Vũ trụ học - đi từ ảo tưởng đến tiệm cận chân lý
Ngay từ thưở sơ khai của loài người, con người ngoài việc phải trông chừng những hiểm nguy ở mặt đất đã biết ngắm lên bầu trời mỗi khi rảnh rỗi. Họ ngắm bầu trời và tưởng tượng ra về thế giới ở phía trên kia, thế giới của những vì sao, của mặt trăng, của mặt trời và vô số thứ khác hấp dẫn ẩn sau đó. Họ còn phát hiện ra những quy luật của những ngôi sao liên quan đến đến thời tiết, đến khí vận của mỗi người. Từ đó, một lọat những môn khoa học đầu tiên xuất hiện, bên cạnh Toán học, sơ khai và giản đơn: Chiêm tinh học, Thiên văn học và Vũ trụ học (Cosmology).
Trải dài từ phương Đông sang phương Tây, từ cổ chí kim, người ta đã có những tri thức khác nhau về vũ trụ và bầu trời, lẽ dĩ nhiên là ngày càng hiện đại và tiệm cận hơn với chân lý. Những tri thức ấy góp phần tạo nên lịch sử phát triển phong phú và đa dạng của vật lý cũng như mở ra những chân trời mới cho loài người: xa hơn, cao hơn. Khuôn khổ bài viết này chỉ cho phép lướt qua những bước phát triển cơ bản nhất trong lịch sử hình thành những tri thức này.
1. Nguồn gốc vũ trụ:
a. Các thuyết cổ đại:
Trở lại phương Đông cách đây vài ngàn năm, khi những người Trung Hoa đầu tiên ngắm bầu trời, họ đã kể ra câu chuyện về Bàn Cổ khai thiên. Chuyện kể rằng Bàn Cổ là vị thần đầu tiên trong vũ trụ này. "Ngày xưa khi Bàn Cổ chết, đầu biến thành bốn ngọn núi, hai mắt biến thành mặt trời và mặt trăng, mỡ biến thành sông biển, râu tóc biến thành thảo mộc. Thời Tần và Hán, dân gian kể rằng đầu của Bàn Cổ là Đông Nhạc, bụng là Trung Nhạc, tay trái là Nam Nhạc, tay phải là Bắc Nhạc, và hai chân là Tây Nhạc. Các văn nhân ngày xưa kể rằng nước mắt của Bàn Cổ là sông, hơi thở là gió, giọng nói là sấm, đồng tử trong mắt là ánh sáng." (1) Rồi tiếp sau Bàn Cổ là các vị thần Sông, thần Gió, thần Núi... Lại có chuyện kể "Vào thời Hiên Viên; thần nước Cộng Công(gong=khảm) đánh nhau với thần lửa Chúc Dong. Cộng Công thua trận; húc đầu vào núi Bất Chu; khiến cột trời đổ gẫy. Trời nghiêng về phía Tây Bắc; đất lệch về phía Đông Nam. Nước từ trên trời đổ xuống gây ngập lụt ở khắp nơi. Bà Nữ Oa đốt cỏ Lư thành tro ngăn nước lụt; lấy đá ngũ sắc dưới biển vá trời. Sau đó bắt con rùa lớn đứng đội trời lên. Từ đó; cuộc sống trở lại yên bình." (2) Xin dừng kể ở đây vì nếu kể nữa e rằng sẽ sa vào kể sử. Từ hai câu chuyện trên, cho ta thấy người phương Đông cổ đại cho rằng Vũ trụ được tạo ra từ ý chí - yếu tố tâm linh, thần thoại. Điều thú vị là mô típ sáng tạo vũ trụ kiểu này rất giống với thần thoại Hy Lạp hay La Mã cổ đại cho thấy nét tương đồng giữa hai nền văn hoá Đông Tây (sẽ nói thêm ở phần sau).
Nho giáo lại có những cách lý giải khác. Kinh dịch và một số tài liệu khác cho rằng vũ trụ tạo ra từ vô, vô sinh ra thái cực, thái cực sinh lưỡng nghi, lưỡng nghi sinh tứ tượng, tứ tượng sinh bát quái, bát quái chồng chập sinh lục thập tứ quẻ điều khiển vạn vật trong vũ trụ. Một trường phái khác lại cho rằng vũ trụ tạo thành từ 5 yếu tố ngũ hành: kim, mộc, thủy, hoả, thổ, tương sinh tương khắc lẫn nhau mà tạo ra sự vận động của vũ trụ. Đến đây thì dường như không có thêm tài liệu nào cho thấy văn hoá phương Đông tiếp tục nghiên cứu về sự hình thành vũ trụ.
Ở phương Tây, thời kì Hy Lạp cổ đại, người ta đã sáng tạo ra câu chuyện kể về những vị thần vĩ đại, những người đã sáng tạo ra vũ trụ này. "Người Hy Lạp cổ xưa kể rằng khi khai thiên lập địa khởi thủy có ba vị Thần linh: Thần Hỗn Mang Khaos, Nữ Thần Đêm tối Nyx và Thần Ái tình Eros.
Thần Hỗn Mang kết hợp với Nữ Thần Đêm tối sinh ra Thần Định Mệnh. Thần nhân này đui hai mắt, có quyền thống trị, mỗi khi phán quyết một điều gì lại ghi trên một quyển sách bằng đồng. Các Thần nhân sau này có thể dùng quyền lực của mình ngưng việc thi hành những phán quyết đó, nhưng không thể cưỡng lại.
Sau khi sinh ra Thần Định Mệnh, thần Khaos sinh ra Nữ Thần Đất Gaia và Thần Tartaros tối tăm-Đây là một vực thẳm u tối ở kế bên Trái Đất.Tiếp đó Gaia lại sinh ra Thần bầu trời trải rộng bao la (hay còn gọi là Thần Thiên Vương) Ouranos, vị thần này ra đời lại dang rộng cánh tay bao bọc lấy cả Trái Đất rộng lớn. Như vậy theo quan niệm của người Hy Lạp cổ xưa thì đất sinh ra trời chứ trời không phải sinh ra đất dù bầu trời rộng hơn đất rất nhiều. Sau đó nữ thần Đất Gaia lại sinh ra núi non hùing vĩ vươn mình lên tận trời xanh, rồi lại sinh tiếp thần Biển Cả Pontos đổ nước tràn ra khắp bề mặt Trái Đất và quanh năm vỗ sóng. Nữ Thần Gaia cũng sinh ra những thần nhân khổng lồ và độc long Cyclopes." (3)
Điểm đặc biệt như đã nói ở trên là câu chuyện này có nét tương đồng với câu chuyện về Bàn Cổ khai thiên khi đều giải thích vũ trụ sinh ra bởi một hoặc vài vị thần - tạm gọi là Thuỷ tổ của các vị thần, và thế giới này do các vị thần góp sức mà tạo nên. Cả hai câu chuyện đều đề cập đến một biến cố lớn làm thay đổi thế giới một cách mạnh mẽ sâu sắc. Ở câu chuyện Bàn Cổ khai thiên là sự kiện cuộc chiến giữa Thuỷ thần và Hoả thần, cuối cùng là Nữ Oa vá trời mà sau đó dẫn đến sự phân chia tam giới. Ở thần thoại Hy Lạp là sự kiện nổi loạn của những đứa con của thần Gaia và thần Địa ngục mà cuối cùng dẫn đến sự lên ngôi của thần Zeus và các vị thần núi Olympơ cai quản thế giới mới. Ngẫu nhiên thay, trong lịch sử hình thành trái đất, người ta cũng nhắc đến một sự kiện trọng đại cách đây 65 triệu năm làm biến mất vĩnh viễn loài khủng long, đưa trái đất về kỷ băng hà và mở ra một chương mới cho trái đất xinh tươi này. Tôi không dám kết luận những câu chuyện này xây dựng dựa trên sự kiện này (vì rõ ràng 65 triệu năm trước, làm gì đã có loài người) nhưng cũng đặt một dấu chấm hỏi về sự kiện này, chắc rằng chúng có một quy luật chung gì đó chăng?
