không giải thích được là những bất thường to

lớn trong chuyển động của Mộc tinh và Thổ tinh, và sự

gia tốc của tốc độ quỹ đạo của Mặt Trăng xung quanh

Trái Đất Nhà thiên văn, toán học người Pháp

Pierre-Simon Laplace đã giải quyết những vấn đề này vào năm

1785 và 1787 Trong cuốn sách của ông, Mécanique Céleste,

xuất bản thành năm tập từ năm 1799 đến 1805, Laplace

đã tổng kết những nghiên cứu của ông về cơ học thiên

thể Trong đó, ông đề xuất rằng mọi hiện tượng vật lí

trong vũ trụ có thể đơn giản thành một hệ nhiều hạt tác

dụng lực hút và lực đẩy lẫn nhau

“Tôi muốn thiết lập rằng các hiện tượng của tự nhiên đơn giản hóa thành phép phân tích cuối cùng cho sự tác dụng xuyên khoảng cách từ phân tử lên phân tử và xem những tác dụng này phải đóng vai trò cơ sở cho lí thuyết toán học của những hiện tượng này”

Pierre-Simon Laplace Tác phẩm của Laplace không chỉ dành cho các nhà khoa học Cuốn sách năm

1796 của ông, Exposition du Système du Monde, tóm tắt dành cho mọi người có mặt bằng hiểu biết chung về thiên văn học và vũ trụ học cuối thế kỉ 18 Trong cuốn sách

đó, Laplace đã tiến tới một ý tưởng nổi tiếng là “giả thuyết tinh vân” Ông đề xuất rằng hệ Mặt Trời của chúng ta, và thật ra là tất cả các ngôi sao, đều hình thành tự sự lạnh đi và hóa đặc của một “tinh vân” (một đám hạt khí) nóng quay tròn khối lượng rất lớn Giả thuyết tinh vân ảnh hưởng mạnh mẽ lên các nhà khoa học trong thế kỉ

19, khi họ cố gắng xác nhận hoặc thách thức nó Cơ sở của ý tưởng vẫn là trung tâm của kiến thức của chúng ta ngày nay về sự hình thành hệ Mặt Trời

Các tác giả thuộc thời kì lãng mạn vào đầu thế kỉ 19 – ví dụ như William Wordsworth ở Anh và Friedrich Schelling ở Đức – quay trở lại chống đối vũ trụ học Newton Bị thuyết phục rằng trật tự vũ trụ là nằm ngoài sự giải thích của khoa học,

họ thổi hơi thở cuộc sống thần thánh trở lại cái dường như là một vũ trụ vô thần đã

bị cơ giới hóa quá mức

Nhà triết học người Đức Immanuel Kant biện hộ phản bác các nhà lãng mạn, khăng khăng rằng siêu hình học không thể mang lại một lời giải thích cho nền tảng của tự nhiên vật chất, hữu hình và rằng vấn đề sự tồn tại của Chúa hoàn toàn bị tách khỏi kinh nghiệm cảm giác trực tiếp Đối với ông, hệ Mặt Trời Newton mang lại một mô hình cho hệ thống sao rộng lớn hơn Kant giải thích rằng cùng nguyên nhân đem lại cho các hành tinh lực li tâm của chúng, giữ chúng trong quỹ đạo xung quanh Mặt Trời, cũng có thể đem lại cho các sao sức mạnh quay tròn Và bất cứ thứ

gì làm cho mọi hành tinh chuyển động trên quỹ đạo đại thể là trên một mặt phẳng đều có thể thực hiện điều tương tự đối với các sao Theo Kant, những vật thể xuất hiện mờ đục trên bầu trời trở thành những hòn đảo vũ trụ, giống như những hệ Mặt Trời khổng lồ

Tư tưởng của Kant về vũ trụ ít mang nội dung quan sát Cơ sở của giả thuyết

vũ trụ học của ông là triết học và thần học Sự quan sát lần đầu tiên đi vào vũ trụ học như một phương pháp chủ yếu là vào cuối thế kỉ 18, nhờ nhà thiên văn học nghiệp dư người Anh, William Herschel

William Herschel và sự xây dựng cấu trúc của bầu trời

Hệ Mặt Trời theo lí thuyết Newton mang lại một mô hình cho hệ thống sao rộng lớn hơn Sự sắp xếp của các sao có lẽ cũng tương tự như sự sắp xếp của các hành tinh Hơn nữa, hệ thống Newton mang lại một sự giải thích vật lí tương tự cho một cấu trúc dạng đĩa Cùng một nguyên nhân đã mang lại cho các hành tinh sự chuyển động của chúng và hướng chúng vào quỹ đạo của chúng trong một mặt phẳng có thể cũng mang lại sức mạnh quay tròn cho các sao và mang quỹ đạo của chúng vào một mặt phẳng

Vào cuối thế kỉ 18, quan sát

cuối cùng đã đi vào vũ trụ học các sao

theo con đường chính, bằng đóng góp

cá nhân của nhà thiên văn học nghiệp

dư William Herschel Những khám phá

của ông thực hiện được bằng kính

thiên văn cỡ lớn do ông tự chế tạo

Từ những quan sát của ông,

William Herschel báo cáo năm 1784:

