Chương 11

Đâu là trung tâm của vũ trụ?

Mỗi buổi sáng, Mặt Trời mọc đằng Đông, và mỗi buổi tối, nó lặn ở đằng Tây. Chúng ta có thể thấy nó di chuyển chậm rãi cả ngày, với những cái bóng của chúng ta dài hoặc ngắn, phía trước hoặc phía sau, tùy thuộc vào vị trí của Mặt Trời. Hãy thử thí nghiệm vào giữa trưa, và quan sát bóng của bạn dồn lại ngay dưới chân bạn. Không gì có thể rõ ràng hơn thế, và bởi nó diễn ra hằng ngày nên nếu bạn bỏ lỡ nó, bạn hoàn toàn có thể xem lại vào ngày hôm sau.

Mặt Trời không quay quanh Trái Đất mỗi ngày, tất nhiên, Bạn có thể hiểu được sẽ khó khăn thế nào khi phải thuyết phục mọi người rằng những gì tưởng chừng quá rõ ràng lại không phải những gì đang thực sự diễn ra. Có thể phát biểu như thế này: Trái Đất là trung tâm Vũ Trụ của chúng ta, vì nó là nơi chúng ta đứng khi ta quan sát Mặt Trời, Mặt Trăng và các vì sao. Nó là trung tâm của chúng ta, chứ không phải trung tâm thực.

Tất cả những nhà chiêm tinh học thời cổ đại đều cho rằng Trái Đất là trung tâm của Vũ Trụ. Bạn có nhớ Aristotle không? Sau ông, nhà thiên văn học người Hy Lạp có ảnh hưởng nhất, Ptolemy, xây dựng lý thuyết dựa trên việc ghi chép cẩn thận vị trí các ngôi sao trên bầu trời từ đêm này sang đêm khác, mùa này qua mùa khác, năm này qua năm khác. Ngắm nhìn những vì sao trong một đêm trời quang đãng là một trải nghiệm mầu nhiệm, và việc có thể xác định các nhóm, hoặc “chòm” sao cũng đem lại nhiều niềm vui. Ta dễ dàng nhận biết chòm sao Lưỡi Cày và vành đai Orion nằm ở phía xa của bầu trời khi không có mây. Từ chòm Lưỡi Cày, bạn có thể tìm được sao Bắc Đẩu, và điều này giúp các thủy thủ có thể tiếp tục lái tàu theo hướng chính xác vào ban đêm.

Có nhiều điểm không hợp lý trong một mô hình Vũ Trụ mà trong đó Trái Đất là trung tâm và các thiên thể dịch chuyển quanh Trái Đất theo quỹ đạo tròn hoàn hảo. Lấy các ngôi sao làm ví dụ. Chúng từ từ thay đổi vị trí mỗi đêm. Ngày Xuân Phân, khi Mặt Trời ở ngay phía trên đường xích đạo và làm cho thời gian ngày và đêm dài bằng nhau, vẫn luôn là ngày quan trọng đối với các nhà thiên văn học, và trên thực tế, cũng quan trọng với tất cả mọi người. Ngày này thường rơi vào ngày 20 hoặc 21 tháng Ba, và ngày 21 tháng Ba được coi là ngày chính thức bắt đầu mùa xuân.§ Vấn đề nằm ở chỗ, vị trí của các ngôi sao vào những ngày Xuân Phân luôn có sự khác biệt nhỏ giữa các năm, điều không thể xảy ra nếu như chúng quay quanh Trái Đất theo quỹ đạo hình tròn hoàn hảo, Các nhà thiên văn học gọi sự khác biệt này là “tuế sai của điểm phân”, và họ phải thực hiện nhiều phép tính phức tạp để giải thích tại sao tuế sai phát sinh.

Chuyển động của các hành tinh cũng là một câu đố. Khi bạn nhìn lên bầu trời đêm bằng mắt thường, các hành tinh trông như những ngôi sao sáng. Các nhà thiên văn học thời cổ đại nghĩ rằng chỉ có bảy hành tinh: Thủy Tinh, Kim Tinh, Hỏa Tinh, Mộc Tinh, và Thổ Tinh, thêm Mặt Trời và Mặt Trăng cũng được họ gọi là hành tinh. Chúng rõ ràng gần Trái Đất hơn những ngôi sao mà họ gọi là các “định tinh”, hay chúng ta vẫn thường gọi là dải Ngân Hà. Việc quan sát các hành tinh làm nảy sinh nhiều vấn đề hơn các định tinh, bởi các hành tinh dịch chuyển cứ như thể chúng không quay quanh Trái Đất. Trước hết, chuyển động của chúng không có vẻ liên tục, và các hành tinh dường như có lúc dịch chuyển ngược lại hướng đi ban đầu của chính nó. Để giải thích hiện tượng này, các nhà thiên văn học cho rằng điểm mà các hành tinh quay xung quanh thực chất không phải là trung tâm của Trái Đất. Họ gọi điểm này là “điểm đẳng thước”, và khái niệm này cùng các tính toán khác cho phép các nhà thiên văn học thời cổ đại giải thích những gì họ thấy trên bầu trời đêm mà không cần phải bác bỏ hoàn toàn mô hình này. Điều này có nghĩa là họ vẫn có thể cho rằng Trái Đất nằm ở trung tâm của vạn vật và các thiên thể khác quay quanh Trái Đất.

Điều gì sẽ xảy ra nếu, thay vì đặt Trái Đất tại trung tâm của vạn vật, bạn đặt Mặt Trời vào vị trí đó, và giả thiết rằng các hành tinh (lúc này bao gồm cả Trái Đất) quay quanh Mặt Trời? Chúng ta đã quá quen thuộc với quan điểm này đến mức khó có thể nhận ra rằng giả thuyết đó thực sự là một bước tiến gây chấn động. Nó đi ngược lại những gì chúng ta thấy hằng ngày, đi ngược lại những lời dạy của Aristotle và (quan trọng hơn) lời dạy của Giáo Hội, bởi trong Kinh Thánh Joshua đã khẩn cầu Thượng Đế ra lệnh cho Mặt Trời đang di chuyển phải đứng lại. Nhưng đặt Mặt Trời ở trung tâm của vạn vật chính xác là điều mà một thầy tu người Ba Lan mang tên Copernicus đã dũng cảm làm.

Nicholas Copernicus (1473–1543) sinh và mất tại Ba Lan, nhưng ông học luật và y học ở Ý. Cha của ông mất khi Copernicus 10 tuổi, và anh trai của mẹ ông giữ trách nhiệm giáo dục cậu bé thông minh, ở Đại học Cracow, Ba Lan. Khi bác ông trở thành Giám mục của vùng Frauenburg, Ba Lan, Copernicus có được một công việc tại nhà thờ chính tòa. Công việc này cho ông một thu nhập ổn định, cho phép ông học tại Ý, và tiếp tục đam mê nghiên cứu bầu trời khi ông trở lại Ba Lan. Ông xây một tòa tháp không có mái, nơi ông có thể sử dụng các dụng cụ thiên văn của mình. Vì thời đó chưa có kính viễn vọng, những dụng cụ này đơn giản chỉ giúp ông đo các góc giữa các thiên thể với đường chân trời, và các tuần trăng. Ông cũng rất quan tâm đến các hiện tượng thiên thực, xảy ra khi Mặt Trời, Mặt Trăng, hoặc một trong số các hành tinh chuyển động vào bóng tối của thiên thể khác và bị che khuất một phần hoặc hoàn toàn khỏi tầm nhìn của chúng ta.

Chúng ta không biết chính xác khi nào Copernicus kết luận rằng mô hình bầu trời và Hệ Mặt Trời (cái tên chúng ta sử dụng ngày nay) của ông giải thích được những gì con người đã quan sát được trong hàng nghìn năm một cách hợp lý hơn. Nhưng vào năm 1514, ông viết một bản thảo ngắn và cho một vài người bạn đáng tin cậy xem. Ông không dám công khai nó. Trong đó, ông phát biểu khá rõ ràng rằng “tâm của Trái Đất không phải là tâm của Vũ Trụ,” và “chúng ta, cũng như các hành tinh khác, quay quanh Mặt Trời.” Đây là những kết luận khá dứt khoát, và trong ba thập kỷ tiếp theo, Copernicus lặng lẽ nghiên cứu tiếp giả thuyết của ông rằng Mặt Trời, chứ không phải Trái Đất, là trung tâm của Vũ Trụ. Mặc dù ông dành nhiều thời gian cho việc tự mình quan sát bầu trời, việc ông làm tốt nhất lại là suy nghĩ về những gì các nhà thiên văn học khác đã nhìn thấy, về việc những điểm khó giải thích mà họ gặp phải có thể được giải quyết dễ dàng như thế nào khi đặt Mặt Trời vào trung tâm và giả thiết rằng các hành tinh quay quanh nó. Rất nhiều điều khó giải thích, ví dụ như thiên thực, hoặc chuyển động tiến và lùi kì lạ của các hành tinh, trở nên dễ hiểu. Bên cạnh đó, Mặt Trời có một vai trò quan trọng đối với đời sống loài người, cho chúng ta hơi ấm và ánh sáng, đến mức đưa nó vào vị trí trung tâm cũng là một cách để công nhận rằng thiếu Mặt Trời thì sự sống trên Trái Đất không thể diễn ra.

Mô hình của Copernicus cũng dẫn tới một hệ quả rất quan trọng khác: những ngôi sao cách Trái Đất xa hơn rất nhiều so với giả thuyết của Aristotle và các nhà tư duy thời xưa khác. Aristotle cho rằng thời gian là vô hạn nhưng không gian là hữu hạn. Giáo Hội dạy rằng thời gian có điểm khởi đầu (từ hàng nghìn năm trước, khi Chúa tạo ra mọi thứ), và không gian cũng hữu hạn, có lẽ chỉ ngoại trừ chính Thiên đường. Copernicus chấp nhận ý niệm của Giáo Hội về thời gian và thời điểm Chúa tạo ra vạn vật, nhưng các phép đo của ông cho ông biết rằng Trái Đất gần Mặt Trời hơn nhiều so với khoảng cách từ Mặt Trời đến những ngôi sao khác. Ông cũng tính toán được khoảng cách gần đúng giữa Mặt Trời và các hành tinh, và khoảng cách từ Mặt Trăng đến Trái Đất. Vũ Trụ lớn hơn nhiều so với những gì con người từng nghĩ.

Copernicus biết rằng nghiên cứu của ông sẽ làm mọi người kinh ngạc, nhưng khi ông có tuổi, ông quyết định rằng mình phải xuất bản nghiên cứu đó. Năm 1542, ông hoàn thành cuốn sách lớn của mình, Vòng quay của các thiên thể (De revolutionibus orbium coelestium). Nhung khi đó Copernicus đã là một cụ già ốm yếu. Vì thế, ông tin tưởng gửi gắm việc in ấn cho một người bạn, một thầy tu tên là Rheticus, người cũng biết về các ý tưởng của Copernicus. Rheticus bắt đầu công việc này, nhưng sau đó phải chuyển đến làm việc ở một trường đại học ở Đức, nên nhiệm vụ được trao lại cho một thầy tu khác, Andreas Osiander. Osiander tin rằng các ý tưởng của Copernicus là nguy hiểm, nên ông ta đã tự thêm phần mở đầu do chính ông ta viết vào cuốn sách vĩ đại này, cuốn sách cuối cùng được in năm 1543. Trong phần mở đầu đó, ông ta viết rằng những kết luận và ý tưởng của Copernicus không thực sự đúng, mà chỉ đơn giản là một trong nhiều cách khả dĩ để giải thích những điểm vướng mắc mà những nhà thiên văn đã nhận ra từ lâu với quan điểm Trái Đất là trung tâm của Vũ Trụ. Osiander có quyền đưa ra quan điểm riêng, nhưng ông ta đã làm một việc rất không trung thực: ông ta viết phần lời tựa này cứ như thể nó là của chính Copernicus. Bởi phần này không được ai ký, người ta đã mặc định rằng đây chính là quan điểm mà Copernicus thực sự muốn bày tỏ về những ý tưởng của mình, và Copernicus lúc đó đang hấp hối và không thể làm gì để thay đổi ấn tượng sai lầm mà lời tựa đó tạo ra. Hệ quả là, trong suốt gần 100 năm, độc giả cho rằng Copernicus đơn thuần đang thử nghiệm nhiều cách giải thích những gì chúng ta nhìn thấy trên bầu trời mỗi đêm, mà không thực sự khẳng định rằng Trái Đất quay quanh Mặt Trời.