Về những giả thuyết mang tính duy vật, có thể nhắc đến Democrit với kết luận vũ trụ hình thành bởi các yếu tố: đất, nước, lửa, không khí. Sau này, Aristote cũng thừa nhận với kết luận này và mở rộng nó thêm là vạn vật đều thuộc về một yếu tố nào đó và mỗi yếu tố của những thuộc tính riêng như lửa thì là khô, nóng, nước là ẩm, lạnh, đất là khô, lạnh, không khí là ẩm, nóng. Và lẽ dĩ nhiên, với quan niệm như thế, cũng giống như ngũ hành, vũ trụ vô thuỷ nghĩa là không có sự sinh ra và không có nguồn gốc.
Trong sách "Edda trẻ", một sưu tập truyện thần thoại mà nhà tộc trưởng Iceland Snorri Sturleson sưu tầm được, nguồn gốc vũ trụ được mô tả như sau: "Thưở sơ khai, vũ trụ không có gì cả. Không tìm thấy đất, phía trên cũng không có trời, chỉ có một khoảng trống lớn kinh khủng và không đâu có cỏ." (4) Phía Bắc và phía Nam của khoảng không trống rỗng đó là những vùng của giá rét và lửa, Niflheim và Muspelheim. Sức nóng từ vùng Muspelheim làm tan các khối băng giá của vùng Niflheim và từ các hạt nước, một người khổng lồ xuất hiện tên là Ymer. Vũ trụ bắt đầu từ lúc đó khi mà bò cái sinh ra để nuôi sống Ymer, muối và cỏ xuất hiện để nuôi bò...
b. Lý thuyết hiện đại:
Thời gian sau này, cùng với sự phát triển của khoa học hiện đại, nguồn gốc của vũ trụ ngày càng được làm sáng tỏ. Vũ trụ lúc này gần như là hữu thuỷ, tức là có sự sinh ra nhưng không giải thích theo kiểu tâm linh mà được giải thích một khoa học, duy vật biện chứng. Triết học Mác Lênin cho rằng khuynh hướng của sự phát triển là từ thấp đến cao, theo mô hình xoắn ốc nhưng vẫn không thể trả lời được một cách thoả đáng cái ban đầu, tức là đuôi của xoắn ốc ấy là gì? Nếu trả lời câu hỏi đó thì nghiễm nhiên, triết học Mác - Lê cùng nền khoa học hiện đại đã thắng những yếu tố tâm linh vẫn tồn tại trong cuộc sống hàng ngày. Tiếc thay, điều đó vẫn chưa thực hiện được và đó cũng trở thành một trong những mục tiêu cần đạt tới của vật lý học hiện đại: vũ trụ khả tri?
Chỉ xin nhắc sơ qua về giả thuyết vụ nổ Big Bang mà nhiều người cho rằng đó là nguyên nhân sinh ra vũ trụ. Thuyết Big Bang cho rằng, hiện nay vũ trụ đang giãn nở, nếu lùi thời gian về hàng trăm triệu năm trước thì các hành tinh sẽ nằm gần nhau hơn, càng lùi xa thì càng khít lại. Đến một thời điểm xa xăm nào đó, khoảng 20 tỷ năm, toàn bộ khối lượng của vũ trụ tập trung vào một điểm. Điểm này có khối lượng, kèm theo đó là năng lượng, rất lớn nên gọi là điểm kì dị. Và bùm... vụ nổ Big Bang xảy ra, năng lượng và vật chất được giải phóng và tạo nên vũ trụ sơ khai. Theo thời gian, các hành tinh xuất hiện và vũ trụ trở nên như ngày nay. Điều này cho đến nay vẫn còn là một giả thuyết vì vẫn còn nhiều chỗ chưa chặt chẽ mà trong phạm vi bài viết này không cho phép nói dài.
(có thể đọc thêm tại đây)
Lướt sơ qua lịch sử phát triển tri thức về nguồn gốc vũ trụ, có thể thấy 2 xu hướng: duy tâm và duy vật. Một bên dựa vào yếu tố tâm linh để giải thích, gắn nguồn gốc vũ trụ với các thần, một bên dựa vào khoa học để lý giải. 2 xu hướng này không chỉ ở những quan niệm về nguồn gốc vũ trụ mà còn ảnh hưởng đến cả những quan niệm về hình dạng, mô hình vũ trụ sau này mà phần sau sẽ đề cập rõ hơn.
2. Mô hình vũ trụ thời Cổ:
Ở phần trên, chúng ta đã nhắc sơ vũ trụ hình thành như thế nào. Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu xem, sau khi hình thành (nếu có) sẽ có hình dạng như thế nào.
a. Vũ trụ phương Đông:
Người Việt cổ quan niệm rằng trời tròn đất vuông. Vũ trụ như quả trứng gà, bầu trời là vỏ trứng, mặt đất là lòng đỏ trứng. Quan niệm này thể hiện trong sự tích bánh chưng bánh giầy hay trong một số trò chơi dân gian, người ta sử dụng cái chén lật úp để mô tả bầu trời. Một số bộ tộc ít người ở Tây Nguyên thậm chí còn cho rằng, tận cùng mặt đất là nơi ở của các vị thần như thần Mặt trời, Mặt trăng và quan trọng nhất là Giàng (điển hình như bộ sử thi Đam San nhiều lần nhắc đến chi tiết này)
Người Trung Hoa cổ cũng quan niệm gần giống như vậy. Họ chia vũ trụ làm 3 phần: tiên giới, hạ giới, yêu giới (hay địa ngục tuỳ thời kỳ). Người ta ngắm sao mỗi ngày và cho rằng các ngôi sao chính là các vị thần tiên trên trời. Nào là sao Nam Tào, sao Bắc Đẩu, sao Ngưu Lang - Chức Nữ... Trên tiên giới (thượng giới) có Ngọc Hoàng thượng đế, có các vị thần tiên cùng nhau cai quản tam giới, còn có cả các vị Phật tử đắc đạo, tóm lại là chốn bồng lai tiên cảnh. Hạ giới (phàm) là nơi sinh sống của con người. Giữa hạ giới và tiên giới trước đây có lối thông lên nhau nhưng qua nhiều sự kiện, lối đi này mất dẫn, trời đất tách riêng nhau ra (có người nói là do ở trên trời chê dưới trần gian ồn ào, ô nhiễm nên muốn tách ra khỏi). Một số truyền thuyết của Nhật Bản cũng nhắc đến con đường liên thông giữa hai giới. Giới thứ ba là yêu giới (ma giới) thường lẫn vào trong hạ giới, không rõ ràng tách bạch. Địa ngục thì rõ ràng hơn, nằm sâu trong lòng đất, là nơi khủng khiếp nhất mà người ta có thể tưởng tượng ra, do Diêm Vương cai quản. Tóm lại là hình thành một vũ trụ tương đối đầy đủ. Quan niệm này, đến ngày nay vẫn còn giá trị. Về mô hình vận động của vũ trụ, ta tạm kết luận đây là một mô hình vũ trụ tĩnh, không có thay đổi lớn ngoài những thay đổi tự bên trong nhưng đều do các vị thần tiên quản lý, sắp xếp. Mọi thứ đều có số mệnh và chúng không thay đổi được. (Lưu ý rằng ở thời kỳ này, khái niệm vũ trụ chỉ giới hạn ở trái đất, mặt trời và các ngôi sao trên trời.)
b. Vũ trụ phương Tây:
Vào thời điểm này, ở Hy Lạp cổ đại, người ta cũng có những quan niệm gần giống như Trung Hoa cổ đại khi xây dựng những câu chuyện về các vị thần trên núi Olympus. Các vị thần này không sáng tạo nên thế giới nhưng là những vị thần cai quản thế giới như thần Biển Poseidon, thần Nghệ thuật Apollo, thần Sắc đẹp Anphiđôtê... Vũ trụ được mô tả bao gồm trái đất, địa ngục, núi Olympus và khoảng không vũ trụ bao la (nơi giam giữ những vị thần xấu xa). Cách mô tả này cũng gần giống với vũ trụ của người Trung Hoa cổ. Mặt trời, mặt trăng, các vì sao đều là các vị thần như thần Mặt trời Heraclix... (Xem thêm danh sách các vị Thần Hy Lạp cổ)
Điểm đặc biệt là ở thời kì này, đã có một số truyền thuyết về thời gian tương đối giữa thượng giới và hạ giới. Một ngày ở thượng giới thường được xem như tương đương với một năm hoặc một trăm năm ở hạ giới. Một trong những câu truyện nổi tiếng về sự tương đối này là câu chuyện về Từ Thức gặp tiên hay câu chuyện về chàng ngư dân cứu được con vua Thuỷ Tề trong thần thoại Nhật Bản. Khoa học hiện đại cho thấy những câu chuyện trên hoàn toàn không phải không có cơ sở khi người ta có thể vận dụng thuyết tương đối của Einstein để lý giải.
