Isaac NewtonKì cuối: Kiệt tác Principia và sự giải phóng cho nhân loại
Dù mang trong mình những chân lí vĩ đại về vũ trụ, tác phẩm của Isaac Newton từng đứng trước nguy cơ vĩnh viễn nằm lại trong bóng tối do sự kiệt quệ ngân sách của giới học thuật thời bấy giờ.
Nhờ sự hy sinh tài sản cá nhân và lòng kiên nhẫn vô bờ bến của Edmond Halley, kiệt tác Principia cuối cùng đã được xuất bản, vĩnh viễn thay đổi cách con người nhìn nhận quy luật vận hành của tự nhiên. Bài viết cuối cùng trong loạt bài này sẽ khắc họa lại quá trình chông gai để đưa bản thảo này đến tay công chúng và di sản vĩ đại mà Newton đã để lại, giúp nhân loại thoát khỏi những nỗi sợ hãi cổ xưa để hướng tới bầu trời.
Isaac Newton - Người bảo sanh cho nền khoa học hiện đại
Vào cuối năm 1684, sau chuyến viếng thăm lịch sử đến Cambridge, Edmond Halley nhận được một bản thảo dài chín trang viết bằng tiếng Latinh từ Isaac Newton, mang tựa đề De motu corporum in gyrum, nghĩa là Chuyển động của các vật thể trên quỹ đạo. Đoạn tài liệu ngắn ngủi này chứa đựng nền tảng toán học khổng lồ, chứng minh rõ ràng rằng lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chính là nguyên nhân tạo ra quỹ đạo hình elip của các hành tinh.
Nắm trong tay bằng chứng rực rỡ nhất của tư duy con người, Halley lập tức tức tốc mang bản thảo đến trình bày trước Hiệp hội Hoàng gia London. Nhận thức được tầm quan trọng vô giá của công trình này, hiệp hội đã ủy quyền cho Halley tiếp tục thuyết phục Newton mở rộng nghiên cứu thành một cuốn sách hoàn chỉnh, đồng thời cam kết sẽ đài thọ toàn bộ chi phí in ấn.
Từ lời động viên của Halley, Newton bước vào một giai đoạn làm việc điên cuồng kéo dài suốt mười tám tháng. Ông tự nhốt mình trong gian phòng nghiên cứu, cách ly hoàn toàn với thế giới bên ngoài để tập trung tuyệt đối vào việc viết sách. Cường độ làm việc của ông khắc nghiệt đến mức ông thường xuyên quên ăn, quên ngủ. Người thư kí của ông kể lại rằng có những ngày Newton thức dậy, nửa mặc quần áo và ngồi bất động trên mép giường hàng giờ đồng hồ vì mải mê chìm đắm vào một phương trình phức tạp.
Khi nảy ra ý tưởng mới, ông chạy thẳng đến bàn làm việc, đứng vội vã viết những con số lên giấy mà không kịp kéo ghế để ngồi xuống. Toàn bộ năng lượng và trí tuệ của ông dồn tụ lại để hoàn thiện tác phẩm mang tên Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, hay Các nguyên lí toán học của triết học tự nhiên, thường được gọi tắt là Principia. Tác phẩm được chia làm ba tập, phác họa toàn bộ bức tranh về cơ học và lực hấp dẫn.
Thế nhưng, khi Newton chuẩn bị hoàn tất tác phẩm, một thảm họa tài chính đã giáng xuống Hiệp hội Hoàng gia. Trước đó, tổ chức này đã đầu tư một số tiền khổng lồ để xuất bản cuốn Lịch sử các loài cá của tác giả Francis Willughby và John Ray. Cuốn sách được in ấn vô cùng xa hoa với hàng trăm bức tranh minh họa đắt tiền, nhưng lại vấp phải sự thờ ơ của công chúng. Doanh số bán ra thảm hại đến mức toàn bộ ngân khố của Hiệp hội Hoàng gia bị bòn rút cạn kiệt.
Họ không còn một đồng xu nào để trả lương cho nhân viên, buộc phải thanh toán tiền công cho chính Halley bằng hàng chục cuốn sách về cá đang nằm lay lắt trong kho. Đứng trước tình hình bi đát này, hiệp hội đành ngậm ngùi thông báo rằng họ không thể giữ lời hứa tài trợ chi phí in ấn cho tác phẩm Principia. Đứng trước nguy cơ mười tám tháng lao tâm khổ tứ của Newton bị ném vào quên lãng, Halley đã đưa ra một quyết định dũng cảm. Dù không phải là một người đàn ông giàu có, Halley đã tự bỏ tiền túi, gánh vác toàn bộ rủi ro tài chính để thuê thợ in và xuất bản cuốn sách.