Lời tựa này khiến người ta dễ dàng bỏ qua thông điệp có tính cách mạng trong cuốn sách của Copernicus. Tuy nhiên, nhiều người đọc nó, và các nhận xét lẫn tính toán trong đó ảnh hưởng tới thiên văn học trong hàng thập kỷ sau khi ông mất. Hai nhà thiên văn đặc biệt quan trọng còn đưa công trình của ông đi xa hơn nữa. Một trong số họ, Tycho Brahe (1546–1601) đã được truyền cảm hứng từ việc Copernicus kiên quyết khẳng định rằng Vũ Trụ rất lớn, và rằng các ngôi sao ở rất xa Trái Đất. Việc quan sát nhật thực năm 1560 đã thổi bùng lên trí tưởng tượng của ông, và dù gia đình quý tộc Đan Mạch của ông muốn ông học luật, thứ duy nhất thỏa mãn ông là nghiên cứu bầu trời. Năm 1572, ông phát hiện ra một ngôi sao mới, rất sáng trên bầu trời đêm. Ông viết về nova stella (ngôi sao mới) này và lý luận rằng điều này cho thấy bầu trời không hẳn hoàn thiện và không phải bất biến. Ông tự xây dựng một đài thiên văn tinh vi và công phu trên một hòn đảo ngoài khơi Đan Mạch, và trang bị cho nó những công cụ tiên tiến nhất. (Than ôi, kính viễn vọng lúc này vẫn chưa được phát minh.) Năm 1577, ông theo dõi đường đi của một sao chổi; sao chổi nhìn chung bị coi là điềm xấu, nhưng với Tycho, đường đi của sao chổi đơn thuần cho thấy các thiên thể không cố định trong mặt cầu của riêng chúng, vì sao chổi cắt qua các thiên thể.

Tycho đã có nhiều khám phá quan trọng về vị trí và chuyển động của các hành tinh và các vì sao, mặc dù cuối cùng ông phải đóng cửa đài thiên văn và chuyển đến Prague, nơi mà ông lại xây dựng một đài thiên văn khác vào năm 1577. Ba năm sau, ông chọn Johannes Kepler (1571–1630) làm trợ lý. Dù Tycho không bao giờ chấp nhận mô hình Mặt Trời là trung tâm Vũ Trụ của Copernicus, Kepler có quan điểm khác Tycho về Vũ Trụ, và Tycho để lại tất cả những ghi chú lẫn bản thảo của mình cho Kepler trước khi ông mất năm 1601. Kepler làm tròn bổn phận với di sản ghi nhớ của Tycho và đã biên tập một số công trình của Tycho để xuất bản, nhưng ông cũng đưa thiên văn học đi theo một hướng hoàn toàn mới.

Kepler có một cuộc đời đầy giông tố và hỗn loạn. Vợ và con gái nhỏ của ông qua đời, và mẹ ông bị truy tố vì bị nghi ngờ thực hiện ma thuật phù thủy. Chính ông cũng là một người mộ đạo theo Tân giáo, giữa những ngày đầu của Cải cách Tân giáo khi đa số nhà chức trách theo Công giáo, nên ông luôn phải dè chừng mỗi bước đi. Ông tin rằng trật tự của bầu trời khẳng định sự cảm kích thần bí mà ông dành cho sự sáng tạo của Chúa Trời. Dù vậy, những đóng góp dài lâu của ông cho thiên văn học rất thực tế và chính xác. Giữa những bản thảo có nội dung thường khó hiểu của mình, ông diễn giải cặn kẽ ba khái niệm mà ngày nay vẫn được biết đến với cái tên Định luật Kepler. Chúng vô cùng quan trọng.

Hai định luật đầu tiên liên quan chặt chẽ với nhau, và ông khám phá ra chúng với sự hỗ trợ của các bản ghi chép những lần quan sát cẩn thận chuyển động của Hỏa Tinh mà Tycho đã để lại cho ông. Kepler nghiên cứu các ghi chép này trong một thời gian dài cho đến khi ông nhận ra rằng các hành tinh không phải lúc nào cũng dịch chuyển với cùng một tốc độ, thực ra, chúng di chuyển nhanh hơn khi chúng ở gần Mặt Trời và chậm hơn khi ở xa Mặt Trời. Ông phát hiện ra rằng nếu ta vẽ một đường thẳng từ Mặt Trời (nằm ở trung tâm của Vũ Trụ) đến hành tinh, ta sẽ thấy diện tích cung tròn được tạo ra khi hành tinh chuyển động mới là một giá trị không đổi, chứ không phải vận tốc của hành tinh. Đây là định luật thứ hai của ông, và hệ quả của nó là định luật thứ nhất: các hành tinh không dịch chuyển theo quỹ đạo hình tròn hoàn hảo, mà dịch chuyển theo quỹ đạo hình ellipse, một dạng hình tròn được làm dẹt. Mặc dù chưa nghĩ tới lực hấp dẫn, ông cho rằng phải có một lực nào đó tác động lên chuyển động của các hành tinh. Và ông nhận ra rằng hình ellipse là đường đi tự nhiên của bất cứ vật nào dịch chuyển quanh một điểm trung tâm, giống như các hành tinh dịch chuyển quanh Mặt Trời. Hai định luật của Kepler cho thấy quan niệm cổ xưa về những quỹ đạo hình tròn hoàn hảo là sai làm.

Định luật thứ ba của ông thực tế hơn: ông chỉ ra rằng có một mối quan hệ đặc biệt giữa thời gian một hành tinh quay trọn một vòng quanh Mặt Trời và khoảng cách trung bình từ hành tinh đó đến Mặt Trời. Điều này cho phép các nhà thiên văn học tính toán khoảng cách từ các hành tinh đến Mặt Trời, và tưởng tượng ra được Hệ Mặt Trời của chúng ta lớn thế nào, nhưng cũng đồng thời nhận ra nó nhỏ thế nào khi so sánh với khoảng cách giữa chúng ta và các vì sao. May mắn thay, cũng vào khoảng thời gian đó, một dụng cụ khoa học đã được phát minh để giúp chúng ta nhìn xa hơn vào những khoảng không đó. Người đàn ông đã biến kính viễn vọng thành một dụng cụ có sức mạnh to lớn cũng là nhà thiên văn học nổi tiếng nhất: Galileo Galilei.

Thế giới có nhiều cách quy định mùa khác nhau, chủ yếu dựa trên các yếu tố điều kiện thời tiết, thiên văn, Mặt Trời, sinh thái, văn hóa và một số yếu tố khác. Ở Mỹ, Anh, và một số nước Tây Âu, ngày 21 tháng Ba là ngày mùa xuân chính thức bắt đầu. Ở Việt Nam, Trung Quốc và một số nước châu Á, ngày 3 – 5 tháng Hai, tức ngày Lập Xuân, là ngày mùa xuân chính thức bắt đầu, còn ngày 20 – 21 tháng Ba là ngày Xuân Phân, tức ngày đánh dấu giữa mùa xuân.

Chương 12

Tháp nghiêng và kính viễn vọng

Galileo

Một trong những công trình kì lạ nhất thế giới hẳn là tháp chuông 850 năm tuổi của nhà thờ chính tòa ở thành phố Pisa, nước Ý. Có thể bạn đã biết đến nó với cái tên Tháp nghiêng Pisa. Sẽ rất vui khi chụp ảnh một người bạn đứng trước tòa tháp và giả vờ như đang giữ nó khỏi đổ. Cũng có những câu chuyện về việc Galileo sử dụng tòa tháp cho thí nghiệm của ông – thả hai quả cầu có khối lượng khác nhau từ đỉnh tòa tháp để xem quả nào chạm đất trước. Trên thực tế, ông không dùng tòa tháp này, mà ông đã làm các thí nghiệm khác cho biết kết quả của trường hợp giả định kia sẽ là gì, và ông phát hiện ra rằng cả quả bóng nặng 4,5 kilogram lẫn quả bóng nặng 0,45 kilogram đều chạm đất cùng một thời điểm. Giống như việc Mặt Trời không quay quanh Trái Đất mỗi ngày, thí nghiệm này dường như đi ngược lại trải nghiệm hằng ngày của chúng ta. Rõ ràng, một chiếc lông chim và một quả bóng được thả từ đỉnh tháp không rơi với cùng một tốc độ. Vậy tại sao hai quả bóng có khối lượng khác nhau lại rơi xuống đất cùng nhau?

Galileo Galilei (1564–1642) sinh ra ở Pisa. (Galilei là họ của ông, nhưng người anh hùng của chúng ta luôn được biết đến với tên Galileo.)§ Cha của ông là một nhà soạn nhạc và Galileo thực ra lớn lên ở thành phố Florence gần đó. Ông trở về Đại học Pisa khi đã là một thanh niên, bắt đầu học y, nhưng ông vẫn luôn quan tâm đến toán học hơn, và ông rời trường đại học với tiếng tăm về sự lanh lợi và nhanh trí. Năm 1592, ông đến Padua để dạy toán học và môn mà ngày nay chúng ta sẽ gọi là vật lý học. Ông ở đó khi William Harvey, người chúng ta sẽ sớm gặp trong cuốn sách này, là một sinh viên của trường, và thật đáng thất vọng khi hai người này có lẽ đã không bao giờ gặp nhau.

Trong suốt cuộc đời mình, Galileo thu hút các cuộc tranh cãi. Ý tưởng của ông dường như luôn thách thức những quan điểm vốn đã được chấp nhận, đặc biệt là vật lý học và thiên văn học của Aristotle và những Đấng lỗi lạc thời cổ đại khác. Ông là một tín đồ Công giáo tốt, nhưng ông cũng tin rằng tôn giáo chỉ bao gồm đức hạnh và đức tin, còn khoa học giải mã thế giới vật lý và có thể quan sát được. Nói theo cách của ông, Kinh Thánh dạy người ta cách đi tới cõi trời, chứ không phải cách cõi trời vận động. Điều này đưa ông đến xung đột với Giáo Hội Công giáo, vào thời đó đang quyết liệt chống lại những người dám thách thức tư tưởng hoặc quyền lực của Giáo Hội. Giáo Hội cũng bắt đầu công khai kiểm soát lượng sách ngày càng lớn được sản xuất bằng máy in ép, đưa những quyển sách mà họ cho là không thể chấp nhận được vào một danh sách gọi là Danh mục sách cấm (Index Librorum Prohibitorum). Galileo, người có rất nhiều bạn bè có chức tước cao (hoàng thân, giám mục, hồng y, thậm chí giáo hoàng), nhận được sự ủng hộ của rất nhiều chức sắc Công giáo, nhưng những người khác quyết tâm không cho những ý tưởng của ông xúc phạm quan điểm tôn giáo đã có từ nhiều thế kỷ trước của họ.

Những nghiên cứu đầu tiên của Galileo là về những lực tham gia vào việc di chuyển vật. Ngay từ đầu, ông đã là một người muốn tự mình quan sát và đo đạc mọi thứ, và nếu có thể, diễn đạt kết quả bằng phương pháp toán học. Trong một thí nghiệm nổi tiếng nhất của ông, ông cẩn thận lăn một quả bóng trên một mặt phẳng nghiêng và đo những khoảng thời gian nó lăn được những khoảng cách nhất định. Như bạn có thể tưởng trọng, quả bóng tăng dần tốc độ khi nó lăn xuống một đường dốc (chúng ta ngày nay sẽ nói rằng nó là gia tốc). Galileo nhận ra rằng có một mối quan hệ đặc biệt giữa tốc độ của quả bóng với khoảng thời gian trôi qua kể từ thời điểm quả bóng bắt đầu lăn. Khoảng cách lăn tỉ lệ với bình phương của thời gian lăn. Như thế, sau hai giây, Galileo phát hiện ra rằng quả bóng sẽ lăn với tốc độ gấp 4 lần. (Giá trị bình phương của thời gian cũng xuất hiện trong nghiên cứu của các nhà khoa học thời sau, nên hãy để mắt tìm chúng. Thế giới tự nhiên dường như thích mọi thứ được bình phương.)

