Isaac Newton sinh ngày 25 tháng 12 năm 1642 và mất ngày 20 tháng 3 năm 1727. Ông để lại một di sản khổng lồ cho nhân loại, những di sản mà chúng ta không thể thiếu dù đã 3 thế kỷ trôi qua.
Ra đời chỉ chưa đầy 1 năm sau khi Galileo Galilei qua đời, Newton may mắn hơn một chút so với Galileo khi mà ở thời đại của ông, cộng đồng khoa học đã có tiếng nói lớn hơn ở châu Âu - không còn cái thời mà người ta có thể bị đưa lên giàn thiêu hoặc bị tra tấn chỉ vì nói rằng Trái Đất không phải trung tâm của vũ trụ. Nhưng điều đó không có nghĩa rằng sự nghiệp của Newton là dễ dàng. Con đường của người đi tiên phong thì không khi nào là dễ dàng cả, nhất là khi đó là con đường để thay đổi nhận thức của cả nhân loại về thế giới tự nhiên.
Tưởng nhớ Newton nhân ngày mất của ông, chúng ta có thể điểm qua một số đóng góp quan trọng nhất của ông đối với khoa học.
Lực hấp dẫn
Mặc dù câu chuyện về quả táo rơi từ trên cây xuống rất phổ biến ngày nay, và thậm chí nhiều nhà giáo dục cũng hoàn toàn ngộ nhận về nó khi biến nó thành một câu chuyện để kể cho học sinh về lịch sử khoa học, nhưng thực tế thì không như vậy. Mọi tài liệu đều chỉ ra rằng câu chuyện này vốn chỉ tồn tại trong một ví dụ minh họa của chính Newton mà thôi. Nhưng sau đó nó đã được lan truyền và thậm chí một số họa sĩ biếm họa đã vẽ ra những bức tranh vui có hình một quả táo rơi vào đầu của Newton - khiến cho nhiều người sau này thậm chí tin rằng việc bị quả táo rơi vào đầu đã khiến Newton phát hiện ra lực hấp dẫn (Với tôi thì đây đúng là một tưởng tượng quá sức hài hước và ngây ngô). Mặt khác, một vấn đề lớn trong khoa học không thể được phát hiện ra chỉ ở một thời khắc nhất định. Một thời khắc có thể làm lóe lên một ý tưởng, còn để trở thành một lý thuyết hoàn chỉnh thì cần một quá trình nghiên cứu lâu dài cả về lý thuyết và thực nghiệm.
Định luật hấp dẫn của Newton được ông gọi đầy đủ là "định luật hấp dẫn phổ quát" (Law of Universal Gravitation). Nó cho biết mọi vật thể đều gây ra lực hấp dẫn cho những vật thể khác và ngược lại cũng chịu lực hấp dẫn của những vật khác dưới dạng lực kéo. Cụ thể, công thức của Newton cho biết lực hấp dẫn giữa hai vật thể bất kỳ tỷ lệ thuận với khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Điều đó có nghĩa là bất cứ vật thể nào có khối lượng đều gây ra lực hấp dẫn với mọi vật thể khác, không hề có ngoại lệ.
Nhờ có phát hiện vĩ đại này, các nhà khoa học đã có thể tính toán và dự đoán được chính xác chuyển động của các thiên thể, thậm chí hành tinh xa nhất trong Hệ Mặt Trời mà chúng ta đã biết cho tới nay là Sao Hải Vương cũng đã được tìm ra nhờ những tính toán dựa trên tương tác hấp dẫn, và cũng tương tự như vậy khi người ta dự đoán quỹ đạo của các sao chổi và nhiều loại thiên thể khác. Không chỉ thế, người ta cũng không thể thiếu các tính toán về lực hấp dẫn để tìm ra khả năng chịu lực của các công trình xây dựng lớn hay tải trọng của tàu thủy, máy bay hay tên lửa vũ trụ.
Nhiều lần, tôi được hỏi rằng có phải sau này Einstein đã lật đổ Newton khi đưa ra cách giải thích về trường hấp dẫn trong thuyết tương đối rộng hay không. Đây là một nhận định sai nhưng khá phổ biến. Cần nói rõ rằng, như bạn vừa thấy ở trên, nếu như Newton sai thì chúng ta đã không tìm ra Sao Hải Vương và cũng không thể tính toán chính xác cho các công trình như vậy. Trường hấp dẫn của Einstein đơn giản là một cách tiếp cận khác và hoàn thiện thêm hiểu biết của chúng ta về loại tương tác cực kỳ quan trọng này. Nói dễ hiểu hơn nữa, mô hình của Einstein là một cách giải thích chính xác và trực quan về hấp dẫn, còn định luật của Newton thì chỉ đơn giản là một công thức cho biết sự liên đới giữa độ lớn của lực hấp dẫn với khối lượng và khoảng cách của các vật thể (có thể tham khảo thêm bài này để nắm rõ hơn).