Cũng như các lí luận về nguồn gốc vũ trụ, mô hình vũ trụ hầu như không thay đổi ở phương Đông trong thời gian hàng ngàn năm. Trong khi đó, ở phương Tây, những nhận thức về mô hình vũ trụ liên tục thay đổi và ngày càng tiệm cận với chân lý, với thực tiễn khách quan.
3. Mô hình vũ trụ phương Tây:
a. Hệ Địa tâm:
Để có thể mô tả đầy đủ mô hình vũ trụ thay đổi như thế nào, có lẽ cần phải bắt đầu từ thuyết Địa tâm có từ thời Hy Lạp cổ đại mà 2 đại diện tiêu biểu nhất là Aristote và Ptoleme. Thuyết Địa tâm có các ý chính sau đây:
- Trái đất, mặt trời, mặt trăng và các vì sao có hình cầu.
- Trái đất nằm ở trung tâm của vũ trụ, tất cả các ngôi sao và hành tinh (bao gồm cả mặt trăng và mặt trời) đều quay xung quanh trái đất theo quỹ đạo tròn.
Ptoleme đã mở rộng hơn thuyết Địa tâm để nó phù hợp với thực tế quan sát bằng cách đưa vào các vòng tròn nội luân và ngoại luân. Trên thực tế, thuyết Địa tâm là mô hình được xem là phù hợp với những số liệu quan sát nhất vào lúc bấy giờ (lưu ý rằng ở thời kì này, kính thiên văn vẫn chưa có, hầu hết các quan sát đều được tiến hành bằng mắt thường và một số dụng cụ sơ khai).
Aritote cũng bổ sung cho thuyết địa tâm: trái đất ở vị trí trung tâm, các hành tinh trong hệ mặt trời chuyển động trên các vòng tròn quanh trái đát, ngoài cùng là các ngôi sao nằm trên một vòng tròn lớn, bên ngoài vòng tròn ấy là khoảng không vũ trụ. Aristote cũng phân biệt thế giới hạ giới là Trái đất là thế giới không hoàn mỹ nên có các đường thẳng, còn từ bầu trời trở lên là thế giới thần linh, thế giới hoàn mỹ nên được mô tả bằng các đường cong tròn hoàn mỹ.
Với những tri thức khoa học hiện nay, hẳn nhiên mọi người sẽ cười sự ngô nghê này của các nhà khoa học thời cổ. Nhưng lý thuyết này, với sự ủng hộ của Giáo hội Thiên Chúa giáo đã tồn tại trong một khoảng thời gian khá dài từ thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên đến thế kỷ 16 sau Công nguyên và là nguyên nhân gây ra cái chết cho rất nhiều nhà khoa học dám chống lại thuyết này mà bi kịch nhất là cái chết của Bruno, một trong những người đầu tiên ủng hộ thuyết Nhật tâm.
b. Hệ Nhật tâm:
Năm 1543, một nhà khoa học người Hà Lan tên Copernic lần đầu tiên xuất bản cuốn sách có tựa đề "Về sự chuyển động của thiên thể" đề cập đến sự tồn tại của hệ Nhật tâm thay thế hệ Địa tâm vốn đã trở thành một trong những chân lý thời bấy giờ. Tuy trước đó đã có những tài liệu nói về hệ Nhật tâm nhưng hầu hết cũng chỉ nói lướt qua, duy chỉ có Copernic, mặc dù chỉ đưa ra dưới dạng giả thuyết (do sự cấm đoán của xã hội lúc bấy giờ) đã mô tả kỹ hệ Nhật tâm có các ý khác với hệ Địa tâm như sau:
- Mặt trời bất động là trung tâm của vũ trụ
- Trái đất và các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời trên các quỹ đạo tròn với tốc độ không đổi.
Sau này Engels đánh giá hành động này có ý nghĩa như một cuộc cách mạng, thổi một làn gió mới vào cho khoa học mặc dù hệ nhật tâm của Copernic vẫn còn nhiều sai sót chưa hoàn chỉnh.
Nói sơ qua lịch sự phát triển của môn Vật lý ở thời kì này, người ta vẫn còn chịu ảnh hưởng nhiều của Aristote, hình thành nên một phưng pháp nghiên cứu được gọi là "giáo điều kinh viện" tức là chỉ nghiên cứu dựa trên lý luận thuần tuý mà không tiến hành kiểm chứng bằng thí nghiệm (do quan niệm xem lao động chân tay là hạ cấp). Thuyết Nhật tâm của Copernic mặc dù gây tiếng vang lớn giới khoa học nhưng vẫn còn bị cấm đoán mà đỉnh cao của sự cấm đoán là sự kiện nhà khoa học Bruno bị thiêu sống. Tuy nhiên điều đáng mừng là không phải vì thế mà các nhà khoa học nản chí mà họ vẫn tiếp tục nghiên cứu về hệ Nhật tâm và từ đó hoàn chỉ lý thuyết này đồng thời khám phá ra phương pháp nghiên cứu mới cho Vật lý nói chung và Thiên văn nói riêng, trong đó phải kể đến công lao của Galile, Kepler và Newton.
c. Vũ trụ phục hưng:
Galile, bằng những quan sát thực nghiệm và thực hiện thí nghiệm của mình, đã thay đổi thái độ từ ủng hộ thuyết Địa tâm sang ủng hộ thuyết Nhật tâm. Ông viết cuốn "Cuộc đối thoại giữa hai hệ thống thế giới: Ptoleme và Copernic" thông qua cuộc đối thoại của 3 nhân vật Ximplixio (đại diện Ptoleme), Xanviati (đại diện Copernic) và Xagredo (đại diện Gallile, ban đầu đứng giữa, sau chuyển sang ủng hộ Xanviati), trong đó công khai ủng hộ thuyết Nhật tâm, phê phán lối nghiên cứu "kinh viện giáo điều", đề xuất phương pháp nghiên cứu dựa trên thực nghiệm. Gallile được tôn vinh là ông tổ của ngành Vật lý thực nghiệm. Cũng chính Gallile là người đã chế ra kính thiên văn đầu tiên trên thế giới và bằng kính này, ông đã quan sát và phát hiện hàng trăm hàng ngàn ngôi sao mới mà mắt thường chẳng bao giờ thấy được. Lúc đó, vũ trụ đối với loài người được mở rộng ra hơn nữa nhưng vẫn còn là bí ẩn đối với loài người. Đến lúc này, những lời nói của Aristote về một thế giới thần thánh, bất khả tri vẫn còn vang vọng.
Phải đến khi Kepler rồi sau đó là Newton khám phá ra quy luật chuyển động của các hành tinh, lúc đó lời nguyền của Aristote mới chấm dứt. Kepler bằng những nghiên cứu của mình kết hợp với các quan sát của Tycho Brahe đã đưa ra 3 định luật Kepler về chuyển động của các hành tinh, trong đó có giá trị nhất là định luật quỹ đạo của các hành tinh là đường elip, nhận mặt trời là tiêu điểm chứ không phải là đường tròn. Dựa trên những kết quả của Kepler, Newton đã xây dựng nên Thuyết Vạn Vật Hấp Dẫn, gây chấn động lúc bấy giờ, chính thức làm sụp đổ lý thuyết Aristote về một thế giới thần thánh, bất khả tri. Giờ đây, vạn vật, dù là ở trên mặt đất hay trên bầu trời xa xăm, cũng tuân theo định luật vạn vật hấp dẫn, đều tác dụng với nhau theo một quy luật không đổi. Vũ trụ giờ đây đã khả tri.
