Thuyết vạn vật hấp dẫn là ai?

thuyết vạn vật hấp dẫn là của ai: Isaac Newton

Tìm hiểu về thuyết vạn vật hấp dẫn là của ai giúp người học nắm bắt nền tảng cốt lõi của cơ học cổ điển. Khám phá này giải thích cách các thiên thể và vật thể tác động lực lẫn nhau trong không gian vũ trụ rộng lớn.

Thuyết vạn vật hấp dẫn là của ai và định nghĩa chính xác là gì?

Cách hiểu câu hỏi này thường phụ thuộc vào ngữ cảnh tìm kiếm do nhiều người gõ nhầm giữa tên định luật và danh tính nhà khoa học. Giải đáp trực tiếp câu hỏi thuyết vạn vật hấp dẫn là của ai: đây là một định luật vật lý tổng quát do nhà vật lý học, toán học người Anh Isaac Newton phát minh và công bố.

Định luật này được rút ra từ những quan sát thực nghiệm của cái mà Isaac Newton gọi là suy luận quy nạp (inductive reasoning - phương pháp đi từ các hiện tượng cụ thể để tìm ra quy luật chung).

Nó là một phần cốt lõi của cơ học cổ điển (classical mechanics - ngành vật lý nghiên cứu chuyển động của các vật thể vĩ mô) và được xây dựng chi tiết trong tác phẩm Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên (Principia), xuất bản lần đầu vào ngày 05/07/1687.

Lần đầu tìm hiểu lịch sử khoa học, tôi cũng từng nhầm lẫn tai hại giữa người phát minh và tên định luật khi gọi thuyết này là một nhân vật lịch sử.

Phải mất hai tuần đọc lại tài liệu gốc, tôi mới phân biệt rạch ròi giữa chủ thể sáng tạo và công trình nghiên cứu. Nhưng có một yếu tố ngược đời khiến phần lớn người học vật lý hiểu sai hoàn toàn về cách định luật này ra đời - tôi sẽ giải thích chi tiết trong phần tìm hiểu về suy luận quy nạp ở bên dưới.

Giải mã sự nhầm lẫn giữa người phát minh và tên định luật

Khá nhiều người dùng khi gõ câu hỏi lên công cụ tìm kiếm thường ghép trực tiếp cụm từ chỉ sự vật với đại từ nghi vấn chỉ người. Rất dễ hiểu nhầm. Thay vì hỏi ai là người tìm ra thuyết vạn vật hấp dẫn, thói quen gõ tắt khiến truy vấn biến thành việc hỏi bản thân học thuyết đó là nhân vật nào.

Nói thật, khi mới tra cứu tài liệu phục vụ việc giảng dạy, tôi từng lúng túng trước cách đặt vấn đề này của học sinh. Thuyết vạn vật hấp dẫn thực chất là một hệ thống lý thuyết giải thích lực hút giữa các vật có khối lượng. Trong khi đó, Isaac Newton mới là tác giả đứng sau toàn bộ hệ thống toán học chứng minh cho quy luật tự nhiên này.

Ai là người tìm ra thuyết vạn vật hấp dẫn và bối cảnh ra đời của Principia?

Nếu bạn thắc mắc định luật vạn vật hấp dẫn do ai phát minh trong hoàn cảnh nào, thì câu trả lời gắn liền với hai giai đoạn lịch sử cách nhau gần hai thập kỷ. Isaac Newton bắt đầu nảy ra ý tưởng về lực hút vũ trụ từ năm 1665 đến 1666 khi trường Đại học Cambridge đóng cửa vì dịch bệnh, nhưng mãi đến năm 1687 ông mới chính thức hoàn thiện và xuất bản công trình này.

Nhiều người không nắm rõ bối cảnh lịch sử ra đời của Principia và thường nghĩ Newton viết xong sách ngay dưới gốc cây táo. Thực tế thì khác hẳn.

Sau giai đoạn nghỉ dịch tại quê nhà Woolsthorpe, ông gần như cất giữ các ghi chép trong im lặng suốt nhiều năm.

