Kepler và cuộc cách mạng Copernic
Một cuộc đảo lộn lớn đã xảy ra trong lịch sử khoa học tự nhiên vào năm 1543 khi linh mục phụ tá người Ba Lan, Nicolas Copernic (1473-1543) xuất bản cuốn sách Về sự quay của các thiên cầu. Copernic đã đặt vấn đề xem xét lại vũ trụ địa tâm của Ptolémée trong đó Trái đất ngự ở trung tâm của vũ trụ, một vũ trụ đã trở thành chuẩn mực trong suốt hơn mười lăm thế kỷ. Giờ đây Trái đất bị đẩy vào hàng một hành tinh bình thường quay quanh Mặt trời, còn Mặt trời chiếm vị trí trung tâm. Quả là một đòn giáng mạnh vào tinh thần con người: con người không còn là trung tâm của thế giới và vũ trụ được tạo ra không còn để dành riêng cho con người nữa. Trong khi phần lớn những người đương thời với Copernic chỉ thấy trong hệ vũ trụ của ông một hệ thống toán học cho phép tính toán chính xác hơn quỹ đạo của các hành tinh nhưng vẫn chưa thực sự miêu tả được thế giới5 , thì Johannes Kepler (1571-1630), cha đẻ của thiên văn học hiện đại, đã là một trong số những người đầu tiên ý thức được tầm quan trọng của cuộc cách mạng trí tuệ được Copernic phát động.
Sau khi nghiên cứu thần học và toán học, vào năm 1594, chàng trai trẻ Kepler được chọn làm giáo viên toán của trường dòng Graz, ở Áo. Là người theo đạo Luther trong một Nhà nước Thiên chúa giáo, nên Kepler đã bị trục xuất khỏi Áo năm 1600. Ông sống lưu vong ở Praha. Cuộc gặp gỡ với nhà thiên văn học vĩ đại người Đan Mạch, Tycho Brahe (1546-1601) tại thủ đô nước Séc đã đánh dấu một bước ngoặt trong cuộc đời khoa học của Kepler. Không còn được vua Đan Mạch sủng ái nên Brahe sống lưu vong tại Bohême dưới sự bảo trợ của hoàng đế Rodolphe II. Ông đã thuê Kepler làm phụ tá để ghi chép những quan sát về bầu trời. Một năm sau ông qua đời, để lại cho chàng đồng nghiệp trẻ một kho báu vô giá các số liệu quan sát cực kỳ chính xác về chuyển động của các hành tinh được tích lũy trong khoảng hai chục năm - một thời gian đủ để nhìn thấy các hành tinh gần nhất thực hiện được nhiều vòng quay quanh Mặt trời. Là người bảo vệ nhiệt thành hệ thống Copernic, Kepler tin rằng các quan sát của Brahe sẽ giúp ông đột phá những bí mật về chuyển động của các hành tinh. Bất chấp một cuộc sống khó khăn6 , và sau bốn năm làm việc năng nhọc, Kepler, người kế tục Brahe với vai trò là nhà toán học hoàng gia trong cung đình của vua Rodolphe II, cuối cùng, vào năm 1605, đã công bố với thế giới ba định luật chi phối chuyển động của các hành tinh, cho dù chúng trái ngược với các niềm tin siêu hình của chính ông. Theo Kepler, Chúa là một nhà toán học và hình học, vì vậy các hành tinh phải đi theo các quỹ đạo có hình dạng hoàn hảo (hình tròn) theo một chuyển động hoàn hảo (tức là phải đều); vậy mà các quan sát của Brahe lại cứ ương ngạnh nói với ông một thực trạng hoàn toàn khác: các quỹ đạo hành tinh không tròn, mà có hình elip, và chuyển động của chúng không là đều, các hành tinh tăng tốc khi tiến gần Mặt trời và giảm tốc đi ra xa Mặt trời. Là một nhà khoa học đích thực, Kepler đã nghiêng mình trước phán quyết của quan sát.
Võng mạc là trung tâm của thị giác
Ngoài các công trình về chuyển động của các hành tinh ghi dấu ấn trong lịch sử khoa học, Kepler còn quan tâm đến các vấn đề quang học, trong đó có một số gắn liền với thiên văn học. Chẳng hạn, ông đã tự vấn tại sao đường kính của hình ảnh của Mặt trăng chiếu qua một lỗ vào trong buồng tối lại luôn lớn hơn giá trị mong đợi, làm cho hình ảnh bị nhòe. Ông đã rút ra kết luận đúng đắn rằng nguyên nhân ở đây chính là tại kích thước hữu hạn của cái lỗ. Nhưng, ông tiếp tục, nếu mắt là một buồng tối, như Léonard de Vinci giả định, và nếu các tia sáng đi vào mắt qua con ngươi có một kích thước nhất định, thì thế giới bên ngoài phải trình hiện trước mắt ta một cách mờ nhòe, không rõ nét. Tuy nhiên, thực tế lại không phải như vậy. Do đó, các hình ảnh mà mắt nhìn thấy phải được hình thành theo một cơ chế khác. Kepler đã nhận ra rằng cơ chế này chính là sự khúc xạ. Các tia sáng không lan truyền theo đường thẳng khi đi vào mắt, như trường hợp buồng tối, mà bị lệch hướng khi đi vào thủy tinh thể. Như vậy, mặc dù mượn phần lớn các quan điểm của Alhazen1 , nhưng Kepler không đồng ý với khẳng định của nhà khoa học Arập này theo đó chỉ có những tia đi vuông góc với giác mạc mới đóng góp cho thị giác. Tại sao một tia sáng rất gần với đường vuông góc với mắt lại không giúp gì cho thị giác? Điều đó không đúng! Kepler đã khẳng định một cách chính xác rằng tất cả các tia sáng đều đóng góp cho thị giác và sở dĩ chúng ta nhìn thấy rõ nét các hình ảnh, chính là bởi vì tất cả các tia này đều bị lệch hướng và hội tụ vào một điểm duy nhất khi đi vào mắt người.
Để kiểm tra giả thuyết của mình, Kepler đã miệt mài tiến hành các thí nghiệm với các bình thủy tinh tròn chứa đầy chất lỏng, giống như mắt. Ông đã chứng tỏ được rằng các tia sáng đi qua các bình thủy tinh nước ấy đều hội tụ vào một điểm duy nhất, và rằng hình ảnh là sáng và nét nếu độ mở mà các tia đi qua đó là tương đối nhỏ. Mắt có một độ mở nhỏ như thế (con ngươi) và một thấu kính (thủy tinh thể) để hội tụ các tia sáng. Nhưng hình ảnh được hình thành ở đâu? Vẫn rất chính xác, Kepler cho rằng nơi hội tụ các tia sáng và hình thành các hình ảnh là võng mạc - chứ không phải là thủy tinh thể như Alhazen và Galien đã nghĩ. Sau hai nghìn năm lý thuyết về thị giác, vai trò của võng mạc là trung tâm của thị giác cuối cùng đã được thừa nhận.
Nhưng Kepler cũng vấp phải vấn đề đã từng hấp dẫn Léonard de Vinci: các hình ảnh của thế giới bên ngoài trên võng mạc bị đảo ngược (H. 5). Ông viết: “Thị giác tạo bởi một hình ảnh của vật nhìn thấy được trên thành màu trắng và lõm của võng mạc; và các vật của thế giới bên ngoài nếu ở bên phải sẽ xuất hiện ở bên trái, những vật ở bên trái sẽ xuất hiện ở bên phải, ở trên thì lộn xuống dưới, ở dưới ngược lên trên”.
Hình 5. Hệ thị giác theo Johannes Kepler (1571-1603). Nhà thiên văn học người Đức này là người đầu tiên phát biểu rõ ràng rằng võng mạc là trung tâm của thị giác. Chính ông cũng đã phải đối mặt với vấn đề về các hình ảnh bị lộn ngược. Ông đã đưa ra giả thuyết mang tính cách mạng cho rằng có thể là não đã tái lập lại chiều chính xác của vật. Nhưng ông cũng đã đưa ra một giả thuyết khác sai lầm, gọi là “lý thuyết phóng chiếu” (xem hình vẽ): hình ảnh bị lộn ngược được phóng vào không gian giúp tái lập lại hướng đúng cho hình ảnh. Kepler đã không thể hoàn toàn thoát khỏi tư tưởng “ngọn lửa bên trong” của người Hy Lạp.
Thị giác được tạo ra cả trong mắt và trong não
Vậy thì tại sao chúng ta lại không nhìn thấy thế giới bị lộn ngược? Léonard de Vinci giải thích điều đó bằng sự đảo chiều kép được thực hiện khi các tia sáng khi đi qua thủy tinh thể làm cho các vật trở lại chiều đúng của chúng. Nhưng sự đảo ngược kép này đã diễn ra như thế nào? Kepler đã cố gắng tìm hiểu cách giải thích của Léonard de Vinci, nhưng không có kết quả. Tất nhiên là ông không thể hiểu được bởi vì quan niệm đó là sai lầm! Từ đó ông rút ra kết luận rất đúng đắn rằng Léonard đã đi sai đường và rằng hình ảnh tạo thành trên võng mạc đúng là bị lộn ngược. Ông đã khẳng định điều đó bằng các phẫu tích mắt bò do chính ông tự tay thực hiện và những phẫu tích này đều cho thấy rõ các hình ảnh bị lộn ngược trên võng mạc. Kepler khẳng định, điều xảy ra đối với hình ảnh bị đảo ngược sau khi được dây thần kinh thị giác của mắt truyền tới não trong phần gọi là lương tri (sensus communis) nơi mà sự tri giác cuối cùng coi như đã được khu biệt, không còn là một vấn đề của quang học nữa, và do đó không còn thuộc phạm vi của vật lý học mà là của sinh lý học. Bằng một cơ chế nào đó chưa rõ, não biết cách tái lập lại sự định hướng đúng của vật, và nhờ đó mà chúng ta nhìn thấy các vật theo đúng chiều thuận của chúng. Như vậy, Kepler là người đầu tiên gợi ý rằng não có thể đóng một vai trò tích cực trong thị giác, rằng chúng ta nhìn cả bằng mắt và bằng não. Nhiều thế kỷ sau, vai trò chính xác của não trong quá trình thị giác mới được làm sáng tỏ.
Trung thành với quan niệm huyền bí về thế giới, Kepler đã gán cho ánh sáng một tính chất siêu hình: ánh sáng có lẽ là sự biểu hiện của Chúa. Ngược lại với Aristote, ông cho rằng ánh sáng (thực thể phi vật chất) và màu sắc (tính chất của các vật được chiếu sáng) không cần môi trường trung gian để lan truyền. Ánh sáng lan truyền tức thời: vận tốc của ánh sáng là vô hạn. Bù lại, Kepler chấp nhận quan niệm của Aristote về “ánh sáng tiềm năng” của các vật có màu. Tiềm năng này được thực tại hóa nhờ ánh sáng bên ngoài. Các màu hiện diện bên trong chứ không phải ở trên bề mặt của các vật. Chính vì thế mà sự phản xạ ở bề mặt của các chất lỏng không làm thay đổi màu của các tia tới. Còn về một số kim loại cho sự phản xạ có màu sắc, đó là do chúng đã thêm ánh sáng có màu của chúng vào ánh sáng bên ngoài.