Mô hình vũ trụ cho đến thời Newton có thể được mô tả như sau:
- Mặt trời là tâm, Trái đất và các hành tinh chuyển động quanh mặt trời, Mặt trăng chuyển động quanh trái đất theo các quỹ đạo hình elip.
- Tất cả đều tuân theo định luật Vạn vật hấp dẫn.
Lúc này, Newton cũng đưa ra khái niệm "không gian tương đối" để nói lên chuyển động tương đối giữa các hành tinh.
Định luật Vạn vật hấp dẫn ra đời cùng sự phát triển rực rỡ của Vật lý học lúc đó khiến người ta kết luận rằng bóng mây mờ của Vật lý đã bị tan đi, công việc của những người làm vật lý nói chung và nghiên cứu thiên văn nói riêng chỉ là dựa trên những kiến thức cũ để khai phá hết phần còn lại của thế giới như thể bạn biết nó ở đó và bạn chỉ việc lấy nó ra. Vũ trụ lúc này vẫn chỉ giới hạn trong hệ Mặt trời. Và người ta đã sai lầm, phía bên ngoài kia, vẫn còn nhiều cái để khám phá.
d. Vũ trụ hiện đại:
Trong một thời gian dài người ta vận dụng vật lý cổ điển để giải thích mọi hiện tượng trong tự nhiên và trong vũ trụ. Thế nhưng, vẫn có những hiện tượng không thể giải thích được như hiện tượng kì lạ về vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chiều quan sát hay một số ngôi sao không chuyển động như người ta tính toán sẵn hay như sự xuất hiện của các tia bất thường trong vũ trụ. Lúc này, thực tiễn đặt ra cho vật lý một thách thức to lớn là phải làm sao giải thích được những hiện tượng này. Và kì lạ thay, mỗi lần có một thách thức lớn, thế giới lại sản sinh ra một thiên tài lớn để giải quyết. Lần này, đó là Einstein.
Bằng lý thuyết tương đối của mình và những công trình về lượng tử khác, Einstein đã làm đảo lộn một lần nữa cái trật tự trong thế giới vật lý mà người ta vẫn tưởng nó đã chắc chắn lắm rồi. Einstein sử dụng các phép biến đổi Lorentz và thuyết tương đối để giải thích vì sao ánh sáng bị bẻ cong khi bay qua các hành tinh và đưa ra khái niệm "không gian tương đối" khác với Newton. Không gian của Einstein co giãn được, nó phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của hệ quy chiếu theo phép biến đổi Lorentz. Điều thú bị là thời gian của Einstein cũng bị cho là "tương đối" (tuy nhiên ở khía cạnh tương đối này vẫn có cái tuyệt đối của nó mà nếu có thể tôi sẽ bàn sau trong một bài viết khác - NV). Einstein cũng đã xây dựng mô hình vũ trụ mới của mình là một "siêu diện cầu" 3 chiều không biến đổi theo thời gian, nó có thể tích hữu hạn nhưng không có chỗ nào là tận cùng. Tuy nhiên mô hình này về sau bị bác bỏ.
Vũ trụ không nhỏ bé như người ta nghĩ. Nhờ những dụng cụ quan sát tối tân cùng những kiến thức mới, người ta phát hiện ra nhiều mặt trời khác trong vũ trụ. Và dĩ nhiên gắn liền với mỗi mặt trời là cả một hệ thống các hành tinh tạo thành một hệ tương tự như hệ mặt trời của chúng ta. Ngoài ra, người ta còn nắm bắt được các tia sáng bất thường trong vũ trụ và căn cứ vào đó để xác định nguồn gốc hay sự vận động của vũ trụ. Người ta còn có thể nghiên cứu cả về lỗ đen, về các hệ mặt trời khác hay đơn giản hơn là vận tốc vũ trụ cấp 1, cấp 2... Trong đó, nổi bật là các công trình nghiên cứu của Stephen Hawking, Trịnh Xuân Thuận...
e. Vũ trụ hiện nay:
Vậy cuối cùng, tại thời điểm thế kỷ 21, khi tôi đang viết bài này, người ta quan niệm vũ trụ như thế nào? Có thể mô tả tóm tắt như sau:
- Vũ trụ là một khoảng không rộng lớn bao gồm các hệ thống hành tinh nằm cách xa nhau. Mỗi hệ thống này thường gồm một hoặc hai mặt trời, xung quanh nó là các sao, các hành tinh quay xung quanh nó. Trái đất nằm ở một trong số những hệ thống đó.
- Vũ trụ được hình thành từ một vụ nổ lớn (chưa được kiểm chứng) và đang ngày càng giãn nở ra (mặc dù vậy, đã có một số tài liệu cho thấy vũ trụ đang co lại).
- Vì khoảng cách giữa các hành tinh rất xa nhau, có khi đến vài triệu năm ánh sáng nên những gì chúng ta quan sát trên bầu trời hầu hết là vũ trụ cách đây vài triệu năm. Để dễ hình dung, hãy chú ý đến một tia sóng bất thường, được cho là xuất hiện vào thời kì đầu của vũ trụ, vừa được chúng ta thu nhận và nghiên cứu, đồng thời mang lại giải Nobel 2006 cho các nhà khoa học Mỹ.
f. Vũ trụ ngày mai:
Người ta đang tìm cách dự đoán vũ trụ sẽ biến đổi như thế nào. Liệu rằng có còn như ngày hôm nay? Vũ trụ của chúng ta là vũ trụ không tĩnh tại, nghĩa là biến đổi liên tục. Người ta nhắc đến ngày tận thế nhưng đó chỉ là ngày tận thế của trái đất chứ không phải vũ trụ. Lịch sử vật lý từng chứng kiến một dự đoán khủng khiếp về cái chết của vũ trụ - thuyết "chết nhiệt". Nội dung chính của thuyết này cho rằng một khi entropi của vũ trụ đạt cực đại, vũ trụ sẽ chết do các quá trình truyền nhiệt không diễn ra. Hay nói một cách khác, khi năng lượng đã phát ra hết thì mặt trời sẽ chết, cách hành tinh káhc cũng chết, các hệ khác rồi cũng sẽ chết như vậy và cuối cùng cả vũ trụ sẽ chết. Rất may là lý thuyết này, xây dựng dựa trên thực nghiệm tại trái đất, đã bị gác bỏ vì nó không phù hợp với một hệ lớn như vũ trụ.
Vậy thì vũ trụ ngày mai là gì? Tôi cũng không biết nữa.
4. Vũ trụ của chúng ta:
Vũ trụ của chúng ta vẫn còn rộng lớn lắm! Những gì con người biết được chỉ là một phần nhỏ của cái khoảng đen sâu thẳm ngoài kia. Nhưng chắc chắn với lòng ham mê khám phá của con người, bức màn đen tối ấy sẽ được hé dần. Trải qua hàng triệu năm, con người đã đi từ những ảo tưởng về một vũ trụ của thần linh đến một vũ trụ được cho là ngày càng tiệm cận với thực tiễn khách quan thì không có lí do gì, họ dừng bước trước những khó khăn hiện tại. Hàng ngày, những ngôi sao mới vẫn được tìm ra bởi những nhà quan sát nghiệp dư. Hàng ngày, vẫn đều đặn có những con người háo hức ngắm nhìn bầu trời với mong muốn tìm thấy một điều gì đó. Vậy tại sao người đó không phải là bạn? Bản thân tôi vũng còn hai câu hỏi lớn về vũ trụ mà vẫn chưa tìm được lời giải đáp thoả đáng: Trước vũ trụ là gì? Ngoài vũ trụ là gì?
Trong khuôn khổ bài viết, tôi không thể trình bày được hết tất cả các ý của mình. Chắc chắn sẽ còn nhiều thiếu sót, thậm chí là sai lầm, nhất là đối với một sinh viên năm 3 như tôi. Hi vọng rằng, qua bài viết, các bạn sẽ đóng góp, sữa chữa những sai lầm của tôi để tôi có thể bổ sung thêm kiến thức cho mình. Xin cám ơn và hẹn gặp lại ở những bài viết sau.