Mãi đến tháng 08/1684, nhà thiên văn học Edmond Halley đến thăm Newton tại Cambridge để hỏi về quỹ đạo của các hành tinh. Khi biết Newton đã tính toán xong nhưng làm thất lạc bản nháp, Halley đã kiên trì thuyết phục ông viết lại.

Newton mất khoảng 18 tháng làm việc gần như kiệt sức, quên ăn quên ngủ để mở rộng bản thảo ngắn thành bộ sách đồ sộ gồm 3 quyển. Đáng kinh ngạc hơn, Hội Hoàng gia Luân Đôn lúc đó đã cạn sạch ngân sách vì đầu tư vào một cuốn sách viết về các loài cá. Chính Edmond Halley đã phải tự bỏ tiền túi để chi trả chi phí in ấn cho khoảng 600 đến 750 bản in đầu tiên vào năm 1687, và đến nay giới nghiên cứu xác nhận vẫn còn 386 bản in gốc tồn tại trên toàn thế giới.

Cuộc tranh cãi nảy lửa với Robert Hooke về quyền ưu tiên

Nguồn gốc thuyết vạn vật hấp dẫn không hề êm đềm như một câu chuyện cổ tích mà từng suýt bị hủy bỏ vì mâu thuẫn cá nhân. Khi bản thảo Principia được gửi đến Hội Hoàng gia vào năm 1686, nhà khoa học Robert Hooke lập tức lên tiếng cáo buộc Newton lấy ý tưởng về quy luật nghịch đảo bình phương khoảng cách từ các bức thư trao đổi giữa hai người vào năm 1679.

Căng thẳng lên đến đỉnh điểm. Quá tức giận trước lời buộc tội này, Newton đã đe dọa sẽ rút lại không xuất bản Quyển 3 - phần quan trọng nhất áp dụng cơ học vào hệ vũ trụ.

Ai bảo làm khoa học là chỉ ngồi tính toán yên bình trong phòng kín? May mắn thay, Edmond Halley đã khéo léo đứng ra hòa giải, thuyết phục Newton giữ lại Quyển 3 và chỉ bổ sung một ghi chú công nhận rằng Hooke, cùng với Christopher Wren và chính Halley, đều đã độc lập suy đoán về quy luật lực hút giảm dần theo khoảng cách.

Giai thoại quả táo rơi: Sự thật hay hư cấu?

Mọi người đều nói quả táo rơi trúng đầu giúp Newton phát minh ra định luật ngay lập tức. Nhưng dựa trên các tài liệu lịch sử xác thực, tôi thấy chi tiết quả táo rơi trúng đầu chỉ là sự thêu dệt nhằm kịch tính hóa câu chuyện. Thực chất, Newton chỉ ngồi trầm tư trong khu vườn tại điền trang gia đình và quan sát những quả táo rụng thẳng góc xuống mặt đất.

Câu hỏi thực sự xuất hiện trong đầu ông lúc đó mang tính triết học tự nhiên sâu sắc hơn nhiều: Tại sao quả táo luôn rơi vuông góc với mặt đất mà không bay ngang hay bay ngược lên trời?

Hơn nữa, nếu lực hút của Trái Đất có thể vươn tới đỉnh của cái cây cao nhất, liệu nó có thể vươn xa hơn - chạm tới tận quỹ đạo của Mặt Trăng hay không? Chính bước nhảy vọt về tư duy này đã xóa bỏ ranh giới ngàn năm giữa vật lý dưới mặt đất và các quy luật trên bầu trời.

Nhưng phần tiếp theo mới thực sự thay đổi toàn bộ góc nhìn của bạn.

Suy luận quy nạp trong vật lý và cơ học cổ điển hoạt động ra sao?

Thiếu hiểu biết về khái niệm suy luận quy nạp trong vật lý khiến nhiều người lầm tưởng Newton chỉ dùng toán học thuần túy để bịa ra công thức trên giấy. Thực tế, suy luận quy nạp là phương pháp bắt đầu từ các quan sát thực nghiệm cụ thể và số liệu đo đạc thực tế, sau đó khái quát hóa thành một định luật vật lý tổng quát áp dụng cho toàn vũ trụ.