Tư tưởng nghi ngờ của Descartes
Đến cuối thế kỷ XVII, chủ nghĩa Aristote mất dần ảnh hưởng và suy tàn. Lúc này nhu cầu xem xét lại toàn bộ hệ tư tưởng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Triết gia kiêm nhà toán học Pháp, René Descartes (1596-1650) là người đóng vai trò tiên phong trong cuộc cách mạng về quan niệm này. Sinh ở Touraine, là con trai của một gia đình quý tộc ở Rennes, Descartes học phổ thông tại các trường dòng Tên và năm hai mươi tuổi đỗ cử nhân luật ở Paris. Sau đó ông nhập ngũ và chu du khắp châu Âu, “lăn lộn đây đó khắp nơi, tự trao cho mình nhiệm vụ làm khán giả chứ không phải diễn viên trong các tấn trò đời đang diễn ra ở đó”. Từ năm 1629, ông lập nghiệp ở Hà Lan, sống ở đó hai mươi năm và thường xuyên gặp gỡ giới trí thức tinh hoa của nước này. Năm 1648, ông đến Stockholm theo lời mời của nữ hoàng Thụy Điển, Christine, người muốn theo học triết học của ông. Để tận dụng tối đa thời gian có mặt của Descartes, vị nữ hoàng trẻ trung này hẹn gặp từ 5 giờ sáng vị triết gia khốn khổ vốn không bao giờ dậy trước 12h trưa! Sức khỏe của Descartes suy sụp và ông mất năm 54 tuổi.
Toán học đóng vai trò quan trọng trong tư tưởng của Descartes. Đối với ông cũng như đối với Galileo (1564-1642), toán học là ngôn ngữ của tự nhiên. Descartes sáng tạo ra hình học giải tích, cho phép ông mô tả bằng phương trình các hình hình học như hình tròn hay hình tam giác. Tin vào sự thống nhất cơ bản của các khoa học, ông coi các khoa học, cũng như toán học, phần lớn đều có thể được suy ra bằng lý trí thuần túy. Ở điểm này, ông đi ngược lại với Kepler và Galileo, hai nhà khoa học này nhấn mạnh sự cần thiết phải quan sát và thực nghiệm để giải mã các bí mật của tự nhiên, nhưng đồng thời không hề phủ nhận vai trò cơ bản của toán học. Như vậy Descartes là biểu tượng của "chủ nghĩa duy lý”.
Descartes xây dựng hệ tư tưởng của ông dựa trên sự nghi ngờ: tất cả đều phải được xem xét lại, vì các giác quan của chúng ta đều có thể bị nhầm lẫn. Xét cho cùng, trong giấc mơ chúng ta thấy các vật cũng thật như khi chúng ta thức. Nhưng, theo Descartes, ít nhất có một điều không thể bị xem xét lại, đó là bản thân việc mình đang nghi ngờ. Khi nghi ngờ, cần phải tư duy và, bởi vì tư duy, nên phải tồn tại với tư cách là người tư duy. Từ đó có câu nói nổi tiếng: "Tôi tư duy, vậy tôi tồn tại”, mở đầu cho tác phẩm Luận về phương pháp xuất bản năm 1636 và được dùng làm dẫn nhập cho các tiểu luận của ông về Khúc xạ học, Sao băng và Hình học. Trong Luận về phương pháp, Descartes đã trình bày các phương pháp "để dẫn dắt lý trí một cách đúng đắn và để tìm kiếm chân lý trong khoa học”, nói cách khác là để xóa bỏ khoa học cũ và xây dựng lại khoa học dựa trên các căn cứ duy lý.
Thị giác giống như cây gậy của người mù
Theo Descartes, hiện thực có hai khía cạnh hoàn toàn khác nhau: khía cạnh tinh thần và khía cạnh thế giới vật chất. Đó chính là "nhị nguyên luận” nổi tiếng của ông. Tinh thần là ý thức thuần túy, không trải rộng trong không gian (tức không có quảng tính) và không thể phân chia. Trái lại, vật chất hoàn toàn không có ý thức, có quảng tính không gian và có thể chia nhỏ đến vô cùng. Descartes có một quan niệm nguyên tử luận về không gian này. Không gian mà ông gọi là plenum chứa đầy các hạt có kích thước và hình dạng khác nhau. Lý thuyết hạt của Descartes khác với học thuyết nguyên tử của Démocrite ở chỗ nó bác bỏ sự tồn tại của chân không và cho rằng vật chất chia nhỏ được đến vô cùng.
Descartes áp dụng quan niệm không gian của ông cho ánh sáng theo cách sau: giữa mắt và mỗi vật tồn tại một cột plenum mà ánh sáng lan truyền qua với vận tốc vô hạn. Nói cách khác, sự lan truyền của ánh sáng là tức thời. Ánh sáng không phải là vật được phóng ra cũng không phải là chất lỏng, mà là một "xu hướng chuyển động”. Nói theo ngôn ngữ hiện đại, thì đó là một dạng sóng lan truyền trong không gian chứa đầy các hạt mà không làm dịch chuyển đáng kể bản thân các hạt này. Từ quan niệm như thế về ánh sáng, Descartes đã rút ra một phương pháp tiếp cận mang tính cơ giới về thị giác. Theo ông, thị giác giống như cây gậy của người mù; để tìm đường đi, người mù dò dẫm bằng cách dùng cây gậy chạm vào các vật trên vệ đường. Ngay khi đầu gậy chạm vào một vật, một xung lực truyền ngay đến đầu kia của gậy chỗ tay cầm, và người mù nhận ra ngay vị trí của vật cản. Tương tự, một vật sáng tác động lên plenum quanh nó, gây ra trong mắt một xung động, và nhờ đó mà chúng ta nhìn thấy. Descartes miêu tả trong Luận về phương pháp: “Ánh sáng không là gì khác, trong các vật mà người ta gọi là sáng, một chuyển động nào đó, hay một tác động cực nhanh và mạnh, truyền đến mắt bạn qua không khí và các vật trong suốt khác, cũng giống như chuyển động hoặc xung động truyền đến tay người mù qua cây gậy”. Như vậy Descartes là người đầu tiên phát biểu rõ ràng một lý thuyết cơ giới về ánh sáng, về môi trường truyền và thị giác. Hoàn toàn có thể coi lý thuyết của ông là điểm mốc khởi đầu của quang học vật lý hiện đại.
Descartes và sự ra đời của sinh lý học thần kinh
Descartes cũng đề cập đến sinh lý học thông qua các hạt. Ông bác bỏ quan niệm phổ biến của những người đương thời cho rằng linh hồn là khởi nguyên của sự sống. Ông lấy lại thuyết linh khí (pneuma) của Galien nhưng dưới dạng giản lược và duy vật. Theo ông, tồn tại một chuỗi các hạt gọi là “linh hồn động vật” đi từ máu đến não, rồi từ tủy sống qua các dây thần kinh có đường kính thay đổi tùy theo các kích tố (stimuli). Ông đưa ra một quan điểm quan trọng và độc đáo, mà cho tới nay vẫn còn sức sống: một sự kiện tâm thần (một xúc cảm hay một cảm giác) luôn đi kèm với một sự kiện vật lý nào đó trong não. Nhưng, bởi vì tâm thần là phi vật chất và não là vật chất, vậy thì bằng cách nào chúng ảnh hưởng lẫn nhau? Câu trả lời của Descartes là bằng sự hỗ trợ của “tuyến tùng”, một điểm nhỏ của não. Theo Descartes, tuyến tùng điều khiển não bằng các chuyển động nhỏ, bằng cách mở và đóng các lỗ của nó, giống như một nhạc sĩ đàn organ điều khiển cho các ống mở hoặc đóng bằng cách ấn phím.
Descartes cũng quan tâm đến vấn đề thị giác, đặc biệt là vấn đề hình ảnh bị lộn ngược trên võng mạc do Kepler nêu ra. Ông xem xét và bác bỏ giả thiết cho rằng có một “người tí hon” (homunculus) trong đầu, nhìn hình ảnh trên võng mạc và tái lập lại chiều đúng của hình ảnh. Loại lập luận này nhanh chóng dẫn đến phi lý vì cần phải có một người tí hon khác nữa để tái lập chiều của hình ảnh trên võng mạc của homunculus, và cứ như vậy đến vô cùng. Sẽ có một chuỗi vô hạn các homunculus lồng vào nhau, giống như một chuỗi vô tận các con búp bê Nga.
Trong Luận về con người, Descartes đã xây dựng một lý thuyết cơ giới về thị giác. Theo ông, các dây thần kinh thị giác đi từ hai mắt vận chuyển đến não các thay đổi cơ học trên võng mạc do ánh sáng gây ra. Các dây thần kinh này hoạt động như các sợi dây căng truyền mọi nhiễu động từ đầu này đến đầu kia. Chẳng hạn, một hình ảnh kép về thế giới bên ngoài từ võng mạc của hai mắt được truyền lên não. Sau đó hai hình ảnh này được kết hợp thành một hình ảnh duy nhất trong “lương tri” của não (H. 6).
Về vấn đề hình ảnh trên võng mạc bị lộn ngược, Descartes đã nói rất dứt khoát: chính não đã tái lập lại chiều đúng của các hình ảnh, giúp chúng ta không nhìn thấy thế giới bị lộn ngược. Descartes còn đi xa hơn: hình ảnh trong não mà chúng ta tri giác được là một phiên bản đơn giản hóa của hình ảnh được gửi tới từ thế giới bên ngoài, và chính não đã bổ khuyết thêm những thông tin còn thiếu. Ông so sánh các hình ảnh trong não với các bức tranh. Các bức tranh không phải là sự tái hiện chính xác thế giới thực, tuy nhiên não của chúng ta biết nhận ra ở đó các đồ vật, con người hay phong cảnh bằng sự tri giác các nét cọ chấm phá đây đó. Đó là một quan niệm đi trước rất xa so với thời đại của ông: phải vài thế kỷ sau sinh lý học hiện đại mới đề cập đến vấn đề mã hóa có lựa chọn các đường viền của vật...
Đối với các con vật, mà Descartes coi là không có tâm hồn, các tín hiệu thị giác được tích hợp với các tín hiệu của các giác quan khác, như xúc giác và
Hình 6. Hệ thống thị giác theo René Descartes (1596-1650) (Luận về con người, Paris, 1664). Đó là một lý thuyết cơ giới: các dây thần kinh truyền lên não tất cả các thay đổi cơ học do ánh sáng gây ra trên võng mạc của mỗi mắt. Hai hình ảnh tới từ hai mắt sau đó được ghép với nhau và được tuyến tùng của não giải mã.
khứu giác, và được gắn kết với các dữ liệu của trí nhớ trong “lương tri”. Sau đó một xung động đi từ não đến các cơ bắp để tạo ra các phản xạ. Còn về con người, do vốn có một tâm hồn, nên các tín hiệu của các giác quan khác nhau được “tuyến tùng” giải mã để cho ta một nhận thức cảm tính. Liên quan đến sự tri giác các màu, Descartes nghĩ rằng đó là do các cuộn xoáy của các hạt. Descartes cho rằng, trái ngược với ánh sáng lan truyền bằng các xung động theo đường thẳng, các màu đến mắt là do chuyển động quay của các hạt.
Như vậy, Descartes là người đầu tiên cố gắng khai mở các con đường từ sự tri giác thế giới bên ngoài cho đến bộ não. Theo nghĩa này, ông có thể được coi là cha đẻ của ngành sinh lý học thần kinh hiện đại.