-------------------------
(1) Thuật Dị Ký - Nhiệm Phưởng - Thế kỷ VI
(2) Kinh Dịch - Sự sáng tạo của nền văn hiến Âu Lạc
(3) Thần thoại Hy Lạp
(4) Lịch sử Vật lý - Nguyễn Thị Thếp - Ban ấn bản nội bộ ĐHSP TPHCM - 2004
-------------------------
Câu nói tuần này: Không có gì là không thể.
Trải dài từ phương Đông sang phương Tây, từ cổ chí kim, người ta đã có những tri thức khác nhau về vũ trụ và bầu trời, lẽ dĩ nhiên là ngày càng hiện đại và tiệm cận hơn với chân lý. Những tri thức ấy góp phần tạo nên lịch sử phát triển phong phú và đa dạng của vật lý cũng như mở ra những chân trời mới cho loài người: xa hơn, cao hơn. Khuôn khổ bài viết này chỉ cho phép lướt qua những bước phát triển cơ bản nhất trong lịch sử hình thành những tri thức này.
1. Nguồn gốc vũ trụ:
a. Các thuyết cổ đại:
Trở lại phương Đông cách đây vài ngàn năm, khi những người Trung Hoa đầu tiên ngắm bầu trời, họ đã kể ra câu chuyện về Bàn Cổ khai thiên. Chuyện kể rằng Bàn Cổ là vị thần đầu tiên trong vũ trụ này. "Ngày xưa khi Bàn Cổ chết, đầu biến thành bốn ngọn núi, hai mắt biến thành mặt trời và mặt trăng, mỡ biến thành sông biển, râu tóc biến thành thảo mộc. Thời Tần và Hán, dân gian kể rằng đầu của Bàn Cổ là Đông Nhạc, bụng là Trung Nhạc, tay trái là Nam Nhạc, tay phải là Bắc Nhạc, và hai chân là Tây Nhạc. Các văn nhân ngày xưa kể rằng nước mắt của Bàn Cổ là sông, hơi thở là gió, giọng nói là sấm, đồng tử trong mắt là ánh sáng." (1) Rồi tiếp sau Bàn Cổ là các vị thần Sông, thần Gió, thần Núi... Lại có chuyện kể "Vào thời Hiên Viên; thần nước Cộng Công(gong=khảm) đánh nhau với thần lửa Chúc Dong. Cộng Công thua trận; húc đầu vào núi Bất Chu; khiến cột trời đổ gẫy. Trời nghiêng về phía Tây Bắc; đất lệch về phía Đông Nam. Nước từ trên trời đổ xuống gây ngập lụt ở khắp nơi. Bà Nữ Oa đốt cỏ Lư thành tro ngăn nước lụt; lấy đá ngũ sắc dưới biển vá trời. Sau đó bắt con rùa lớn đứng đội trời lên. Từ đó; cuộc sống trở lại yên bình." (2) Xin dừng kể ở đây vì nếu kể nữa e rằng sẽ sa vào kể sử. Từ hai câu chuyện trên, cho ta thấy người phương Đông cổ đại cho rằng Vũ trụ được tạo ra từ ý chí - yếu tố tâm linh, thần thoại. Điều thú vị là mô típ sáng tạo vũ trụ kiểu này rất giống với thần thoại Hy Lạp hay La Mã cổ đại cho thấy nét tương đồng giữa hai nền văn hoá Đông Tây (sẽ nói thêm ở phần sau).
Nho giáo lại có những cách lý giải khác. Kinh dịch và một số tài liệu khác cho rằng vũ trụ tạo ra từ vô, vô sinh ra thái cực, thái cực sinh lưỡng nghi, lưỡng nghi sinh tứ tượng, tứ tượng sinh bát quái, bát quái chồng chập sinh lục thập tứ quẻ điều khiển vạn vật trong vũ trụ. Một trường phái khác lại cho rằng vũ trụ tạo thành từ 5 yếu tố ngũ hành: kim, mộc, thủy, hoả, thổ, tương sinh tương khắc lẫn nhau mà tạo ra sự vận động của vũ trụ. Đến đây thì dường như không có thêm tài liệu nào cho thấy văn hoá phương Đông tiếp tục nghiên cứu về sự hình thành vũ trụ.
Ở phương Tây, thời kì Hy Lạp cổ đại, người ta đã sáng tạo ra câu chuyện kể về những vị thần vĩ đại, những người đã sáng tạo ra vũ trụ này. "Người Hy Lạp cổ xưa kể rằng khi khai thiên lập địa khởi thủy có ba vị Thần linh: Thần Hỗn Mang Khaos, Nữ Thần Đêm tối Nyx và Thần Ái tình Eros.
Thần Hỗn Mang kết hợp với Nữ Thần Đêm tối sinh ra Thần Định Mệnh. Thần nhân này đui hai mắt, có quyền thống trị, mỗi khi phán quyết một điều gì lại ghi trên một quyển sách bằng đồng. Các Thần nhân sau này có thể dùng quyền lực của mình ngưng việc thi hành những phán quyết đó, nhưng không thể cưỡng lại.
Sau khi sinh ra Thần Định Mệnh, thần Khaos sinh ra Nữ Thần Đất Gaia và Thần Tartaros tối tăm-Đây là một vực thẳm u tối ở kế bên Trái Đất.Tiếp đó Gaia lại sinh ra Thần bầu trời trải rộng bao la (hay còn gọi là Thần Thiên Vương) Ouranos, vị thần này ra đời lại dang rộng cánh tay bao bọc lấy cả Trái Đất rộng lớn. Như vậy theo quan niệm của người Hy Lạp cổ xưa thì đất sinh ra trời chứ trời không phải sinh ra đất dù bầu trời rộng hơn đất rất nhiều. Sau đó nữ thần Đất Gaia lại sinh ra núi non hùing vĩ vươn mình lên tận trời xanh, rồi lại sinh tiếp thần Biển Cả Pontos đổ nước tràn ra khắp bề mặt Trái Đất và quanh năm vỗ sóng. Nữ Thần Gaia cũng sinh ra những thần nhân khổng lồ và độc long Cyclopes." (3)
Điểm đặc biệt như đã nói ở trên là câu chuyện này có nét tương đồng với câu chuyện về Bàn Cổ khai thiên khi đều giải thích vũ trụ sinh ra bởi một hoặc vài vị thần - tạm gọi là Thuỷ tổ của các vị thần, và thế giới này do các vị thần góp sức mà tạo nên. Cả hai câu chuyện đều đề cập đến một biến cố lớn làm thay đổi thế giới một cách mạnh mẽ sâu sắc. Ở câu chuyện Bàn Cổ khai thiên là sự kiện cuộc chiến giữa Thuỷ thần và Hoả thần, cuối cùng là Nữ Oa vá trời mà sau đó dẫn đến sự phân chia tam giới. Ở thần thoại Hy Lạp là sự kiện nổi loạn của những đứa con của thần Gaia và thần Địa ngục mà cuối cùng dẫn đến sự lên ngôi của thần Zeus và các vị thần núi Olympơ cai quản thế giới mới. Ngẫu nhiên thay, trong lịch sử hình thành trái đất, người ta cũng nhắc đến một sự kiện trọng đại cách đây 65 triệu năm làm biến mất vĩnh viễn loài khủng long, đưa trái đất về kỷ băng hà và mở ra một chương mới cho trái đất xinh tươi này. Tôi không dám kết luận những câu chuyện này xây dựng dựa trên sự kiện này (vì rõ ràng 65 triệu năm trước, làm gì đã có loài người) nhưng cũng đặt một dấu chấm hỏi về sự kiện này, chắc rằng chúng có một quy luật chung gì đó chăng?
Về những giả thuyết mang tính duy vật, có thể nhắc đến Democrit với kết luận vũ trụ hình thành bởi các yếu tố: đất, nước, lửa, không khí. Sau này, Aristote cũng thừa nhận với kết luận này và mở rộng nó thêm là vạn vật đều thuộc về một yếu tố nào đó và mỗi yếu tố của những thuộc tính riêng như lửa thì là khô, nóng, nước là ẩm, lạnh, đất là khô, lạnh, không khí là ẩm, nóng. Và lẽ dĩ nhiên, với quan niệm như thế, cũng giống như ngũ hành, vũ trụ vô thuỷ nghĩa là không có sự sinh ra và không có nguồn gốc.
