Chuyện Newton và quả táo không hoàn toàn là bịa. Chính Newton lúc về già đã kể với một người quen rằng ý tưởng về lực hấp dẫn nảy ra khi ông ngồi trong vườn và thấy một quả táo rơi. Nhưng không có bằng chứng nào cho thấy quả táo rơi trúng đầu ông. Điều thật sự quan trọng không phải quả táo, mà là câu hỏi ông đặt ra sau đó: nếu lực kéo quả táo vươn tới tận ngọn cây, liệu nó có vươn tới tận Mặt Trăng không?
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Quả táo của Newton có lẽ là quả táo nổi tiếng nhất lịch sử khoa học, và cũng bị kể sai nhiều nhất. Tập này mình tách giai thoại ra khỏi sự thật, rồi kể về ý tưởng vĩ đại đằng sau: trời và đất tuân theo cùng một luật.
Câu chuyện quả táo đến từ đâu?
Năm một nghìn sáu trăm sáu mươi lăm, dịch hạch bùng phát ở Anh, trường đại học Cambridge đóng cửa. Chàng sinh viên trẻ Isaac Newton về quê ở Woolsthorpe. Trong khoảng một hai năm ở đó, ông làm việc với những ý tưởng nền móng về toán học, ánh sáng và chuyển động.
Nhiều thập kỷ sau, khi Newton đã già và nổi tiếng, ông kể với William Stukeley, một người quen trẻ tuổi, rằng trong thời gian ấy, ông ngồi trong vườn, thấy một quả táo rơi và tự hỏi vì sao nó luôn rơi thẳng xuống đất mà không rơi xiên hay bay lên. Stukeley ghi lại chuyện này trong hồi ký về Newton.
Chi tiết quả táo rơi trúng đầu là phần được thêm thắt về sau, phổ biến qua sách vở và tranh vẽ. Cũng có những sử gia cho rằng chính Newton có thể đã kể câu chuyện hơi gọn gàng hơn thực tế, vì ý tưởng hấp dẫn của ông hình thành dần trong nhiều năm.
Cây táo ở Woolsthorpe vẫn được chăm sóc tới nay như một di tích, và những cây ghép từ nó được trồng ở nhiều nơi. Nhưng câu chuyện thật thú vị hơn nhiều so với cú cốc đầu.
Ý tưởng vĩ đại: Mặt Trăng cũng đang rơi
Trước Newton, người ta thường coi chuyển động trên trời và chuyển động dưới đất là hai thế giới với hai bộ luật khác nhau. Ý tưởng táo bạo của Newton là: lực làm quả táo rơi cũng chính là lực giữ Mặt Trăng trên quỹ đạo.
Như mình đã kể ở tập về phi hành gia, Mặt Trăng thật ra đang rơi về phía Trái Đất liên tục, nhưng đồng thời bay ngang đủ nhanh để không bao giờ chạm đất. Không có lực hút, nó sẽ bay thẳng ra xa theo quán tính.
Newton cho rằng lực hút yếu dần theo bình phương khoảng cách. Mặt Trăng ở cách tâm Trái Đất khoảng sáu mươi lần bán kính Trái Đất, nên lực hút ở đó yếu đi khoảng ba nghìn sáu trăm lần. Ông tính xem Mặt Trăng mỗi giây rơi lệch khỏi đường thẳng bao nhiêu, và thấy con số đó khớp gần đúng với dự đoán.
Từ đó ông mở rộng ra: mọi vật có khối lượng đều hút nhau, với lực tỷ lệ với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Đó là định luật vạn vật hấp dẫn, áp dụng cho quả táo, Mặt Trăng, hành tinh và sao chổi.
Cuốn sách làm thay đổi khoa học
Newton không vội công bố. Phải tới năm một nghìn sáu trăm tám mươi bảy, ông mới xuất bản tác phẩm lớn mà người ta hay gọi tắt là cuốn Nguyên lý, viết bằng tiếng La tinh. Trong đó có ba định luật chuyển động, định luật vạn vật hấp dẫn, và những phép tính giải thích quỹ đạo hành tinh, thuỷ triều, hình dạng hơi dẹt của Trái Đất.
Nhà thiên văn Edmond Halley đóng vai trò lớn trong sự ra đời của cuốn sách: ông đến hỏi Newton về quỹ đạo của hành tinh, thúc giục Newton viết ra, và tự bỏ tiền giúp in ấn.
