[Mỗi tuần 1 phát minh] 10 phát minh nổi tiếng của Isaac Newton
Nếu nhắc tới nhà phát minh vĩ đại người Anh Isaac Newton (1642-1727), chắc hẳn tất cả chúng ta đều nghĩ ngay đến quả táo rơi đã làm nên thuyết vạn vật hấp dẫn nổi tiếng. Các bạn học sinh, sinh viên còn được biết đến Newton với 3 định luật về chuyển động mang tên ông. Đây được xem là một trong những lý thuyết cơ bản và quan trọng nhất trong vật lý cơ học. Không chỉ dừng lại ở đó, trong suốt cuộc đời của Newton, ông đã cống hiến cho nhân loại hàng loạt những phát kiến khác vô cùng vĩ đại. Tại nhà thờ Westminster Abbey, một dòng chữ bằng tiếng Latin đã được khắc lên trên bia mộ của Newton "Hic depositum est, quod mortale fult Isaac Newtoni" với ý nghĩa là "Một con người đã từng tồn tại và trang hoàng cho sự phát triển của nhân loại."
Lời ca tụng trên không hề quá mức đối với những di sản mà thiên tài Newton đã để lại cho loài người. Chuyên mục "Mỗi tuần 1 phát minh" tuần này sẽ điểm lại 10 phát minh quan trọng và nổi tiếng nhưng cũng hết sức thú vị của Isaac Newton trong suốt sự nghiệp sáng tạo của ông mà có thể chúng ta ít khi chú ý đến. Bây giờ chúng ta hãy đến với phát minh đầu tiên nhé: Siêu pháo chống người ngoài hành tinh xâm lược???
1. Ý tưởng của Newton khẩu pháo bắn vào quỹ đạo
Đối với một số ý kiến xuyên tạc sẽ cho rằng làm sao một người đàn ông đang ngáy ngủ và một quả táo vô tình rơi xuống lại làm nên một phát minh vĩ đại đến như vậy? Kết quả của quá trình "chờ sung rụng" chăng? Không hề, điều đó chỉ đến với một bộ óc thiên tài luôn suy nghĩ về các quy luật vật lý mà cụ thể là lực hấp dẫn. Không chỉ dừng lại ở trọng lực mà Newton còn đưa ra nhiều ý tưởng khác đi trước thời đại. Trong định luật hấp dẫn phổ quát, Newton đã diễn tả đến một ngọn núi khổng lồ mà đỉnh của nó là khoảng trên bầu khí quyển của Trái Đất, trên đỉnh có đặt một khẩu pháo vô cùng lớn có thể bắn một viên đạn theo chiều ngang ra ngoài không gian.
Newton không hề có ý định tạo ra một loại siêu vũ khí nhằm bắn những kẻ xâm lược ngoài hành tinh! Khẩu pháo của ông là một ý tưởng thí nghiệm nhằm giải thích làm thế nào để đưa một vật thể vào một quỹ đạo quay quanh Trái Đất. Theo dự đoán của Newton, nếu cho quá ít thuốc súng thì viên đạn pháo sẽ rơi trở lại Trái Đất, nếu cho quá nhiều thuốc súng thì viên đạn pháo bắn ra sẽ mất hút trong không gian. Tuy nhiên, nếu được bắn đi với một lượng thuốc súng vừa đủ, bạn sẽ cung cấp cho viên đạn pháo một vận tốc đủ để nó rơi theo quỹ đạo cong hướng về phía Trái Đất. Và sau đó, viên đạn pháo sẽ di chuyển mãi xung quanh Trái Đất theo một quỹ đạo nhất định.