Trong sách "Edda trẻ", một sưu tập truyện thần thoại mà nhà tộc trưởng Iceland Snorri Sturleson sưu tầm được, nguồn gốc vũ trụ được mô tả như sau: "Thưở sơ khai, vũ trụ không có gì cả. Không tìm thấy đất, phía trên cũng không có trời, chỉ có một khoảng trống lớn kinh khủng và không đâu có cỏ." (4) Phía Bắc và phía Nam của khoảng không trống rỗng đó là những vùng của giá rét và lửa, Niflheim và Muspelheim. Sức nóng từ vùng Muspelheim làm tan các khối băng giá của vùng Niflheim và từ các hạt nước, một người khổng lồ xuất hiện tên là Ymer. Vũ trụ bắt đầu từ lúc đó khi mà bò cái sinh ra để nuôi sống Ymer, muối và cỏ xuất hiện để nuôi bò...
b. Lý thuyết hiện đại:
Thời gian sau này, cùng với sự phát triển của khoa học hiện đại, nguồn gốc của vũ trụ ngày càng được làm sáng tỏ. Vũ trụ lúc này gần như là hữu thuỷ, tức là có sự sinh ra nhưng không giải thích theo kiểu tâm linh mà được giải thích một khoa học, duy vật biện chứng. Triết học Mác Lênin cho rằng khuynh hướng của sự phát triển là từ thấp đến cao, theo mô hình xoắn ốc nhưng vẫn không thể trả lời được một cách thoả đáng cái ban đầu, tức là đuôi của xoắn ốc ấy là gì? Nếu trả lời câu hỏi đó thì nghiễm nhiên, triết học Mác - Lê cùng nền khoa học hiện đại đã thắng những yếu tố tâm linh vẫn tồn tại trong cuộc sống hàng ngày. Tiếc thay, điều đó vẫn chưa thực hiện được và đó cũng trở thành một trong những mục tiêu cần đạt tới của vật lý học hiện đại: vũ trụ khả tri?
Chỉ xin nhắc sơ qua về giả thuyết vụ nổ Big Bang mà nhiều người cho rằng đó là nguyên nhân sinh ra vũ trụ. Thuyết Big Bang cho rằng, hiện nay vũ trụ đang giãn nở, nếu lùi thời gian về hàng trăm triệu năm trước thì các hành tinh sẽ nằm gần nhau hơn, càng lùi xa thì càng khít lại. Đến một thời điểm xa xăm nào đó, khoảng 20 tỷ năm, toàn bộ khối lượng của vũ trụ tập trung vào một điểm. Điểm này có khối lượng, kèm theo đó là năng lượng, rất lớn nên gọi là điểm kì dị. Và bùm... vụ nổ Big Bang xảy ra, năng lượng và vật chất được giải phóng và tạo nên vũ trụ sơ khai. Theo thời gian, các hành tinh xuất hiện và vũ trụ trở nên như ngày nay. Điều này cho đến nay vẫn còn là một giả thuyết vì vẫn còn nhiều chỗ chưa chặt chẽ mà trong phạm vi bài viết này không cho phép nói dài.(có thể đọc thêm tại đây)
Lướt sơ qua lịch sử phát triển tri thức về nguồn gốc vũ trụ, có thể thấy 2 xu hướng: duy tâm và duy vật. Một bên dựa vào yếu tố tâm linh để giải thích, gắn nguồn gốc vũ trụ với các thần, một bên dựa vào khoa học để lý giải. 2 xu hướng này không chỉ ở những quan niệm về nguồn gốc vũ trụ mà còn ảnh hưởng đến cả những quan niệm về hình dạng, mô hình vũ trụ sau này mà phần sau sẽ đề cập rõ hơn.
2. Mô hình vũ trụ thời Cổ:
Ở phần trên, chúng ta đã nhắc sơ vũ trụ hình thành như thế nào. Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu xem, sau khi hình thành (nếu có) sẽ có hình dạng như thế nào.
a. Vũ trụ phương Đông:
Người Việt cổ quan niệm rằng trời tròn đất vuông. Vũ trụ như quả trứng gà, bầu trời là vỏ trứng, mặt đất là lòng đỏ trứng. Quan niệm này thể hiện trong sự tích bánh chưng bánh giầy hay trong một số trò chơi dân gian, người ta sử dụng cái chén lật úp để mô tả bầu trời. Một số bộ tộc ít người ở Tây Nguyên thậm chí còn cho rằng, tận cùng mặt đất là nơi ở của các vị thần như thần Mặt trời, Mặt trăng và quan trọng nhất là Giàng (điển hình như bộ sử thi Đam San nhiều lần nhắc đến chi tiết này)
Người Trung Hoa cổ cũng quan niệm gần giống như vậy. Họ chia vũ trụ làm 3 phần: tiên giới, hạ giới, yêu giới (hay địa ngục tuỳ thời kỳ). Người ta ngắm sao mỗi ngày và cho rằng các ngôi sao chính là các vị thần tiên trên trời. Nào là sao Nam Tào, sao Bắc Đẩu, sao Ngưu Lang - Chức Nữ... Trên tiên giới (thượng giới) có Ngọc Hoàng thượng đế, có các vị thần tiên cùng nhau cai quản tam giới, còn có cả các vị Phật tử đắc đạo, tóm lại là chốn bồng lai tiên cảnh. Hạ giới (phàm) là nơi sinh sống của con người. Giữa hạ giới và tiên giới trước đây có lối thông lên nhau nhưng qua nhiều sự kiện, lối đi này mất dẫn, trời đất tách riêng nhau ra (có người nói là do ở trên trời chê dưới trần gian ồn ào, ô nhiễm nên muốn tách ra khỏi). Một số truyền thuyết của Nhật Bản cũng nhắc đến con đường liên thông giữa hai giới. Giới thứ ba là yêu giới (ma giới) thường lẫn vào trong hạ giới, không rõ ràng tách bạch. Địa ngục thì rõ ràng hơn, nằm sâu trong lòng đất, là nơi khủng khiếp nhất mà người ta có thể tưởng tượng ra, do Diêm Vương cai quản. Tóm lại là hình thành một vũ trụ tương đối đầy đủ. Quan niệm này, đến ngày nay vẫn còn giá trị. Về mô hình vận động của vũ trụ, ta tạm kết luận đây là một mô hình vũ trụ tĩnh, không có thay đổi lớn ngoài những thay đổi tự bên trong nhưng đều do các vị thần tiên quản lý, sắp xếp. Mọi thứ đều có số mệnh và chúng không thay đổi được. (Lưu ý rằng ở thời kỳ này, khái niệm vũ trụ chỉ giới hạn ở trái đất, mặt trời và các ngôi sao trên trời.)
b. Vũ trụ phương Tây:
Vào thời điểm này, ở Hy Lạp cổ đại, người ta cũng có những quan niệm gần giống như Trung Hoa cổ đại khi xây dựng những câu chuyện về các vị thần trên núi Olympus. Các vị thần này không sáng tạo nên thế giới nhưng là những vị thần cai quản thế giới như thần Biển Poseidon, thần Nghệ thuật Apollo, thần Sắc đẹp Anphiđôtê... Vũ trụ được mô tả bao gồm trái đất, địa ngục, núi Olympus và khoảng không vũ trụ bao la (nơi giam giữ những vị thần xấu xa). Cách mô tả này cũng gần giống với vũ trụ của người Trung Hoa cổ. Mặt trời, mặt trăng, các vì sao đều là các vị thần như thần Mặt trời Heraclix... (Xem thêm danh sách các vị Thần Hy Lạp cổ)
Điểm đặc biệt là ở thời kì này, đã có một số truyền thuyết về thời gian tương đối giữa thượng giới và hạ giới. Một ngày ở thượng giới thường được xem như tương đương với một năm hoặc một trăm năm ở hạ giới. Một trong những câu truyện nổi tiếng về sự tương đối này là câu chuyện về Từ Thức gặp tiên hay câu chuyện về chàng ngư dân cứu được con vua Thuỷ Tề trong thần thoại Nhật Bản. Khoa học hiện đại cho thấy những câu chuyện trên hoàn toàn không phải không có cơ sở khi người ta có thể vận dụng thuyết tương đối của Einstein để lý giải.