Trong thí nghiệm này, và rất nhiều thí nghiệm nữa, Galileo cho thấy ông là một nhà khoa học rất hiện đại, bởi ông biết rằng các đo đạc thực tế của ông không phải lúc nào cũng giống hệt nhau, đôi khi chúng ta chớp mắt ở thời điểm không phù hợp, hoặc chúng ta mất thời gian để ghi lại những gì mình nhìn thấy, hoặc dụng cụ đo không hoàn hảo. Tuy nhiên, đây mới chính là những loại quan sát mà chúng ta có thể thực hiện với thế giới thực, và Galileo luôn luôn hứng thú nhất với thế giới mà chúng ta thực sự tìm thấy, không phải thế giới trừu tượng nơi mọi thứ luôn hoàn hảo và chính xác.

Những nghiên cứu đầu tiên của Galileo về các vật thể chuyển động cho thấy cách ông nhìn nhận thế giới khác biệt như thế nào so với Aristotle và hàng trăm nhà tư duy sau đó, bất chấp việc lý thuyết của Aristotle vẫn tiếp tục giữ vị trí quan trọng trong các trường đại học, nơi mà các nhóm tôn giáo nắm quyền. Năm 1609, Galileo biết đến một dụng cụ sẽ thách thức được lối tư duy xưa cũ một cách còn nghiêm túc hơn. Dụng cụ này, một thời gian ngắn sau đó, được gọi là “kính viễn vọng” (telescope), một từ có nghĩa là “nhìn xa”, cũng giống như từ “điện thoại” (telephone) có nghĩa là “nói chuyện xa”, và “kính hiển vi” (microscope) có nghĩa là “nhìn vật nhỏ”. Cả kính viễn vọng lẫn kính hiển vi đều rất quan trọng trong lịch sử khoa học.

Kính viễn vọng đầu tiên mà Galileo tạo ra chỉ phóng to ảnh của vật thể một chút, nhưng ông đã rất ấn tượng với nó. Ông nhanh chóng cải tiến nó bằng cách sử dụng hai thấu kính để nâng khả năng phóng to ảnh vật thể lên bằng với mức mà một ống nhòm hai mắt thông thường ngày nay có thể làm được, khoảng 15 lần. Con số này có vẻ không lớn, nhưng nó gây phấn khích mạnh. Sử dụng nó, người ta có thể nhìn thấy những con tàu đi từ biển vào, rất lâu trước khi có thể nhìn thấy chúng bằng mắt thường. Quan trọng hơn, Galileo hướng kính viễn vọng của ông về phía bầu trời và ngạc nhiên trước những gì ông tìm thấy.

Khi nhìn lên Mặt Trăng, ông phát hiện ra rằng nó không phải là một quả cầu hoàn hảo, trơn mịn và tròn trịa như những gì người ta vẫn nghĩ. Nó có các núi và hố lớn. Hướng kính viễn vọng về phía các hành tinh, ông quan sát chuyển động của chúng kĩ càng hơn, và phát hiện ra một hành tinh, Mộc Tinh, cũng có “Mặt Trăng” giống như Trái Đất có Mặt Trăng của riêng nó. Một hành tinh khác, Thổ Tinh, có hai mặt tròn lớn trông không giống các Mặt Trăng, và ngày nay chúng ta gọi chúng là các “vành đai”. Ông có thể quan sát chuyển động của Kim Tinh và Hỏa Tinh rõ ràng hơn, và đồng ý rằng chúng thay đổi hướng và vận tốc một cách đều đặn và có thể dự đoán được. Mặt Trời có các vùng đen hoặc điểm đen di chuyển mỗi ngày một chút theo các quy luật đều đặn. (Ông biết cách nhìn Mặt Trời một cách gián tiếp để bảo vệ đôi mắt, cũng như bạn vậy.) Kính viễn vọng của ông cũng tiết lộ rằng dải Ngân Hà, trông như một dải sáng mờ ảo, kì diệu khi được nhìn bằng mắt thường vào những đêm trời quang đãng, thực chất được tạo nên bởi hàng nghìn, hàng nghìn ngôi sao đơn lẻ ở rất xa Trái Đất.

Với kính viễn vọng của mình, Galileo đã có những quan sát trên và nhiều quan sát quan trọng khác. Ông viết về chúng trong một cuốn sách mang tên Sứ giả sao (Starry Messenger, 1610) gây xôn xao dư luận. Mỗi tiết lộ của ông đặt nghi vấn về những điều người ta vẫn nghĩ về bầu trời. Một số người cho rằng các ý tưởng của Galileo dựa trên những trò bịp bợm mà “cái ống” của ông, như người ta thường gọi kính viễn vọng, thực hiện, bởi những thứ không thể nhìn được bằng mắt thường có thể không tồn tại. Galileo phải cố gắng thuyết phục mọi người rằng những gì kính viễn vọng cho họ thấy hoàn toàn là thật.

Kì cục hơn, và cũng nguy hiểm hơn, những quan sát của Galileo là bằng chứng xác đáng cho thấy Copernicus đã đúng, rằng Mặt Trăng quay quanh Trái Đất, và Trái Đất, Mặt Trăng, cùng những hành tinh khác quay quanh Mặt Trời. Cho đến thời gian ấy, cuốn sách của Copernicus đã được lưu hành trong gần 70 năm, và ông có một lượng nhất định những người tin theo, bao gồm cả tín đồ Tân giáo lẫn Công giáo. Quan điểm chính thức của Giáo Hội Công giáo là những ý tưởng của Copernicus có ích đối với việc tính toán chuyển động của các hành tinh, nhưng chúng không phản ánh đúng sự thật theo nghĩa đen. Nếu những ý tưởng đó đúng, quá nhiều đoạn trong Kinh Thánh sẽ trở nên khó diễn giải, và sẽ phải được xem xét lại.

Nhưng Galileo muốn cho mọi người biết thêm về những khám phá thiên văn học của ông. Ông đến Rome vào năm 1615 với hy vọng xin được sự chấp thuận của Giáo hội để truyền dạy những gì mình đã tìm ra. Rất nhiều người, thậm chí cả Giáo hoàng, thông cảm với ông, nhưng ông vẫn bị cấm viết hoặc dạy về hệ thống của Copernicus. Nhưng ông không bỏ cuộc hoàn toàn, ông đến Rome vào năm 1624 và 1630 để thăm dò, dù ông đang dần bước sang tuổi cao niên và sức khỏe đã kém đi. Ông dần tin rằng miễn là ông cẩn thận giới thiệu hệ thống của Copernicus chỉ như một khả năng có thể, ông sẽ được an toàn. Cuốn sách của ông về thiên văn học, Đối thoại về hai hệ thống thế giới chính (Dialogue on the two chief world systems), được viết dưới dạng một cuộc hội thoại giữa ba người: một đại diện cho Aristotle, một đại diện cho Copernicus, và một đóng vai trò người dẫn. Bằng cách này, Galileo có thể thảo luận về ưu điểm và nhược điểm của hai hệ thống ý tưởng cũ và mới về Vũ Trụ mà không cần nói rằng hệ thống nào đúng hay sai.

Đây là một cuốn sách tuyệt vời, đầy những câu nói đùa, và được viết bằng tiếng mẹ đẻ của ông – tiếng Ý, giống như đa số các cuốn sách của Galileo. (Học giả trên toàn châu Âu vẫn thường viết sách bằng tiếng Latin.) Ngay từ đầu, người đọc đã có thể thấy rất rõ Galileo đứng về phía nào. Trước tiên, nhân vật đại diện cho Aristotle có tên Simplicio. Đúng là đã có một nhà bình luận thời cổ đại về Aristotle mang cái tên này, nhưng cũng như trong tiếng Anh, cái tên này trong tiếng Ý có phát âm gần giống với từ “simpleton” – “anh ngốc”, và nhân vật này không được thông minh cho lắm. Người đại diện cho Copernicus (tên là Salviati, một cái tên gọi đến “thông thái” và “an toàn”) có những lời đối thoại và luận giải hay nhất.

Galileo đã rất cố gắng để có được sự chấp thuận của Giáo hội cho cuốn sách của ông. Người kiểm duyệt ở Rome, tức người kiểm soát cuốn sách nào được phát hành, thông cảm với Galileo, nhưng ông biết rằng sẽ có rắc rối và vì vậy trì hoãn quyết định của mình. Galileo quyết định làm tới và cho in cuốn sách ở Florence. Khi những chức sắc Công giáo cấp cao ở Rome đọc cuốn sách này, họ không hề hài lòng và triệu tập ông tới Rome. Một người nào đó bới ra được một bản sao lệnh cấm ông truyền dạy hệ thống ý tưởng của Copernicus, và sau một phiên “hầu toà” kéo dài ba tháng vào năm 1633, Galileo bị buộc phải nói rằng cuốn sách của ông là một sai lầm và là sản phẩm của tính tự cao của ông. Ông phải khẳng định trong bản tự thú có ký tên rằng Trái Đất không quay và là trung tâm của Vũ Trụ. Có một câu chuyện truyền miệng rằng ngay sau khi bị kết tội, Galileo đã lẩm bẩm, “Eppur si muove” (Nhưng nó vẫn quay). Dù ông có nói to hay không, ông vẫn thực sự nghĩ như vậy, bởi Giáo hội không thể nào thay đổi niềm tin của ông về bản chất của thế giới.

Giáo hội có đủ quyền lực để tống Galileo vào tù và thậm chí tra tấn ông, nhưng bồi thẩm đoàn nhận ra rằng ông là một người đàn ông bất thường, và phạt ông bị quản thúc tại gia. Hình phạt “quản thúc tại gia” đầu tiên mà ông phải nhận ở thành phố Siena không nghiêm ngặt đến thế – ông là linh hồn của nhiều bữa dạ tiệc – do đó, Giáo hội nhấn mạnh rằng ông phải trở về ngôi nhà ở ngoại ô Florence, nơi những người thăm viếng ông đều bị kiểm tra nghiêm ngặt. Một trong những người con gái của Galileo (một nữ tu) mất ít lâu sau đó, và những năm cuối đời của ông rất cô đơn. Nhưng ông vẫn tiếp tục công việc, quay trở lại với đề tài những vật rơi và những lực gây ra những loại chuyển động mà chúng ta thấy hằng ngày. Cuốn sách vĩ đại của ông, Hai ngành khoa học mới (Two New Sciences, 1638), là một trong những nền tảng của vật lý học hiện đại. Ông lại tiếp tục nghiên cứu sự gia tốc của những vật thể rơi, và sử dụng toán học để cho thấy gia tốc có thể đo được theo một phương pháp dự báo nghiên cứu nổi tiếng sau này của Newton về lực hấp dẫn. Ông cũng cho người ta thấy một cách tư duy mới về đường bay của vật thể được bắn vào không trung, chẳng hạn như những viên đạn đại bác, cho thấy người ta có thể dự đoán điểm rơi của chúng như thế nào. Với nghiên cứu này, khái niệm “lực”, thứ khiến cho một vật chuyển động theo một cách nào đó, xác lập vị trí của nó trong vật lý học.