Thí nghiệm trên đã được trình bày trong Principia Mathematica vào năm 1687, theo đó, tất cả mọi hạt đều gây ra một lực hấp dẫn và bị hấp dẫn bởi những vật thể khác. Lực tương tác này phụ thuộc vào trọng lượng và khoảng cách của hạt hay vật thể đó. Quy tắc này chi phối tất cả các hiện tượng từ mưa rơi cho đến quỹ đạo của các hành tinh. Đây chính là tác phẩm nổi tiếng với nhiều đóng góp quan trọng cho vật lý học cổ điển và cung cấp cơ sở lý thuyết cho du hành không gian cũng như sự phát triển của tên lửa sau này. Sau đó, Einstein cùng các nhà vật lý thế kỷ 16, 17 đã tiếp tục củng cố học thuyết của Newton để cho chúng ta những hiểu biết về lực hấp dẫn như ngày nay.
2. Cánh cửa dành cho chó mèo
Không chỉ có tầm nhìn mang tính vĩ mô như khẩu pháo không gian và phát hiện ra mối liên hệ giữa vạn vật trong vũ trụ, Newton cũng dùng trí tuệ tuyệt vời của mình để giải quyết những vấn đề thường thức trong đời sống hàng ngày. Điển hình là phương pháp giúp các mèo không cần cào cấu vào cánh cửa nhờ vào tạo ra một lối đi dành riêng cho chúng.
Như chúng ta đã biết, Newton không kết hôn và cũng có ít các mối quan hệ bạn bè, đổi lại ông chọn mèo và chó làm bầu bạn trong căn phòng của của mình. Hiện nay, có nhiều giả thuyết và lập luận cho rằng ông dành nhiều mối quan tâm đến những "người bạn" bé nhỏ của mình. Một số sử gia đương đại cho rằng Newton là một người rất yêu động vật. Một số còn chỉ ra rằng ông đặt tên cho một con chó của mình là Diamond (kim cương). Dù vậy, một số nhà sử học vẫn nghi ngờ về giả thuyết trên.
Một câu chuyện kể rằng trong quá trình nghiên cứu của Newton tại Đại học Cambridge, các thí nghiệm của ông liên tục bị gián đoạn bởi một con mèo của ông luôn cào vào cánh cửa phòng thí nghiệm gây ra những âm thanh phiều toái. Để giải quyết vấn đề, ông đã mời một thợ mộc tại Cambridge để khoét 2 cái lỗ trên cửa ra vào phòng thí nghiệm: 1 lỗ lớn dành cho mèo mẹ và 1 lỗ nhỏ dành cho mèo con!
Dù câu chuyện trên là đúng hay sai thì theo các ghi chép đương thời sau khi Newton qua đời thì có một sự thật hiển nhiên rằng người ta đã tìm thấy 1 cánh cửa với 2 cái lỗ tương ứng với kích thước của mèo mẹ và mèo con. Cho tới ngày nay vẫn còn nhiều tranh cãi xung quanh câu chuyện trên. Tuy nhiên, nhiều ý kiến vẫn cho rằng chính Newton mới là tác giả của cánh cửa dành cho chó mèo vẫn còn được sử dụng ngày nay.
3. Ba định luật về chuyển động của Newton
Trong khi các sử gia vẫn còn tranh cãi về những cánh cửa dành cho thú cưng có phải là của Newton hay không thì không một ai có thể phủ nhận đóng góp của Newton cho hiểu biết của con người trong vật lý học ngày nay. Tầm quan trọng tương đương với việc phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn, 3 định luật về chuyển động được Newton giới thiệu vào năm 1687 trong tác phẩm Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các nguyên lý toán học trong triết học tự nhiên). 3 định luật của ông đã đặt nền móng vững chắc cho sự phát triển của cơ học cổ điển (còn gọi là cơ học Newton) trong thời gian sau này.
3 định luật của ông được miêu tả ngắn gọn như sau:
Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng không thì nó giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.
Gia tốc của 1 vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỷ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lực. Hai lực này có cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều.
Bìa quyển sách Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các nguyên lý toán học trong triết học tự nhiên) xuất bản năm 1687
Ngày nay, chúng ta có thể dễ dàng phát biểu và hiểu về 3 định luật nổi tiếng trên. Tuy nhiên, các học giả trong lịch sử đã phải vật lộn với những khái niệm cơ bản về chuyển động trong suốt nhiều thế kỷ. Nhà triết học Hy Lạp Aristotle từng nghĩ rằng sở dĩ khói có thể bay lên trên không là vì khói chứa nhiều không khí. Trước đó, các học giả khác lại nghĩ rằng khói bay lên trời để tụ hợp cùng với những đám khói "bạn bè" của chúng. Nhà triết học Pháp René Descartes đã từng nghĩ tới những lý thuyết về chuyển động tương tự như Newton nhưng cuối cùng, ông vẫn cho rằng Thiên Chúa mới chính là động lực của các chuyển động.
3 định luật Newton như một vẻ đẹp đến từ sự tối giản trong khoa học. Dù đơn giản như thế, nhưng đây chính là căn cứ để các nhà khoa học có thể hiểu được tất cả mọi thứ chuyển động từ của các hạt electron cho tới chuyển động xoắn ốc của cả thiên hà.
4. Hòn đá phù thủy của "nhà giả kim thuật" Newton
Trong một bức vẽ về một nhà giả kim thuật, chúng ta thấy các biểu tượng hành tinh diễn tả các kim loại trong một quyển sách đang mở ra dưới sàn nhà. Đây được cho là các biểu tượng mà Newton đã sử dụng trong các ghi chép của ông.
Newton đã cống hiến rất nhiều cho nhân loại với những khám phá khoa học của ông. Bên cạnh đó, người ta cũng nhắc đến ông như 1 trong những nhà giả kim học lỗi lạc nhất: huyền thoại giả kim thuật với hòn đá phù thủy. Các văn bản ghi chép lại còn được lưu trữ đến ngày nay đã có nhiều mô tả khác nhau về hòn đá này: từ khả năng tạo nên người từ đá cho tới khả năng chuyển hóa từ chì thành vàng. Thậm chí, những người bấy giờ còn cho rằng hòn đá của ông có thể chữa bệnh hoặc có thể biến một con bò không đầu thành một bầy ong.
Có lẽ các bạn sẽ thắc mắc tại sao một biểu tượng của khoa học lại trở thành một nhà giả kim thuật? Để trả lời câu hỏi đó, hãy nghĩ đến bối cảnh bấy giờ, cuộc cách mạng khoa học chỉ mới đạt được động cơ hơi nước vào những năm 1600. Các nhà giả kim thuật bấy giờ vẫn còn tồn tại cùng với những thủ thuật lỗi thời của họ cùng với các học thuyết và triết học huyền bí nhằm mê hoặc một số người. Dù vậy, các ghi chép giả kim thuật vẫn được cho là những thí nghiệm hóa học.
Bút tích còn lưu lại của Newton về nghiên cứu giả kim
Tuy nhiên, những ghi chép trong suốt 30 năm làm thí nghiệm của Newton đã tiết lộ rằng ông cũng hy vọng về một cái gì đó hơn là những phản ứng hóa học bình thường, thậm chí là hứa hẹn về việc biến các nguyên tố khác thành vàng. Theo sử gia William Newman, ông cho rằng Newton muốn tìm kiếm những "quyền lực siêu hạn trong tự nhiên."
Đây chính là những căn cứ cho lập luận rằng Newton cũng đã có những nghiên cứu và để lại ghi chép về giả kim mà người đương thời gọi là "hòn đá phù thủy." Các ghi chép cho thấy ông đã tìm cách tạo nên những loại nguyên tố bí ẩn lúc bấy giờ. Trên thực tế, Newton đã có những nỗ lực nhằm tạo ra một loại hợp kim đồng màu tím. Dù vậy, nghiên cứu của ông đã thất bại.
Đây có thể không phải là một sáng chế của Newton, nhưng nó cũng cho chúng ta một cái nhìn về những suy nghĩ cũng như thời gian mà ông dành cho các nghiên cứu khoa học. Vào năm 2005, nhà sử học Newman cũng đã tạo nên một "hòn đá phù thủy" dựa trên các ghi chép 300 năm trước của Newton và dĩ nhiên, không có sự chuyển hóa tạo thành vàng xảy ra.