Về sau, Halley dùng định luật của Newton để dự đoán một sao chổi sẽ quay lại vào khoảng cuối những năm năm mươi của thế kỷ mười tám. Ông không sống tới lúc đó, nhưng sao chổi quay lại đúng hẹn, và nay mang tên ông. Đó là một chiến thắng ngoạn mục của lý thuyết.
Ba định luật của Newton là nền của mọi thứ mình đã kể ở mục chuyển động và lực: quán tính, lực và gia tốc, tác dụng và phản tác dụng.
Tranh chấp và những người khổng lồ
Khoa học thời Newton không phải câu chuyện của một thiên tài đơn độc. Robert Hooke, một nhà khoa học cùng thời, cho rằng ông đã gợi ý cho Newton ý tưởng lực hút tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, và hai người có mối quan hệ rất căng thẳng.
Các sử gia đánh giá rằng nhiều người thời đó đã đoán được dạng tỷ lệ nghịch bình phương, nhưng Newton là người chứng minh bằng toán học chặt chẽ rằng nó dẫn đến đúng quỹ đạo elip mà Kepler đã tìm ra từ số liệu quan sát. Phần chứng minh ấy mới là đóng góp quyết định.
Câu nói nổi tiếng của Newton, đại ý rằng ông nhìn được xa hơn là nhờ đứng trên vai những người khổng lồ, được viết trong một lá thư gửi chính Hooke. Có người đọc nó như một lời khiêm tốn, có người cho rằng nó còn ẩn ý châm chọc. Đó là chỗ các sử gia vẫn bàn.
Newton còn có những đóng góp lớn về quang học, về phép tính vi tích phân, mà quyền phát minh cũng bị tranh chấp với nhà toán học Leibniz. Ông là một người vĩ đại nhưng không phải dễ chịu.
Khi Newton chưa phải là lời cuối cùng
Lý thuyết hấp dẫn của Newton đúng tới mức nó vẫn được dùng để tính quỹ đạo tàu vũ trụ, phóng vệ tinh, dự báo thuỷ triều. Nhưng tới thế kỷ hai mươi, người ta thấy nó chưa đủ chính xác trong một số trường hợp, như quỹ đạo của sao Thuỷ quá gần Mặt Trời.
Thuyết tương đối rộng của Einstein mô tả hấp dẫn như độ cong của không gian và thời gian, bao lấy lý thuyết của Newton như một trường hợp gần đúng. Newton không bị gạt bỏ, ông được đặt vào đúng phạm vi của mình.
Đó cũng là cách khoa học trưởng thành: cái mới không xoá cái cũ, mà vẽ rõ hơn ranh giới nơi cái cũ còn đúng.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: Newton mô tả lực hấp dẫn nhưng điện và từ thì vẫn là bí ẩn suốt gần hai thế kỷ sau đó. Người mở cánh cửa ấy lại xuất thân từ một tiệm đóng sách, không học đại học. Ông là ai?
Câu hỏi thường gặp
Quả táo có thật rơi trúng đầu Newton không?
Không có bằng chứng. Theo lời kể của Newton được ghi lại, ông chỉ thấy quả táo rơi trong vườn. Chi tiết rơi trúng đầu là phần được thêm thắt về sau cho câu chuyện thêm sinh động.
Định luật vạn vật hấp dẫn nói gì?
Mọi vật có khối lượng đều hút nhau với một lực tỷ lệ với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Lực này giữ hành tinh quanh Mặt Trời và giữ ta trên mặt đất.
Vì sao ta không thấy hai người đứng cạnh nhau hút nhau?
Lực hấp dẫn giữa hai vật thông thường cực kỳ nhỏ vì khối lượng của chúng quá nhỏ so với Trái Đất. Phải có dụng cụ rất nhạy mới đo được lực hút giữa hai khối chì trong phòng thí nghiệm.
Ba định luật của Newton là gì?
Định luật thứ nhất nói về quán tính, định luật thứ hai nói lực bằng khối lượng nhân gia tốc, định luật thứ ba nói mọi tác dụng đều có phản tác dụng bằng và ngược chiều.
Newton sống vào thời nào?
Isaac Newton sinh năm một nghìn sáu trăm bốn mươi ba theo cách tính lịch phổ biến hiện nay và mất năm một nghìn bảy trăm hai mươi bảy, ở Anh. Ông là một trong những nhân vật quan trọng nhất của cuộc cách mạng khoa học.