“Một tình huống rất đáng chú ý có mặt

trong tinh vân và các cụm sao là chúng

sắp xếp thành tầng, chúng có vẻ chạy

đến một khoảng cách lớn; và một số

trong chúng tôi có thể theo dõi được,

cho nên có thể dự đoán khá tốt hình thể

và hướng của chúng Chúng có thể bao

quanh toàn bộ quả cầu trong suốt của

bầu trời, chứ không giống như dải

ngân hà – chắc chắn không là gì ngoài

một tầng sao cố định” Hình vẽ bên

Nhìn từ phía Trái Đất (tại chính giữa) về phía chúng ta, một tầng dày đặc các sao trở thành dải sao của ngân hà Còn nhìn từ phía chúng ta vào, dải ngân hà bị phân tách do phân chia sự phân bố

của các sao

cạnh lấy từ bài báo năm 1784 của Herschel về cấu trúc

của bầu trời, cho thấy một nhà quan sát đứng tại tâm

của một tầng sao mỏng sẽ nhìn thấy các sao xung quanh

được chiếu như thế nào lên một vòng cầu vây quanh

Nếu như tầng sao tách ra, sẽ không có vòng chiếu đó

Kính thiên văn của Herschel, đạt tới đỉnh điểm

vào năm 1789 với một chiều cao quái vật nguy hiểm lên

tới 40 feet, là một trong những kì quan của thế giới

Những thiết bị mạnh mẽ này không chỉ phát hiện thêm

nhiều vệ tinh xung quanh các hành tinh và phân giải

một số tinh vân có vẻ mờ mịt trong các cụm sao, mà

còn cho phép Herschel vươn ra xa hơn trong không gian

so với bất cứ người nào trước đó, và bắt đầu phác thảo

ra cấu trúc của thiên hà của chúng ta

Herschel đã quan sát các sao có vẻ nằm giữa hai

mặt phẳng song song và tiếp tục tiến đến những khoảng

cách lớn Ông kết luận rằng Dải Ngân hà (một dải sáng bao quanh bầu trời) là biểu hiện của sự chiếu các sao lên tầng trời

“Chúng ta sẽ nhìn lên những vùng đó mà nay chúng ta có thể thâm nhập bằng phương tiện kính thiên văn cỡ lớn, như một nhà tự nhiên học chăm chú với một khu vực đất đai màu mỡ hoặc một dãy núi non, gồm các tầng nghiêng và hướng đi khác nhau, cũng như gồm vật chất rất khác nhau”

Herschel Trong bài báo năm 1785 của ông “Về cấu trúc của bầu trời”, Herschel viết rằng Dải Ngân hà của chúng ta là một khối đa hợp, nhiều nhánh, rất rộng của nhiều triệu ngôi sao Hình vẽ của Herschel cho thấy một mặt cắt ngang qua của Dải Ngân

hà, tức thiên hà của chúng ta, như xác định từ những quan sát của ông

Herschel nêu ra cách xác định vị trí của hệ Mặt Trời trong tầng sao bằng cách “ ‘bịt miệng’ bầu trời”, nghĩa là đếm số lượng sao theo những hướng khác nhau Con số này, Herschel biện luận, giả sử các sao bằng nhau về độ sáng và bị phân tán như nhau, sẽ tỉ lệ với khoảng cách đến rìa của thiên hà của chúng ta theo từng hướng nhất định Mặc dù hợp lí, nhưng phương pháp của ông đã thất bại trong thời kì đó để thu được hình ảnh thật sự của Dải Ngân hà, vì kính thiên văn của ông không có khả năng phát hiện ra những ngôi sao bình thường tại vùng rìa xa nhất của thiên hà của chúng ta Hơn nữa, như chính Herschel công nhận, không có lí do gì để giả sử các sao bằng nhau về độ sáng và bị phân tán như nhau

Ảnh chụp Dải Ngân hà xuất hiện dưới mắt trần trên bầu trời trong nhìn từ các thành phố.

Trong thế kỉ 19, vũ trụ học có tính suy đoán của Herschel đã thất bại trong việc thu hút môn đồ Các nhà thiên văn chuyên nghiệp không thể chấp nhận điều giả

sử của ông rằng các sao bằng nhau về độ sáng, mặc dù nó là cần thiết với vai trò là một yêu cầu thích hợp để ước tính khoảng cách của các ngôi sao

Những kĩ thuật quan sát mới đáng chú ý, kĩ thuật chụp ảnh và quang phổ học, đã thực sự chú tâm đến những nghi vấn mang tính vũ trụ học, nhưng không dứt khoát Năm 1835, nhà triết học lỗi lực người Pháp, Auguste Comte, nhận xét rằng loài người sẽ không bao giờ hiểu được thành phần hóa học của các sao Ông sớm tỏ

ra sai lầm, vì quang phổ học và kĩ thuật nhiếp ảnh đã giúp mang lại một cuộc cách mạng trong sự hiểu biết của con người về vũ trụ Lần đầu tiên các nhà khoa học có thể nghiên cứu xem vũ trụ cấu tạo từ cái gì Đây là một bước ngoặt chủ yếu trong sự phát triển của vũ trụ học, vì các nhà thiên văn có thể ghi nhận và dẫn chứng khá tốt không chỉ vị trí các sao mà còn biết chúng là gì nữa Các nhà thiên văn nghiệp dư – những người chuyên nghiệp được định nghĩa là những người tham dự vào những dự

án nghiên cứu rạch ròi như lập bản đồ sao chẳng hạn – đã chụp các bức ảnh cho thấy một số tinh vân được cấu thành từ nhiều ngôi sao Nhưng các tinh vân khác vẫn cứ ngoan cố mờ đục Và không ai có thể chỉ ra rạch ròi những biến đổi trong tinh vân theo thời gian

Quang phổ học đã đưa ra một sự hứa hẹn của việc phân biệt giữa các tinh vân cấu thành từ nhiều ngôi sao và các tinh vân cấu thành từ những chất khí nóng sáng, và cũng xác định xem tinh vân có đang quay tròn hay không Thật vậy, chính bản thân vũ trụ học đã là một nỗ lực khoa học Những tiến bộ trong vũ trụ học thế kỉ

19 là đáng kể, nhưng chỉ trong thế kỉ 20 thì vũ trụ học mới chuyển từ sự suy đoán, dựa trên rất ít bằng chứng quan sát và rất nhiều tiên đoán triết học, sang một nền khoa học quan trắc nghiêm túc

Sang đầu thế kỉ 20, thế giới quan do Herschel đi tiên phong đã khác biệt rất lớn với thế giới quan của Aristotle, hoặc thậm chí cả Copernicus Loài người không nhất thiết phải ở tại hoặc ở rất gần trung tâm của vũ trụ Dải Ngân hà bây giờ được hiểu là một hiệu ứng quang học, với hệ Mặt Trời của chúng ta chìm ngập trong một tầng sao rộng lớn hơn nhiều, một hệ thống sao có dạng hơi giống một cái đĩa Có thể là những vũ trụ cô lập khác phân tán qua một không gian có khả năng là vô hạn