Nếu bạn đã từng nghe đến cụm “nổi loạn vô cớ”§, thì Galileo là một người nổi loạn có cớ. Ông đấu tranh cho khoa học, tức những kiến thức để giải thích cách thế giới hoạt động theo những quy luật của chính nó. Một vài ý tưởng nổi loạn của ông sau này bị bác bỏ bởi chúng sai hoặc không thể giải thích đầy đủ các vấn đề. Nhưng đó chính là cách khoa học vẫn luôn vận động, không có một lĩnh vực khoa học nào là một cuốn sách đóng, chứa đựng mọi câu trả lời. Cũng như tất cả các nhà khoa học hiện đại, Galileo biết điều này.

Ở các nước phương Tây, người ta nhắc đến một người bằng họ của người đó khi muốn thể hiện sự tôn trọng hoặc khi chưa có mối quan hệ đặc biệt nào với người được nhắc đến. Ví dụ: những người mới biết nhau lần đầu sẽ gọi nhau bằng họ, hoặc thiên tài Einstein cũng luôn được mọi người nhắc đến bằng họ của ông (Einstein).

Nguyên văn: “rebel without a cause”. Đây là tên một bộ phim nổi tiếng của đạo diễn Nicholas Ray, đã giành 3 giải Oscar và 2 giải BAFTA.

Chương 13

Vòng quanh rồi vòng quanh

Harvey

Các từ “cycle” và “circulation” (vòng tuần hoàn) đều có nguồn gốc dựa trên từ “cycle” (vòng lặp) trong tiếng Latin. Hoàn thành một vòng lặp, hay vòng tuần hoàn, có nghĩa là bạn cứ di chuyển cho đến khi bạn quay lại điểm khởi đầu, mà không nhất thiết phải nhận ra rằng mình đã quay lại điểm đó. Không có nhiều vòng tròn hoàn hảo trong tự nhiên, nhưng có rất nhiều vòng tuần hoàn. Trái Đất quay vòng quanh Mặt Trời. Nước tuần hoàn bằng cách bốc hơi khỏi mặt đất rồi rơi xuống dưới dạng những cơn mưa. Nhiều loài chim di cư một quãng đường dài mỗi năm, sau đó trở lại khu vực ban đầu để sinh sản, rồi lại bắt đầu vòng lặp hằng năm của chúng. Thật vậy, toàn bộ quá trình tự nhiên gồm ra đời, sinh trưởng và qua đời, được nối tiếp bởi một vòng lặp ở một thế hệ mới, cũng là một dạng tuần hoàn.

Cũng rất nhiều vòng lặp hoặc vòng tuần hoàn tồn tại bên trong cơ thể chúng ta. Một trong những vòng tuần hoàn quan trọng nhất có sự tham gia của tim và máu. Mỗi giọt máu tuần hoàn qua cơ thể chúng ta khoảng 50 lần mỗi giờ. Tất nhiên, con số này dao động tùy thuộc vào việc chúng ta làm: nếu chúng ta chạy, và tim ta phải đập nhanh hơn, thời lượng của một vòng tuần hoàn sẽ ngắn lại, khi chúng ta ngủ, tim ta đập chậm hơn và một giọt máu sẽ mất nhiều thời gian hơn để trở về tim. Ngày nay, chúng ta được học về tất cả những điều này ở trường, nhưng trước đây không phải lúc nào thông tin cũng rõ ràng như vậy. Người đàn ông khám phá ra rằng máu tuần hoàn trong cơ thể là một bác sĩ người Anh tên là William Harvey (1578–1657).

Cha của Harvey là một người nông dân mà sau này đã trở thành một thương nhân thành công, nghề mà năm trong số sáu anh em của Harvey đều theo. Tuy nhiên, William chọn đi theo nghề y, và sau khi hoàn thành chương trình đào tạo y ở Đại học Cambridge năm 1600, ông đến Đại học Padua, nơi Vesalius đã làm việc vài năm trước đó, cũng là nơi Galileo đang nghiên cứu thiên văn học và vật lý học vào thời điểm đó.

Một trong những giáo viên y học của Harvey tại Padua là Fabrizi của xứ Acquapendente (1537–1619). Fabrizi lúc đó đang tiếp tục truyền thống nghiên cứu được Aristotle khởi xướng rất lâu trước đó, và nó là nguồn cảm hứng cho Harvey. Thầy và trò nhận được hai bài học quan trọng từ Aristotle. Thứ nhất, ở các sinh vật sống, bao gồm cả con người, các bộ phận trong cơ thể có được hình dạng hoặc cấu trúc mà chúng có là vì chức năng chúng phải thực hiện. Ví dụ, xương và cơ của chúng ta được ghép với nhau để chúng ta có thể chạy hoặc nhặt các đồ vật, và chừng nào chưa có gì xấu xảy ra với cơ thể, chúng ta thậm chí sẽ không nhận ra rằng những bộ phận đó vận hành như thể theo đúng chức năng được thiết kế vậy. Aristotle cũng tin rằng tất cả mọi chi tiết trên thực vật và động vật đều phục vụ một mục đích hoặc chức năng nào đó, vì Đấng Tạo Hóa sẽ không thiết kế bất cứ bộ phận nào vô dụng. Đôi mắt được thiết kế như vậy để chúng ta có thể nhìn; các bộ phận khác của cơ thể như dạ dày, gan, phổi, và tim cũng thế. Mỗi bộ phận có một cấu trúc đặc biệt để thực hiện chức năng của riêng chúng. Phương pháp tiếp cận để hiểu cách cơ thể vận hành này được gọi là “giải phẫu học sống”, và nó đã tỏ ra đặc biệt hữu dụng trong việc suy luận ra “logic” vận hành của cơ thể chúng ta. Các thầy thuốc thời xưa đã hiểu rõ rằng xương cứng và có hình dạng cố định bởi chúng phải chống đỡ cơ thể khi chúng ta đi bộ hoặc chạy. Cơ của chúng ta mềm và đàn hồi hơn bởi hoạt động co và giãn của chúng cho phép chúng ta cử động. Tuy nhiên, việc ta có thể hiểu rõ tim và mối quan hệ giữa nó với máu và các mạch máu theo cùng logic trên không được rõ ràng đến thế. Có lẽ chúng ta phải công nhận rằng, vì có Harvey hướng dẫn thì ta mới lý giải được sự hoạt động của tim theo lối tư duy này về chức năng của cơ thể.

Thứ hai, Aristotle nhấn mạnh vai trò trung tâm của tim và máu đối với cuộc sống, sau khi quan sát quả tim nhỏ bé đập, là dấu hiệu đầu tiên của sự sống trong phổi một con gà đang còn trong trứng. Aristotle đã thuyết phục được Harvey rằng tim là trung tâm của sự sống. Và tim cùng sự tuần hoàn đã trở thành tâm điểm sự nghiệp y học của Harvey.

Thầy của Harvey, Fabrizi, cũng phát hiện ra một điểm mà sau này trở nên cực kì quan trọng đối với Harvey: nhiều tĩnh mạch lớn có van. Những van này luôn được đặt ở vị trí sao cho máu chỉ có thể lưu thông một chiều: về tim. Fabrizi nghĩ rằng chức năng của chúng là ngăn máu tụ ở chân, hoặc chảy từ não xuống với lực quá mạnh. Harvey đã vận dụng tất cả kiến thức đã thu được khi ông trở về Anh sau khóa học ở Padua.

Sự nghiệp của Harvey đi từ thành công này đến thành công khác. Ông mở phòng khám ở London, có được một công việc tại Bệnh viện Thánh Bartholomew, và không lâu sau được mời giảng bài về giải phẫu học và sinh lý học cho các bác sĩ phẫu thuật. Ông trở thành bác sĩ của hai vị vua nước Anh, James I và con của ngài, Charles I. Mối liên hệ với Charles I không có lợi cho Harvey trong giai đoạn này, đặc biệt sau khi nhà vua bị truất ngôi bởi một nhóm tín hữu Kháng Cách được gọi là những tín đồ Thanh Giáo. Một lần, nhà của Harvey bị tấn công và bị đốt cùng với rất nhiều bản thảo gốc của những cuốn sách mà ông muốn xuất bản. Đây là một mất mát lớn đối với khoa học vì Harvey đang nghiên cứu rất nhiều vấn đề, bao gồm hoạt động thở, các cơ, và cách các con vật thành hình từ những quả trứng đã được thụ tinh. Vua Charles thậm chí đã cho phép Harvey sử dụng một vài con vật thuộc sở hữu hoàng gia trong các thí nghiệm.

Máu luôn cuốn hút Harvey. Ông cho rằng máu thực sự là phần thiết yếu của sự sống. Ông cũng tách vài quả trứng và nhìn thấy dấu hiệu đầu tiên của sự sống là một vệt máu, đập phập phồng theo nhịp. Điều này cũng đúng với các động vật khác mà ông kiểm tra khi chúng vẫn đang là phôi (vẫn đang phát triển bên trong trứng hoặc trong dạ con của mẹ chúng). Tim, bộ phận từ lâu được cho là gắn liền với máu, cũng cuốn hút Harvey. Tất cả mọi người đều biết rằng khi tim ngừng đập, con người hoặc con vật chết. Vì thế, trong khi máu là thiết yếu để khởi sinh sự sống, sự sống lại kết thúc khi tim ngừng đập.

Phần lớn thời gian, tim chúng ta đập mà chúng ta không cần phải bận tâm đến nó. Nhưng đôi khi bạn có thể thực sự cảm thấy tim đang đập, ví dụ khi bạn hồi hộp hoặc sợ hãi, hoặc khi bạn tập thể dục và bạn nhận ra rằng tim mình đang dội liên hồi vào lồng ngực: thình thịch, thình thịch, thình thịch. Harvey muốn hiểu được “vận động” của tim, hay chính xác là những gì diễn ra trong mỗi nhịp tim. Trong mỗi nhịp tim, tim co lại (một quá trình được gọi là “tâm thu”) và giãn ra (“tâm trương”). Ông đã mổ nhiều động vật sống để quan sát tim đang đập của chúng, đặc biệt là rắn và các loài động vật máu lạnh khác (các loài vật không thể điều tiết nhiệt độ cơ thể). Tim của chúng đập chậm hơn nhiều so với tim người, do đó ông có thể thấy nhịp đập dễ dàng hơn. Ông thấy các van trong tim mở và đóng ra sao trong mỗi nhịp tim, trong một quy trình đập bình thường. Khi tim co lại, các van giữa các buồng tim đóng lại, và các van nối tim với các mạch máu mở ra. Khi tim giãn ra, điều ngược lại xảy ra, và các van giữa các buồng tim mở ra, trong khi các van giữa tim và các mạch máu (động mạch phổi và động mạch chủ) đóng lại. Harvey nảy ra suy nghĩ rằng những van này cũng hoạt động giống những van tĩnh mạch mà thầy ông, Fabrizi, đã phát hiện ra, và vai trò của chúng cũng là giữ cho máu luôn lưu thông theo một chiều không đổi.

Harvey làm một vài thí nghiệm để giúp những người khác hiểu được điều ông đang nghĩ. Một trong số chúng rất đơn giản. Ông quấn một băng cứu thương (còn được gọi là ga-rô cầm máu) quanh cánh tay: nếu cái băng quá chặt, máu không thể lưu thông qua cánh tay, và bàn tay trở nên nhợt nhạt; nếu ông nới băng ra một chút, máu có thể đến được tay nhưng không thể quay trở lại tim, và bàn tay trở nên rất đỏ. Điều này cho thấy máu chảy vào cánh tay ở một áp lực nhất định, và ga-rô cầm máu có thể chặn hoàn toàn áp lực này. Nới rộng băng cho phép máu chảy vào qua các động mạch, nhưng không thể chảy ra khỏi cánh tay qua các tĩnh mạch.

Sau khi đã quan sát rất nhiều quả tim và suy nghĩ sâu về chúng, Harvey đã tiến tới một bước nhảy vọt quan trọng trên phương diện kiến thức của loài người về chức năng của tim. Ông phát hiện ra rằng trong một khoảng thời gian ngắn, lượng máu lưu thông qua tim thậm chí còn lớn hơn toàn bộ lượng máu chứa trong cơ thể con người. Và cơ thể không thể nào tạo ra đủ máu để mỗi nhịp tim lại bơm máu mới, chưa kể việc cả cơ thể con người cũng không thể chứa nổi toàn bộ lượng máu đó. Vì thế, máu phải xuất phát từ tim qua mỗi nhịp tim, lưu thông qua các động mạch, vào các tĩnh mạch, và quay trở lại tim để bắt đầu một chu kỳ “tuần hoàn” mới.