Ngay khi vấn đề tiền bạc vừa được giải quyết, một cơn bão khác lại ập đến từ cái tôi cá nhân. Thông tin về việc Newton sắp xuất bản sách lan đến tai Robert Hooke. Hooke lập tức rêu rao tại các quán cà phê ở London rằng ông là người đầu tiên khám phá ra định luật hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, đồng thời yêu cầu Newton phải nhắc đến tên ông trong phần lời tựa của cuốn sách như một sự tri ân.
Khi Halley gửi thư báo cáo tình hình này cho Newton, vị giáo sư tại Cambridge đã nổi cơn thịnh nộ. Vết thương từ những cáo buộc ăn cắp ý tưởng về quang học nhiều năm trước lại mưng mủ. Newton phẫn nộ viết thư lại cho Halley, tuyên bố rằng ông sẽ rút lại hoàn toàn Tập Ba của cuốn sách, phần quan trọng nhất giải thích về hệ thống thế giới, chỉ để ngăn cản Hooke có cơ hội đòi hỏi sự công nhận. Newton thà phá hủy kiệt tác của chính mình còn hơn phải nhượng bộ trước kẻ thù.
Lúc này, Halley không đóng vai trò một nhà khoa học, mà trở thành một nhà ngoại giao tài ba và một bác sĩ tâm lí tận tụy. Bằng những lá thư thấm đẫm sự nhún nhường, tôn trọng và đầy lí lẽ, Halley ra sức xoa dịu cơn giận dữ của Newton. Halley giải thích rằng thế giới khoa học đều hiểu rõ chân giá trị thuộc về người chứng minh được định luật bằng toán học, chứ không phải kẻ chỉ đưa ra những phỏng đoán mơ hồ vô căn cứ.
Halley tha thiết cầu xin Newton đừng tước đoạt đi ánh sáng của nhân loại chỉ vì sự đố kị của một cá nhân. Sự kiên trì và chân thành của Halley cuối cùng đã làm mềm lòng vị thiên tài cố chấp. Newton đồng ý giữ lại Tập Ba, nhưng ông đã lạnh lùng gạch bỏ mọi sự liên hệ đến tên của Robert Hooke trong toàn bộ bản thảo. Sự tận tâm của Halley đã bảo vệ thành công tác phẩm vĩ đại nhất của thời đại khỏi nguy cơ bị bóp nghẹt ngay từ trong trứng nước.
Lực hấp dẫn thay thế người thợ đồng hồ
Sự ra đời của cuốn Principia vào năm 1687 đã làm thay đổi vĩnh viễn trật tự tư duy của nhân loại. Để hiểu được tầm vóc của sự kiện này, chúng ta cần nhìn lại quan niệm của con người về vũ trụ trong những thế kỉ trước đó. Trải qua hàng nghìn năm, từ thời triết học Hy Lạp cổ đại cho đến triết học kinh viện, con người luôn tin vào sự phân chia rạch ròi giữa Trái Đất và bầu trời.
Trái Đất được coi là nơi ngự trị của sự mục nát, hỗn loạn và không hoàn hảo, trong khi bầu trời và các vì sao là thế giới thần thánh, hoàn mỹ và tuân theo những quy luật siêu nhiên. Người ta tin rằng các hành tinh di chuyển trên những mặt cầu pha lê trong suốt, được đẩy đi bởi những thiên thần hoặc bởi một người thợ đồng hồ vĩ đại, hay nói cách khác là bàn tay của Chúa. Vũ trụ hoạt động giống như một cỗ máy khổng lồ cần có sự can thiệp liên tục của thần linh để không bị trật nhịp.
Newton đã đập tan toàn bộ sự phân chia hư ảo đó. Thông qua các định luật chuyển động và lực hấp dẫn phổ quát, ông chứng minh rằng không có bất kì sự khác biệt nào giữa quy luật vật lí trên Trái Đất và quy luật vận hành của các hành tinh ngoài không gian xa xôi. Lực khiến một quả táo rụng khỏi cành rơi xuống bãi cỏ ở trang trại Woolsthorpe cũng chính là lực vô hình đang giữ cho Mặt Trăng quay quanh Trái Đất và giữ cho Trái Đất quay quanh Mặt Trời. Vũ trụ không cần đến những mặt cầu pha lê hay sự xô đẩy của các thế lực siêu nhiên. Mọi vật thể, dù lớn hay nhỏ, dù nằm dưới đáy biển sâu hay đang lơ lửng giữa khoảng không bao la, đều tuân theo chung một phương trình toán học thống nhất.
Sự thống nhất cơ học thiên thể và cơ học mặt đất đã tước bỏ bức màn huyền bí bao phủ bầu trời đêm. Newton đã đưa ra một định nghĩa mới về lực hấp dẫn, một sức hút âm thầm nhưng mãnh liệt tồn tại giữa mọi khối lượng vật chất. Ông mô tả tỉ mỉ cách khối lượng của các vật thể và khoảng cách giữa chúng quyết định độ lớn của lực tương tác này.