Rômer và vận tốc ánh sáng
Aristote cho rằng thị giác bắt nguồn từ một thay đổi tức thời môi trường do ánh sáng xung quanh gây ra. Ngoại trừ Alhazen và một số rất ít các nhà bác học khác, cho tới thế kỷ XVII tất cả các nhà tư tưởng vẫn đinh ninh rằng sự lan truyền ánh sáng là tức thời và vận tốc của ánh sáng là vô hạn. Xét cho cùng, mỗi buổi sáng khi tỉnh dậy và mở mắt ra, chúng ta có cảm giác rằng các hình ảnh của thế giới xung quanh xâm chiếm tức thì ý thức của chúng ta. Địa vị siêu hình học của ánh sáng thời Trung cổ vẫn còn tiếp tục củng cố niềm tin này: bởi vì ánh sáng là biểu hiện của Chúa mà Chúa thì hiện diện khắp nơi, nên sự lan truyền của ánh sáng phải là tức thời. Ngay cả Kepler và Descartes, những người đã khai mở kỷ nguyên khoa học hiện đại, cũng khư khư giữ chặt quan điểm cho rằng ánh sáng đến với chúng ta mà không cần mất một khoảng thời gian nào.
Trung thành với danh tiếng là người quan sát tự nhiên, Galileo là người đầu tiên tiến hành thí nghiệm để kiểm tra giả thiết này. Ông đặt hai người ở hai vị trí khác nhau, mỗi người cầm một cái đèn lồng. Ông yêu cầu họ gửi cho nhau các chớp sáng bằng cách đưa tay che trước đèn, rồi sau đó rút tay lại. Mỗi người phải trả lời cho người kia bằng một chớp sáng ngay khi nhận được chớp sáng do người kia phát ra. Galileo nhận xét một cách đúng đắn rằng nếu ánh sáng phải mất thời gian để lan truyền, thì các khoảng thời gian giữa hai chớp sáng kế tiếp nhau xuất phát từ cùng một người phải càng dài nếu khoảng cách giữa hai người càng xa. Nhưng, khi tách hai người ra xa hơn, ông không phát hiện ra bất kỳ khác biệt nào. Từ đó Galileo kết luận rằng hoặc là sự lan truyền ánh sáng là tức thời, hoặc là vận tốc của ánh sáng là cực lớn.
Phải mãi tới sau này, nhà thiên văn học người Đan Mạch là Ole Rômer (1644-1710) mới chứng minh được rằng kết luận thứ hai của Galileo là đúng. Năm 1671, vua Louis XIV mời Rômer đến làm việc tại Đài thiên văn hoàng gia Paris mà ông vừa thành lập. Tại đây, Rômer chuyên nghiên cứu vấn đề quỹ đạo của một trong các mặt trăng của Mộc tinh, tên là Io, được Galileo phát hiện năm 1610 ngay sau khi phát minh ra kính thiên văn. Rômer xác định thời gian để Io đi hết một vòng quỹ đạo của nó quanh Mộc tinh bằng cách đo khoảng thời gian giữa hai lần nguyệt thực liên tiếp của mặt trăng Mộc tinh, nguyệt thực này xảy ra trong mỗi vòng quay khi Io đi qua phía sau Mộc tinh. Ông phát hiện ra một hiện tượng lạ: thời gian để Io thực hiện được một vòng quay quanh Mộc tinh không cố định, mà thay đổi theo chu kỳ (trung bình là 42 giờ rưỡi). Thời gian này tăng khoảng 20 phút khi Trái đất, trong chuyến chu du hằng năm quanh Mặt trời, ở xa Mộc tinh nhất, và giảm cũng chừng ấy thời gian khi Trái đất gần Mộc tinh nhất (H. 7). Mà thời gian Io quay một vòng quanh Mộc tinh không thể thăng giáng, cũng giống như Mặt trăng luôn quay quanh Trái đất một vòng hết đúng một tháng.
Rômer đã giải thích chính xác độ lệch biểu kiến của chu kỳ quỹ đạo của Io là bằng chứng cho thấy ánh sáng từ Io phải mất một khoảng thời gian nhất định để đến được Trái đất, và khoảng thời gian gần 20 phút (giá trị chính xác đo được bằng các máy đo hiện đại là 16 phút 36 giây) là ứng với thời gian bổ sung cần thiết để ánh sáng đi từ Io tới vị trí xa nhất của Trái đất1(Sau đó, năm 1678, nhà vật lý học người Hà Lan Christian Huygens, dựa trên các quan sát của Rômer về Io, đã tính toán vận tốc của ánh sáng trong chân không khá gần với giá trị 300.000km/s mà chúng ta biết ngày nay.) . Sở dĩ Rômer thành công ở chỗ mà Galileo đã thất bại, đó là vì khoảng cách Mộc tinh - Trái đất là khoảng 600 triệu kilômét, trong khi hai người truyền cho nhau các chớp sáng trong thí nghiệm của Galileo chỉ cách nhau vài trăm mét! Bởi vì vận tốc của ánh sáng là cực lớn (7,5 lần vòng quanh trái đất trong một giây), nên phải dùng các khoảng cách thiên văn mới có thể làm sáng tỏ được sự chênh lệch thời gian mà ánh sáng phải mất để đến được chúng ta. Như vậy quan niệm của Descartes về một plenum truyền tức thời các thay đổi cơ học do ánh sáng gây ra là hoàn toàn sai lầm.
Hình 7. Ole Rômer (1644-1710) đo vận tốc ánh sáng năm 1676. Nhà thiên văn học Đan Mạch đo khoảng thời gian giữa hai lần nguyệt thực liên tiếp của mặt trăng Io của Mộc tinh, từ hai vị trí khác nhau của Trái đất trên quỹ đạo của nó quanh Mặt trời: 1) khi Trái đất gần Mộc tinh và Io nhất, và 2) khi Trái đất cách xa chúng nhất. Kết quả của hai phép đo chênh nhau khoảng 20 phút: đó là thời gian cần thiết để ánh sáng đi qua khoảng cách bằng đường kính của quỹ đạo Trái đất. Chỉ cần chia khoảng cách này (tính bằng các kỹ thuật khác) cho thời gian 20 phút là biết vận tốc của ánh sáng.
Khúc xạ ánh sáng “bẻ gãy” các tia
Trong cùng một môi trường ánh sáng lan truyền theo đường thẳng. Khi ánh sáng gặp một vật, thì một trong hai hiện tượng sẽ xảy ra: hoặc là nó nảy trên bề mặt của vật để quay lại phía sau, và người ta nói ánh sáng bị phản xạ (chẳng hạn, khi bạn nhìn mình trong gương, thì chính ánh sáng của cơ thể bạn được phản xạ bởi gương đi vào trong mắt bạn); hoặc là ánh sáng đi vào môi trường mới trong suốt bằng cách thay đổi hướng, và người ta nói ánh sáng bị khúc xạ. Bốn thế kỷ trước CN, Euclide đã biết định luật phản xạ trên mặt phẳng: góc của tia tới tạo với pháp tuyến của mặt phẳng bằng góc của tia phản xạ với chính pháp tuyến đó (H. 8). Archimède (khoảng 287-212 tr.CN) đã chứng minh được rằng có thể tập trung toàn bộ ánh sáng tới vào tiêu điểm của gương nếu gương này có dạng parabol. Như vậy, người Hy Lạp đã biết làm chủ kỹ thuật chế tạo gương. Trên thực tế, Archimède đã thiêu rụi hạm đội La Mã đang vây hãm thành phố Syracuse bằng cách dùng các gương parabol khổng lồ tập trung ánh sáng mặt trời lên tàu địch. Ngày nay nguyên lý tập trung ánh sáng này vẫn được dùng trong kỹ thuật để chế tạo các kính thiên văn lớn.
Hình. 8. Các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng. (a) Đối với phản xạ, các góc tạo bởi tia tới và phản xạ so với pháp tuyến là bằng nhau. (b) Đối với khúc xạ, hiện tượng xảy ra khi, ví dụ, ánh sáng đi từ không khí vào nước (hoặc vào một môi trường trong suốt khác như thủy tinh, chẳng hạn). Trong trường hợp này, góc r lập bởi tia khúc xạ và pháp tuyến nhỏ hơn góc i của tia tới lập với pháp tuyến. Khi đi vào một môi trường trong suốt đặc hơn (còn gọi là chiết quang hơn), ánh sáng truyền chậm lại. Người ta định nghĩa chiết suất n bằng tỷ số sin i/ sin r. n là hằng số có giá trị bằng tỷ số của vận tốc của ánh sáng trong môi trường đầu kém chiết quang hơn (không khí chẳng hạn) với vận tốc trong môi trường sau chiết quang hơn (nước chẳng hạn). Đây chính là định luật Snell. Như vậy chiết suất luôn luôn lớn hơn 1. Giá trị của chiết suất đối với mặt phân cách không khí-nước là 1,333.
Người Hy Lạp cũng đã biết đến hiện tượng khúc xạ. Trong cuốn Quang học, Ptolémée miêu tả thí nghiệm đã từng được Euclide nhắc đến (bạn có thể dễ dàng tự mình thực hiện thí nghiệm này để bước đầu tìm hiểu các hiệu ứng của khúc xạ ánh sáng): đặt một cái bát to lên bàn và thả xuống đáy bát một đồng tiền xu. Hãy ngồi ở một chỗ sao cho bạn không thể nhìn thấy đồng tiền xu nếu không hơi nhổm người lên. Nghĩa là đồng xu đã nằm ngoài tầm mắt của bạn. Sau đó hãy đổ nước từ từ vào trong bát. Mức nước tăng lên và, đến một lúc nào đó, bạn sẽ nhìn thấy đồng xu mà không phải nhổm người lên. Sở dĩ bạn nhìn thấy đồng xu là nhờ khúc xạ ánh sáng: không có nước, các tia sáng xuất phát từ đồng xu không đi vào mắt; có nước, tia sáng bị lệch về phía đáy và đi vào mắt nên bạn có thể nhìn thấy nó (H. 9). Một thí nghiệm khác cũng minh họa những hiệu ứng lạ của khúc xạ: đặt một cái bút chì vào trong bát nước và bạn thấy cái bút chì này dường như không còn là một vật nguyên vẹn nữa, mà trông cứ như bị cắt làm đôi; khúc xạ làm cho phần bị chìm dưới nước trông cứ như không gắn với phần nằm trên mặt nước.
a) không có nước
b) đầy nước
Hình 9. Trong trường hợp (a), bát không có nước và đồng xu không được nhìn thấy từ nơi người ngồi quan sát; trong trường hợp (b), bát đầy nước, ánh sáng đi từ đồng xu bị khúc xạ và người quan sát vẫn ở vị trí đó có thể nhìn được nó.
Mặc dù đã nghiên cứu về khúc xạ, nhưng Ptolémée vẫn chưa biết các định luật chi phối ánh sáng khúc xạ1 . Nhà bác học Arập Alhazen đã đưa ra một lý thuyết về khúc xạ ánh sáng vào năm 1000, nhưng không phải bằng ngôn ngữ toán học. Tuy nhiên, trực giác của ông đã tỏ ra đúng đắn. Ông đã cho ánh sáng một vận tốc hữu hạn và thừa nhận ra rằng vận tốc ánh sáng phụ thuộc vào môi trường mà nó đi qua7 8 . Alhazen tách vận tốc ánh sáng làm hai thành phần: một vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, chẳng hạn không khí và nước, và một song song với mặt phân cách ấy; ông nghĩ rằng thành phần song song của tia sáng chậm hơn thành phần nằm vuông góc khi ánh sáng đi vào một môi trường chiết quang hơn (như từ không khí vào nước), làm cho ánh sáng bị lệch về phía pháp tuyến của của mặt phân cách (H. 8).
Ánh sáng đi chậm hơn hay nhanh hơn khi đi vào môi trường chiết quang hơn?
Người đầu tiên thiết lập được công thức toán học về định luật khúc xạ là Kepler. Trong cuốn Khúc xạ học1 , Kepler cho rằng tỷ số của góc tới (tức là góc lập bởi tia và pháp tuyến) và góc khúc xạ là không đổi. Nhưng định luật này chỉ đúng đối với các góc nhỏ. Phải đợi đến thế kỷ XVI, nhà khoa học người Hà Lan Willibrord Snel (1580-1626) mới phát hiện ra định luật đúng về khúc xạ: tỷ số của sin góc tới và sin góc khúc xạ là không đổi, dù góc tới có là thế nào chăng nữa9 10 . Định luật khúc xạ được phát hiện sau khoảng một nghìn năm nghiên cứu này là một trong những định luật đầu tiên của vật lý học được phát biểu một cách định lượng.
Nhưng nếu Snel biết miêu tả hành trạng của ánh sáng khúc xạ bằng một công thức toán học, thì ông lại không thể giải thích được nó. Descartes cố gắng tìm ra nguồn gốc của định luật của Snel bằng cách mượn ý tưởng của Alhazen: chính sự thay đổi vận tốc của tia sáng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác là nguyên nhân của hiện tượng khúc xạ. Nhưng sơ đồ của ông là ngược với sơ đồ của Alhazen: thay vì phần ánh sáng song song với mặt phân cách giữa hai môi trường chậm lại so với thành phần vận tốc thẳng đứng không thay đổi, Descartes lại cho rằng thành phần vận tốc thẳng đứng tăng lên so với thành phần song song không thay đổi. Ông cho rằng tỷ số sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là không đổi và bằng tỷ số của vận tốc ánh sáng trong nước và vận tốc ánh sáng trong không khí. Nhưng, bởi vì góc tới lớn hơn góc khúc xạ, nên theo Descartes, ánh sáng đi trong nước nhanh hơn đi trong không khí. Vận tốc của ánh sáng tăng khi chuyển từ một môi trường kém chiết quang sang một môi trường chiết quang hơn: một kết quả chí ít cũng là hoàn toàn phi trực giác!
Sau này bằng cách mượn lại các quan điểm của Alhazen và Descartes, nhà bác học người Anh, Isaac Newton (1642-1727) đã dùng những suy luận theo thủy động lực học để đưa ra một sự biện minh sai lầm: các kênh hẹp hơn trong môi trường đặc hơn sẽ buộc ánh sáng phải đi nhanh hơn, giống như nước chảy nhanh hơn khi chúng ta bóp nhỏ đường kính của ống ở chỗ nước phun ra. Nhưng lương tri của chúng ta chống lại sự biện minh đó: nó mách bảo chúng ta rằng một môi trường càng đặc (tức chiết quang hơn) sẽ cản trở càng mạnh sự truyền của ánh sáng, và ánh sáng càng bị chậm hơn, chứ không phải ngược lại!
Fermat và nguyên lý tiết kiệm của tự nhiên
Quan điểm nào đúng? Ánh sáng đi nhanh hơn hay chậm hơn khi đi vào môi trường đặc hơn? Người đưa ra câu trả lời cuối cùng là Pierre Fermat (1601-1665). Sinh cùng thời với Descartes, Fermat là thẩm phán tòa Toulouse và là nhà toán học nổi tiếng. Ông là tác giả của nhiều lý thuyết trong đó có lý thuyết xác suất và phép tính vi tích phân cùng với Newton và Gottfried Liebniz (1464-1716). Ông nổi tiếng với định lý cuối cùng, viết nguệch ngoạc bên lề một cuốn sách, và ba thế kỷ rưỡi sau không một nhà toán học vĩ đại nào trên toàn thế giới có thể chứng minh được11 . Quan tâm đến vấn đề khúc xạ, Fermat hiểu biết khá sâu sắc và tổng hợp về hiện tượng này. Ông bác bỏ định đề của Descartes theo đó “chuyển động của ánh sáng trong các môi trường đặc hơn là dễ dàng hơn và nhanh hơn trong các môi trường loãng hơn. Định đề này có vẻ ngược với ánh sáng tự nhiên”.
Để chứng minh định lý Snel, ông sử dụng nguyên lý mục đích luận của tự nhiên, theo đó tự nhiên thực hiện mọi việc một cách tiết kiệm và dè sẻn: “Chứng minh của chúng tôi dựa trên một định đề duy nhất nói rằng tự nhiên vận hành bằng các phương tiện và con đường dễ nhất và thoải mái nhất” - ông viết. Định đề mang tính mục đích luận này đối lập với quan điểm cơ giới luận của Descartes. Đây không phải là lần đầu tiên nguyên lý tiết kiệm này xuất hiện trong lịch sử của vật lý học. Thực tế, rất nhiều nhà tư tưởng từ thời Cổ đại đã nhắc đến nguyên lý tiết kiệm. Chẳng hạn, để giải thích định luật phản xạ, Héron d'Alexandrie là người đầu tiên đã phát biểu một cách rõ ràng nguyên lý tiết kiệm vào thế kỷ thứ nhất: “Tự nhiên không làm bất cứ việc gì vô ích”. Thời Trung cổ, Robert Grosseteste (“Tự nhiên luôn hành động theo cách ngắn gọn nhất có thể”) và Dante Alighieri (“Tất cả những gì rườm rà đều không làm Chúa và tự nhiên thích thú”) cũng đã hưởng ứng nguyên lý tiết kiệm này. Đến thời Phục hưng, Léonard de Vinci đã nhắc đến nguyên lý tiết kiệm: “Ôi, sự tất yếu diệu kỳ {...} mọi hành động tự nhiên đều phải tuân theo ngươi bằng con đường ngắn nhất, với tư cách là một nguyên lý không thể tránh được”. Galileo cũng đã sử dụng nguyên lý tiết kiệm trong các nghiên cứu về chuyển động: “Cuối cùng, trong nghiên cứu này về chuyển động có gia tốc, chúng tôi như bị cầm tay dắt đi, khi quan sát quy tắc mà tự nhiên thường đi theo trong tất cả các hoạt động khác của nó, ở đó tự nhiên có thói quen hành động bằng các phương tiện thông thường nhất, đơn giản nhất, dễ dàng nhất”.
Fermat đã áp dụng nguyên lý tiết kiệm này cho hành trạng của ánh sáng: một tia sáng đi từ điểm này đến điểm khác trong một khoảng thời gian ngắn nhất có thể. Khi kết hợp với hai nguyên lý khác - nguyên lý vận tốc truyền ánh sáng hữu hạn trong không khí hoặc trong một môi trường trong suốt đồng tính, và nguyên lý vận tốc ánh sáng chậm lại trong một môi trường đặc hơn, - ông đã chứng minh được định luật khúc xạ ánh sáng của Snell. Chẳng hạn, khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn, như từ không khí sang nước, chẳng hạn, thì tỷ số sin của góc tới với sin của góc khúc xạ là hằng số, lớn hơn 1 và bằng tỷ số của vận tốc ánh sáng trong không khí với vận tốc của ánh sáng trong nước. Tỷ số này ngược với tỷ số sai lầm mà Descartes thu được, làm cho ông đi đến suy nghĩ không đúng rằng vận tốc của ánh sáng trong nước lớn hơn vận tốc trong không khí.
Vấn đề cứu người chết đuối
Nguyên lý tiết kiệm không chỉ áp dụng cho hành trạng của ánh sáng. Nó còn có các hệ quả khác thực tiễn hơn. Chẳng hạn, vấn đề mà Fermat giải quyết cho đường đi của ánh sáng cũng là bài toán mà một nhân viên cứu hộ phải giải để cứu một người bơi bất cẩn đang bị chìm. Người cứu hộ phải làm thế nào để đến chỗ người chết đuối nhanh nhất có thể. Anh ta có thể lựa chọn đường đi. Có thể chạy thẳng xuống nước theo hướng vuông góc với bờ biển và sau đó bơi đến chỗ người bị nạn. Nhưng bơi sẽ mất nhiều thời gian hơn chạy trên bờ biển, và anh ta có nguy cơ đến muộn. Cũng có thể chạy một khoảng cách dài nhất có thể trên bờ biển nơi anh ta thấy gần người bị nạn nhất rồi sau đó bơi thẳng (vuông góc) từ bờ biển đến chỗ người bị nạn. Hoặc cũng có thể đi theo một con đường nào đó là trung gian giữa hai con đường vừa nêu ở trên. Nguyên lý tiết kiệm nói với chúng ta rằng đường đi nhanh nhất đối với người cứu hộ là sẽ là một trong số những con đường trung gian đó.
Ngay lập tức nghiên cứu của Fermat đã bị các học trò của Descartes tấn công, đặc biệt là Claude Clerselier. Clerselier phê bình Fermat đã sử dụng một nguyên lý mục đích luận (“Không phải nguyên tắc đạo đức, mà lại là các mục đích buộc tự nhiên hành động”) và một nguyên tắc khác buộc tự nhiên phải do dự (tự nhiên có thể rút ngắn nhất thời gian hoặc khoảng cách cần phải vượt qua; vậy tại sao tự nhiên cứ phải chọn thời gian?). Mặt khác, chứng minh của Fermat đã giả định rằng ánh sáng ngay lúc xuất phát đã “biết” trước nơi mà nó phải đến để cực tiểu hóa thời gian đi. Đó là siêu hình chứ đâu phải là vật lý nữa!
Tuy nhiên, các tiến bộ sau này của vật lý đã chứng tỏ rằng Fermat đã đúng và các phê phán đó là sai lầm. Fermat đã nhận ra một đặc tính chung của tự nhiên bao trùm một loạt các tình huống và có thể được phát biểu đơn giản và ngắn gọn thế này: tự nhiên hành động tiết kiệm nhất có thể. Những người sáng tạo ra khoa học về cơ học và chuyển động sẽ thường gặp trên con đường của mình nguyên lý tiết kiệm này, nguyên lý mà họ đặt tên là “nguyên lý tác dụng tối thiểu”12 .
Grimaldi và nhiễu xạ hay phương thức lan truyền mới của ánh sáng
Như vậy ánh sáng có thể lan truyền theo ba cách khả dĩ: theo đường thẳng, bằng phản xạ trên một mặt phẳng như gương chẳng hạn, và bằng khúc xạ khi thay đổi môi trường. Nhưng liệu ánh sáng có chỉ giới hạn trong ba hành trạng này không? Câu trả lời là không, vì năm 1665, năm Fermat qua đời, là năm công bố di cảo một chuyên luận dài mang nhan đề Một luận đề siêu hình học và toán học về ánh sáng, màu sắc và cầu vồng, của một tu sĩ dòng Tên, giáo viên dạy toán ở Bologne (Italia) tên là Francesco Maria Grimaldi (1618-1663). Trong chuyên luận này, Grimaldi đã thông báo một phát hiện quan trọng đạt được trong các nghiên cứu tỉ mỉ về bóng của các vật được chiếu bởi ánh sáng lọc qua các lỗ rất nhỏ. Trên thực tế ông thấy ánh sáng có thể lan truyền theo một cách khác nữa: “Tôi sẽ chứng tỏ với các bạn một phương thức lan truyền thứ tư mà tôi gọi là nhiễu xạ, bởi vì ánh sáng bị phân tán, ngay cả trong một môi trường đồng nhất, ở lân cận một vật cản, thành các nhóm tia khác nhau lan truyền theo các hướng khác nhau”.
Trong quá trình tiến hành thí nghiệm, Grimaldi nhận thấy bóng của các vật được chiếu sáng được mở rộng hơn kích thước được dự liệu bởi các tính toán thuần túy hình học dựa trên các mặt nón tia sáng lan truyền theo đường thẳng (H. 10). Grimaldi từ đó đã suy ra rất chính xác rằng tia sáng không thể chỉ đi
Hình 10. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng đã được một tu sĩ dòng Tên người Italia tên là Francesco Grimaldi (1618-1663) phát hiện ra. Nếu ánh sáng thực sự chỉ truyền theo đường thẳng thì ánh sáng đi qua hai lỗ CD và GH sẽ chỉ chiếu sáng màn trong vùng ở giữa N và O. Ánh sáng trong vùng I-N và O-K có được là do nhiễu xạ.
theo đường thẳng, rằng một số tia chắc chắn đã bị vật cản làm cho lệch hướng. Một sự kiện khác còn khó hiểu hơn: trong bóng xuất hiện xen kẽ và cách đều nhau các dải màu đỏ và xanh. Tuy nhiên, hiện tượng nhiễu xạ không đến mức quá lạ lùng như thoạt đầu chúng xuất hiện. Thỉnh thoảng trong cuộc sống hằng ngày chúng ta vẫn thấy xuất hiện nhiễu xạ khi ánh sáng đi qua mép của một vật không trong suốt. Chẳng hạn, trong một đêm trời mưa, nếu nhìn ánh đèn đường qua ô che mưa, bạn sẽ thấy rất nhiều hình ảnh màu của ánh sáng này. Tương tự, nếu bạn cầm một vật nhỏ cỡ một centimet giữa ngón cái và ngón trỏ cùng hướng với nguồn sáng, bạn sẽ thấy hiện lên một motif các đường viền và hình dạng tối. Nói cách hình ảnh, thì chính sự đấu tranh của ánh sáng với bóng tối đã cho ra đời các hình dạng và màu sắc này.
Grimaldi nhận ra rằng không một hiện tượng nào trong số các hiện tượng nhiễu xạ, trong đó ánh sáng xâm lấn bóng tối, có thể được giải thích bằng quan niệm về ánh sáng đang thắng thế ở thời kỳ đó, cụ thể là ánh sáng bao gồm các hạt lan truyền chỉ theo đường thẳng và nối đuôi nhau. Để giải thích các quan sát của ông, Grimaldi đã đưa ra giả thiết cho rằng ánh sáng có bản chất sóng. Xét đến cùng, nhiễu xạ xuất hiện là do ánh sáng đi qua một vật cản giống như một dòng nước uốn qua một tảng đá để tiếp tục con đường của mình. Mà các sóng nước, chuỗi các đỉnh và hõm này, rõ ràng là có bản chất sóng. Tại sao lại không phải như vậy với ánh sáng?
Nhưng Grimaldi đã không đi xa hơn.
Huygens và bản chất sóng của ánh sáng
Chính nhà bác học người Hà Lan, Christiaan Huygens (1629-1695) (H. 11) mới là người đầu tiên xây dựng lý thuyết sóng ánh sáng. Sinh ra trong một gia đình ưu tú ở Hà Lan, ông được coi là nhà toán học và vật lý học lớn nhất của thời kỳ giữa Galileo và Newton. Với một bộ óc toàn năng, vừa là nhà thực nghiệm vừa là nhà lý thuyết, Huygens đã có những đóng góp to lớn cho nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Đóng góp cho thiên văn học của ông là phát hiện ra các vành của Thổ tinh13 và mặt trăng lớn Titan của hành tinh này. Nhờ phát minh ra kính mắt trong kính thiên văn của ông, cho phép thực hiện được các quan sát chính xác, mà Huygens đã đo đạc được chuyển động quay của Hỏa tinh. Trong toán học, ông là người biên soạn chuyên luận đầy đủ đầu tiên về phép tính xác suất. Trong cơ học, ông đã xây dựng lý thuyết con lắc được sử dụng để điều chỉnh đồng hồ. Trong quang học, ông giải thích các định luật phản xạ và khúc xạ bằng lý thuyết sóng ánh sáng.
Năm 1666, ông được vua Louis XIV và Colbert mời đến Paris để thành lập tại đây Viện Hàn lâm Khoa học, mà ông là Tổng thư ký đầu tiên. Vì là người theo đạo Tin Lành, nên ông đã quay trở về Hà Lan vào năm 1685 do bị cách chức theo chỉ dụ Nantes của vua Henri IV. (Bản thân vua Henri IV trước khi lên ngôi cũng là một người theo đạo Tin Lành nhưng đã cải sang Công giáo để có thể lên ngôi. Việc đưa ra chỉ dụ này đã chấm dứt cuộc chiến tôn giáo tàn phá nước Pháp suốt thế kỷ XVI - ND). Chính tại đây, vào năm 1690, ông đã cho xuất bản cuốn Luận về ánh sáng nổi tiếng.
Hình 11. Chân dung Christiaan Huygens (1692-1695), do Bernard Vaillant vẽ. Huygens là người đầu tiên đưa ra lý thuyết sóng ánh sáng, đối lập với lý thuyết hạt của Newton (Bảo tàng Huygens “Hofwijck”, Voorburg, Hà Lan). © AKG-Images/Nimatallah.
Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật sáng tới mắt. Ông cho rằng nếu ánh sáng là một chùm các hạt vật chất, thì một tia sáng sẽ phải va chạm với một tia sáng khác nếu hai tia gặp nhau. Nhưng thực tế điều đó đã không xảy ra. Nhà vật lý học người Hà Lan này cũng bác bỏ quan điểm của Descartes cho rằng ánh sáng như một xung động lan truyền tức thời. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước. Sự truyền sóng không hề vận chuyển vật chất nào đi theo, như ta có thể nhận thấy khi thả nổi người trên mặt biển. Bạn hãy bơi ra khơi xa: các con sóng ở đây, với các đỉnh và hõm, cũng giống như là một sóng lan truyền trên mặt biển. Biên độ của các sóng này tăng lên khi càng tiến gần vào bờ. Các sẽ nghĩ rằng với sức mạnh không gì cưỡng lại được, chúng sẽ kéo bạn vào phía bờ và bẻ gãy cơ thể khốn khổ của bạn trên cát chứ gì? Thật may là không phải như vậy. Trên thực tế, khi các con sóng đi qua, bạn không bị đẩy
về phía bờ, mà cơ thể của bạn chỉ lần lượt bị đẩy lên và kéo lên và xuống tại chỗ. Nước không di chuyển về phía bờ, nó chỉ làm mỗi việc là nâng lên và hạ xuống ở cùng một vị trí. Khi bạn nhìn thấy các con sóng tiến về phía bạn, thì đó không phải là khối nước tiến đến ập lên bạn, mà là sóng. Chỉ khi nào sóng bị vỡ trên cát thì bản thân nước mới tràn ra. Chuỗi các sự kiện tương tự sẽ xảy ra nếu bạn quan sát một cái chai rỗng hoặc một cái phao nổi trên mặt biển: khi một con sóng đi qua, các vật này nâng lên và hạ xuống, nhưng vẫn ở vị trí cũ. Như vậy ánh sáng không phải là một sự lan truyền của một thực thể vật chất, mà là của một hình dạng.
Ête, thực thể huyền bí và vô hình
Nhưng, giống như các sóng nước lan trên mặt biển, các sóng ánh sáng cũng cần phải có một thể nền vật chất để lan truyền. Theo Huygens, chất nền này là một tinh chất, huyền bí và không sờ mó được, choán đầy trong không gian, một chất lỏng giả thuyết, không trọng lượng và đàn hồi mà người xưa gọi là “ête”. Theo Huygens, ête không có gì giống với không khí cả. Nếu bạn đặt một cái chuông trong bình rồi hút hết không khí trong bình ra, bạn sẽ không thể nghe được tiếng chuông kêu, vì âm thanh cần có không khí để lan truyền. Ngược lại, bạn vẫn sẽ nhìn thấy cái chuông, vì ánh sáng là một sóng lan truyền trong ête, ête không bị hút ra khỏi bình như không khí. Huygens nghĩ - một cách sai lầm, như chúng ta sẽ thấy - rằng ánh sáng, cũng giống như âm thanh, là một sóng nén, rằng nó lan truyền bằng cách nén các hạt ête ở trước nó.
Vậy sóng ánh sáng sinh ra như thế nào? Theo Huygens, một nguồn sáng bao gồm vô số các hạt rung động. Các hạt này truyền rung động của chúng tới các hạt ête bên cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này (H.12). Vô số các sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo thời gian. Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của chúng ở gần nguồn sáng giảm dần khi các sóng truyền ra xa nguồn sáng. Càng xa nguồn sáng, sóng càng trở nên trơn và đều đặn hơn.
Ánh sáng còn một tính chất khác cần được giải thích: áng sáng đi nhanh hơn rất nhiều âm thanh, như ai cũng có thể nhận thấy khi trời có giông. Chúng ta nhìn thấy chớp sớm hơn nhiều nghe thấy tiếng sấm. Vận tốc của âm thanh nghe được, có tần số từ 15 Hz (âm trầm) và 15 kHz (bổng), là khoảng 340 m/s; trong khi đó vận tốc của ánh sáng là 300 triệu m/s, lớn hơn khoảng một triệu lần. Huygens giải thích sự chênh lệch lớn về vận tốc này là do có độ chênh lệch lớn về độ cứng giữa không khí và ête.
Hình 12. Lý thuyết ánh sáng của Huygens. Vô số các hạt (chẳng hạn, A, B và C) trong một nguồn sáng chuyển rung động, chúng truyền rung động cho ête dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt này.
Thật vậy, vận tốc lan truyền của một sóng tăng theo độ cứng của môi trường trong suốt. Để nhận thấy điều đó, bạn hãy kéo căng một sợi dây giữa hai cột. Đập một cái vào một đầu dây và nhìn sóng do cú đập gây ra lan truyền sang đầu dây bên kia. Hãy tăng độ cứng của dây bằng cách kéo căng nó hơn một chút, và lặp lại thí nghiệm. Ban sẽ thấy nhiễu động sóng sẽ chuyển động nhanh hơn. Ngược lại, khi giảm độ căng, và sóng sẽ chuyển động chậm hơn14 . Huygens thừa nhận rằng các hạt ête cứng và rắn đến mức chúng truyền mọi nhiễu động hầu như tức thời. Chỉ cần một sự rung nhẹ ở đầu bên này của một hạt ête là ngay lập tức nó sẽ được truyền sang đầu bên kia. Ngược lại, các hạt không khí mềm hơn và truyền các rung động chậm hơn rất nhiều.
Nhờ lý thuyết sóng của mình mà Huygens đã có được một cái nhìn tổng hợp về quang học. Ông không chỉ tìm được các định luật phản xạ và khúc xạ, mà còn giải thích được hiện tượng nhiễu xạ đã từng được Grimaldi quan sát, điều mà một lý thuyết hạt không thể làm được. Tuy nhiên, lý thuyết sóng ánh sáng của ông còn chưa chiếm được ưu thế. Một nhân vật mới đã bước lên sân khấu ánh sáng, đó là nhà bác học người Anh, Isaac Newton (1642-1727), người một lần nữa lại làm nghiêng cán cân sang phía lý thuyết hạt.
Newton, thiên tài cô đơn
Giống như một loại truyền tiếp ngọn đuốc, Newton sinh đúng vào năm Galileo (1564-1642) mất. Cuộc đời của họ đã xác định thời kỳ của cuộc đại cách mạng khoa học mà hai người đã có rất nhiều đóng góp. Khi còn là sinh viên Đại học Cambridge vào những năm 1664 và 1665, chàng trai trẻ Newton đã thuộc lòng các tác phẩm của Descartes, Galileo và Kepler. Để tránh dịch hạch đang hoành hành trong thời gian đó, năm 1665, ông về nương náu ở nhà mẹ tại Woolsthorpe, vùng nông thôn Lincolshire. Hai năm tiếp sau đó thật kỳ diệu vì chính trong quãng thời gian này nhà vật lý trẻ đã làm thay đổi diện mạo thế giới bằng sức mạnh trí tuệ của mình. Ông đã phát minh ra phép tính vi tích phân năm hai mươi tư tuổi, có các phát hiện cơ bản về bản chất của ánh sáng, và đặc biệt là xây dựng lý thuyết vạn vật hấp dẫn. Truyền thuyết kể rằng khi nhìn thấy một quả táo trong vườn rơi xuống chân, trực giác thiên tài của ông đã lập tức mách bảo rằng nguyên nhân làm cho quả táo rơi và làm cho Mặt trăng quay quanh Trái đất chỉ là một, đó là lực hấp dẫn.
Newton được phong giáo sư ở Đại học Cambridge, một trường đại học danh tiếng, khi mới sắp bước vào tuổi 29. Nhưng, ngoài một vài đồng nghiệp biết đến các phát minh của ông, còn thì Newton là nhân chứng duy nhất về thiên tài của chính mình. Làm việc đơn độc, ông viết hàng trăm trang tính toán, rồi cuối cùng cất kỹ trong ngăn kéo bàn. Newton không cho đăng các công trình nghiên cứu của mình, có lẽ bởi vì ông cho rằng chúng vẫn còn chưa hoàn chỉnh, mà cũng có thể vì tính ông hay đa nghi và hoang tưởng. Vị giáo sư trẻ này nghĩ rằng việc công bố sẽ gây ra những công kích chống lại các quan điểm của ông, hoặc các quan điểm của ông sẽ bị các đồng nghiệp ăn cắp một cách trắng trợn.
Thiên tài của Newton không chỉ phát lộ trong các nghiên cứu toán học và lý thuyết. Ông còn chứng tỏ là một nhà thực nghiệm ngoại hạng. Với hy vọng xâm nhập sâu hơn vào các bí mật của tự nhiên và của Chúa (Newton là người cực kì sùng tín), ông cũng đã lao vào nghiên cứu giả kim thuật và thần học. Nhưng cuộc đời ông đã có một bước ngoặt quan trọng vào năm 1684, khoảng hai mươi năm sau phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn, khi ông gặp nhà thiên văn học hoàng gia Edmund Halley. Qua một câu chuyện tình cờ, Halley biết gần hai thập kỷ trước Newton đã giải được bài toán về các chuyển động của hành tinh - tại sao các hành tinh lại tuân theo các định luật của Kepler? -bằng một kỹ thuật toán học do chính ông sáng tạo ra - phép tính vi tích phân! Halley liên tục thúc giục Newton công bố lý thuyết của mình. Nhượng bộ trước những khích lệ của nhà thiên văn học hoàng gia, và sau hai năm viết cật lực, năm 1689, cuối cùng Newton cũng đã xuất bản bằng tiền của Halley tuyệt tác Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên (thường được gọi tắt bằng tên Latinh là Principia), trong đó ông trình bày rất tài tình lý thuyết vạn vật hấp dẫn. Principia ngày nay vẫn còn là một cuốn sách vật lý có ảnh hưởng nhất của mọi thời đại15 .
Vài năm sau, một suy sụp tinh thần đã chấm dứt khả năng sáng tạo của Newton. Ông rời Cambridge đến London, tại đây ông được bổ nhiệm làm “Giám đốc Sở đúc tiền”. Ông đã dành nhiều năm để quan tâm đến vấn đề tiền tệ của nước Anh. Chính trong thời kỳ này ông đã viết tác phẩm quan trọng mang tên Optikcs, xuất bản năm 1704. Trong cuốn sách này ông đã mô tả các nghiên cứu của mình về quang học thực hiện khoảng ba mươi năm trước. Các quan điểm của ông sau đó đã thống trị toàn bộ tư tưởng của thế kỷ XVIII về ánh sáng và màu sắc.
Các quan điểm của Newton lan rộng khắp lục địa và làm ông trở nên nổi tiếng. Đóng góp vào đó là những người phổ biến khoa học tài năng đưa khoa học và triết học Newton đến với giới trí thức châu Âu. Trong số họ, có lẽ xuất sắc và nổi tiếng nhất là Voltaire (1694-1778), một triết gia của kỷ nguyên Ánh Sáng và là người hâm mộ nồng nhiệt Newton, ông đã công bố cuốn Các yếu tố của triết học Newton trong tầm tay mọi người vào năm 1738. Trong cuốn sách dành tặng người tình của mình, nữ hầu tước Châtelet, này Voltaire đã tự trao cho mình nhiệm vụ “nhổ gai khỏi các trang sách của Newton đồng thời không tô điểm thêm cho chúng các bông hoa không thích hợp.” Sau khi cuốn sách được xuất bản, ngay cả những đối thủ (các tu sĩ dòng Tên) của Voltaire cũng đã phải thừa nhận rằng “cả Paris vang dội tên tuổi của Newton, cả Paris nghiên cứu và học Newton”. Hơn hai thế kỷ sau, Albert Einstein, một người khổng lồ khác của lâu đài vật lý, đã nói về bậc tiền bối của mình: “Newton là tổng hòa của nhà thực nghiệm, nhà lý thuyết và nhà nghệ sĩ. Ông sừng sững trước chúng ta, mạnh mẽ, chắc chắn và cô đơn: niềm vui của ông trong sáng tạo và sự chính xác tỉ mỉ của ông hiển hiện trong mỗi con chữ và mỗi phép tính.”
Lăng kính của Newton
Newton bắt đầu nghiên cứu quang học bằng việc chế tạo một “kính theo kiểu Galileo”. Galileo đã đi vào đầu óc mọi người với vai trò là người đầu tiên hướng kính thiên văn lên trời, vào năm 1609. Với độ phóng đại gấp ba mươi hai lần, kính này cho phép Galileo khám phá rất nhiều kỳ quan. Trong số các khám phá ngoạn mục nhất của ông phải kể đến bốn mặt trăng lớn của Mộc tinh, ngày nay gọi là các “vệ tinh Galileo”, các vết trên Mặt trời và các dãy núi trên Mặt trăng. Kính thiên văn của Galileo hoạt động dựa trên một thấu kính tụ tiêu ánh sáng tới từ một tinh tú xa xôi; khi đi qua thấu kính trong suốt, các tia bị lệch hướng theo các định luật khúc xạ (từ đó kính có tên là “kính thiên văn khúc xạ”) và hội tụ đằng sau thấu kính để tạo thành ảnh ở một vị trí gọi là “tiêu điểm” (H. 13). Nhưng Newton đã nhanh chóng nhận ra rằng các ảnh mà ông thu được bằng kính thiên văn khúc xạ của Galileo có các rìa mép không rõ nét, chúng bị bao quanh bởi một quầng ngũ sắc, với các màu luôn theo một trật tự: tím, chàm, lam, lục, vàng, cam và đỏ.
Để hiểu hiện tượng phát ngũ sắc bí ẩn này, Newton đã quyết định tiến hành các thí nghiệm về ánh sáng bằng cách cho nó đi qua các lăng kính rắn, trong suốt có dạng lăng kính với tiết diện ngang là hình tam giác, có tác dụng phân tách và làm lệch hướng ánh sáng (H. 14). Ông đã tiến hành một loạt các thí nghiệm thuộc loại cơ bản nhất và thanh nhã nhất của vật lý học, và cũng có thể là thuộc loại những thí nghiệm nổi tiếng nhất trong lịch sử về ánh sáng. Ông đã dùng lăng kính thủy tinh để phân tách ánh sáng Mặt trời (ánh sáng trắng) thành một lễ hội màu sắc mà chúng ta có thể nhìn thấy trong cầu vồng hoặc trong các giọt sương ban mai vương trên cỏ một buổi sáng nắng đẹp (H.1 trong tập hình ảnh màu). Newton nhận ra rằng dãy màu sắc này đích thị là dãy được nhìn thấy trên rìa mép ngũ sắc của ảnh các thiên thể nhìn được bằng kính thiên văn của Galileo.
Trong một bức thư viết năm 1671 gửi Royal Society, tức Viện Hàn lâm Khoa học đầy uy tín của nước Anh, Newton đã miêu tả sự thích thú của mình khi được chơi với ánh sáng như thế này: “Năm 1666, tôi mua một lăng kính tam giác bằng thủy tinh để thực hiện các thí nghiệm về các hiện tượng nổi tiếng về màu sắc. Sau khi đóng kín phòng cho tối và khoét một lỗ trên cửa sổ để một lượng ánh sáng Mặt trời thích hợp lọt vào, tôi đặt lăng kính trước cái lỗ đó để ánh sáng bị khúc xạ lên tường đối diện. Ban đầu, đó là một trò giải trí rất thú vị vì được ngắm các màu sắc sống động và mạnh được tạo ra”. Ông viết tiếp: “Nhưng, một lúc sau, khi cố gắng xem xét chúng một cách chi
b) Kính khúc xạ
Hình 13. So sánh kính thiên văn khúc xạ (b) với kính thiên văn phản xạ (a). Hai loại kính thiên văn được sử dụng để nhận và tụ tiêu ánh sáng vũ trụ. Các máy dò điện tử được đặt tại tiêu điểm để ghi ánh sáng. Trong trường hợp kính thiên văn khúc xạ, ánh sáng đi qua thấu kính và được tụ tiêu tại tiêu điểm ở sau thấu kính. Trong trường hợp kính thiên văn phản xạ, ánh sáng được một hệ các gương phản xạ và tụ tiêu. Máy dò điện tử có thể được đặt ở tiêu điểm của gương sơ cấp để ghi ánh sáng do gương sơ cấp phản xạ tới. Các gương sơ cấp lớn nhất trên thế giới có đường kính tới mười mét: đó là hai kính thiên văn Keck được đặt trên đỉnh núi lửa đã tắt Mauna Kea ở Hawaii. Nhưng tiêu điểm của các kính thiên văn phản xạ nằm rất cao, và nói chung sẽ là không thực tế nếu đặt các dụng cụ đo tại đó. Thông thường nhất, ánh sáng trên đường đi của nó từ gương sơ cấp bị chặn bởi một gương thứ cấp nhỏ hơn, có tác dụng lái ánh sáng đến một vị trí thuận lợi hơn. Trong kính thiên văn phản xạ loại Newton (gọi theo tên Newton, người phát minh ra nó), chùm sáng bị làm lệch 90 độ về phía thị kính. Loại kính thiên văn này rất được các nhà thiên văn học nghiệp dư ưa thích.
tiết hơn, tôi ngạc nhiên nhận thấy rằng ánh sáng bị tán sắc có hình bầu dục chứ không tròn, như các định luật về khúc xạ dự báo”. Newton hiểu rằng sở dĩ có hình dạng bầu dục này là do ánh sáng Mặt trời bị tán sắc bởi lăng kính không trải đều theo tất cả các hướng để tạo cho hình ảnh có dạng tròn, mà chỉ theo hướng vuông góc với mặt của lăng kính, tạo cho nó có hình bầu dục.
Hình 14. Nhà bác học người Anh, Isaac Newton (1642-1727) đang miệt mài với các thí nghiệm nổi tiếng dùng lăng kính để phân tách ánh sáng trắng của Mặt trời thành các màu cầu vồng. Các thí nghiệm này thuộc loại quan trọng nhất của lịch sử vật lý (Tranh khắc của Froment theo Guillon, thế kỷ XIX). © Rue des Archives/PVDE.
Bảy màu cơ bản
Trong khi cố gắng hiểu dãy các màu, Newton nhớ lại một thí nghiệm khác. Buộc một sợi dây màu đỏ với một sợi dây màu lam, rồi quan sát hai sợi dây qua một lăng kính, ông thấy sợi màu đỏ bị xê xích nhẹ so với sợi màu lam. Thay vì nằm như phần kéo dài của sợi màu lam, sợi màu đỏ nhìn hơi bị dịch lên cao hơn, điều này chỉ có thể được giải thích là do ánh sáng màu lam bị lệch hướng nhiều hơn ánh sáng màu đỏ. Thí nghiệm về sự phân tách ánh sáng bằng lăng kính cũng cho các kết quả tương tự (H. 15). Nó cũng chứng tỏ rằng ánh sáng màu lam khúc xạ nhiều hơn ánh sáng màu đỏ, và lần này, nguồn sáng không còn là sợi dây màu nữa, mà là đĩa trắng Mặt trời.
Làm thế nào ánh sáng trắng lại có thể có các màu như vậy? Hai khả năng có thể xảy ra: hoặc các màu là các tính chất do lăng kính tạo cho ánh sáng trắng khi đi qua nó; hoặc ánh sáng trắng đã chứa sẵn trong nó tất cả các màu cầu vồng, chức năng duy nhất của lăng kính là tách các màu này ra. Descartes đã lựa chọn giả thiết thứ nhất. Theo ông, ánh sáng được vận chuyển bởi các hạt, và các hạt có màu sắc bằng cách quay quanh mình theo một chuyển động quay do lăng kính truyền cho. Newton đã bác bỏ giả thuyết này. Trong thí nghiệm
Hình 15. Newton phát hiện ra rằng lăng kính làm khúc xạ ánh sáng màu lam (đường sáng bên dưới) nhiều hơn ánh sáng màu đỏ (đường sáng bên trên).
của ông về hai sợi dây màu, các màu đã tồn tại ở hai sợi dây trước khi ánh sáng đi qua lăng kính. Như vậy không phải là lăng kính tạo ra màu. Mặt khác, ông cũng đã quan sát thấy cùng một dãy màu đó khi nghiên cứu sự tương tác của ánh sáng với các bong bóng xà phòng. Như vậy các màu không thể là do lăng kính tạo ra được. Nhưng, để chắc chắn rằng ánh sáng trắng đúng là kết quả của một hỗn hợp các màu, Newton đã có ý tưởng thiên tài là đưa ánh sáng bị phân tách bởi lăng kính đầu tiên thành các màu khác nhau đi qua lăng kính thứ hai giống hệt với lăng kính thứ nhất, nhưng đặt theo chiều ngược lại. Và điều kỳ diệu đã xảy ra: ánh sáng đi ra từ lăng kính thứ hai lại trở về màu trắng! Như vậy ánh sáng trắng chắc chắn là tổng hợp của bảy màu gọi là màu cơ bản.
Theo Newton, việc có bảy màu cơ bản không phải là một ngẫu nhiên. Với bản tính ưa thần bí, ông cho rằng các màu của ánh sáng cũng phải tuân theo nguyên lý hài hòa chi phối các âm trong âm nhạc. Theo ông, bảy màu cơ bản này được phân bố trên một quãng tám, tương ứng với bảy âm của thang nguyên. Newton không phải là người đầu tiên nêu ra sự tương tự giữa ánh sáng và âm nhạc. Trước ông rất lâu, Aristote cũng đã so sánh màu sắc với âm thanh. Nhưng, ngược với Aristote người cho rằng các màu được sắp xếp một cách tuyến tính, đi từ trắng đến đen, Newton là người đầu tiên nhận thấy rằng bảy màu cơ bản (không bao gồm màu trắng và màu đen) không nối tiếp nhau
Hình 16. Bánh xe màu của Newton. Quang phổ của bảy màu cơ bản (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím) được sắp xếp theo vòng tròn sao cho màu tím và màu đỏ nằm cạnh nhau. Màu trắng nằm ở giữa. Như vậy Newton là người đầu tiên đưa ra một hệ các màu vừa thực tiễn vừa chính xác về mặt tâm lý; giữa đỏ và tím tồn tại một quan hệ gần gũi.
một cách tuyến tính, mà được sắp xếp theo vòng tròn, đi từ tím đến đỏ qua chàm, lam, lục, vàng và cam để rồi trở lại tím, giống như một con rắn tự cắn đuôi mình. Bảy màu nối tiếp tuần tự gối lên nhau. Màu trắng ở giữa (H. 16). Newton đã chỉ ra cách sử dụng vòng tròn màu như thế để biết kết quả pha hai hay nhiều màu với các tỉ lệ khác nhau. Như vậy có thể nói ông còn là cha đẻ của phép phối màu.
Kính phản xạ của Newton
Nhưng Newton không dừng lại ở đó. Ông muốn có thêm luận chứng để tống khứ dứt khoát vào quên lãng cái quan điểm cho rằng lăng kính tạo ra các màu cho ánh sáng. Trong khoa học, nhiều khi chính sự đối chiếu các kết quả thí nghiệm độc lập sẽ tạo niềm tin đối với tính đúng đắn của một lý thuyết.
Nhờ các tấm chắn, Newton đã phân chia các tia màu đi ra từ lăng kính đầu tiên thành nhiều chùm, mỗi chùm chỉ chứa một màu (được gọi là chùm đơn sắc). Sau đó ông cho mỗi chùm sáng đơn sắc này đi qua lăng kính thứ hai, lần này được đặt cùng chiều với lăng kính thứ nhất. Câu hỏi đặt ra là: các chùm đơn sắc này liệu có bị phân tách thành các thành phần còn cơ bản hơn nữa không? Câu trả lời là không. Một tia là đỏ hoặc lục đi vào lăng kính thứ hai khi đi ra vẫn chính xác là màu đỏ hoặc màu lục ấy (H. 17). Từ đó Newton rút ra kết luận rằng bảy màu do lăng kính thứ nhất tách ra đúng là các màu cơ bản, không thể phân chia được nữa, của ánh sáng trắng.
Một kết quả khác cũng khẳng định kết luận này. Ánh sáng đi từ lăng kính thứ hai có dạng tròn chứ không phải dạng bầu dục, như đi ra từ lăng kính thứ nhất. Điều này có nghĩa là lăng kính thứ hai thực tế không hề làm thay đổi bản chất của ánh sáng tới, ngoại trừ hướng của nó, sự đổi hướng này phụ thuộc vào màu của chùm tới.
Từ các thí nghiệm này Newton kết luận rằng mép thấu kính trong kính thiên văn Galileo có tác dụng như một lăng kính, nó phân tách ánh sáng tới từ một tinh tú xa xôi thành nhiều thành phần màu khác nhau, và làm lệch hướng của chúng một cách khác nhau tùy theo màu sắc. Như vậy, mỗi một chùm sáng đơn sắc sẽ có một tiêu điểm riêng. Chẳng hạn, ánh sáng lam bị lệch hướng nhiều hơn, nên tiêu điểm của nó ở gần thấu kính hơn một chút so với ánh sáng đỏ. Chính sự có nhiều các tiêu điểm là nguyên nhân tạo ra quầng ngũ sắc. Các nhà thiên văn học gọi hiện tượng này là “sắc sai” (H. 18).
Hình 17. Experimentum Crucis. Một thí nghiệm cơ bản cũng của Newton chứng tỏ rằng một chùm sáng đơn sắc không thể bị phân tách bởi lăng kính. Hình này cho thấy một chùm các tia sáng Mặt trời đi vào qua cửa sổ và đi qua lăng kính đầu tiên phân tách nó thành bảy chùm đơn sắc. Một trong các chùm đơn sắc này sau đó được phóng qua một lăng kính thứ hai. Lần này, chùm sáng không bị phân tách thành nhiều chùm khác nhau nữa: ánh sáng trắng là một hỗn hợp, không phải là một màu cơ bản.
Hình 18. Sắc sai. Các mép của một thấu kính trong kính thiên văn khúc xạ xử sự như một lăng kính và làm lệch các thành phần màu theo các góc khác nhau. Chẳng hạn, thành phần tím bị lệch nhiều hơn và tụ tiêu tại một điểm gần thấu kính hơn thành phần đỏ. Điều này có nghĩa là tất các hình ảnh thu được về các thiên thể đều có một quầng màu, dù vị trí của máy dò được đặt ở đâu giữa các tiêu điểm các ánh sáng tím và đỏ.
Bởi vì chính thấu kính là nguyên nhân làm cho các ảnh bị mờ nhoè ở viền mép, nên cần phải loại bỏ nó để thu được ảnh rõ nét! Newton vì thế đã phát minh ra một kính thiên văn trong đó ông thay thấu kính bằng gương. Chính gương này thu nhận, phản xạ và tụ tiêu ánh sáng. Kính thiên văn như vậy được gọi là kính phản xạ (H. 13). Ngoài việc loại bỏ được các quầng ngũ sắc, kính thiên văn phản xạ còn có có nhiều ưu điểm khác so với kính thiên văn khúc xạ. Trước hết, ánh sáng quý báu đi đến từ vũ trụ không bị hấp thụ cũng không bị tiêu tán, bởi vì nó không phải đi qua thủy tinh của thấu kính. Hiệu ứng hấp thụ này không lớn đối với ánh sáng nhìn thấy được, nhưng lại là lớn đối với các ánh sáng cực tím hoặc hồng ngoại. Thứ hai, thấu kính lớn bằng thủy tinh rất nặng và, vì nó chỉ có thể được đỡ ở hai đầu mút để không chặn các tia sáng tới, nó dễ bị biến dạng dưới tác động của trọng lượng của chính nó, điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hình ảnh. Trong khi đó, một gương có hình dạng paraboloic (để tụ tiêu các tia vào một điểm) có thể được đỡ trên toàn bộ mặt phía sau của nó. Cuối cùng, thấu kính có hai mặt (một mặt lõm và một mặt lồi) phải được mài cực kỳ một cách chính xác - một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn - để thu được các ảnh rõ nét, trong khi gương chỉ có một mặt, điều này giúp tiết kiệm được rất nhiều công sức mài nhẵn.
Chính vì tất cả những lý do này mà các kính thiên văn lớn hiện đại đều là các kính thiên văn phản xạ và đều sử dụng gương để thu nhận ánh sáng của vũ trụ. Kính thiên văn khúc xạ lớn nhất thế giới, có một thấu kính đường kính khoảng một mét, được chế tạo cách đây đã hơn một thế kỷ, năm 1897, tại đài thiên văn Yerkes, Wisconsin. Kể từ đó, các kính thiên văn phản xạ đã thế chỗ của kính thiên văn khúc xạ. Các kính thiên văn lớn nhất hiện nay có đường kính khoảng 10 mét (đó là các kính Keck, ở đài thiên văn Mauna Kea, trên đảo Hawaii), nhưng các kính thiên văn khổng lồ đường kính 30 mét đã lấp ló ở chân trời. Năm 1672 Newton đã giới thiệu kính thiên văn phản xạ của ông với Royal Society tại London (H. 19). Có khả năng phóng đại các hình ảnh gấp khoảng ba mươi tám lần, sáng chế này đã làm cho danh tiếng của ông vượt ra ngoài cộng đồng giáo sư hạn hẹp ở Cambridge.