Cơ học Newton và khoa học hiện đại
Định luật hấp dẫn phổ quát nếu trên được Newton đề cập rất chi tiết trong tài liệu nổi tiếng có tên là "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" (Các phương pháp Toán học của Triết học tự nhiên - vào thời của Newton, từ "science" (khoa học) chưa ra đời, nên khoa học tự nhiên nói chung được gọi là triết học tự nhiên). Cũng trong tác phẩm này, Newton còn mô tả ba định luật khác mà ngày nay chúng ta gọi là những định luật cơ học của Newton.
Có lẽ chúng ta đều đã biết và không cần thiết phải nhắc lại cả ba định luật này. Nhưng điều tôi muốn nhắc qua ở đây là công thức của định luật thứ hai có dạng F = ma có thể được coi là một trong những công thức quan trọng nhất trong toàn bộ lịch sử khoa học. Dù rất đơn giản, nhưng nó có thể giúp bạn giải thích được rất nhiều hiện tượng tự nhiên, và làm cơ sở để xây dựng nên nhiều lý thuyết và công thức khác sau này.
Các định luật của Newton đã đưa khoa học sang một trang mới. Các nhà khoa học gọi toàn bộ hệ thống cơ học dựa trên những định luật này của Newton và cơ học Newton.
Newton cũng mô tả chi tiết phương pháp của mình trong việc xây dựng công thức, tiến hành thí nghiệm, thực hiện các phép đo và rút ra kết luận cho từng thí nghiệm. Những phương pháp của ông đa phần còn rất mới mẻ đối với giới khoa học khi đó, nhưng đã trở thành những chuẩn mực cho nghiên cứu khoa học sau này, mà đến tận ngày nay chúng ta vẫn đang tiếp tục sử dụng. Điều đó khiến cho Newton trở thành một trong những người tiên phong trong việc sáng lập ra nền khoa học thực nghiệm.
Giải tích
Điều khá đáng tiếc cho rất nhiều học sinh ngày nay là họ (ngay cả nhiều năm sau khi trưởng thành) không hiểu nổi tại sao lại có một nhánh toán học kỳ quái như giải tích trong trường học, bởi có lẽ chẳng ai nói cho họ cả.
Vào cuối thế kỷ 17, khi nghiên cứu chuyển động của các thiên thể dựa trên chính các định luật của mình, Newton nhận thấy rằng ông không thể mô tả chính xác chuyển động của các hành tinh chỉ nhờ những công thức toán học vốn có. Lý do đơn giản là trong tự nhiên không có chuyển động đều. Chuyển động của một hành tinh (cũng như của hầu hết mọi thứ bạn nhìn thấy hàng ngày) là chuyển động thay đổi liên tục cả vận tốc và hướng. Nói cách khác, ở hai thời điểm bất kỳ, dù chỉ cách nhau một phần nhỏ của một giây, thì vận tốc và hướng chuyển động của vật thể đã không hoàn toàn giống nhau.
Để giải quyết việc đó, Newton đã đi sâu vào toán học và khám phá ra phương pháp giải tích (mà như bạn đã biết, gồm hai nhánh chính là tích phân và vi phân). Phương pháp này cho phép tính toán sự thay đổi liên tục của vận tốc và hướng chuyển động, cũng như cho phép tính được vận tốc và hướng ở một thời điểm duy nhất bất kỳ, và qua đó có thể vẽ được đường chuyển động chi tiết của các thiên thể (thay vì mặc nhiên quỹ đạo của một hành tinh là một elip hoàn chỉnh). Việc này cũng áp dụng với mọi loại chuyển động khác mà bạn thấy hàng ngày, và mở rộng hơn nữa có thể giúp bạn vẽ những đường cong và tính toán độ dài của chúng (chẳng hạn: trong chiến tranh người ta áp dụng cách này để tính chính xác được điểm rơi của một viên đạn pháo được bắn ra, hay nếu bạn cần đo diện tích chính xác của một mảnh đất méo mó với đường biên uốn cong thì cách tính diện tích thông thường sẽ không áp dụng được).