Bằng các lập luận toán học chặt chẽ, ông giải thích được hiện tượng thủy triều dâng lên hạ xuống mỗi ngày là do lực hút từ Mặt Trăng và Mặt Trời tác động lên các đại dương trên Trái Đất. Ông tính toán được khối lượng của các hành tinh, giải thích sự phình ra ở xích đạo của Trái Đất do chuyển động tự quay, đồng thời làm rõ sự tiến động của điểm phân tạo ra sự dịch chuyển chậm chạp của trục Trái Đất. Tất cả những hiện tượng thiên nhiên phức tạp ấy đều được quy về những nguyên lí cơ bản nhất.
Thay vì khép lại các cuộc tranh luận thần học, tư tưởng của Newton mở ra vô số câu hỏi mới cho các thế hệ học giả. Nếu vũ trụ vận hành theo những định luật toán học chính xác và tự động giống như một hệ thống bánh răng hoàn hảo, vai trò của Đấng Tạo Hóa sẽ nằm ở đâu? Khám phá này đã dẫn đến sự hình thành của triết học tự nhiên mới, nơi Chúa không còn là người thợ đồng hồ phải liên tục vặn cóc hay sửa chữa cỗ máy vũ trụ mỗi ngày.
Thay vào đó, Chúa được nhìn nhận như một kiến trúc sư tối cao đã thiết lập nên các định luật vật lí ngay từ thuở hồng hoang, sau đó để cho tự nhiên tự vận hành theo trật tự đã được lập trình sẵn. Lực hấp dẫn đã chính thức thay thế đôi bàn tay của thần linh trong việc điều khiển quỹ đạo của muôn loài tinh tú. Con người giờ đây nhận ra rằng họ có thể dùng lí trí, quan sát và toán học để dự đoán chính xác tương lai của các hiện tượng thiên văn thay vì chìm đắm trong các lí giải dựa trên niềm tin tôn giáo.
Sức ảnh hưởng của tư duy mới mẻ này lan rộng vượt ra khỏi giới hạn của vật lí học. Các nhà triết học, kinh tế học và chính trị học bắt đầu áp dụng phương pháp luận của Newton vào các lĩnh vực xã hội. Họ hy vọng có thể tìm ra những định luật tự nhiên chi phối hành vi của con người, trật tự xã hội và sự vận hành của nền kinh tế giống như cách lực hấp dẫn chi phối các vì sao. Tư tưởng cốt lõi của cuốn Principia đã thổi bùng lên ngọn lửa của Phong trào Khai sáng tại châu Âu, giải phóng trí tuệ nhân loại khỏi bóng tối của sự mê tín, đề cao tư duy phản biện và năng lực tự quyết của loài người trước thiên nhiên kì vĩ.
Mở ra kỉ nguyên du hành vũ trụ
Để viết nên kiệt tác Principia và chứng minh các lí thuyết về lực hấp dẫn, toán học thời bấy giờ là hoàn toàn không đủ. Hình học cổ điển và đại số truyền thống chỉ có thể xử lí các vật thể ở trạng thái tĩnh hoặc di chuyển với vận tốc không đổi. Chuyển động của hành tinh hay vật rơi tự do lại liên tục thay đổi vận tốc trong từng khoảnh khắc, đòi hỏi một công cụ tính toán có khả năng đo lường sự thay đổi liên tục của các đại lượng.
Đứng trước sự thiếu hụt nghiêm trọng này, Newton đã tự mình phát minh ra một nhánh toán học hoàn toàn mới mang tên phép tính vi phân và tích phân. Sự ra đời của vi tích phân cung cấp cho giới khoa học một thứ ngôn ngữ sắc bén để nắm bắt sự chuyển động của vạn vật trong từng phần nghìn giây. Nó là chìa khóa vạn năng giúp giải quyết mọi bài toán về tốc độ, diện tích, thể tích và các giới hạn phức tạp nhất, trở thành nền tảng vô giá cho các ngành kĩ thuật hiện đại sau này.
Sử dụng thứ ngôn ngữ toán học đột phá đó, Newton đã vượt thời gian để đưa ra một trong những thí nghiệm tưởng tượng vĩ đại nhất lịch sử, đặt nền móng lí thuyết cho kỉ nguyên du hành vũ trụ. Trong tác phẩm của mình, ông yêu cầu người đọc hãy tưởng tượng một ngọn núi khổng lồ vươn cao vượt ra khỏi bầu khí quyển Trái Đất, nơi không còn sức cản của không khí.