“Tôi bắt đầu có suy nghĩ riêng rằng máu lưu thông, cứ như thể, trong một vòng tròn.” Ông viết câu này (bằng tiếng Latin) vào năm 1628, trong một cuốn sách mỏng có tên De motu cordis (Về sự vận động của tim). Có vẻ như ban đầu ông chỉ định viết về quá trình co và giãn của quả tim, và cuối cùng lại khám phá ra chức năng của những quá trình này. Ông phát hiện ra rằng máu được bơm vào phổi (từ buồng tim bên phải), đồng thời vào động mạch lớn nhất, động mạch chủ, từ buồng tim bên trái. Từ động mạch chủ, máu lưu thông vào các động mạch nhỏ hơn phân nhánh từ đó, rồi chuyển sang các tĩnh mạch, nơi các van đảm bảo rằng máu chảy theo đúng chiều và trở về phần bên phải của tim qua tĩnh mạch lớn nhất, tĩnh mạch chủ.

Giống Vesalius, Harvey luôn nhấn mạnh rằng ông muốn tìm hiểu về cấu trúc và chức năng của cơ thể thông qua nghiên cứu của chính ông, chứ không chỉ đơn thuần qua sách người khác viết. Không giống Vesalius, ông nghiên cứu chủ yếu trên động vật sống, chứ không sử dụng xác người. Ông không bắt đầu với mục tiêu thách thức 2.000 năm giảng dạy về tim và máu trong y học, nhưng ông biết những khám phá của mình sẽ gây tranh cãi, bởi chúng chứng minh rằng học thuyết của Galen là sai. Ông bảo vệ ý tưởng của mình trước những phản biện của một số người, đa phần là những người tin vào học thuyết của Galen và nghĩ rằng ý tưởng của Harvey quá cực đoan. Nhưng có một kẽ hở quan trọng trong học thuyết của ông: ông không thể trả lời câu hỏi then chốt rằng tại sao máu lại có thể chuyển từ các động mạch nhỏ nhất sang các tĩnh mạch nhỏ nhất, để bắt đầu hành trình trở về tim.

Câu đố đó được giải vào khoảng thời gian Harvey qua đời, bởi một học giả người Ý tin vào học thuyết của ông, Marcello Malpighi (1628–1694), cũng là một chuyên gia sử dụng thành thạo kính hiển vi, một dụng cụ đã xuất hiện khoảng những năm 1590 nhưng được cải tiến rõ rệt vào thời của Malpighi. Ông đã có thể quan sát những cấu trúc tinh vi của phổi, thận và các bộ phận khác một cách rõ ràng hơn bất cứ người nào trước đó, và ông phát hiện ra những kênh siêu nhỏ kết nối những động mạch nhỏ nhất với tĩnh mạch nhỏ nhất: mao mạch. “Vòng tròn” của Harvey lúc này đã hoàn chỉnh.

Thông qua nghiên cứu đột phá của mình, Harvey đã chứng minh rằng việc thí nghiệm kĩ lưỡng có thể dẫn đến những khám phá, và khi ý tưởng của ông được chấp nhận rộng rãi hơn, người ta công nhận ông là người đặt nền móng cho phương pháp thí nghiệm trong sinh học và y học. Điều này động viên những người khác tự kiểm chứng và điều tra những chức năng khác của cơ thể, ví dụ như chuyện gì xảy ra trong phổi khi chúng ta thở, hay trong dạ dày khi chúng ta tiêu hóa thức ăn. Và, giống Vesalius và Galieo ở thời trước, ông giúp mọi người nhận ra rằng kiến thức khoa học có thể tăng lên, và chúng ta có thể biết nhiều về tự nhiên hơn những người có trí thông minh ngang bằng với chúng ta nhưng sống ở hàng nghìn (hoặc thậm chí chỉ 50) năm trước.

Chương 14

Tri thức là sức mạnh

Bacon và Decartes

Vào thế kỷ giữa thời của Copernicus và thời của Galileo, khoa học đã đảo lộn thế giới. Trái Đất không còn nằm ở trung tâm của Vũ Trụ, và những phát hiện mới trong các ngành giải phẫu học, sinh lý học, hóa học và vật lý học nhắc nhở người ta rằng xét cho cùng, những Đấng lỗi lạc thời cổ đại không biết tất cả mọi thứ. Ngoài kia vẫn còn rất nhiều điều để khám phá.

Người ta bắt đầu nghĩ về chính khoa học. Đâu là cách làm khoa học tốt nhất? Làm sao để biết chắc những khám phá mới là chính xác? Chúng ta có thể sử dụng khoa học như thế nào để sống tiện nghi hơn, cải thiện sức khỏe và hạnh phúc? Đặc biệt, có hai cá nhân suy nghĩ rất sâu về khoa học: một người là chính trị gia đồng thời là luật sư người Anh, một người là triết gia người Pháp.

Người đàn ông quốc tịch Anh là Francis Bacon (1561–1626). Cha của ông, Nicholas Bacon, với xuất thân khiêm tốn đã vươn lên trở thành một viên quan đầy quyền lực của Nữ hoàng Elizabeth I. Nicholas hiểu rõ tầm quan trọng của giáo dục, nên ông gửi con đến Đại học Cambridge. Francis cũng phục vụ Nữ hoàng Elizabeth và Vua James I sau khi Elizabeth qua đời. Ông là một chuyên gia về luật nước Anh, đã tham gia vào một vài phiên tòa quan trọng, và sau khi trở thành Đại Pháp quan§, ông trở thành một trong những hình tượng về pháp lý quan trọng nhất vào thời của ông. Ông cũng là một nghị viên hoạt động tích cực.

Bacon rất đam mê khoa học. Ông dành nhiều thời gian làm thí nghiệm hóa học và quan sát bất cứ thứ gì kì lạ trong tự nhiên, từ cây cỏ và động vật cho đến thời tiết và từ trường. Quan trọng hơn hết thảy những khám phá của ông, là những biện luận thuyết phục và tinh tế về việc tại sao khoa học đáng để người ta nghiên cứu, và cần nghiên cứu khoa học như thế nào. Bacon thúc giục mọi người trân trọng khoa học. “Tri thức là sức mạnh,” ông có phát ngôn nổi tiếng này, và khoa học là cách tốt nhất để đạt được tri thức. Vì thế, ông động viên Elizabeth và James sử dụng công quỹ để xây dựng những phòng thí nghiệm và cung cấp cho các nhà khoa học địa điểm làm việc. Ông nghĩ, các nhà khoa học nên lập ra các hội, hoặc các học viện, để họ có thể gặp gỡ, trao đổi ý tưởng và kết quả quan sát. Ông nói, khoa học cho con người phương tiện để hiểu được tự nhiên, và bằng cách hiểu tự nhiên, con người có thể điều khiển tự nhiên.

Bacon viết rất rõ ràng về cách tốt nhất để khoa học tiến lên. Các nhà khoa học cần chắc chắn rằng những từ ngữ họ sử dụng là chính xác và dễ hiểu đối với những người khác. Họ cần tiến hành điều tra với tâm trí cởi mở, thay vì cố gắng chứng minh những gì họ nghĩ rằng mình đã biết rồi. Trên hết, họ phải lặp lại các thí nghiệm và các quan sát của mình, để có thể chắc chắn được về tính chính xác của các kết quả. Đây là phương pháp quy nạp. Ví dụ, bằng cách đếm, cân, hoặc trộn các hóa chất rất nhiều lần, nhà hóa học mới có thể tự tin nói về những gì đang diễn ra. Khi các nhà khoa học thu thập được càng lúc càng nhiều bằng chứng từ quan sát, hoặc quy nạp, họ chắc chắn hơn về những gì sẽ diễn ra. Họ có thể sử dụng các kết quả có được nhờ tư duy quy nạp này để đưa ra những phát biểu khái quát, thứ sau đó sẽ cho họ thấy những quy luật chi phối cách tự nhiên vận động. Các ý tưởng của Bacon tiếp tục truyền cảm hứng cho các nhà khoa học trong nhiều thế hệ. Cho đến ngày nay, chúng vẫn có giá trị như vậy.

Những tư tưởng của người đàn ông Pháp René Descartes (1596–1650) cũng có tác động như vậy, nhưng theo những cách khác. Ông suy nghĩ sâu về nghiên cứu của Harvey và Galileo. Giống Galileo, Descartes là một tín đồ Công giáo nhưng nhiệt thành tin rằng tôn giáo không nên tác động vào việc nghiên cứu khoa học về thế giới tự nhiên. Giống Harvey, Descartes xem xét kĩ những cơ thể động vật và con người, và giải thích hoạt động của chúng theo cách vượt xa những gì Galen đã dạy. Thực tế, thậm chí hơn cả Harvey hay Galileo, Descartes cố gắng xây dựng khoa học và triết học trên những nền tảng hoàn toàn mới. Mặc dù ngày nay chúng ta vẫn thường nhớ tới ông như một triết gia, ông vẫn giống một nhà khoa học thực hành hơn Bacon.

Descartes sinh ra tại La Haye, ở Touraine, Pháp. Là một cậu bé thông minh, ông theo học tại một trường nổi tiếng, La Flèche, ở vùng Loire, nơi người ta sản xuất rượu vang Pháp hảo hạng. Ở La Flèche, ông được học về những khám phá qua kính viễn vọng của Galileo, thuyết Mặt Trời là trung tâm Vũ Trụ của Copernicus, và toán học tiên tiến nhất thời đó. Ông tốt nghiệp ngành luật ở Đại học Poitiers, và sau đó ông làm một việc rất đáng ngạc nhiên: ông tình nguyện tham gia vào một đội quân Tân giáo. Chiến tranh nổ ra ở châu Âu vào giai đoạn Descartes đã trưởng thành (cuộc chiến tranh ba mươi năm), và trong gần 9 năm, ông tham gia cuộc chiến này. Descartes chưa bao giờ thực sự chiến đấu, mặc dù kiến thức của ông về toán học ứng dụng, và điểm rơi của những quả đạn đại bác, có thể đã giúp ích cho quân đội. Ông cảm mến cả đạo quân Tân giáo và đạo quân Công giáo trong suốt những năm tháng này, và dường như luôn xuất hiện ở nơi những sự kiện quân sự hoặc chính trị quan trọng diễn ra. Chúng ta không biết ông làm gì khi đó, và làm thế nào ông có tiền để di chuyển nhiều như vậy. Có thể ông là một gián điệp. Nếu thật sự như vậy, có thể ông là một gián điệp cho phe Công giáo, tôn giáo mà ông luôn giữ lòng trung thành.

Vào những ngày đầu của chuyến phiêu lưu đó, ngày 10 tháng Mười một năm 1619, trong một căn phòng ấm áp, được thắp sáng bởi bếp lò, trong lúc nửa tỉnh, nửa mơ, ông đã đi đến hai kết luận. Thứ nhất, nếu ông nhắm đến việc đạt được tri thức thật sự, ông phải tự mình làm việc đó. Những kiến thức của Aristotle và những tác giả khác sẽ không thể giúp được ông. Ông cần bắt đầu lại. Thứ hai, ông kết luận rằng cách duy nhất để bắt đầu lại đơn giản là nghi ngờ mọi thứ! Ngay trong đêm đó, ông có ba giấc mơ mà ông cho là nguồn động viên cho ý tưởng của ông. Ông không xuất bản bất cứ thứ gì tại thời điểm đó, và dù sao, chuyến quân hành của ông mới chỉ bắt đầu. Nhưng cái ngày (và đêm) mang tính quyết định ấy đã dẫn lối cho ông giải thích Vũ Trụ và tất cả những gì trong nó, cùng những quy luật có thể giúp những người khác tự tin thu được kiến thức khoa học.