Ban đầu, Newton không chủ động công bố những phương pháp toán học của mình, vì ông coi nó là công cụ cho các tính toán về vật lý thiên văn. Do đó, một nhà toán học khác là Gottfried Wilhelm Leibniz đã tìm ra nó (một cách độc lập so với Newton) và công bố. Vì vậy, các ký hiệu toán học ngày nay của tích phân và vi phân mà bạn sử dụng là của Leibniz. Nhưng chứng cứ lịch sử cho thấy cả Newton và Leibniz đều xứng đáng được coi là người sáng lập ra hệ thống toán học này.
Kính thiên văn phản xạ
Chiếc kính thiên văn đầu tiên của nhân loại ra đời vào năm 1609 bởi Galileo Galilei. Nó là một chiếc kính thiên văn khúc xạ với vật kính là một thấu kính hội tụ tiêu cự dài và thị kính là một thấu kính phân kỳ tiêu cự ngắn. Sau này, kính khúc xạ được Johanne Kepler hoàn thiện thêm bằng cách thay thị kính bằng một thấu kính hội tụ tiêu cự ngắn (kính thiên văn khúc xạ kiểu Kepler, được dùng phổ biến tới ngày nay).
Vấn đề của những chiếc kính thiên văn khúc xạ thời đó là khi ánh sáng đi qua vật kính, chúng bị khúc xạ và sinh ra hiện tượng sắc sai, khiến cho hình ảnh không thật sự sắc nét và ở viền của các vật thể được quan sát xuất hiện sự nhiễu loạn màu. Newton đã giải quyết việc này bằng cách sáng tạo ra một loại kính thiên văn mới, được gọi là kính thiên văn phản xạ. Loại kính này cho ánh sáng đi vào tới đáy ống kính và phản xạ trực tiếp trên một gương cầu lõm (vật kính) để đi tới một lăng kính (hoặc gương) đổi chiều trước khi đi tới thị kính. Chiếc kính đầu tiên của Newton được ông chế tạo vào năm 1668 (khi mới 26 tuổi), nó rất nhỏ nhưng có độ phóng đại 40 lần và khử được toàn bộ sắc sai thường thấy ở các kính khúc xạ.
Ngày nay, công nghệ chế tạo đã rất phát triển và việc khử sắc sai cho vật kính của các kính thiên văn khúc xạ là khá dễ dàng. Mặc dù vậy, các kính khúc xạ và kính phản xạ đều được sử dụng phổ biến ngày nay tùy theo mục đích của người sử dụng.
Bản chất của màu sắc
Chỉ một thời gian ngắn sau khi chế tạo ra kính thiên văn phản xạ, Newton công bố phát hiện của mình về ánh sáng và màu sắc. Ông thấy rằng ánh sáng mà chúng ta thấy hàng ngày (gọi là ánh sáng trắng) trên thực tế là sự kết hợp của nhiều tia sáng với màu sắc khác nhau. Nếu cho một chùm sáng trắng - chẳng hạn như ánh sáng Mặt Trời - đi qua một lăng kính, nó sẽ bị tán sắc và phân tách ra thành những tia sáng có màu khác nhau. Phát hiện này, hiển nhiên, mở đường cho mọi nghiên cứu về quang phổ, về tần số và bước sóng của ánh sáng mà chúng ta áp dụng cho tới tận ngày nay.
Kiệt tác của nhân loại
Đã ba thế kỷ từ khi Newton qua đời. Di sản của ông vẫn đang tiếp tục thúc đẩy nhân loại ngày càng tiến lên, để hiểu biết hơn về chính vũ trụ nơi chúng ta đang sống.
Để kết thúc bài viết này, tôi xin dẫn lại đoạn thơ được khắc trên đài tưởng niệm Newton ở tu viện Westminster (do tôi dịch ra tiếng Việt, từ bản gốc bằng tiếng Latin):
Ở đây yên nghỉ ngài Isaac Newton,
Người mà với sức mạnh trí tuệ dường như thần diệu
và những phương pháp toán học phi thường của mình
đã khám phá ra chuyển động của các hành tinh,
đường đi của các sao chổi,
thủy triều của đại dương,
sự đa dạng của những tia sáng,
và
điều mà chưa từng một học giả nào tưởng tượng nổi
đó là những tính chất của màu sắc.
Siêng năng, thông thái và trung thành
trong những giải thích về tự nhiên, về cổ đại và những bút tích thần thánh,
ông lấy triết lý của mình để tôn vinh Chúa toàn năng
và lấy nhiệt tâm của mình chứng minh cho điều giản đơn của Kinh thánh.
Những người quá cố có thể vui mừng vì đang được ở cùng một kiệt tác của nhân loại!
Ông sinh ngày 25 tháng 12 năm 1642 và mất ngày 20 tháng 3 năm 1727.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