Sự thay đổi nhận thức về vũ trụ học chứng tỏ sự thay đổi các quan điểm xã hội Bây giờ thì con người trần tục chúng ta chỉ là một trong nhiều dân cư có trí thông minh khả dĩ tồn tại của một vũ trụ có khả năng là vô tận, có ít lí do hơn để tin rằng chúng ta được tạo ra là giống loài tốt nhất của mọi thế giới, và có lẽ cũng thông cảm hơn cho những sự bất bình đẳng trong hệ thống cấp bậc đã được thiết lập

William Herschel (1738-1822)

William Herschel rời nước Đức và vai trò của ông trong trung đoàn Cận vệ Hanover sau một cuộc chạm trán tàn khốc với quân đội Pháp Ông và người anh trai của mình đến London với không một xu trong túi Âm nhạc đã hướng hứng thú của Herschel đến với họa âm, rồi toán học, và cuối cùng là thiên văn học Khi thú riêng của ông trở nên mãnh liệt hơn, Herschel đã cắt bớt một số học trò học nhạc để ông có thể dành nhiều thời gian hơn cho quan sát Ông cũng chế tạo ra kính thiên văn riêng của mình

Vào đêm 13 tháng 3 năm 1781, Herschel lần đầu tiên quan sát được Thiên vương tinh Đó là một khám phá gây xúc động mạnh mẽ - hành tinh mới đầu tiên thêm vào những

hành tinh đã được biết từ thời cổ đại Tiếng tăm của ông mang lại cho ông tiền trợ cấp từ phía hoàng gia, cho phép Herschel từ đó về sau dành trọn thời gian của ông cho thiên văn học

Sau đó, Herschel cãi nhau với hoàng đến Georges III về nguồn quỹ tăng thêm mà ông yêu cầu cho chiếc kính thiên văn 40 foot của mình Có lẽ vì lí do này mà chỉ khi hoàng

đế Georges băng hà và con trai William của ông lên nhiếp chính thì Herschel mới được phong tước, vào năm 1816

William Herschel đang cầm trong tay bản ghi chép về sự phát hiện ra Thiên vương tinh, nhưng lúc ấy gọi là

“hành tinh Georgian”, đặt theo tên vua nước Anh

Người con trai độc nhất của Herschel, John Frederick William Herschel (1792-1871) , đã trợ giúp người cha ốm yếu của mình trong những quan sát của ông Ông trở thành một nhà thiên văn quan trọng, được tán dương là một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất của thời ông

Caroline Herschel (1750-1848) , người em gái Caroline của William Herschel di cư sang Anh năm 1772 và làm việc theo sự chỉ dẫn của Herschel Bà là một phụ tá vô giá trong quan sát của ông, giúp ông xây dựng kính thiên văn của mình và lau bóng các tấm gương, và thức trắng nhiều đêm ghi lại các quan sát của ông Chính bà là một nhà thiên văn học ưu tú Bà tham gia tính toán cùng với ông, và phát hiện ra tám sao chổi với chiếc kính thiên văn nhỏ của riêng bà Sau khi William qua đời, bà đã biên tập một danh mục cụm sao và tinh vân mà họ đã quan sát được Hội Thiên văn học Hoàng gia đã tặng thưởng cho bà huy chương vàng và bà nhận tiền lương hưu 50 pound Mageret Herschel (người con gái nuôi của William Herschel) đã viết như thế này:

“Bà đã học đủ kiến thức toán và các phương pháp tính toán… để có thể biên dịch khi viết lại những kết quả nghiên cứu của ông Bà trở thành phụ tá của ông trong phòng thí nghiệm; bà giúp ông mài và lau bóng những chiếc gương của ông; bà đã đứng sau chiếc kính thiên văn của ông hàng đêm khuya mùa đông, để viết lại những quan sát của ông, khi

mà mực viết đang đông lại ở trong lọ”.

Chương 4

VŨ TRỤ CÔ LẬP

Vào đầu thế kỉ 20, các nhà thiên văn không biết chắc chắc kích thước thiên

hà của chúng ta Nói chung, họ tin nó không lớn hơn nhiều so với vài chục ngàn năm ánh sáng, và có lẽ còn kém hơn nhiều (Một năm ánh sáng, gần 6 nghìn tỉ dặm,

là khoảng cách truyền đi trong một năm ở tốc độ ánh sáng trong chân không) Các nhà quan sát đầu thế kỉ 20 cũng thấy hình như hệ Mặt Trời của chúng ta nằm ở gần tâm của thiên hà Tuy nhiên, đó là một nhận định sai lầm

“Tôi tin rằng khối lượng to lớn của các sao… được sắp xếp dưới dạng một thấu kính – hoặc một hệ hình búi tóc… bị dẹt đáng kể vào một mặt phẳng… Mặt Trời chiếm vị trí đúng ngay chính giữa”

Nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington, 1914 Sai lầm của các nhà thiên văn

Việc đếm số lượng sao tìm thấy một sự thiếu hụt sao theo mọi hướng tính từ

hệ Mặt Trời Điều này đúng như mong đợi nếu như chúng ta thật sự ở gần trung tâm dày đặc Nếu chúng ta ở gần rìa của hệ, thì sẽ có nhiều sao được quan sát theo hướng nhìn về phía trung tâm, và có ít sao hơn về phía rìa, nên lập luận là đúng Dữ liệu thì chính xác nhưng cách giải thích chúng thì sai lầm Các nhà thiên văn phải xem xét sự hấp thụ bởi khí và bụi giữa các sao Một loại sương mù giữa các sao đã làm lu mờ các sao, gây ra sự thiếu biểu kiến chứ không phải thật sự, và trong một kết luận sai lầm thì hệ Mặt Trời nằm ở gần tâm của thiên hà

Mô hình vũ trụ mới của Shapley

Cái nhìn như thế này về vũ trụ sớm bị thay thế bởi một quan niệm mang tính cách mạng mới, chủ yếu xây dựng trên những quan sát của nhà thiên văn học người