Cũng như các lí luận về nguồn gốc vũ trụ, mô hình vũ trụ hầu như không thay đổi ở phương Đông trong thời gian hàng ngàn năm. Trong khi đó, ở phương Tây, những nhận thức về mô hình vũ trụ liên tục thay đổi và ngày càng tiệm cận với chân lý, với thực tiễn khách quan.
3. Mô hình vũ trụ phương Tây:
a. Hệ Địa tâm:
Để có thể mô tả đầy đủ mô hình vũ trụ thay đổi như thế nào, có lẽ cần phải bắt đầu từ thuyết Địa tâm có từ thời Hy Lạp cổ đại mà 2 đại diện tiêu biểu nhất là Aristote và Ptoleme. Thuyết Địa tâm có các ý chính sau đây:
- Trái đất, mặt trời, mặt trăng và các vì sao có hình cầu.
- Trái đất nằm ở trung tâm của vũ trụ, tất cả các ngôi sao và hành tinh (bao gồm cả mặt trăng và mặt trời) đều quay xung quanh trái đất theo quỹ đạo tròn.
Ptoleme đã mở rộng hơn thuyết Địa tâm để nó phù hợp với thực tế quan sát bằng cách đưa vào các vòng tròn nội luân và ngoại luân. Trên thực tế, thuyết Địa tâm là mô hình được xem là phù hợp với những số liệu quan sát nhất vào lúc bấy giờ (lưu ý rằng ở thời kì này, kính thiên văn vẫn chưa có, hầu hết các quan sát đều được tiến hành bằng mắt thường và một số dụng cụ sơ khai).
Aritote cũng bổ sung cho thuyết địa tâm: trái đất ở vị trí trung tâm, các hành tinh trong hệ mặt trời chuyển động trên các vòng tròn quanh trái đát, ngoài cùng là các ngôi sao nằm trên một vòng tròn lớn, bên ngoài vòng tròn ấy là khoảng không vũ trụ. Aristote cũng phân biệt thế giới hạ giới là Trái đất là thế giới không hoàn mỹ nên có các đường thẳng, còn từ bầu trời trở lên là thế giới thần linh, thế giới hoàn mỹ nên được mô tả bằng các đường cong tròn hoàn mỹ.
Với những tri thức khoa học hiện nay, hẳn nhiên mọi người sẽ cười sự ngô nghê này của các nhà khoa học thời cổ. Nhưng lý thuyết này, với sự ủng hộ của Giáo hội Thiên Chúa giáo đã tồn tại trong một khoảng thời gian khá dài từ thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên đến thế kỷ 16 sau Công nguyên và là nguyên nhân gây ra cái chết cho rất nhiều nhà khoa học dám chống lại thuyết này mà bi kịch nhất là cái chết của Bruno, một trong những người đầu tiên ủng hộ thuyết Nhật tâm.
b. Hệ Nhật tâm:
Năm 1543, một nhà khoa học người Hà Lan tên Copernic lần đầu tiên xuất bản cuốn sách có tựa đề "Về sự chuyển động của thiên thể" đề cập đến sự tồn tại của hệ Nhật tâm thay thế hệ Địa tâm vốn đã trở thành một trong những chân lý thời bấy giờ. Tuy trước đó đã có những tài liệu nói về hệ Nhật tâm nhưng hầu hết cũng chỉ nói lướt qua, duy chỉ có Copernic, mặc dù chỉ đưa ra dưới dạng giả thuyết (do sự cấm đoán của xã hội lúc bấy giờ) đã mô tả kỹ hệ Nhật tâm có các ý khác với hệ Địa tâm như sau:
- Mặt trời bất động là trung tâm của vũ trụ
- Trái đất và các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời trên các quỹ đạo tròn với tốc độ không đổi.
Sau này Engels đánh giá hành động này có ý nghĩa như một cuộc cách mạng, thổi một làn gió mới vào cho khoa học mặc dù hệ nhật tâm của Copernic vẫn còn nhiều sai sót chưa hoàn chỉnh.
Nói sơ qua lịch sự phát triển của môn Vật lý ở thời kì này, người ta vẫn còn chịu ảnh hưởng nhiều của Aristote, hình thành nên một phưng pháp nghiên cứu được gọi là "giáo điều kinh viện" tức là chỉ nghiên cứu dựa trên lý luận thuần tuý mà không tiến hành kiểm chứng bằng thí nghiệm (do quan niệm xem lao động chân tay là hạ cấp). Thuyết Nhật tâm của Copernic mặc dù gây tiếng vang lớn giới khoa học nhưng vẫn còn bị cấm đoán mà đỉnh cao của sự cấm đoán là sự kiện nhà khoa học Bruno bị thiêu sống. Tuy nhiên điều đáng mừng là không phải vì thế mà các nhà khoa học nản chí mà họ vẫn tiếp tục nghiên cứu về hệ Nhật tâm và từ đó hoàn chỉ lý thuyết này đồng thời khám phá ra phương pháp nghiên cứu mới cho Vật lý nói chung và Thiên văn nói riêng, trong đó phải kể đến công lao của Galile, Kepler và Newton.
c. Vũ trụ phục hưng:
Galile, bằng những quan sát thực nghiệm và thực hiện thí nghiệm của mình, đã thay đổi thái độ từ ủng hộ thuyết Địa tâm sang ủng hộ thuyết Nhật tâm. Ông viết cuốn "Cuộc đối thoại giữa hai hệ thống thế giới: Ptoleme và Copernic" thông qua cuộc đối thoại của 3 nhân vật Ximplixio (đại diện Ptoleme), Xanviati (đại diện Copernic) và Xagredo (đại diện Gallile, ban đầu đứng giữa, sau chuyển sang ủng hộ Xanviati), trong đó công khai ủng hộ thuyết Nhật tâm, phê phán lối nghiên cứu "kinh viện giáo điều", đề xuất phương pháp nghiên cứu dựa trên thực nghiệm. Gallile được tôn vinh là ông tổ của ngành Vật lý thực nghiệm. Cũng chính Gallile là người đã chế ra kính thiên văn đầu tiên trên thế giới và bằng kính này, ông đã quan sát và phát hiện hàng trăm hàng ngàn ngôi sao mới mà mắt thường chẳng bao giờ thấy được. Lúc đó, vũ trụ đối với loài người được mở rộng ra hơn nữa nhưng vẫn còn là bí ẩn đối với loài người. Đến lúc này, những lời nói của Aristote về một thế giới thần thánh, bất khả tri vẫn còn vang vọng.
Phải đến khi Kepler rồi sau đó là Newton khám phá ra quy luật chuyển động của các hành tinh, lúc đó lời nguyền của Aristote mới chấm dứt. Kepler bằng những nghiên cứu của mình kết hợp với các quan sát của Tycho Brahe đã đưa ra 3 định luật Kepler về chuyển động của các hành tinh, trong đó có giá trị nhất là định luật quỹ đạo của các hành tinh là đường elip, nhận mặt trời là tiêu điểm chứ không phải là đường tròn. Dựa trên những kết quả của Kepler, Newton đã xây dựng nên Thuyết Vạn Vật Hấp Dẫn, gây chấn động lúc bấy giờ, chính thức làm sụp đổ lý thuyết Aristote về một thế giới thần thánh, bất khả tri. Giờ đây, vạn vật, dù là ở trên mặt đất hay trên bầu trời xa xăm, cũng tuân theo định luật vạn vật hấp dẫn, đều tác dụng với nhau theo một quy luật không đổi. Vũ trụ giờ đây đã khả tri.
Mô hình vũ trụ cho đến thời Newton có thể được mô tả như sau:
- Mặt trời là tâm, Trái đất và các hành tinh chuyển động quanh mặt trời, Mặt trăng chuyển động quanh trái đất theo các quỹ đạo hình elip.
- Tất cả đều tuân theo định luật Vạn vật hấp dẫn.