Nghi ngờ tất cả mọi thứ có nghĩa là không coi bất cứ chuyện gì là hiển nhiên, và sau đó, từng chút một, đi theo cảm giác của chính mình bằng cách chỉ chấp nhận những gì bạn có thể chắc chắn. Nhưng ông có thể chắc chắn về điều gì? Ngay lúc đó, chỉ có một thứ: rằng ông đang lên kế hoạch cho dự án khoa học và triết học này. Ông đang nghĩ cách đến với những kiến thức nhất định, nhưng quan trọng hơn, ông đang nghĩ. “Cogito, ergo sum,” ông viết bằng tiếng Latin: “Tôi tư duy, vì thế, tôi tồn tại.” Tôi tồn tại vì tôi đang nghĩ những suy nghĩ này.

Lời khẳng định đơn giản này là điểm khởi đầu của Descartes. Điều đó hoàn toàn ổn, chúng ta có thể nói vậy, nhưng tiếp theo thì sao? Với Descartes, nó có một hệ quả tức thời và có ảnh hưởng rộng: tôi tồn tại vì tôi đang suy nghĩ, nhưng tôi có thể hình dung rằng tôi vẫn có thể suy nghĩ mà không cần cơ thể. Tuy nhiên, nếu tôi có một cơ thể và tôi không thể suy nghĩ, tôi sẽ không biết điều ấy. Vì thế, cơ thể tôi và phần biết suy nghĩ (tâm trí, hoặc linh hồn tôi) hẳn phải tách rời và khác nhau. Đây là cơ sở của thuyết nhị nguyên, khái niệm cho rằng Vũ Trụ được tạo nên từ hai thứ hoàn toàn khác biệt: vật chất (ví dụ, cơ thể con người, hoặc ghế, đá, hành tinh, mèo và chó) và tinh thần (linh hồn hoặc tâm trí con người). Vì vậy, Descartes nhấn mạnh rằng tâm trí chúng ta, cách chúng ta biết rằng mình tồn tại, có một vị trí rất đặc biệt trong Vũ Trụ.

Con người trước và rất lâu sau thời của Descartes đã nhận ra rằng con người là một loài động vật đặc biệt. Chúng ta có khả năng làm được những việc mà không loài động vật nào khác làm được: đọc và viết, hiểu được những điều phức tạp của thế giới, chế tạo máy bay phản lực và bom nguyên tử. Sự đặc biệt không phải là phần khác thường trong thuyết phân chia tâm trí và cơ thể con người của Descartes. Bước tiến đáng ngạc nhiên nằm ở những việc ông làm với phần còn lại của thế giới, phần vật chất. Ông nói, tinh thần và vật chất là nguyên liệu của thế giới và vật chất là đối tượng của khoa học. Điều này có nghĩa là cách vận hành của những phần vật chất, không tư duy, của con người có thể được hiểu thông qua những khái niệm vật lý đơn giản. Và nó có nghĩa là tất cả các loài cây cỏ và động vật khác, những loài không có linh hồn, có thể được đơn giản hóa hoàn toàn thành vật chất đang làm công việc của chúng. Giống như cây và hoa, cá và voi nhìn chung cũng chỉ là những cỗ máy phức tạp. Theo Descartes, chúng là những thứ mà con người có thể hiểu được hoàn toàn.

Descartes biết về automata, những mô hình cơ khí giống con người được chế tạo đặc biệt để chuyển động và làm một số việc nhất định. Thời nay, chúng ta sẽ gọi chúng là các robot. Ví dụ, rất nhiều tháp đồng hồ ở thế kỷ 17 có những hình nhân cơ khí nhỏ, thường là một người đàn ông bước ra vào thời điểm bắt đầu một giờ mới để đánh một chiếc cồng. Chúng rất được ưa chuộng vào thời của Descartes (và một số vẫn hoạt động ngày nay). Từ trước đó, người ta đã tự hỏi rằng, khi mà nhân loại đã có thể tạo ra những mô hình tinh xảo đến vậy, có thể cử động và bắt chước con người hoặc động vật, liệu công nghệ cơ khí hiện đại hơn có thể tiến xa hơn và tạo ra một con chó có thể ăn, sủa và cử động không. Descartes không hề có mong muốn tạo ra những thứ đồ chơi đó, nhưng trong tư duy của ông, thực vật và động vật cũng chỉ là các automata cực kì phức tạp, không có bất cứ cảm xúc thật nào mà chỉ có khả năng phản ứng với những gì diễn ra quanh chúng. Những cỗ máy này là vật chất, thứ mà các nhà khoa học có thể hiểu được dựa trên các nguyên lý cơ khí và hóa học. Descartes đã đọc cuốn sách của Harvey về các hoạt động “cơ khí” của tim và sự tuần hoàn của máu, và ông tin rằng những tri thức này cung cấp bằng chứng cho hệ thống của ông. (Những giải thích của riêng ông cho những gì diễn ra khi máu về tim, và tại sao máu tuần hoàn, đã bị lãng quên.) Descartes đã rất hy vọng rằng những ý tưởng như vậy có thể giúp giải thích được nhiều vấn đề sức khỏe và bệnh tật, và cuối cùng cho con người kiến thức về cách sống, nếu không phải vĩnh viễn, thì ít nhất cũng trong một thời gian rất dài.

Sau khi đã tự giải thích thỏa đáng rằng Vũ Trụ được tạo nên bởi hai thứ tách biệt, vật chất và tinh thần, Descartes tự hỏi thật ra tâm trí con người và cơ thể của nó kết nối với nhau như thế nào. Ông tự hỏi làm thế nào mà chúng có thể kết nối với nhau, nếu như vật chất là thực thể có tính chất vật lý học và chiếm không gian nhất định, và tâm trí là thứ ngược lại, không cố định ở không gian nào và cũng không cần nền tảng vật chất nào hết. Từ thời Hippocrates, người ta đã thường gắn khả năng suy nghĩ với bộ não. Một cú đánh mạnh vào đầu có thể khiến một người ngất xỉu, và nhiều thầy thuốc đã quan sát được rằng các vết thương và bệnh ở não dẫn đến những thay đổi về chức năng thần kinh. Có lúc, Descartes dường như đã nghĩ rằng linh hồn con người cư ngụ ở một tuyến nằm chính giữa bộ não, nhưng ông biết rằng, theo logic của hệ thống mà ông đã tạo ra, vật chất và linh hồn không bao giờ có thể tương tác vật lý với nhau. Sau này, người ta gọi mô hình con người này là “hồn ma trong cỗ máy”, có nghĩa là cơ thể giống cỗ máy của chúng ta theo một cách nào đó đã được điều khiển bởi một tâm trí giống hồn ma, hay linh hồn. Vấn đề khi đó là giải thích tại sao nhiều con chó, đười ươi, ngựa, và các loài động vật khác cũng có những khả năng thần kinh giống chúng ta mà không có “hồn ma” của riêng chúng. Chó và mèo có thể bộc lộ nỗi sợ hãi hoặc tức giận, và ít nhất là chó có vẻ có khả năng thể hiện tình yêu dành cho chủ. (Mèo thì hành động theo nguyên tắc của riêng chúng.)

Tâm trí tò mò của Descartes đặt câu hỏi về rất nhiều thứ khác: không đáng ngạc nhiên với một người đã viết cuốn sách mang tên Le Monde (Thế giới). Ông chấp nhận ý tưởng của Copernicus về mối quan hệ giữa Trái Đất và Mặt Trời, nhưng ông đã cẩn thận hơn Galileo trong việc trình bày ý tưởng để không xúc phạm quyền lực của Giáo hội. Ông cũng viết về chuyển động, các vật thể rơi, và những vấn đề khác từng cuốn hút Galileo. Không may, mặc dù có một số người tin tưởng học theo ông vào thời đó, các ý tưởng của Descartes về cách thế giới vận động không thể cạnh tranh với các ý tưởng của những người khổng lồ như Galileo và Isaac Newton, và ngày nay chẳng mấy ai nhớ về vật lý học của Descartes.

Nếu như Descartes thua những người đàn ông xuất sắc khác trong môn vật lý học, thì, dù bạn có nhận ra hay không, bạn cũng đang đi theo từng bước của Descartes mỗi khi bạn giải một bài toán đại số hoặc hình học nào đó. Descartes đã có sáng kiến sử dụng a, b, c trong các bài toán đại số để đại diện cho những giá trị đã biết, và x, y, z để đại diện cho những giá trị chưa biết. Vì vậy, khi nào bạn được yêu cầu giải phương trình như x = a + b^2^, bạn đang tiếp tục truyền thống mà Descartes bắt đầu. Và khi bạn vẽ thứ gì đó trên một đồ thị, với một trục hoành và một trục tung, bạn cũng đang sử dụng sáng kiến của ông. Chính Descartes đã giải nhiều bài toán đại số và hình học trong cuốn sách của ông về các môn này, xuất bản cùng với cuốn sách viết về thế giới.

Bằng cách tách biệt rạch ròi cơ thể và tâm trí, thế giới vật chất và thế giới tinh thần, Descartes nhấn mạnh tầm quan trọng của thế giới vật chất với khoa học. Thiên văn học, vật lý học, và hóa học nghiên cứu các vấn đề của vật chất. Sinh học cũng vậy, và nếu ý tưởng về cỗ máy–động vật của ông dường như quá gượng ép, các nhà sinh học và bác sĩ vẫn cố gắng tìm hiểu cách các loài thực vật và động vật hoạt động từ khía cạnh các phần vật chất của chúng. Không may cho Descartes, ý tưởng của ông, rằng y học sẽ nhanh chóng chỉ cho con người thấy cách sống lâu hơn, đã ra đời trước thời đại một chút. Bản thân Descartes có sức khỏe rất tốt cho đến khi ông nhận một lời mời đến Thụy Điển để dạy triết học và kiến thức của ông về thế giới cho nữ hoàng Thụy Điển. Nữ hoàng dậy sớm và nhấn mạnh rằng ông cần dạy học cho bà vào sáng sớm. Descartes ghét cái lạnh. Ông thậm chí không thể sống sót qua mùa đông đầu tiên ông sống ở Thụy Điển. Mắc phải một loại nhiễm trùng, ông mất vào tháng Hai năm 1650, bảy tuần sau sinh nhật lần thứ 54 của ông. Đó là một kết cục buồn cho một người tin rằng mình sẽ sống ít nhất một trăm năm.

Bacon và Descartes có những lý tưởng lớn cho khoa học. Họ khác nhau trong suy nghĩ về cách khoa học tiến lên, nhưng đều có lòng tin mạnh mẽ rằng nó phải tiến lên. Tầm nhìn của Bacon là khoa học cần như một tổ chức có nhiều người tham gia và được nhà nước tài trợ. Descartes lại thỏa mãn với việc tự mình nghiên cứu. Cả hai đều muốn người khác chấp nhận và phát triển tư tưởng của mình. Cả hai đều tin rằng khoa học là một hoạt động đặc biệt, cao cấp hơn hẳn những thứ nhàm chán của cuộc sống bình thường. Theo đó, nó xứng đáng được có một vị trí riêng và khoa học bổ sung cho kho tàng kiến thức và khả năng hiểu tự nhiên của chúng ta. Những tri thức như vậy có thể cải thiện đời sống của chúng ta và phúc lợi của cộng

Hay còn gọi là Đại Chưởng ấn, trong tiếng Anh là “Lord Chancellor”. Trong chính phủ Anh, Đại Pháp quan chịu trách nhiệm cho sự hoạt động hiệu quả và tính độc lập của các tòa án. (Theo trang web chính thức của Nghị viện Anh. Địa chỉ: )

Chương 15

“Hóa học mới”

Nếu bạn có một bộ đồ thí nghiệm hóa học, bạn có thể đã biết đến giấy quỳ. Những dải giấy đặc biệt này có thể cho bạn biết một dung dịch có tính acid hay tính kiềm. Nếu bạn pha ít giấm vào nước (khiến dung dịch này có tính acid), và nhúng giấy màu xanh lam vào dung dịch, nó sẽ chuyển sang màu đỏ. Nếu bạn thử với thuốc tẩy (có tính kiềm), mảnh giấy màu đỏ sẽ chuyển sang màu lam. Lần tới bạn sử dụng một mảnh giấy quỳ, hãy nghĩ tới Robert Boyle, người đã phát minh ra phép thử này hơn 300 năm trước.

Boyle (1627–1691) sinh ra trong một gia đình thượng lưu ở Ireland. Ông là con trai út, và không bao giờ phải lo lắng về tiền bạc. Không như nhiều người giàu có, Boyle luôn hào phóng với tài sản của mình, và ông quyên góp một phần đáng kể tài sản cho quỹ từ thiện. Ông chi tiền để Kinh Thánh được dịch sang một ngôn ngữ thổ dân ở châu Mỹ. Tôn giáo và khoa học giữ những vai trò quan trọng như nhau trong cuộc đời ông.

Ông dành một vài năm ở Eton, một trường dành cho giới tinh hoa ở Anh, sau đó du ngoạn ở châu Âu, nơi ông có một loạt những gia sư. Boyle quay về Anh khi Nội chiến đang diễn ra, một số người trong gia tộc của ông về phe Vua Charles I, và một số người lại về phe Nghị viện, những người tìm cách lật đổ nhà vua để thiết lập thể chế cộng hòa. Chị ông thuyết phục ông theo phe Nghị viên, và thông qua bà, ông gặp nhà cải cách xã hội, chính trị và khoa học Samuel Hartlib. Giống Francis Bacon, Hartlib tin rằng khoa học có sức mạnh cải thiện cuộc sống của con người, và thuyết phục Boyle trẻ tuổi rằng nghiên cứu nông nghiệp và y học có thể đem đến những cải thiện đó. Boyle bắt đầu với y học và xem xét cách chữa trị cho rất nhiều căn bệnh, và có được niềm say mê trọn đời với hóa học trên hành trình đó.

Một số người theo tôn giáo sợ việc để bản thân họ hoặc con họ tiếp xúc với những tư tưởng mới vì họ nghĩ rằng chúng sẽ làm xói mòn đức tin tôn giáo của họ. Robert Boyle không phải là một người như vậy: đức tin tôn giáo của ông vững vàng đến mức ông đọc bất cứ thứ gì liên quan đến những mối quan tâm khoa học phong phú của mình. Descartes và Galileo là những nhân vật gây nhiều tranh cãi vào thời Boyle còn trẻ, nhưng ông nghiên cứu cả hai người này rất kĩ càng – ông đọc Sứ giả sao của Galileo năm 1642 ở Florence, cùng năm và nơi Galileo qua đời – và sử dụng hiểu biết sâu sắc của họ trong những nghiên cứu của chính mình. Boyle cũng quan tâm đến những người theo trường phái nguyên tử ở thời cổ đại (Chương 3), dù ông không hoàn toàn bị niềm tin của họ thuyết phục rằng Vũ Trụ chỉ bao gồm “nguyên tử và hư vô”. Tuy nhiên, ông biết có những đơn vị vật chất cơ bản trong Vũ Trụ, mà ông gọi là các “tiểu thể”, nhưng ông có thể tiếp tục nghiên cứu theo hướng này mà không cần những liên hệ vô thần của trường phái nguyên tử Hy Lạp cổ đại.

Boyle cũng không thỏa mãn với học thuyết bốn nguyên tố của Aristotle, và ông đã chứng minh bằng thí nghiệm rằng thuyết này không chính xác. Ông đốt một khúc gỗ tươi và chỉ ra rằng khói bay ra từ đó không phải là không khí. Cả chất lỏng ứa ra từ hai đầu của khúc gỗ cũng không phải là nước bình thường. Ngọn lửa thay đổi tùy thuộc vào nhiên liệu, nên đó không phải là lửa thuần túy, và tro tàn sót lại sau đó cũng không phải là đất. Bằng cách phân tích cẩn thận kết quả của những thí nghiệm đơn giản này, Boyle đã cho thấy rằng một thứ thông thường như gỗ cũng không được tạo ra từ không khí, đất, lửa và nước. Ông cũng chỉ ra rằng một số chất, như vàng, không thể bị phân tích nhỏ hơn nữa. Khi bị nung nóng, vàng chuyển sang thể lỏng và chảy đi nhưng nó không thay đổi như gỗ khi bị đốt nóng: khi vàng nguội đi, nó lại trở về trạng thái ban đầu. Boyle nhận ra rằng những thứ xung quanh chúng ta trong cuộc sống hằng ngày, ví dụ như bàn và ghế gỗ, cùng mũ và áo len, được tạo ra từ rất nhiều thành phần khác nhau, nhưng chúng không thể được quy về bốn nguyên tố theo giả thuyết thời Hy Lạp cổ đại, hay ba nguyên tố của Paracelsus. Một số người tin rằng Boyle đã nghĩ ra định nghĩa hiện đại về nguyên tố hóa học. Chắc chắn ông đã tiến rất gần đến định nghĩa này khi ông mô tả các nguyên tố như những thứ “không được tạo thành từ những thực thể khác, hoặc từ nhau”. Nhưng ông không phát triển ý tưởng này xa hơn, cũng không sử dụng nó trong các thí nghiệm hóa học của mình.

Thay vào đó, khái niệm của Boyle về “tiểu thể”, một đơn vị vật chất, rất phù hợp với những mục đích thí nghiệm của ông. Boyle là một nhà thí nghiệm không biết mệt mỏi, dành hàng giờ trong phòng thí nghiệm riêng hoặc một mình hoặc với bạn bè, và các báo cáo thí nghiệm được viết tỉ mỉ trong những cuốn sách. Tính tỉ mỉ cũng góp phần khiến Boyle trở thành người đặc biệt trong lịch sử khoa học. Ông và những người bạn muốn khoa học có tính mở và đại chúng, và để những người khác có thể sử dụng những kiến thức họ đã thu được. Lúc này, việc tuyên bố tìm ra một vài bí mật sâu của tự nhiên, như Paracelsus đã làm, không còn là đủ nữa. Một nhà khoa học cần có khả năng chứng minh bí mật đó trước những người khác, hoặc đích thân hoặc thông qua những mô tả ở dạng văn bản.

Sự kiên định với tính mở này là một trong những quy tắc định hướng cho những nhóm khoa học mà Boyle tham gia. Nhóm đầu tiên trong số này là một nhóm không chính thức ở Oxford, nơi ông sống vào những năm 1650; khi hầu hết các thành viên của nhóm chuyển đến London, họ kết hợp với những người khác để thành lập một tổ chức, vào năm 1662, mà sau đó trở thành Hội Hoàng gia London, ngày nay vẫn là một trong những hội khoa học hàng đầu thế giới. Họ biết rằng họ đang làm một việc mà Francis Bacon đã kêu gọi nửa thế kỷ trước. Boyle là ánh sáng dẫn đường cho hội này, hết lòng cống hiến cho sự nghiệp mở mang tri thức. Ngay từ đầu, những Hội hữu, cách người ta gọi những thành viên của Hội Hoàng gia, đã có niềm tin mãnh liệt rằng tri thức mới mà họ khám phá và thảo luận trong những cuộc họp sẽ có ích.

Một trong những cộng tác viên mà Boyle thích nhất là một người cũng có tên Robert, trẻ hơn ông vài tuổi: Robert Hooke (1635–1702). Hooke thậm chí còn thông minh hơn Boyle, nhưng không giống Boyle, ông xuất thân từ một gia đình nghèo. Ông luôn phải tự vươn lên bằng trí thông minh của mình. Ông được Hội Hoàng gia tuyển dụng để thực hiện các thí nghiệm trong mỗi cuộc họp của hội. Ông trở nên thành thạo việc phát minh và sử dụng tất cả các loại dụng cụ khoa học. Hooke nghĩ ra nhiều thí nghiệm; ví dụ, đo tốc độ của âm thanh, hoặc kiểm tra xem chuyện gì xảy ra khi truyền máu từ một con chó sang một con chó khác. Trong một số trường hợp, con chó được truyền máu dường như hoạt bát, giàu sinh khí hơn, và những nhà khoa học trong hội cảm thấy được động viên thực hiện thí nghiệm trên con người. Họ truyền máu từ một con cừu sang người, nhưng việc này thất bại; ở Paris cũng vậy, một người chết sau khi được truyền máu, nên những thí nghiệm này đã bị ngừng. Nhiệm vụ của Hooke trong những cuộc họp hằng tuần của Hội Hoàng gia là chuẩn bị hai hoặc ba thí nghiệm ít gây chết người hơn để giải trí và kích thích tinh thần các Hội hữu.

Hooke là một trong những “nhà bác học” đầu tiên tận dụng được kính hiển vi. (Từ “nhà bác học” – “savant” có nghĩa đen là “người biết”, và thuật ngữ này từng thường được sử dụng để chỉ những người mà ngày nay chúng ta sẽ gọi là nhà khoa học.) Ông sử dụng kính hiển vi để mở ra một thế giới mới của những thứ vô hình trước đôi mắt trần, khám phá những cấu trúc trong thực vật, động vật và những vật thể khác mà người ta không thể nào nhìn thấy nếu không có kính hiển vi. Các Hội hữu thích nhìn qua kính hiển vi trong các cuộc họp của họ, và bên cạnh những màn trình diễn của Hooke, họ cũng trao đổi rất nhiều với một chuyên gia sử dụng kính hiển vi người Hà Lan, Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723). Leeuwenhoek là một thương nhân buôn vải vóc, nhưng khi rảnh ông mài và đánh bóng những thấu kính rất nhỏ mà có thể phóng to ảnh của đồ vật lên gấp hơn 200 lần. Ông phải làm một thấu kính mới cho mỗi lần quan sát, và đã làm tới hàng trăm thấu kính trong suốt cuộc đời mình. Ông đặt mỗi thấu kính lên một giá đỡ kim loại và vật nhỏ mà ông muốn tìm hiểu được đặt đằng sau giá. Ông tìm thấy những sinh vật tí hon trong nước ao, vi khuẩn trong mảng bám ở răng của chính ông, và nhiều thứ kì diệu khác. Hooke cũng tin rằng kính hiển vi của ông có thể đưa người quan sát đến gần với tự nhiên hơn, và những hình minh họa trong cuốn sách của ông, Micrographia (Khảo sát bằng kính hiển vi), xuất bản năm 1665 (đúng năm bùng phát Đại dịch London), đã tạo ra một hiện tượng. Nhiều hình minh họa trong số này trông rất kì cục đối với chúng ta, bởi chúng cho thấy những con côn trùng rất lớn, được phóng to, như ruồi hoặc chấy rận, và những hình minh họa này đã trở nên khá nổi tiếng. Ông cũng đưa vào cuốn sách này những gì mình quan sát và suy đoán về cấu trúc và chức năng của một số vật khác mà ông có thể nhìn thấy qua kính hiển vi. Ông cho người ta thấy bức hình một lát cắt mỏng của nút bần, làm từ gỗ của cây sồi bấc, vật liệu dùng để làm nút chai vang. Ông gọi những cấu trúc hộp rỗng nhỏ li ti mà ông nhìn thấy trong đó là “tế bào”. Chúng thực ra không phải là những gì mà ngày nay chúng ta gọi là tế bào, nhưng cái tên ấy vẫn được sử dụng.