Mĩ Harlow Shapley tại Đài quan sát núi Wilson Nhà thiên văn và là chủ doanh nghiệp khoa học George Ellery Halle đã thiết lập một đài quan sát trên một đỉnh núi nhìn xuống Los Angeles vào năm 1904, và bốn năm sau đó, nhà chế tạo thiết bị George Ritchey đã hoàn thành chiếc kính thiên văn phản xạ 60 inch thiết kế đặc biệt dành cho chụp ảnh thiên văn học

George Ellery Hale (1868-1938)

Khi còn là một sinh viên tại Viện Công nghệ Massachusetts, Hale đã phát minh ra một thiết bị chụp ảnh sự bùng nổ chất khí tại rìa của Mặt Trời Trở lại quê nhà ở Chicago, ông tiếp tục nghiên cứu Mặt Trời, ban đầu tại đài quan sát ở nhà của ông và sau đó tại Đài quan sát Yerkes của trường đại học Chicago – nơi Hale được công nhận là một thành viên nhận trợ cấp vào năm 1897 Kính thiên văn khúc xạ 40 inch Yerkes (kính thiên văn trong

đó ánh sáng truyền qua một thấu kính) là chiếc kính thiên văn khúc xạ thành công lớn nhất thuộc loại này từng được chế tạo

Cha của Hale chi tiền làm một chiếc gương đường kính 60 inch cho một kính thiên văn phản xạ còn lớn hơn nữa, nhưng Hale không thể thu được sự tài trợ địa phương để gắn chiếc gương đó Năm 1902, Andrew Carnegie, người có tài sản kếch sù nhờ sự chuyển biến của nền công nghiệp thép, thành lập Viện Carnegie để khuyến khích các khảo sát, nghiên cứu và khám phá theo phong cách hào phóng và rộng lượng nhất Carnegie chi 10 triệu đô

la cho tổ chức mới của ông Số tiền này (có giá trị gấp 10 lần số tiền tương ứng ngày nay)

lớn hơn tổng nguồn quỹ tài trợ dành cho nghiên cứu ở tất cả trường đại học Mĩ cộng lại Hale nhận được 150.000 đô la và hứa hẹn thêm 300.000 đô la nữa, và năm 1904, ông đã thành lập Đài quan sát Mặt Trời núi Wilson trên đỉnh núi Wilson phía trên Los Angeles Đầu năm đó, Hale đã kéo lê một chiếc kính thiên văn nhỏ và chở trên lưng hai chú lừa thồ lên đỉnh núi nhằm kiểm tra các điều kiện quan sát

Andrew Carnegie (trái)

và George Ellery Hale đứng trước chiếc kính thiên văn 60 inch của Đài quan sát núi Wilson.

Năm 1908, kính thiên văn 60 inch đi vào hoạt động Carnegie đến thăm núi Wilson năm

1910 và ấn tượng đến mức ông chuyển thêm 10 triệu đô la nữa với một thư khuyến cáo là cần đẩy mạnh công việc trên ngọn núi Hale cũng nhận được cam kết chi 45.000 đô la từ John Hooker, một doanh nhân địa phương, cho việc đổ khuôn và mài một chiếc đĩa thủy tinh 100 inch dành cho gương chính của kính thiên văn, và nó đã được đổ khuôn thành công Giá thành tổng cộng cúa “kính thiên văn Hooker”, hoàn thành năm 1917, lên tới trên nửa triệu đô la

Đài quan sát núi Wilson in trên danh thiếp

Nghiên cứu tại đài quan sát mới của Hale tập trung vào lĩnh vực mới “thiên văn vật lí” thay thế cho nền thiên văn học định vị truyền thống là đo vị trí của các sao mà bỏ qua tính chất vật lí của chúng Hale cũng thúc đẩy quan trọng các nghiên cứu thiên văn vật lí với Tập san Thiên văn vật lí mới của ông Nhưng đặc điểm chính của sự nghiệp của ông sau khi rời Yerkes là sự gắn bó chặt chẽ với câu chuyện tái sinh kính thiên văn phản xạ.

Dấu hiệu đầu tiên của một cách hiểu xét lại một cách mạnh mẽ về thiên hà của chúng ta đến vào năm 1916 Nghiên cứu một “cụm sao hình cầu” – một nhóm gồm hàng trăm ngàn ngôi sao – Shapley chú ý tới những ngôi sao mờ nhạt màu lam Nếu chúng tương tự với những ngôi sao màu lam sáng chói ở gần Mặt Trời, thì chúng phải ở xa khoảng 50.000 năm ánh sáng để giải thích vì sao trông chúng quá

mờ nhạt Họ tiến tới thiết lập khoảng cách chắc chắn hơn bằng một phương pháp đo

vũ trụ mới và tài tình

Shapley xây dựng một cách hiểu mới về vũ trụ bằng cách đo khoảng cách tới những ngôi sao dựa trên tính chất của một loại sao biến quang gọi là “Cepheid” (đặt theo tên chòm sao Cepheus, trong đó một ngôi sao điển hình như thế lần đầu tiên được chú ý đến) Chúng là những ngôi sao khổng lồ, nên có thể nhìn thấy từ khoảng cách lớn Mỗi sao Cepheid biến đổi độ sáng theo thời gian

M22, một cụm hình cầu gồm nhiều ngàn ngôi sao Bằng cách giả sử những loại sao nhất định ở đây sáng tương tự như những ngôi sao ở gần mà khoảng cách có thể đo được, Shapley có thể ước

tính được khoảng cách tới những đối tượng xa xôi này

Harlow Shapley (1885-1972)

Một chút trong cuộc đời thuở nhỏ của Shapley cho thấy thành

tựu sau này của ông Năm đó ông 15 tuổi và bị xem là một thằng

du côn ở thành phố dầu Kansas khi ông bước vào một thư viện

công cộng và bắt đầu đọc sách Ông sớm chia sẻ tham vọng của

mẹ ông rằng các con trai của bà phải vào đại học và sống tự

lập Bị từ chối không nhận vào một trường trung học, Shapley

vào học một trường tư thục vui vẻ nhận tiền học phí của ông

đóng góp Năm 1907, ông vào trường đại học Missouri Ông

định học nghề làm báo, nhưng khoa báo chí năm đó không mở

mà mở vào một năm khác Sau đó, Shapley kể lại rằng ông đã

mở một danh mục khóa học, nhận thấy bản thân ông không phù

hợp với khảo cổ học, nên ông chọn thiên văn học Câu chuyện

đó phản ánh tính hài hước của Shapley, vì giống như nhiều thanh niên trẻ lúc bấy giờ, ông

đã bị mê hoặc bởi khoa học

Shapley lấy bằng cử nhân và thạc sĩ thiên văn học tại Missouri, và bằng tiến sĩ tại trường đại học Princeton Sau khi tốt nghiệp trường Princeton năm 1913, ông trở lại làm chức giáo sư thiên văn học ở Missouri của mình, lúc ấy làm việc tại Đài quan sát núi Wilson Ở

đó, Shapley, sử dụng kính thiên văn 60 inch – mạnh nhất lúc bấy giờ - thực hiện nghiên cứu có tính cách mạng của ông về quy mô của thiên hà Năm 1921, ông trở thành giám đốc Đài quan sát Harvard College, và xây dựng chương trình thiên văn Harvard thành một trong những chương trình tốt nhất trên thế giới Cuối những năm 1940, Shapley giúp thành lập UNESCO, Tổ chức Khoa học, Giáo dục và Văn hóa của Liên Hợp Quốc, và trong thập niên 1950, ông dính vào những cuộc tranh luận chính trị lúc ấy Nhưng ngoài thiên văn học, sở thích lớn nhất của ông là nghiên cứu loài kiến.

“Điều đáng chú ý… là những ngôi sao biến quang mạnh hơn có chu kì dài hơn”

Henrietta Swan Leavitt Năm 1908, nhà thiên văn người Mĩ Henrietta Leavitt đã chỉ ra một quy luật đáng chú ý mà sao Cepheid tuân theo Trong công việc hàng ngày so sánh các bức ảnh chụp, bà phát hiện thấy các sao biến quang, sáng hơn trên một số ảnh chụp và

mờ nhạt hơn trên một số ảnh khác chụp tại những thời điểm khác nhau Leavitt lưu

ý thấy sao biến quang càng sáng thì chu kì của nó càng dài

16 sao biến quang Leavitt đo đều thuộc cùng một nhóm sao, Đám mây Magellan nhỏ Như vậy, chúng đều xấp xỉ cùng một khoảng cách đến Trái Đất Do

đó, cường độ biểu kiến (độ sáng quan sát thấy) của chúng liên quan trực tiếp đến cường độ tuyệt đối (độ sáng thực chất, khi nhìn từ một khoảng cách chuẩn tùy ý) của chúng Kết luận đó là một “quan hệ chu kì-độ sáng” – chu kì, hoặc thời gian, càng dài, từ độ sáng cực đại của Cepheid tới cực tiểu và quay trở lại cực đại, thì độ sáng thực chất của ngôi sao càng lớn

Giả sử hệ sao hình cầu là một thứ bộ xương thiên hà, thì Shapley đã có phác thảo ngân hà, kích thước của nó, và vị trí của hệ Mặt Trời trong nó Mặt Trời nằm

xa về phía rìa của mặt phẳng thiên hà, chứ không gần vùng chính giữa Ông chỉ ra rằng hệ sao đó lớn gấp 10 hoặc thậm chí 100 lần ước tính trước đây, và Mặt Trời cách tâm thiên hà nhiều chục ngàn năm ánh sáng

“Hệ thống sao hình cầu đó, nói chung là trùng khớp, nếu như không chi tiết, với sự sắp xếp thiên văn như một khối toàn bộ, trông hơi giống một elipsoid… Tâm của hệ thiên văn đó nằm xa bên ngoài Trái Đất” – Shapley Shapley sử dụng quan hệ chu kì-độ sáng để ước tính khoảng cách Trước tiên, ông thu thập mọi dữ liệu có sẵn về các sao Cepheid, từ những quan sát riêng của ông và từ các nhà thiên văn học khác, trong đó có Leavitt Khoảng cách đến một số sao Cepheid gần hơn đã được đo, và như vậy Shapley có thể tính toán độ sáng tuyệt đối của nó Cơ sở vật lí duy nhất mà ông cần là quy luật đơn giản rằng độ sáng giảm theo bình phương khoảng cách Sau đó, Shapley vẽ đồ thị chu kì theo độ sáng tuyệt đối

Shapley thực hiện giả định hợp lí rằng các sao Cepheid trong những cụm sao hình cầu ở xa tuân theo cùng các quy luật vật lí như các sao Cepheid ở gần Ông quan sát chu kì của các sao Cepheid ở xa, biểu diễn cường độ tuyệt đối phỏng chừng của chúng lên đồ thị chu kì-độ sáng của ông, và so sánh cường độ tuyệt đối

với cường độ biểu kiến quan sát được Từ đó suy ra khoảng cách đến nhiều sao Cepheid cách rất xa – và đến những cụm sao hình cầu trong đó chúng cư trú (Một

số cụm sao hình cầu không có sao Cepheid ông có thể đo, và ông sử dụng các phương pháp khác, thô sơ hơn để ước tính khoảng cách của chúng)

Quan hệ chu kì – độ sáng đối với các sao biến quang loại Cepheid – đường cong cho thấy độ sáng của chúng thay đổi như thế nào theo thời gian – do Harlow Shapley vẽ năm 1918 Từ đó về sau, nhà thiên văn có thể quan sát chu kì, hay thời gian từ độ sáng cực đại này tới độ sáng cực đại tiếp theo, đối với bất kì sao Cepheid nào khác, rồi biểu diễn đồ thị cường độ tuyệt đối của sao So sánh cường độ tuyệt đối (“thật sự”) ước tính này với cường độ biểu kiễn quan sát được sẽ

mang lại khoảng cách, vì độ sáng giảm theo bình phương của khoảng cách.

“[Đường cong chu kì – độ sáng] dựa trên hơn 230 sao, và, ngoại trừ độ bất định điểm không (sai số khoảng cách đo bởi những phương pháp khác đối với các sao Cepheid gần hơn), có khả năng chính xác trong phạm vi 1 hoặc

2 phần trăm bậc độ lớn”

Harlow Shapley Shapley nhận thấy các cụm sao hình cầu sắp xếp đối xứng xung quanh thiên

hà, ở phía trên mặt phẳng thiên hà cũng nhiều như ở phía dưới Các cụm sao dường như tránh mặt phẳng thiên hà, tức Dải Ngân hà Shapley viết rằng “vùng chính giữa thiên hà to lớn này, nơi đặc biệt phong phú đủ mọi loại sao, tinh vân hành tinh, và những cụm sao mở, không phải nghi ngờ gì là vùng không chứa các cụm sao hình cầu” Shapley thừa nhận có một lời giải thích khác Có thể là những cụm sao hình cầu không, như chúng ta nghĩ, thực sự không có trong vùng đó, mà chúng bị che khuất bởi các đám hấp thụ nằm dọc theo xương sống của Dải Ngân hà

“Vũ trụ vật lí là trung tâm của con người đối với người nguyên thủy… vai trò của con người và Trái Đất trong bối cảnh thiên văn đã giảm sút cùng với những kiến thức tiến bộ về thế giới vật lí”…

- Shapley

Sự phân bố của các cụm sao hình cầu do Shapley đo được năm 1918 (nhìn ngang) Vùng gạch chéo là mặt phẳng thiên

hà của chúng ta Vị trí của hệ Mặt Trời được đánh dấu X, nằm trong mặt phẳng thiên hà, gần rìa bên trái Shapley đánh dấu các cụm sao hình cầu bằng những vòng tròn đen ở phía trên mặt phẳng và những vòng tròn trắng ở phía dưới mặt

phẳng Số lượng cụm sao hình cầu phía trên và phía dưới mặt phẳng là gần bằng nhau.

Thiên hà được hình dung vào năm 1919 (nhìn từ trên xuống), hình dạng và quy mô của nó được chỉ ra bởi những cụm sao hình cầu, ở đây chúng được biểu diễn chiếu lên mặt phẳng thiên hà Hệ Mặt Trời nằm trong vòng tròn nhỏ Đường chấm chấm là trục chính của thiên hà, với tâm của nó được đánh dấu bằng kí hiệu X màu đỏ Vòng tròn lớn có bán kính

tăng dần từng khoảng 10.000 parsec, khoảng 32.600 năm ánh sáng.

Ý nghĩa của loài người và hành tinh đặc biệt của họ vẫn tiếp tục thu nhỏ lại Shapley lưu ý một tiến bộ lịch sử về niềm tin về một vũ trụ nhỏ bé, với loài người tại trung tâm của nó, đến một vũ trụ lớn hơn với Trái Đất nằm xa ra ngoài vùng trung tâm Hình học đã chuyển hóa từ địa tâm sang nhật tâm rồi không có tâm Sự thay đổi tâm lí học cũng không kém, ông khẳng định, từ con người là trung tâm đến không có gì là trung tâm Một số nhà thiên văn đã nghi ngờ từ lâu rằng hệ Mặt Trời nằm ở gần tâm của thiên hà và người ta thích một nơi đặc quyền trong vũ trụ Họ cảm thấy sự chênh lệch, một sự phân bố ngẫu nhiên cho trước, là nhỏ Nay Shapley đem lại cho vai trò triết học này một chất liệu khoa học

Những người phụ nữ nghiên cứu thiên văn học

Edward Pickering, giám đốc được bổ nhiệm của Đài quan sát Harvard College năm 1881

và là một người biện hộ cho vai trò của phụ nữ trong nghiên cứu, bực tức với người phụ tá nam làm việc không hiệu quả của ông đến mức ông công nhiên rằng thậm chí con gái ông

có thể làm công việc sao chép, tính toán đó tốt hơn nữa Và cô ta làm được thật Và có chừng 20 người phụ nữ đã đến làm việc tại đài quan sát đó trong vài thập niên kế tiếp Họ được tuyển vì họ điềm đạm, thích ứng nhanh với công việc, có thị giác nhạy bén, và sẵn sàng làm việc với đồng lương rất thấp Có lẽ, sự phát triển nhanh chóng của những đài quan sát mới cũng nhiều như những tấm gương thành công của những người công nhân nữ buổi đầu Năm 1920, có trên 100 phụ nữ làm việc tại các đài quan sát trên khắp nước Mĩ Tuy nhiên, phụ nữ không được phép quan sát, công việc đó phải thức thâu đêm trong một mái vòm lạnh lẽo yêu cầu sức vóc của người nam giới Tuy nhiên, một số người, như Henrietta Leavitt, đã thực hiện được những khám phá quan trọng.

Pickering và độ phân loại sao “Harem” của ông tại Đài quan sát Harvard College

Henrietta Swan Leavitt (1868-1921)

Qua việc so sánh chính xác và buồn tẻ các bản phim chụp,

Leavitt đã phát hiện ra khoảng 2400 sao biến quang và quan

hệ chu kì – độ sáng đối với các sao biến quang loại Cepheid,

chìa khóa dẫn đến việc xuất hiện khoảng cách trong thiên văn

học hiện đại Bà lấy bằng cử nhân tại trường cao đẳng

Radcliffe năm 1892, lúc đó phụ nữ không được lấy bằng ở

trường Harvard Đài quan sát Harvard Collge thuê các phụ tá

nữ, mặc dù họ không được phép quan sát, và Leavitt trở thành

người lãnh đạo khoa trắc quang học

Thiên hà của Shapley không lớn bất kì ước tính nào trước đó (trừ những dự đoán buổi đầu về những tầng sao vô hạn) Nó thật sự có thể là toàn bộ vũ trụ Vì Shapley đã chỉ ra rằng các cụm sao hình cầu là phần sáng tỏ của thiên hà, chứ

không phải những vũ trụ độc lập Các tinh vân (nơi tập trung các sao và bụi vũ trụ) khác, nhất là các tinh vân hình xoắn ốc, có thể vẫn nằm bên ngoài thiên hà của chúng ta Nhưng nếu như chúng có kích thước tương tự với thiên hà to lớn của chúng ta, chúng có vẻ lớn đến mức đáng ngờ Vũ trụ cô lập tách rời nhau không có khả năng tồn tại, nhưng chúng dường như ít có khả năng hơn khi mà Shapley nhân kích thước thiên hà của chúng ta lên nhiều lần

Shapley bênh vực cho kết luận của ông trong cái gọi là “Cuộc tranh luận lớn” trước Viện hàn lâm khoa học quốc gia vào ngày 26/4/1920 Đề cập chủ yếu của ông là kích thước của thiên hà Mô hình thiên hà to lớn dữ dội của ông, với hệ Mặt Trời nằm xa ngoài tâm của nó, chính xác ở mức độ lớn Nhưng ông đã không dựa trên cơ sở quan sát khi ông biện hộ rằng các tinh vân xoắn ốc, chúng có vẻ nhỏ hơn nhiều, là một bộ phận của thiên hà của chúng ta Đối thủ của ông, Heber Curtis, cãi lại rằng thiên hà có thể to lớn như Shapley nói, nhưng vẫn chỉ là một trong nhiều

vũ trụ cô lập, nếu như nó xuất hiện với cơ hội lớn hơn chừng vài lần giá trị trung bình Cuối cùng thì các quan sát chứng tỏ Curtis đúng, nhưng hồi năm 1920 Shapley có địa vị mạnh hơn

Cuộc tranh luận lớn về kích thước của vũ trụ

Cái gọi là “cuộc tranh luận lớn” trước Viện Hàn lâm Khoa học quốc gia ngày 26/4/1920

là một trong những tình tiết kịch tính nhất trong lịch sử vũ trụ học Thật ra, có tới hai cuộc tranh luận – những trình diễn bằng miệng chỉ có vài nhà khoa học nghe, và những bài báo được xuất bản về cơ bản là khác nhau được đọc bởi nhiều nhà khoa học hơn

Cuộc tranh luận thường được mô tả là tập trung vào việc tinh vân xoắn ốc có phải là những vũ trụ độc lập hy không Tuy nhiên, Harlow Shapley, đến từ Đài quan sát núi Wilson ở nam California, thích nói về ước tính mới và lớn hơn nhiều của ông về kích thước thiên hà của chúng ta Shapley viết thư cho một đồng nghiệp rằng ông đang đi Washington

để bàn về quy mô của vũ trụ và ông không có ý định nói nhiều về tinh vân xoắn ốc vì ông không có luận cứ chặt chẽ Trong cuộc tranh luận, Shapley cãi rằng “Những nghiên cứu gần đây về các cụm sao và những đối tượng có liên quan có vẻ khiến tôi không còn sự lựa chọn nào khác ngoài việc tin rằng hệ thiên hà ít nhất là có đường kính lớn hơn 10 lần – ít nhất là thể tích lớn hơn 1000 lần – so với đề xuất trước đây”

Harlow Shapley

Heber D Curtis Đối thủ tranh luận của Shapley là Heber D Curtis, đến từ Đài quan sát Lick ở nam California Hứng thú ban đầu của ông là bản chất của tinh vân xoắn ốc Nhưng ông nhận

ra rằng lí thuyết vũ trụ cô lập có mối quan hệ gián tiếp lên chủ đề chung về kích thước thiên hà Curtis thừa nhận rằng “nếu tinh vân xoắn ốc là những vũ trụ cô lập, thì điều hợp

lí và khả dĩ nhất là gán cho chúng kích thước có cùng bậc độ lớn như thiên hà của chúng ta.Tuy nhiên, nếu kích thước của chúng lớn cỡ 300.000 năm ánh sáng [như Shapley xác nhận cho thiên hà của chúng ta] thì những vũ trụ cô lập đó phải nằm ở những khoảng cách

khổng lồ như thế, và sẽ phải gán cái có vẻ là cường độ tuyệt đối không thể có được cho sao siêu mới xuất hiện trong những đối tượng này”

Tuy nhiên, Curtis biện luận, “tất nhiên hoàn toàn có thể giữ được cả lí thuyết vũ trụ cô lập

và niềm tin về kích thước lớn hơn cho thiên hà của chúng ta bằng cách đưa ra giả định không phải là không có khả năng rằng vũ trụ cô lập của riêng chúng ta, do may mắn, tình

cờ lớn hơn vài bậc độ lớn so với kích thước trung bình” Cuối cùng thì những quan sát đã chứng tỏ Curtis đúng trong đề xuất này rằng thiên hà của chúng ta lớn hơn đa số các tinh vân xoắn ốc Nhưng vào năm 1920, Shapley, cùng với giả định của ông rằng không thể nào thiên hà của chúng ta lại quá đặc biệt như vậy, có địa vị lớn hơn trong số các nhà khoa học

Curtis cảm thấy một chút hữu nghị sẽ làm xóa tan bầu không khí căng thẳng, và giữa những cái bắt tay lúc mở đầu và kết thúc cuộc tranh luận, mỗi người sẽ vấn giữ quan điểm của bản thân mình Đối với Shapley, người đang giữ chức giám đốc Đài quan sát Harvard College, điều cuối cùng ông cần là đi vào tranh luận cùng Curtis, một nhà thuyết trình xuất sắc Cho nên Shapley muốn chuyển cuộc tranh luận thành hai phát biểu về cùng một chủ đề từ những quan điểm khác nhau Ông đã thành công trong việc đổi định dạng từ một cuộc tranh luận thành thảo luận vui vẻ mang lại cơ hội cho người đối lập và giảm thời gian dành cho mỗi thuyết trình viên ít đến nỗi một sự giới thiệu khoa học quan trọng cũng chỉ có thể vừa vặn