Hình 19. Kính thiên văn phản xạ do Newton sáng chế (xem thêm chú thích H. 13).
Các hạt ánh sáng
Newton là một người ủng hộ mạnh mẽ lý thuyết hạt ánh sáng. Theo ông, các tia sáng được cấu thành từ vô số các hạt sáng phát ra bởi các vật được chiếu sáng, lan truyền theo đường thẳng qua không gian nối tiếp nhau, như xe ô tô chạy trên đường cao tốc. Ông xem xét, và sau đó bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng. Lý lẽ chính của ông là người ta có thể nghe thấy rõ một tiếng động ở chỗ rẽ góc phố mà không cần nhìn thấy người hoặc vật đã gây ra tiếng động. Mà, nếu ánh sáng có bản chất sóng, như âm thanh, thì trong những điều kiện như nhau, chúng ta sẽ phải nhìn thấy ánh sáng giống như nghe thấy âm thanh.
Còn về sự tri giác các màu của chúng ta, thì nguyên nhân chính kích thước của các hạt. Chẳng hạn, các hạt nhỏ nhất tạo ra cảm giác tím. Các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về màu chàm, và cứ tiếp tục như vậy. Bởi vì tồn tại bảy màu cơ bản, nên các hạt phải có bảy loại kích thước khác nhau. Như vậy sự tổng giác của chúng ta về các màu là biểu thị chủ quan của một hiện thực khách quan được quy định bởi kích thước của các hạt.
Nhờ mô hình hạt và các khái niệm được gợi ý từ lý thuyết vạn vật hấp dẫn của mình - lý thuyết chi phối sự rơi của quả táo và chuyển động của các hành tinh - Newton đã giải thích được các định luật cơ bản của quang học. Chẳng hạn, để giải thích các định luật phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ, Newton đã đưa vào các lực hút và đẩy giữa các hạt ánh sáng, những hạt mà nếu để tự do chúng sẽ truyền theo đường thẳng. Liên quan đến khúc xạ, ông đã đưa ra giả thuyết cho rằng trên bề mặt của một vật trong suốt (như lăng kính, chẳng hạn) tồn tại một vùng rất mỏng, ở đó có một lực tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó. Như vậy, các hạt màu tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút bởi một môi trường đặc hơn không khí (như thủy tinh, chẳng hạn) mạnh hơn so với các hạt lớn hơn có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi ban đầu của nó nhiều hơn các hạt màu đỏ. Như vậy, Newton đã giải thích được tại sao các chùm màu khác nhau lại bị lệch hướng khác nhau bởi cùng một môi trường, và tại sao một chùm đơn sắc bị lệch hướng khác nhau trong các môi trường trong suốt khác nhau. Ông cũng đã tìm lại được định luật khúc xạ của Snel bằng cách thừa nhận - một cách sai lầm, giống như Descartes - rằng ánh sáng đi nhanh hơn trong một môi trường đặc hơn. Để giải thích các tia bị nhiễu xạ của Grimaldi, ông không viện đến một lực hút, mà một lực đẩy có tác dụng đẩy các hạt ánh sáng vào trong bóng tối hình học của một vật.
Nói cách khác, theo Newton, cơ học ánh sáng là đồng nhất với cơ học các thiên thể. Sau khi thống nhất trời và đất bằng lý thuyết vạn vật hấp dẫn, Newton đã thống nhất thế giới vô cùng bé với thế giới vô cùng lớn bằng cơ học. Trong quan niệm tổng thể về vũ trụ này, hành trạng của vạn vật - từ các vật vô cùng bé, như các hạt ánh sáng, đến các vật vô cùng lớn, như các thiên thể xa xôi - đều bị chi phối bởi cùng các lực cơ học và tất định.
Suốt một thế kỷ sau khi cuốn Opticks được công bố (năm 1704), quan niệm hạt của Newton thống trị hoàn toàn các cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng. Các thí nghiệm của ông với các lăng kính được thực hiện chính xác và rất dễ hiểu, các giải thích của ông giàu tính thuyết phục và phần lớn các nhà vật lý đều tán thành. Mọi tiếng nói khác đều nhanh chóng bị dập tắt.
Các đám mây đen đã lấp ló ở chân trời
Huygens đã ra sức bảo vệ lý thuyết sóng ánh sáng của ông. Ông đã tìm được một đồng minh là Robert Hooke (1635-1703), một nhà thực nghiệm kỳ cựu và nổi tiếng của Royal Society chuyên chuẩn bị các thí nghiệm để cung cấp cho các cuộc tranh luận của các thành viên uyên bác của Hội Hoàng gia London. Hooke trước hết nổi tiếng rộng rãi với vai trò là tác giả của cuốn Micrographia, tác phẩm đầu tiên miêu tả chi tiết thế giới nhìn qua kính hiển vi. Nhờ có năng khiếu bẩm sinh của một nhà quan sát và một tài năng tuyệt vời của một họa sĩ, ngoài những thứ khác, Hooke đã phát hiện ra bản chất đích thực của mốc trên cánh hoa hồng, hay dáng vẻ kì lạ của một số thực vật, các con nhậy và bọ chét khi chúng được phóng đại lên nhiều lần. Ông cũng miêu tả trong sách rất chi tiết các màu được tạo bởi các lớp vật chất rất mỏng, như các thành của một bong bóng xà phòng hay hai tấm thủy tinh mỏng ép sát vào nhau. Ông nhận thấy rằng bằng cách thay đổi độ dầy của lớp không khí giữa hai tấm thủy tinh, các vòng màu sẽ xuất hiện theo cùng một trật tự như các màu cầu vồng. Hooke cũng phát triển trong tác phẩm của mình một lý thuyết sóng của ánh sáng có nhiều nét giống như lý thuyết của Huygens. Theo ông, ánh sáng bắt nguồn từ chuyển động của các hạt vật chất. Trong một vật sáng, các hạt rung động và sự rung động của chúng lan truyền trong môi trường xung quanh (ête) dưới dạng sóng, mà không có một sự vận chuyển vật chất nào kèm theo.
Nhưng quan niệm này về bản chất sóng của ánh sáng không kéo dài được lâu. Nó đã bị quét bỏ và nhấn chìm bởi làn sóng phấn khích đón nhận các quan điểm hạt của Newton. Tuy nhiên, một lý thuyết thuần túy hạt liệu có thể thực sự giải thích được tất cả các tính chất của ánh sáng hay không? Một thí nghiệm đặc biệt, do chính Newton thực hiện, khiến người ta phải suy nghĩ.
Khi Newton đặt một thấu kính phẳng lồi lên trên một tấm thủy tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên) và chiếu sáng tất cả bằng ánh sáng đơn sắc, ông đã phát hiện ra một hiện tượng quang học mới, rất lạ. Nhiều vòng tròn đồng tâm (ngày nay được gọi là các “vân tròn Newton”) xuất hiện, đan xen giữa vân đen và vân màu. Hoàn toàn tự nhiên, Newton giải thích các vân đen là vùng ở đó ánh sáng bị thấu kính phản xạ, và các vân màu là các vùng ở đó ánh sáng được truyền qua. Nhưng làm thế quái nào có thể giải thích được một hạt ánh sáng, khi đến bề mặt của thấu kính, lúc thì bị phản xạ, lúc thì được truyền qua? Newton cho rằng, bởi vì các điều kiện của thủy tinh và của thấu kính là giống nhau và không đổi, nên chính các tính chất của các hạt ánh sáng phải biến đổi và khác nhau. Như vậy ông cho mỗi một hạt ánh sáng một tính chất được gọi là “accès” (đường tới). Các hạt có “accès” truyền qua dễ thì sẽ truyền qua, còn các hạt ánh sáng có “accès” phản xạ dễ thì sẽ phản xạ. Nhưng “lý thuyết” này không giải thích được điều gì: nó chỉ làm xuất hiện thêm vấn đề, vì cần phải có một lý thuyết khác để giải thích các tính chất được gọi là “accès”.
Bất chấp một vài đám mây đen báo hiệu sắp có giông bão, các công trình của Newton vẫn tiếp tục có ảnh hưởng và gây được tiếng vang lớn. Tiếng vang thể hiện rõ qua hai câu thơ của nhà thơ người Anh, Alexandre Pope (1688-1744) khắc trên bia ở mộ ông, năm 1727:
Tự nhiên và các định luật của tự nhiên bị bao bọc trong bóng tối,
Chúa nói: “Sẽ có Newton”, và tất cả bừng sáng!
5Quan điểm này được thể hiện trong lời tựa cho chính cuốn sách này của Copernic. Theo truyền thuyết, mãi đến lúc sắp qua đời ông mới được đưa cho một bản. Cuốn sách có lẽ đã được nhà xuất bản Andreas Osiander biên soạn lại để bảo vệ linh mục phụ tá Copernic khỏi những đòn sấm sét của Giáo hội.
6Người vợ đầu của ông phát điên, phần lớn các con của ông đều chết yểu, mẹ ông bị kết tội phù thủy, và bản thân ông cũng nợ như chúa Chổm.
Chẳng hạn, cũng giống như Alhazen, ông cho rằng ở mỗi điểm của bề mặt một vật đều phát ra các tia sáng ứng với một điểm nằm trong mắt.
7Một số sử gia khoa học thậm chí còn nghi ngờ sự trung thực của các thí nghiệm của Ptolémée. Họ cho rằng Ptolémée đã “giả mạo” một số kết quả thí nghiệm để “chứng minh” rằng tự nhiên tuân theo một định luật toán học. Là một người theo trường phái Platon đích thực, Ptolémée tin rằng khúc xạ phải tuân theo một định luật đơn giản nhất có thể của các con số.
8Vận tốc của ánh sáng là 300.000km mỗi giây được nêu ở trên là vận tốc của ánh sáng trong chân không.
9Khúc xạ học là khoa học nghiên cứu sự truyền của ánh sáng qua mặt phân cách giữa hai môi trường.
10Đối với các góc nhỏ, sin bằng giá trị của các góc này nếu giá trị này được biểu thị bằng một đơn vị gọi là “radian”, và đó cũng chính là công thức của Kepler.
11Định lý cuối cùng của Fermat được phát biểu như sau: với mọi n là số nguyên lớn hơn 2, phương trình xn + yn = zn không có nghiệm nguyên. Nếu n = 2, thì một trong các nghiệm của phương trình này là x = 3, y = 4, z = 5 (32 + 42 = 52). Mãi đến năm 1994 nhà toán học người Anh, Andrew Wiles (sinh năm 1953) mới chứng minh được định lý cuối cùng của Fermet sau hàng trăm trang tính toán!
12Trong nguyên lý tác dụng, không phải thời gian được cực tiểu hóa, mà là tác dụng được xác định bằng tích của vận tốc và khoảng cách.
13Galilée trước đó đã thấy cái mà người ta gọi là các “tai” của sao Thổ, nhưng vì chỉ có kính thiên văn nhỏ nên ông mới chỉ phân biệt được hình dạng của chúng.
14Thực tế, người ta có thể chứng minh rằng vận tốc của sóng bằng căn bậc hai của tỷ số giữa sức căng và khối lượng của môi trường truyền.
15Sử dụng lý thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, Halley đã tính toán được quỹ đạo của sao chổi mang tên ông. Sao chổi Halley quay trở lại thăm con người theo chu kỳ bảy mươi sáu năm.