Trên đỉnh ngọn núi ấy có đặt một khẩu đại bác. Nếu viên đạn đại bác được bắn ra với một lực vừa phải, nó sẽ bay theo một đường cong và rơi xuống mặt đất do lực hấp dẫn kéo lại. Nếu tăng lượng thuốc súng để viên đạn bay nhanh hơn, đường cong của nó sẽ vươn xa hơn trước khi chạm đất. Cứ tiếp tục tăng vận tốc, đường đi của viên đạn sẽ ngày càng mở rộng.
Newton lập luận rằng, ở một vận tốc bay nhất định, độ cong trong quỹ đạo rơi của viên đạn sẽ hoàn toàn trùng khớp với độ cong của bề mặt Trái Đất. Lúc này, viên đạn liên tục "rơi" về phía Trái Đất nhưng bề mặt Trái Đất cũng liên tục lùi xa dưới quỹ đạo cong của nó. Viên đạn sẽ bay vòng quanh hành tinh mà không bao giờ chạm đất, trở thành một vệ tinh nhân tạo lơ lửng trên không gian. Các tính toán hiện đại chỉ ra rằng, để đạt được trạng thái quỹ đạo này, vật thể cần một tốc độ khoảng 28.000 km/h.
Thậm chí, Newton còn chỉ ra rằng nếu viên đạn đại bác được bắn với một lực mạnh hơn nữa, vượt qua ngưỡng vận tốc thoát, khoảng 40.000 km/h, nó sẽ chiến thắng hoàn toàn lực hút của Trái Đất và bay mãi mãi vào không gian vũ trụ sâu thẳm. Thí nghiệm tưởng tượng này ra đời vào thế kỉ 17, hàng trăm năm trước khi con người chế tạo được tên lửa, nhưng nó đã cung cấp toàn bộ nền tảng lí thuyết chính xác cho phép các tàu vũ trụ và vệ tinh nhân tạo cất cánh rời khỏi hành tinh xanh.
Không dừng lại ở việc dự đoán khả năng rời khỏi Trái Đất, cuốn Principia còn là vũ khí để con người chiến thắng nỗi sợ hãi tột cùng trước những hiện tượng thiên văn dị thường. Từ thời cổ đại, mỗi khi sao chổi xuất hiện với cái đuôi rực sáng cắt ngang bầu trời đêm, hàng chục nghìn người lại rơi vào trạng thái hoảng loạn. Họ tin rằng sao chổi là điềm báo của dịch bệnh, chiến tranh, sự sụp đổ của các vương triều hoặc ngày tận thế đang cận kề.
Nỗi sợ hãi này ăn sâu vào tâm trí đám đông vì quỹ đạo của sao chổi dường như xuất hiện một cách vô trật tự và hoàn toàn bí ẩn. Dựa trên các phương trình hấp dẫn của Newton, Edmond Halley đã thu thập ghi chép lịch sử về các lần xuất hiện của sao chổi trong nhiều thế kỉ trước đó. Bằng các phép tính vi tích phân phức tạp, Halley chứng minh rằng các sao chổi xuất hiện vào các năm 1531, 1607 và 1682 thực chất chỉ là một vật thể duy nhất đang chuyển động quanh Mặt Trời trên một quỹ đạo hình elip kéo dài.
Halley sử dụng định luật Newton để dự đoán rằng sao chổi này sẽ quay trở lại bầu trời Trái Đất vào năm 1758. Mặc dù cả Newton và Halley đều qua đời trước khi có thể tận mắt chứng kiến thời khắc đó, nhưng khi sao chổi thực sự xuất hiện trên bầu trời vào đúng năm đã được dự đoán, toàn bộ thế giới khoa học đã nghiêng mình bái phục. Sự kiện này đã chặt đứt hoàn toàn mối liên kết cổ xưa giữa những quả cầu băng đá ngoài vũ trụ với nỗi sợ hãi tâm linh của con người. Con người nhận ra sao chổi không mang theo thông điệp hủy diệt của thánh thần, mà chúng cũng tuân thủ tuyệt đối các quy luật vật lí giống hệt như một hòn đá rơi trên mặt đất.
Cuốn Principia đã làm được điều vĩ đại nhất: Nó dạy cho nhân loại cách nhìn lên các vì sao bằng con mắt của trí tuệ, lí tính và sự khao khát khám phá, chấm dứt những thế kỉ dài giam mình trong nỗi ám ảnh của sự thiếu hiểu biết để chuẩn bị cho một tương lai vươn tới vũ trụ bao la. Tác phẩm của Newton, được tưới tắm bằng mồ hôi, nước mắt và sự hy sinh không mệt mỏi của một tình bạn khoa học chân chính, mãi mãi là ngọn hải đăng soi sáng con đường nhận thức của loài người.