Tuy nhiên, thật không công bằng khi quy lời nói nước đôi của Shapley chỉ có tại hội nghị Washington là sự lo lắng về cái mà các nhà quan sát Harvard có thể nghĩ Quan hệ thư từ của ông trước và sau hội nghị cho thấy một sự bất đắc dĩ hợp lí để có vị trí chắc chắn trên bằng chứng mỏng manh

Cuộc tranh luận của những thế kỉ xưa cũ đã qua chỉ có thể giải quyết bằng những bằng chứng khoa học mới thu được từ việc sử dụng các kính thiên văn lớn hơn và những kĩ thuật quan sát mới, bao gồm thuật chụp ảnh và quang phổ học Người đề xướng chính của vũ trụ cô lập là Edwin Hubble, người giống như Shapley cũng đã thực hiện những công trình có tính cách mạng của mình tại Đài quan sát núi Wilson

Edwin Hubble và nhà khoa học người Anh James Jeans bên cạnh chiếc kính thiên văn 100 inch trên núi Wilson

Viết trong luận án tiến sĩ của ông năm 1917, Hubble lưu ý thấy danh mục chừng 17.000 vật thể tinh vân nhỏ, mờ nhạt cuối cùng có thể phân thành các nhóm sao Có lẽ có chừng 150.000 đối tượng như thể trong giới hạn của kính thiên văn

hiện có Nhưng, ông viết “Chúng ta biết rất ít về bản chất của tinh vân, và chưa có

sự phân loại có ý nghĩa nào được đề xuất; thậm chí một định nghĩa chính xác cũng chưa được thiết lập”

Tinh vân không theo quy luật NGC 6822, cái ngày nay gọi là một thiên hà lùn ở gần Nhờ kính thiên văn 100 inch, Hubble có thể phát hiện ra các sao biến quang ở đây, mặc dù nó ở cách xa 1,5

triệu năm ánh sáng (số đo hiện đại)

Phân loại tinh vân

Edwin Hubble đưa ra hệ thống phân loại tinh vân nằm ngoài thiên hà của chúng ta trên cơ

sở một lí thuyết khoa học về sự tiến hóa của tinh vân Ông tìm kiếm “sợi chỉ ý nghĩa vật lí”

có thể “tiếp sức sống cho một hệ thống phân loại” Nhưng khi ông công bố đề án của mình vào năm 1926, Hubble khẳng định rằng nó “chủ yếu dựa trên hình dạng cấu trúc qua phân loại ảnh chụp hoàn toàn độc lập với lí thuyết” Lí thuyết truyền cảm hứng cho Hubble, nhưng những quan sát mang lại những luận cứ có sức thuyết phục hơn khiến cho các nhà thiên văn khác chấp nhận hệ thống phân loại của ông

Tinh vân hành tinh ở gần trong chòm sao Thiên cầm, ảnh chụp những năm 1920

Thiên hà xoắn ốc NGC

1300 nhìn qua Kính thiên

văn Hubble hiện đại Tinh vân hành tinh chụp

qua Kính thiên văn vũ trụ Hubble gần đây Có quả cầu khí nóng sáng thực sự xung quanh bao quanh ngôi sao sáng chói ở chính giữa, nhưng nhìn qua đây chúng có

vẻ có dạng vòng

Các loại tinh vân được biết tới vào đầu thế kỉ 20 Hubble tìm thấy phần lớn những tinh vân nằm ngoài thiên hà của chúng ta có thể gộp vào

“một chuỗi lúy tiến gồm từ những khối tinh vân mây mù chưa phân giải được cho đến những xoắn ốc mở rộng có cánh tay vươn dài nhung nhúc sao Chuỗi đó gồm hai phần, tinh vân elip và xoắn ốc, chúng nằm lẫn trong nhau” Khi ông di chuyển từ các đốm sao elip về phía những tinh vân có cấu trúc tinh vi hơn, ông nhận thấy tinh vân xoắn ốc chia thành hai chuỗi song song, một xoắn ốc bình thường, và một xoắn ốc có vạch vật chất đậm đặc xuyên qua chính giữa Cái gọi là “biểu đồ âm thoa” của Hubble vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay

Nhiều người cho rằng biểu đồ này cho thấy một chuỗi biến đổi tiến hóa, nhưng không có bằng chứng nào cho điều này, và những ý tưởng hiện đại mang lại những cách giải thích phức tạp hơn

cho sự khác biệt đó.

Hubble nói về các xoắn ốc “sớm” và “trễ”, thuật ngữ cho thấy ông nghĩ tới lí thuyết tiến hóa của tinh vân Tuy nhiên, ông lại khăng khăng rằng các từ sớm và trễ “bất chấp ý nghĩa thời gian của chúng, có vẻ là thuộc tính tiện lợi nhất có sẵn cho mô tả vị trí tương đối trong chuỗi Chuỗi hình thái cấu trúc đó là một hiện tượng quan sát được”

Các loại tinh vân

Sau khi phục vụ trong Thế chiến I, Hubble trở lại làm nhân viên của Đài quan sát núi Wilson Ở đó, ông đã chụp những bức ảnh tinh vân với chiếc kính thiên văn phản xạ 100 inch mới, chiếc kính thiên văn mạnh nhất trên thế giới Hubble phát hiện ra các sao biến quang trong một tinh vân không theo quy luật (kí hiệu là NGC 6822) Lúc này, Hublle đã rời núi Wilson đến Đài quan sát Harvard College Hubble viết thư cho Shapley năm 1923 kể cho ông ta nghe về các khám phá Hubble cũng nói ông đang săn tìm thêm các sao biến quang và nghiên cứu chu kì của chúng Shapley hồi âm: “Thiết bị 100 inch thật mạnh mẽ đã làm nổi bật các tinh vân hết sức mờ nhạt đó”

“Các thiên hà xoắn ốc lớn… hình như nằm bên ngoài hệ sao của chúng ta”

Edwin Hubble Đầu năm 1924, Hubble lại viết thư cho Shapley Lần này Hubble tường thuật: “Ông sẽ hứng thú khi nghe thấy tôi vừa tìm thấy một sao biến quang Cepheid