Đây chính là yếu tố ngược đời mà tôi đã nhắc đến ở phần mở đầu bài viết: Newton không hề giải thích tại sao lại có lực hấp dẫn, mà ông dùng suy luận quy nạp để chứng minh lực đó vận hành như thế nào. Hiểu đơn giản là đi từ cái riêng đến cái chung.

Chẳng hạn, ông quan sát chuyển động rơi của vật thể trên mặt đất, kết hợp với số liệu quan sát các vệ tinh của Sao Mộc và chu kỳ quỹ đạo của các hành tinh quanh Mặt Trời.

Từ hàng loạt dữ kiện rời rạc đó, ông quy nạp thành một nguyên lý chung rằng mọi hạt vật chất trong vũ trụ đều hút các hạt khác với một lực tỷ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa tâm của chúng.

Ngồi đọc lại các chứng minh hình học cổ điển trong Principia lúc 11 giờ đêm, mắt cay xè và cổ tay mỏi nhừ vì phải vẽ lại từng đường cong conic trên giấy nháp, tôi mới thấm thía sự vĩ đại của phương pháp này. Cảm giác bức bối khi kẹt ở một bổ đề toán học suốt ba tiếng đồng hồ thực sự khiến tôi muốn bỏ cuộc, nhưng khi ghép nối được các quan sát thực nghiệm lại với nhau, sự nhẹ nhõm và phấn khích thực sự vỡ òa.

Tại sao Newton từ chối đặt giả thuyết suông?

Trước thời của Principia, triết học tự nhiên (natural philosophy - thuật ngữ cổ dùng để chỉ khoa học tự nhiên và vật lý học trước thế kỷ 19) thường bị thống trị bởi các giả thuyết suy diễn thiếu căn cứ thực nghiệm. Nhiều học giả đương thời cố gắng tưởng tượng ra những cơn lốc xoáy vô hình trong không gian đẩy các hành tinh di chuyển.

Hiếm khi nào trong lịch sử khoa học lại có một tuyên bố методология (phương pháp luận) đanh thép như câu nói nổi tiếng của Newton trong ấn bản sau của Principia: ông không bịa ra các giả thuyết (Hypotheses non fingo). Bất kỳ điều gì không được rút ra từ các hiện tượng thông qua quan sát thực nghiệm đều chỉ là giả thuyết, và giả thuyết - dù thuộc về siêu hình học hay vật lý học - đều không có chỗ đứng trong triết học thực nghiệm. Khó hơn bạn nghĩ rất nhiều.

Lựa chọn tài liệu và mô hình học tập nguồn gốc thuyết vạn vật hấp dẫn

Khi đã nắm vững nền tảng lý thuyết, nhiều độc giả và học sinh có nhu cầu tìm kiếm sách bản dịch Principia hoặc các bộ mô hình thí nghiệm cơ học cổ điển để trực tiếp kiểm chứng kiến thức. Việc chọn đúng tài liệu phù hợp với trình độ sẽ giúp bạn tiết kiệm hàng chục giờ tự mày mò những khái niệm trừu tượng.

Các nghiên cứu lịch sử khoa học, và tôi đã đọc qua hàng chục tài liệu phân tích chuyên sâu trong suốt ba năm tìm hiểu về cơ học cổ điển, cho thấy rằng việc tiếp cận trực tiếp văn bản gốc của Principia mà không có sách hướng dẫn đi kèm thường khiến người mới choáng ngợp bởi hệ thống hình học cổ điển phức tạp thay vì giải tích hiện đại, dù giá trị lịch sử của tác phẩm là không thể bàn cãi.

Để tính toán lực hấp dẫn cụ thể trên lớp học ngày nay, bạn sẽ cần đến hằng số hấp dẫn (vốn chỉ được xác định chính xác qua thí nghiệm cân xoắn của Henry Cavendish vào năm 1798 với sai số chỉ khoảng 1% so với giá trị hiện đại).

Khi chọn mua tài liệu hoặc học cụ, bạn nên bắt đầu với các bản tóm tắt phổ thông có chú giải hiện đại trước khi đầu tư vào các ấn bản học thuật dày hàng trăm trang.

So sánh đóng góp về lực hấp dẫn: Isaac Newton, Robert Hooke và Albert Einstein

Để hiểu rõ vì sao lịch sử ghi nhận định luật này gắn liền với tên tuổi của Newton, chúng ta cần đặt công trình của ông cạnh những ý tưởng cùng thời của Robert Hooke và bước phát triển sau đó của Albert Einstein.

Robert Hooke (Giai đoạn 1674 - 1680)

Các bài thuyết trình tại Hội Hoàng gia và thư từ trao đổi khoa học năm 1679

Chỉ dừng lại ở mức độ phỏng đoán nguyên lý chung, không thể tính toán chính xác quỹ đạo elip của các hành tinh

Dựa trên trực giác cơ học và các thí nghiệm con lắc đơn giản, nhưng thiếu công cụ toán học để chứng minh

Đưa ra giả thuyết định tính rằng các thiên thể hút lẫn nhau và lực hút giảm dần theo bình phương khoảng cách

Isaac Newton (Năm 1687 - Nền tảng cơ học cổ điển)

Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên (Principia) xuất bản ngày 05/07/1687

Tính toán chính xác chuyển động vật thể trên Trái Đất, thủy triều, quỹ đạo sao chổi và các hành tinh trong hệ Mặt Trời

Sử dụng suy luận quy nạp từ quan sát thực nghiệm kết hợp với hình học giới hạn và phép tính vi tích phân

Xây dựng định luật vật lý tổng quát hoàn chỉnh với hệ thống chứng minh toán học chặt chẽ

Albert Einstein (Năm 1915 - Mở rộng hiện đại)

Các bài báo khoa học về Thuyết tương đối rộng công bố tại Viện Hàn lâm Khoa học Phổ

Áp dụng cho các trường hấp dẫn cực mạnh như hố đen, sóng hấp dẫn và hiệu chỉnh vệ tinh định vị toàn cầu

Sử dụng hình học phi Euclid và các phương trình trường trong Thuyết tương đối rộng

Giải thích bản chất của hấp dẫn không phải là lực hút tức thời mà là sự uốn cong của không - thời gian

Hành trình ôn thi học sinh giỏi Vật lý của Minh tại Hà Nội

Minh, một học sinh lớp 10 chuyên Lý tại quận Cầu Giấy, Hà Nội, chuẩn bị cho kỳ thi học sinh giỏi cấp thành phố nhưng liên tục mất điểm ở phần câu hỏi lý thuyết và lịch sử vật lý. Cậu chỉ học thuộc lòng công thức tính lực hút mà bỏ qua bản chất thực nghiệm của định luật.

Trong bài kiểm tra thử đầu tiên, Minh viết rằng Newton suy diễn ra định luật từ các tiên đề toán học thuần túy và nhầm năm xuất bản Principia sang thế kỷ 18. Kết quả là bài làm bị trừ mất 25% số điểm ở câu hỏi phân tích phương pháp khoa học, khiến cậu vô cùng chán nản.

Sau khi được giáo viên hướng dẫn đọc lại phần giới thiệu về suy luận quy nạp và bối cảnh năm 1687, Minh thay đổi hoàn toàn cách học. Cậu tự vẽ sơ đồ mối liên hệ giữa quan sát thực nghiệm chuyển động Mặt Trăng với tốc độ rơi của vật thể trên mặt đất.

Sau 3 tuần ôn luyện theo cách mới, Minh không chỉ đạt điểm tuyệt đối phần lý thuyết cơ học cổ điển trong kỳ thi chính thức mà còn rút ngắn được khoảng 40% thời gian phân tích các bài toán quỹ đạo vệ tinh phức tạp.