5. Cha đẻ của các phép tính vi phân
Bút tích của Newton còn lưu giữ đến ngày nay
Nếu bạn đã hoặc đang đau đầu với môn toán học mà đặc biệt là tích phân và vi phân đã cày nát bộ não của bạn, bạn có thể đổ một phần lỗi cho Newton! Trên thực tế, hệ thống toán học chính là một công cụ để chúng ra có thể tìm hiểu được mọi thứ trong vũ trụ này. Giống như nhiều nhà khoa học cùng thời, Newton cũng đã nhận thấy rằng các lý thuyết đại số và hình học trước đó không đủ cho yêu cầu nghiên cứu khoa học của ông. Hệ thống toán học đương thời không đủ để phục vụ ông.
Các nhà toán học lúc bấy giờ có thể tính toán được vận tốc của một con tàu nhưng họ vẫn không thể tính toán được mối liên hệ với gia tốc của nó cũng như tỷ lệ của lực tác động. Họ vẫn chưa thể tính toán được góc bắn là bao nhiêu để viên đạn pháo bay đi xa nhất. Các nhà toán học đương thời vẫn cần một phương pháp để tính toán các hàm có nhiều biến.
Một sự kiện đã xảy đến trong quá trình nghiên cứu của Newton, một đợt bùng phát bệnh dịch hạch đã khiến hàng loạt người chết trên khắp các đường phố tại Cambridge. Tất cả các cửa hàng đều đóng cửa và dĩ nhiên, Newton cũng phải hạn chế đi ra ngoài. Đó là khoảng thời gian 18 tháng nghiên cứu của Newton để rồi ông xây dựng nên một mô hình toán học và đặt tên là "khoa học của sự liên tục".
Ngày nay, chúng ta biết đó chính là các phép tính vi-tích phân. Một công cụ quan trọng trong vật lý, kinh tế học và các môn khoa học xác suất. Vào những năm 1960, chính các hàm số vi-tích phân này đã cung cấp công cụ cho phép các kỹ sư phi thuyền Apollp có thể tính toán được các số liệu trong sứ mạng đặt chân lên Mặt Trăng.
Dĩ nhiên, một mình Newton không tạo nên phép toán mà chúng ta sử dụng ngày nay. Ngoài Newton, nhà toán học người Đức (1646-1716)cũng đã độc lập phát triển mô hình phép tính vi - tích phân trong cùng thời gian với Newton. Dù vậy, chúng ta vẫn phải công nhận tầm quan trọng của Newton trong sự phát triển toán học hiện đại với các đóng góp không nhỏ của ông.
6. "Sinh sự" với cầu vồng
Thí nghiệm của Newton
Cầu vồng? Cầu vồng là gì? Bạn nghĩ rằng Newton để yên cho những bí mật bên trong cầu vồng? Không hề! Thiên tài của chúng ta đã quyết tâm giải mã những điều ẩn chứa bên trong hiện tượng thiên nhiên này. Vào năm 1704, ông đã viết một quyển sách về vấn đề khúc xạ ánh sáng với tiêu đề "Opticks". Quyển sách đã góp một phần không nhỏ trong việc thay đổi cách nghĩ của chúng ta về ánh sáng và màu sắc.
Các nhà khoa học bấy giờ đều biết rằng cầu vồng được hình thành khi ánh sáng bị khúc xạ và phản xạ trong những hạt nước mưa trong không khí. Dù vậy, họ vẫn chưa thể lý giải rõ ràng được tại sao cầu vồng lại chứa nhiều màu sắc như vậy. Khi Newton bắt đầu nghiên cứu tại Cambridge, các lý thuyết phổ biến trước đó vẫn cho rằng các hạt nước bằng cách nào đó đã nhuộm nhiều màu sắc khác nhau lên tia sáng Mặt Trời.
Bằng cách sử dụng một lăng kính và một chiếc đèn, Newton đã thực hiện thí nghiệm bằng cách cho ánh sáng chiếu qua lăng kính. Và kết quả như tất cả chúng ra đều biết, ánh sáng bị tách ra thành các màu như cầu vòng.
7. Kính viễn vọng phản xạ
Một bản sao của chiếc kính viễn vọng phản xạ do Newton chế tạo và đã trình bày trước Hội đồng hoàng gia vào năm 1672
Newton được sinh ra trong thời kỳ mà sự hiện diện của kính viễn vọng vẫn còn khá mờ nhạt. Mặc dù vậy, các nhà khoa học đã có thể chế tạo nên các mô hình sử dụng một tập hợp các thấu kính thủy tinh để phóng to hình ảnh. Trong thí nghiệm với các màu sắc của Newton, ông đã biết được các màu sắc khác nhau sẽ khúc xạ với các góc độ khác nhau, từ đó tạo nên một hình ảnh lờ mờ cho người xem.
Để cải tiến chất lượng hình ảnh, Newton đã đề xuất sử dụng một gương khúc xạ thay cho các thấu kính khúc xạ trước đó. Một tấm gương lớn sẽ bắt lấy hình ảnh, sau đó một gương nhỏ hơn sẽ phản xạ hình ảnh bắt được tới mắt của người ngắm. Phương pháp này không chỉ tạo nên hình ảnh rõ ràng hơn mà con cho phép tạo nên một kính viễn vọng với kích thước nhỏ hơn.
Một số ý kiến cho rằng, nhà toán học người Scotland James Gregory là người đầu tiên đề xuất ý tưởng chế tạo kính viễn vọng phản xạ vào năm 1663 dù mô hình này vẫn chưa thể hoạt động hoàn chỉnh. Tuy nhiên, dựa trên các ghi chép còn lưu trữ lại, các nhà sử học cho rằng Newton mới là người đầu tiên có thể chế tạo một chiếc kính viễn vọng phản xạ dựa trên lý thuyết do ông đề xuất.
Trên thực tế, Newton đã tự mài các tấm gương, lắp ráp một mẫu thử nghiệm và trình bày nó với Hội đồng hoàng gia vào năm 1672. Đó chỉ đơn thuần là 1 thiết bị dài 15 cm, có khả năng loại bỏ sự khúc xạ và có độ phóng đại lên tới 40 lần. Đến ngày nay, gần như tất cả các đài thiên văn học đều sử dụng các biến thể của thiết kế ban đầu nói trên của Newton.
8. Đồng xu hoàn hảo
Những đồng 2 pound tại Anh với các khía 2 xung quanh cạnh
Vào những cuối những năm 1600, hệ thống tài chính tại Anh lâm vào tình trạng khủng hoảng nghiêm trọng. Bấy giờ, toàn bộ hệ thống tiền tệ trong cả nước Anh đều sử dụng các đồng xu bạc và dĩ nhiên, bản thân bạc có giá trị cao hơn so với giá trị định danh được in trên mỗi đồng xu. Lúc đó nảy sinh ra một vấn đề, có người sẽ cắt xén bớt hàm lượng bạc và thêm vào các kim loại khác trong quá trình nấu và đúc tiền. Lượng bạc cắt xén được sẽ bị "chảy máu" sang Pháp thông qua đường biên giới để bán được giá cao hơn.
Thậm chí, bấy giờ còn là cuộc khủng hoảng của việc tranh giành nhau nhận thầu đúc tiền. Do đó, lòng tin của người dân vào hệ thống tài chính suy giảm nghiêm trọng. Đồng thời, các tổ chức tội phạm làm tiền giả cũng mặc sức lan tràn do đã không còn một đồng tiền chuẩn đáng tin tưởng nào đang lưu thông. Mặt khác, sự gian lận cũng diễn ra ngay trong quá trình đúc tiền. Sau khi đúc mỗi mẻ tiền xu, người ta sẽ cân mỗi đồng xu lấy ra và xem nó lệch so với tiêu chuẩn là bao nhiêu. Nếu giá trị bạc dư ra lớn hơn so với giá trị in trên nó, những kẻ đầu cơ sẽ mua chúng, nấu chảy ra và tiếp tục bán lại cho chính xưởng đúc tiền để kiếm lời.
Trước tình hình đó, vào năm 1696, chính phủ Anh đã kêu gọi Newton giúp tìm ra giải pháp tìm ra giải pháp chống nạn sao chép và cắt xén đồng xu bạc. Newton đã có một bước đi hết sức táo bạo là thu hồi toàn bộ tiền xu trên khắp đất nước, tiến hành nấu lại và đúc theo một thiết kế mới của ông. Bước đi này đã khiến cho toàn bộ nước Anh không có tiền trong lưu thông trong suốt 1 năm.
Bấy giờ, Newton đã làm việc cật lực trong suốt 18 giờ mỗi ngày để rồi cuối cùng, thiết kế tiền xu mới cũng được ra đời. Những đồng tiền mới được đúc ra với chất lượng bạc cao hơn, đồng thời rìa mỗi đồng xu đều được khía các cạnh theo một công thức đặc biệt. Nếu không có các cỗ máy khía cạnh chuyên dụng thì sẽ không thể nào tạo ra được các đồng xu mang đặc trưng như do Hoàng gia đúc ra.
9. Sự mất nhiệt
Trong các nghiên cứu của mình, Newton cũng đã dành nhiều thời gian để tìm hiểu khía cạnh vật lý của hiện tượng lạnh đi của các chất. Vào cuối những năm 1700, ông đã tiến hành các thí nghiệm với quả cầu sắt nung đỏ. Ông đã lưu ý trong các ghi chép rằng có sự khác biệt giữa nhiệt độ của quả bóng sắt và không khí xung quanh. Cụ thể, nhiệt độ chênh lệch lên tới 10 độ C. Và ông cũng nhận ra rằng tốc độ mất nhiệt tỷ lệ thuận với sự khác biệt về nhiệt độ.
Từ đó, Newton hình thành nên định luật về trạng thái làm mát. Theo đó, tốc độ mất nhiệt của cơ thể tỷ lệ thuận với sự khác biệt về nhiệt độ giữa môi trường xung quanh so với nhiệt độ cơ thể. Sau này, nhà hóa học người Pháp Piere Dulong và nhà vật lý Alexis Prtot đã hoàn thiện định luật trên vào năm 1817 dựa trên nền tảng từ nghiên cứu của Newton. Nguyên tắc của Newton đã đặt nền móng cho nhiều nghiên cứu khác của vật lý hiện đại từ lò phản ứng hạt nhân an toàn cho tới việc thám hiểm không gian.
10. Dự đoán của Newton về ngày tận thế
Hình vẽ 4 loài thú dữ xuất hiện vào ngày tận thế mô tả trong Book of Daniel
Ngày tận thế luôn là nỗi ám ảnh của con người. Dù vậy, Newton không phải là dạng người có thể dễ dàng chấp nhận nỗi sợ hãi về ngày tận thế qua những câu chuyện hay những truyền thuyết. Bản thân Newton là một người thực tế và luôn tìm cách kiểm định, đưa ra các quan điểm của mình trong quá trình nghiên cứu Kinh Thánh.
Trong quá trình nghiên cứu, Newton đã không đặt nặng khía cạnh Thần học mà dùng các kiến thức của mình nhằm cố lý giải vấn đề. Theo các ghi chép cách đây 300 năm còn được lưu trữ đến ngày nay cho thấy Newton đã nghiên cứu Book of Daniel. Để phục vụ nghiên cứu, ông đã tự học tiếng Do Thái, tập trung nghiên cứu triết học Do Thái bí truyền.
Qua nghiên cứu, ông dự đoán ngày tận cùng của thế giới là vào năm 2060 hoặc có thể là sau đó nhưng không thể sớm hơn. Dù sao đi nữa, đó vẫn là những gì mà ông tuyên bố với mọi người vào thế kỷ 18. Dĩ nhiên, ngày nay, các nhà khoa học đã có một lời giải đáp hoặc dự đoán tốt hơn cho hiện tượng tận thế nói chung. Qua đó, chúng ta phần nào hiểu được thêm về quan điểm của 1 nhà khoa học vào thế kỷ 18 về ngày tàn của nhân loại.