Lúc này, Newton cũng đưa ra khái niệm "không gian tương đối" để nói lên chuyển động tương đối giữa các hành tinh.
Định luật Vạn vật hấp dẫn ra đời cùng sự phát triển rực rỡ của Vật lý học lúc đó khiến người ta kết luận rằng bóng mây mờ của Vật lý đã bị tan đi, công việc của những người làm vật lý nói chung và nghiên cứu thiên văn nói riêng chỉ là dựa trên những kiến thức cũ để khai phá hết phần còn lại của thế giới như thể bạn biết nó ở đó và bạn chỉ việc lấy nó ra. Vũ trụ lúc này vẫn chỉ giới hạn trong hệ Mặt trời. Và người ta đã sai lầm, phía bên ngoài kia, vẫn còn nhiều cái để khám phá.
d. Vũ trụ hiện đại:
Trong một thời gian dài người ta vận dụng vật lý cổ điển để giải thích mọi hiện tượng trong tự nhiên và trong vũ trụ. Thế nhưng, vẫn có những hiện tượng không thể giải thích được như hiện tượng kì lạ về vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chiều quan sát hay một số ngôi sao không chuyển động như người ta tính toán sẵn hay như sự xuất hiện của các tia bất thường trong vũ trụ. Lúc này, thực tiễn đặt ra cho vật lý một thách thức to lớn là phải làm sao giải thích được những hiện tượng này. Và kì lạ thay, mỗi lần có một thách thức lớn, thế giới lại sản sinh ra một thiên tài lớn để giải quyết. Lần này, đó là Einstein.
Bằng lý thuyết tương đối của mình và những công trình về lượng tử khác, Einstein đã làm đảo lộn một lần nữa cái trật tự trong thế giới vật lý mà người ta vẫn tưởng nó đã chắc chắn lắm rồi. Einstein sử dụng các phép biến đổi Lorentz và thuyết tương đối để giải thích vì sao ánh sáng bị bẻ cong khi bay qua các hành tinh và đưa ra khái niệm "không gian tương đối" khác với Newton. Không gian của Einstein co giãn được, nó phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của hệ quy chiếu theo phép biến đổi Lorentz. Điều thú bị là thời gian của Einstein cũng bị cho là "tương đối" (tuy nhiên ở khía cạnh tương đối này vẫn có cái tuyệt đối của nó mà nếu có thể tôi sẽ bàn sau trong một bài viết khác - NV). Einstein cũng đã xây dựng mô hình vũ trụ mới của mình là một "siêu diện cầu" 3 chiều không biến đổi theo thời gian, nó có thể tích hữu hạn nhưng không có chỗ nào là tận cùng. Tuy nhiên mô hình này về sau bị bác bỏ.
Vũ trụ không nhỏ bé như người ta nghĩ. Nhờ những dụng cụ quan sát tối tân cùng những kiến thức mới, người ta phát hiện ra nhiều mặt trời khác trong vũ trụ. Và dĩ nhiên gắn liền với mỗi mặt trời là cả một hệ thống các hành tinh tạo thành một hệ tương tự như hệ mặt trời của chúng ta. Ngoài ra, người ta còn nắm bắt được các tia sáng bất thường trong vũ trụ và căn cứ vào đó để xác định nguồn gốc hay sự vận động của vũ trụ. Người ta còn có thể nghiên cứu cả về lỗ đen, về các hệ mặt trời khác hay đơn giản hơn là vận tốc vũ trụ cấp 1, cấp 2... Trong đó, nổi bật là các công trình nghiên cứu của Stephen Hawking, Trịnh Xuân Thuận...
e. Vũ trụ hiện nay:
Vậy cuối cùng, tại thời điểm thế kỷ 21, khi tôi đang viết bài này, người ta quan niệm vũ trụ như thế nào? Có thể mô tả tóm tắt như sau:
- Vũ trụ là một khoảng không rộng lớn bao gồm các hệ thống hành tinh nằm cách xa nhau. Mỗi hệ thống này thường gồm một hoặc hai mặt trời, xung quanh nó là các sao, các hành tinh quay xung quanh nó. Trái đất nằm ở một trong số những hệ thống đó.
- Vũ trụ được hình thành từ một vụ nổ lớn (chưa được kiểm chứng) và đang ngày càng giãn nở ra (mặc dù vậy, đã có một số tài liệu cho thấy vũ trụ đang co lại).
- Vì khoảng cách giữa các hành tinh rất xa nhau, có khi đến vài triệu năm ánh sáng nên những gì chúng ta quan sát trên bầu trời hầu hết là vũ trụ cách đây vài triệu năm. Để dễ hình dung, hãy chú ý đến một tia sóng bất thường, được cho là xuất hiện vào thời kì đầu của vũ trụ, vừa được chúng ta thu nhận và nghiên cứu, đồng thời mang lại giải Nobel 2006 cho các nhà khoa học Mỹ.
f. Vũ trụ ngày mai:
Người ta đang tìm cách dự đoán vũ trụ sẽ biến đổi như thế nào. Liệu rằng có còn như ngày hôm nay? Vũ trụ của chúng ta là vũ trụ không tĩnh tại, nghĩa là biến đổi liên tục. Người ta nhắc đến ngày tận thế nhưng đó chỉ là ngày tận thế của trái đất chứ không phải vũ trụ. Lịch sử vật lý từng chứng kiến một dự đoán khủng khiếp về cái chết của vũ trụ - thuyết "chết nhiệt". Nội dung chính của thuyết này cho rằng một khi entropi của vũ trụ đạt cực đại, vũ trụ sẽ chết do các quá trình truyền nhiệt không diễn ra. Hay nói một cách khác, khi năng lượng đã phát ra hết thì mặt trời sẽ chết, cách hành tinh káhc cũng chết, các hệ khác rồi cũng sẽ chết như vậy và cuối cùng cả vũ trụ sẽ chết. Rất may là lý thuyết này, xây dựng dựa trên thực nghiệm tại trái đất, đã bị gác bỏ vì nó không phù hợp với một hệ lớn như vũ trụ.
Vậy thì vũ trụ ngày mai là gì? Tôi cũng không biết nữa.
4. Vũ trụ của chúng ta:
Vũ trụ của chúng ta vẫn còn rộng lớn lắm! Những gì con người biết được chỉ là một phần nhỏ của cái khoảng đen sâu thẳm ngoài kia. Nhưng chắc chắn với lòng ham mê khám phá của con người, bức màn đen tối ấy sẽ được hé dần. Trải qua hàng triệu năm, con người đã đi từ những ảo tưởng về một vũ trụ của thần linh đến một vũ trụ được cho là ngày càng tiệm cận với thực tiễn khách quan thì không có lí do gì, họ dừng bước trước những khó khăn hiện tại. Hàng ngày, những ngôi sao mới vẫn được tìm ra bởi những nhà quan sát nghiệp dư. Hàng ngày, vẫn đều đặn có những con người háo hức ngắm nhìn bầu trời với mong muốn tìm thấy một điều gì đó. Vậy tại sao người đó không phải là bạn? Bản thân tôi vũng còn hai câu hỏi lớn về vũ trụ mà vẫn chưa tìm được lời giải đáp thoả đáng: Trước vũ trụ là gì? Ngoài vũ trụ là gì?
Trong khuôn khổ bài viết, tôi không thể trình bày được hết tất cả các ý của mình. Chắc chắn sẽ còn nhiều thiếu sót, thậm chí là sai lầm, nhất là đối với một sinh viên năm 3 như tôi. Hi vọng rằng, qua bài viết, các bạn sẽ đóng góp, sữa chữa những sai lầm của tôi để tôi có thể bổ sung thêm kiến thức cho mình. Xin cám ơn và hẹn gặp lại ở những bài viết sau.
-------------------------
(1) Thuật Dị Ký - Nhiệm Phưởng - Thế kỷ VI
(2) Kinh Dịch - Sự sáng tạo của nền văn hiến Âu Lạc
(3) Thần thoại Hy Lạp
(4) Lịch sử Vật lý - Nguyễn Thị Thếp - Ban ấn bản nội bộ ĐHSP TPHCM - 2004
-------------------------
Câu nói tuần này: Không có gì là không thể.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét