Sách » Khoa Học » Lịch sử các phát minh

Lịch sử Thiên văn phương Tây

Quan niệm thiên văn của dân tộc phương Tây vùng Địa Trung Hải ở thời thượng cổ cũng có tính chất thần thoại và huyền bí. Ở Ai Cập, những tinh tú được coi là thánh thần; thần Mặt trời cũng là thần tạo ra Vũ trụ. Vì những nhà thiên văn học đồng thời là những nhà tu nên họ có nhiệm vụ quan sát tinh tú để định ngày giờ làm nghi lễ và làm lịch. Họ cũng dùng vị trí sao trên trời để lấy hướng những công trình xây dựng như kim tự tháp Ai Cập. Tuy nhiên những vấn đề liên quan đến sự cấu tạo của Vũ trụ không được chú ý tới. Vào thế kỷ thứ 3 trước công nguyên, dân vùng  Mesopotamie ở phía đông bắc nước Ai Cập (ngày nay là Iraq), cho rằng Trái đất như một quả núi, trên đỉnh có vòm trời tựa trên một bức thành dài chạy quanh Trái đất. Họ cũng tiên đoán được nguyệt thực và nhật thực. Vì mục tiêu để phục vụ ngành chiêm tinh, cho nên thiên văn học chỉ chú trọng tới các hành tinh trên hoàng đạo, tưc là vùng không gian ở giữa có quỹ đạo biểu kiến của Mặt trời.

Đặc điểm chung của ngành thiên văn thời thượng cổ nói trên là sự quan sát tương đối chính xác những hiện tượng trên trời. Tuy nhiên nó không dựa vào một mô hình khoa học cần thiết trong việc giải thích những hiện tượng thiên nhiên. Nền văn minh Hy Lạp đã đóng góp nhiều trong việc thiết lập một ngành thiên văn có tính chất khoa học. Những nhà toán học như Pythagore (Tk thứ 6 trước công nguyên) và Euclide (Tk thứ 3 TCN) cũng lưu ý đến thiên văn học. Thư viện Alexandrie nổi tiếng ở Ai Cập xây bởi một vua Hy Lạp đã là nơi hội họp của những nhà bác học ở các nước phía đông Địa Trung Hải trong nhiều thế kỷ, cho tới  lúc bị đốt cháy vào thế kỷ thứ 4. Sự cộng sinh của ngành thiên văn mô tả của Ai Cập và ngành toán học Hy Lạp đã làm nẩy nở ra một ngành nghiên cứu Vũ Trụ có tính cách duy lý. Nhà triết học Platon (Tk 4 TCN) nhận định rằng Trái đất không di chuyển và ở ngay giữa trung tâm vũ trụ. Thiên cầu quay chung quanh Trái đất lôi các sao chuyển động đều theo một quỹ đạo hình tròn. Tuy thuyết Trái đất là trung tâm không đúng, nhưng  lần đầu tiên những khái niệm như chuyển động đều, quỹ đạo hình tròn và thiên cầu của cơ học và hình học đã được dùng trong  ngành thiên văn. Nhà triết học Aristote (Tk 4 TCN) cho Vũ trụ là hình cầu trong đó có khí gọi là ête. Đến thế kỷ thứ 2, nhà thiên văn học Ptolémée mới dùng hình học để giải thích quỹ đạo của các hành tinh trong khuôn khổ thuyết Trái đất là trung tâm. Các hành tinh quay trên một hệ thống những vòng tròn mà trung tâm cũng quay chung quanh Trái đất. Có một số nhà thiên văn học Hy Lạp khác như Aristarque (Tk 3 TCN) đã phủ nhận thuyết Trái đất là trung tâm Vũ trụ và đề xuất Trái đất quay chung quanh Mặt trời. Thuyết Mặt trời là trung tâm bị đả kích và người sáng tạo ra lý thuyết này bị phạm tội là quấy nhiễu sự an nghỉ của thánh thấn. Trong hơn 15 thế kỷ, thuyết Trái đất có người ở là trung tâm Vũ trụ tuy không đúng, nhưng được chấp nhận vì thích hợp với ý nghĩ của Giáo hội thời trung cổ.

Đầu thế kỷ thứ 16, nhà thiên văn học Copernic, người Ba Lan , là người đầu tiên áp dụng toán học để giải thích những kết quả quan sát thiên văn và khẳng định rằng Trái đất không đứng yên tại trung tâm Vũ trụ. Sau nhiều năm nghiên cứu, Copernic phát hiện được là Trái đất và các hành tinh quay chung quanh Mặt trời trên những quỹ đạo hình tròn. Phải đợi đến đầu thế kỷ thứ 17, nhờ công trình nghiên cứu của nhà thiên văn học người Đức, Kepler, quỹ đạo các hành tinh mới được xác định chính xác. Quỹ đạo các hành tinh, kể cả của Trái đất không hẳn là hình tròn, nhưng là những elip mà một tiêu điểm là Mặt trời. Ba định luật của Kepler (Ðịnh luật thứ I và II Kepler , Ðịnh luật thứ III Kepler và  cách tính khối lượng các thiên thể ) làm ra để giải thích những đặc tính của quỹ đạo hành tinh còn được giảng dạy trong các trường trung học phổ thông ngày nay.

Nhà thiên văn học Galilei người Ý, cùng thời với Kepler, ngoài công việc nghiên cứu và đặt ra những định luật cơ học liên quan đến sự chuyển động của các vật thể, còn là người đầu tiên sử dụng kính viễn vọng để tìm hiểu Vũ trụ. Những phát hiện của Galilei bằng kính viễn vọng cũng đã được công bố bên Trung Quốc, đời nhà Minh. Galilei đã phát hiện ra dải Ngân hà có vô số sao, Mặt trăng lỗ chỗ, lồi lõm và Mặt trời có những "vết đen". Như ta đã biết, Ngân hà cũng như hàng trăm tỉ thiên hà  khác, có hàng chục tỉ sao. Mặt trăng là vệ tinh của Trái đất, nhưng vì không có khí quyển che chở  nên bị những thiên thạch tức là những hòn đá khổng lồ rơi xuống tạo ra những hố to như miệng núi lửa.  Những thiên thạch rơi xuống Trái đất của chúng ta thường bị bốc cháy trong tầng khí quyển. Còn vết đen thì Galilei tưởng là những đám mây bay trên Mặt trời. Chính đó là những vùng rộng  lớn trên quang cầu (bề mặt Mặt trời) với kích thước từ 10 nghìn đến 150 nghìn  kilomet. Quang cầu tức là bề mặt Mặt trời có nhiệt độ khoảng 6000 độ. Nhiệt độ của vết đen chỉ khoảng 4000 độ. Vết đen sáng như Mặt trăng, nhưng vì tương đối "lạnh" hơn quang cầu nên hấp thụ ánh sáng và hiện thành đen. Vết đen có từ trường và thường hiện ra từng đôi, như hai cực của nam châm. Vết đen biểu lộ hoạt động của Mặt trời với một chu kù là 11 năm . Galilei còn phát hiện được 4 vệ tinh trong số 16 vệ tinh của hành tinh Mộc.

Ngày xưa các nhà thiên văn học không biết lý do của sự chuyển động của các hành tinh. Một số cho rằng sự chuyển động này là biểu hiện của phép mầu nhiệm của Tạo hóa. Một sự phát hiện vô cùng quan trọng trong lĩnh vực vật lý là sự "hấp dẫn phổ biến" của Newton, một nhà thiên văn kiêm vật lý và toán học thiên tài người Anh, ở thế kỷ thứ 17, 18. Lực hấp dẫn làm cho hai vật thể có khối lượng hút nhau, hai vật càng gần nhau bao nhiêu thì càng bị hút mạnh bấy nhiêu. Lực hút của trường hấp dẫn tỉ lệ thuận với khối lượng của hai vật thể  và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai vật thể đó. Hằng số tỷ lệ được gọi là "hằng số hấp dẫn". Chúng ta đứng được trên mặt đất là nhờ lực hấp dẫn của Trái đất hút ta. Một vật ta ném lên không trung rơi xuống đất cũng là do sức hút của trường hấp dẫn của Trái đất. Sở dĩ Trái đất của chúng ta có tầng khí quyển hấp thụ những tia tử ngoại nguy hiểm phát ra từ Mặt trời cũng nhờ có sức hút của trường hấp dẫn của Trái đất đủ lớn để giữ được khí quyển không bay ra ngoài không trung. Cũng do  lực hấp dẫn mà Trái đất và các hành tinh khác quay chung quanh Mặt trời và Mặt trăng quay chung quanh Trái đất. Ta có thể tự hỏi tại sao Mặt trăng không rơi xuống Trái đất và trái đất cùng những hành tinh khác như Thủy, Kim, Hỏa Mộc, Thổ v..v.., không rơi vào Mặt trời. Bởi vì chuyển động trên quỹ đạo của Mặt trăng chung quanh Trái đất hay của các hành tinh chung quanh Mặt trời tạo ra  lực gọi là lực ly tâm để bù trừ sự hút của lực hấp dẫn. Truyền thuyết kể lại rằng trong khi Newton nhìn thấy một quả táo rơi từ trên cây xuống tự hỏi tại sao Mặt trăng không rơi như quả táo, và sau tìm được giải thích! Vì lý thuyết Newton có tính bao quát, giải thích được sự chuyển động của vạn vật cũng như của các thiên thể trong Vũ trụ, nên được gọi là "định luật vạn vật hấp dẫn".

Theo thuyết Newton, một số sao chổi quay chung quanh Mặt trời trên những quỹ đạo hình ellip. Nhà thiên văn học Halley, người Anh (Tk thứ 17-18) áp dụng định luật Newton để tính quỹ đạo cho biết là các sao chổi hiện ra những năm 1531, 1607 và 1682, có quỹ đạo giống nhau và chỉ là một thiên thể.  Cứ khoảng 76 năm thì sao chổi lại quay trở lại gần Mặt trời và được nhìn thấy từ Trái đất. Ông tiên đoán là sao chổi này sẽ trở lại năm 1758. Đúng hôm lễ Giáng sinh năm đó, sao chổi hiện lên bầu trời, nhưng tiếc thay ông đã mất trước và không được biết là tiên đoán của ông được xác minh. Sao chổi này được đặt tên là sao chổi Halley để ghi nhớ thành tích khoa học của ông. Lõi sao chổi là một thiên thạch nhỏ chuyển động gần Hệ Mặt trời. Khi thiên thạch bay gần Mặt trời thì nhiệt độ tăng lên, nước và khí lạnh bốc thành hơi. Vì áp lực của bức xạ Mặt trời tạo ra một luồng gió gọi là "gió Mặt trời" thổi hơi nước và khí cùng bụi trong thiên thể phun ra thành một cái đuôi giống hình cái chổi (Tuệ tinh). Mỗi ngày sao chổi có thể phun ra vài triệu tấn bụi và hơi. Đuôi sao chổi có thể dài hàng triệu kilomet. Các nhà thiên văn ước lượng có hàng trăm sao chổi lang thang gần Hệ Mặt trời. 

Công trình của Newton đã mở đầu một kỷ nguyên mới trong  lịch sử khoa học và hướng dẫn một số nhà toán học và vật lý học trứ danh ở cuối thế kỷ thứ 19 và đầu thế kỷ thứ 20 trong sự tìm hiểu Vũ trụ. Định luật của Newton vẫn được áp dụng thường xuyên trong ngành vật lý và cơ học cơ bản hiện đại. Về phương diện kỹ thuật, nó đã được áp dung để tính toán quỹ đạo của các vệ tinh nhân tạo dùng trong hệ thống thông tin, vô tuyến truyền hình thế giới và trong công việc phát hiện những tài nguyên trên Trái đất. Những con tàu vũ trụ được phóng thành công  lên Mặt trăng và về phía các hành tinh Kim, Hỏa và sao chổi Halley để tìm hiểu các trạng thái lý hóa của các thiên thể này cũng là những áp dụng cụ thể của thuyết Newton

Trích từ quyển Vũ Trụ phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đại của nhà thiên văn Nguyễn Quang Riệu.