Boyle và Hooke có cùng một thiết bị cơ khí ưa thích: phiên bản chiếc bơm khí của riêng họ. Cái bơm khí của Hooke và Boyle hoạt động tương tự những chiếc bơm mà ngày nay chúng ta dùng để bơm lốp xe đạp hoặc quả bóng. Nó có một khoang rỗng lớn ở giữa, với một phần nút chặt có thể mở được ở phía trên, và một lỗ mở khác ở đáy, ở đó có một van cho phép không khí vào hoặc ra. Dù có thể không có gì hấp dẫn lắm, nhưng chiếc bơm đã giúp giải quyết một trong những câu hỏi lớn của khoa học vào thời kỳ đó: liệu có thể tạo ra chân không, tức là một không gian hoàn toàn rỗng, thậm chí không có cả không khí. Descartes đã nhấn mạnh rằng chân không không thể tồn tại (“Tự nhiên ghét cay ghét đắng chân không” là một câu nói thông dụng để diễn đạt ý kiến này). Nhưng Boyle lập luận rằng, nếu ở cấp độ cơ bản nhất, vật chất được tạo ra từ các tiểu thể riêng biệt ở các dạng khác nhau, thì hẳn phải có khoảng trống giữa chúng. Nếu một thứ gì đó như nước được đun nóng đến khi bốc hơi và chuyển sang thể khí, thì nó vẫn chỉ là những tiểu thể ban đầu, nhưng lượng khí lúc này chiếm nhiều không gian hơn lượng chất lỏng ban đầu. Sau rất nhiều thí nghiệm đun nóng chất lỏng thành chất khí, ông thấy rằng tất cả các chất khí đều hoạt động như nhau khi chúng ở bên trong bơm khí. Boyle và Hooke đi đến kết luận mà ngày nay vẫn được biết đến với cái tên Định luật Boyle. Ở một nhiệt độ không đổi, thể tích của bất cứ khí nào cũng đều có một mối liên hệ toán học với áp suất mà khi đó đang chịu. Chúng ta nói rằng thể tích của nó chịu ảnh hưởng trực tiếp của áp suất xung quanh. Như vậy, nếu bạn tăng áp suất bằng cách giảm không gian mà khí đó đang chiếm, khí sẽ co lại cho vừa với không gian cho phép. (Nếu bạn tăng nhiệt độ, khí nở ra, và một áp suất mới sẽ bắt đầu tác động lên khí, nhưng vẫn theo nguyên tắc đó.) Sau này, Định luật Boyle sẽ đóng góp vào quá trình phát triển động cơ hơi nước, nên hãy nhớ đến ông khi chúng ta đến phần đó.

Boyle và Hooke sử dụng bơm khí để tìm hiểu các tính chất của nhiều loại khí, bao gồm cả “không khí” mà chúng ta thở. Nhớ rằng, không khí đã từng là một trong những yếu tố cơ bản của những Đấng lỗi lạc thời cổ đại, nhưng dần dần nhiều người ở thế kỷ 17 đã thấy rõ rằng không khí bao quanh chúng ta và giữ cho chúng ta sống được không phải là một chất đơn lẻ. Nó rõ ràng tham gia vào hoạt động thở, vì chúng ta hút không khí vào phổi khi chúng ta hít thở. Nhưng nó còn có tác dụng gì? Boyle và Hooke, ở góc độ cá nhân lẫn nhóm, đều quan tâm đến những gì xảy ra khi một miếng gỗ hoặc than củi cháy. Họ cũng đặt câu hỏi tại sao máu có màu đỏ thẫm trước khi đi vào phổi và có màu đỏ tươi khi ra khỏi phổi. Hooke kết nối hai câu hỏi này với nhau và đặt ra giả thuyết rằng hiện tượng xảy ra bên trong phổi là một dạng thiêu đốt đặc biệt, với “không khí” là chất kết nối hoạt động thở và hiện tượng cháy. Hooke chỉ đi đến giả thuyết như vậy, không hơn, nhưng những vấn đề quanh thành phần và bản chất của “không khí”, cũng như những gì xảy ra trong hoạt động hô hấp (thở) và thiêu đốt, tiếp tục gây tò mò cho những nhà khoa học trong suốt hơn một thế kỷ sau Boyle và Hooke, khi người ta lặp lại và phát triển các thí nghiệm của hai người này.

Hiếm có lĩnh vực khoa học nào mà Robert Hooke chưa từng nghĩ tới. Ông phát minh ra một chiếc đồng hồ cá nhân chạy bằng một bộ lò xo (một bước cải tiến vĩ đại cho việc căn giờ giấc), suy nghĩ về nguồn gốc của hóa thạch, và nghiên cứu bản chất của ánh sáng. Ông cũng có những ý tưởng xuất sắc về một vấn đề mà chúng ta đã gặp trước đây, và sẽ tìm hiểu kĩ hơn trong chương tiếp theo: vật lý học về chuyển động và lực. Hooke nghiên cứu những chủ đề này cùng lúc với Isaac Newton. Và như chúng ta sẽ thấy sau đây, chính Newton là một trong những lý do khiến cho tất cả mọi người đều biết đến Sir§ Isaac Newton, nhưng chẳng mấy ai biết ông Hooke.

“Sir” là tước hiệu danh dự do Hoàng gia Anh phong cho những cá nhân có cống hiến cho xã hội.

Chương 16

Thứ gì đi lên…

Newton

Tôi nghi ngờ liệu bạn đã từng gặp ai đó thông minh như Isaac Newton – tôi thì chưa. Bạn có thể đã gặp ai đó khó ưa như ông ấy. Ông không ưa hầu hết mọi người, thường nổi cơn tam bành, và nghĩ rằng gần như tất cả mọi người đều quyết tâm hại ông. Ông hay giấu giếm, tự phụ và quên bữa. Ông có rất nhiều tính cách khó ưa, nhưng ông đúng là thông minh, và nhờ sự thông minh mà ông được nhớ tới tận ngày nay, mặc dù rất khó để hiểu được những gì ông nghĩ và viết.

Isaac Newton (1642–1727) có thể vẫn là người có tính khí khó chịu bất kể chuyện gì xảy đến với ông, nhưng thật ra tuổi thơ của ông rất tồi tệ. Cha ông mất khi ông còn chưa ra đời, và mẹ ông, người không hề nghĩ rằng ông sẽ có thể sống được, đã để mặc ông với cha mẹ của bà sau khi tái hôn và có một gia đình khác. Ông ghét cha dượng, không thích ông ngoại, và cũng chẳng ưa mẹ hay bà ngoại. Thực tế, ngay từ nhỏ, ông đã bắt đầu ghét người. Ông thích ở một mình hơn, khi còn là một đứa trẻ cũng như khi đã rất già. Tuy nhiên, rõ ràng ông rất thông minh, và ông được gửi tới trường ngữ pháp ở Grantham, gần nơi ông sống là Lincolnshire. Ông học giỏi tiếng Latin (ông có thể viết bằng tiếng Latin dễ dàng như viết tiếng Anh), nhưng ông dành phần lớn thời gian tại trường để làm đồng hồ và các món đồ cơ khí khác, và dựng các đồng hồ Mặt Trời.

Ông cũng chỉ làm việc riêng của mình khi ông học lên Trường Trinity, thuộc Đại học Cambridge, vào năm 1661. Nhiệm vụ của ông là đọc sách về những bậc thầy thời cổ đại như Aristotle và Plato. Ông đúng là có đọc một chút về họ (ông là một người ghi chú tỉ mỉ, vì thế chúng ta biết rằng ông có đọc), nhưng những nhân vật ông ưa thích lại là những người hiện đại: Descartes, Boyle và những đại diện khác của khoa học mới. Chỉ đọc thôi cũng ổn, nhưng ông muốn tự mình khám phá. Để làm được điều này, ông đã tự nghĩ ra nhiều thí nghiệm mới, nhưng thiên tài vĩ đại nhất của ông là ở môn toán học và cách sử dụng nó để hiểu hơn về Vũ Trụ.

Newton đã giải quyết được rất nhiều ý tưởng trong vài năm làm việc với năng suất cao đến mức khó tin. Không một nhà khoa học nào trừ Einstein (Chương 32) từng làm được nhiều đến vậy trong một khoảng thời gian ngắn như thế. Những năm rực rỡ nhất của Newton là 1665 và 1666. Một phần thời gian này ông sống ở nhà của mẹ ông tại Woolsthorpe, Lincolnshire, bởi dịch hạch đang quét qua nước Anh vào thời gian đó đã dẫn đến việc Đại học Cambridge phải đóng cửa và cho sinh viên về nhà. Chính trong giai đoạn này, Newton nhìn thấy những quả táo chín rơi từ trên cây xuống trong vườn nhà mẹ ông. Có lẽ nó không kịch tính như những câu chuyện người ta kể, nhưng việc này thật sự đã gợi ông nhớ đến một vấn đề vẫn cần được giải thích: tại sao mọi thứ rơi xuống đất.

Ông bận bịu với nhiều vấn đề khoa học trong giai đoạn này. Lấy toán học làm ví dụ. Galileo, Descartes, và nhiều triết gia tự nhiên (chính là những nhà khoa học) khác đã tiến những bước vĩ đại trong việc phát triển toán học như một bộ môn khoa học, và quan trọng hơn, trong việc sử dụng nó để hiểu được những kết quả quan sát và thí nghiệm của họ. Newton còn là một nhà toán học giỏi hơn thế, và ông xuất sắc trong việc sử dụng toán vào khoa học của ông. Để mô tả những thứ như chuyển động và lực hấp dẫn bằng toán học, đại số và hình học là không đủ. Bạn phải có cách để xem xét những đơn vị thời gian và chuyển động rất nhỏ: thực tế, phải là một lượng vi phân. Khi nghiên cứu một viên đạn bắn ra từ một khẩu súng, hay một quả táo rơi xuống từ một cành cây, hoặc một hành tinh quay quanh Mặt Trời, bạn phải tập trung vào khoảng cách chúng đi được trong khoảng thời gian nhỏ nhất mà con người có thể nhận thức được. Nhiều triết gia tự nhiên trước Newton đã nhìn thấy vấn đề này và nghĩ ra nhiều giải pháp khác nhau. Nhưng Newton, khi mới ngoài 20 tuổi, đã phát triển các công cụ toán học của riêng ông để giải quyết vấn đề. Ông gọi phương pháp này là fluxion (vi phân), bắt nguồn từ “flux” có nghĩa là thứ gì đó luôn thay đổi. Vi phân của Newton đảm nhiệm loại tính toán mà chúng ta vẫn làm ngày nay ở một nhánh toán học gọi là giải tích. Đến tháng Mười năm 1666, khi ông hoàn thành một bài nghiên cứu khoa học chỉ để thỏa mãn chính mình, ông đã là nhà toán học xuất sắc nhất châu Âu, nhưng không ai ngoài Newton biết điều này. Ông đã không công bố những khám phá toán học của mình ngay, thay vào đó, ông sử dụng chúng, và cuối cùng chỉ chia sẻ những phương pháp và kết quả của ông với những người quen biết.

Bên cạnh toán học, Newton bắt đầu nghiên cứu ánh sáng. Từ thời cổ đại, người ta vẫn luôn cho rằng ánh sáng Mặt Trời có màu trắng, thuần khiết, và đồng nhất (Có nghĩa là được tạo thành từ chỉ một thứ). Người ta nghĩ rằng màu sắc được tạo ra từ những biến thể của ánh sáng thuần khiết này. Newton nghiên cứu những công trình về ánh sáng của Descartes và lặp lại một số thí nghiệm của Descartes. Ông sử dụng thấu kính và sau đó là một vật bằng kính khác gọi là lăng kính, có thể phân tách ánh sáng. Trong một thí nghiệm nổi tiếng, ông cho một tia sáng mảnh đi vào phòng tối, qua một lăng kính, rồi chiếu lên một bức tường cách đó gần 7 mét. Nếu ánh sáng đồng nhất, như Descartes và nhiều người khác đã nghĩ, hình ảnh thu được trên tường phải là một hình tròn nhỏ màu trắng, cùng hình dạng với lỗ nhỏ mà tia sáng đã đi qua. Nhưng thay vào đó, ánh sáng hiện lên trên tường là một dải rộng nhiều màu. Newton không hẳn đã tạo ra một cầu vồng, nhưng ông đang tìm cách giải thích các cầu vồng được tạo ra như thế nào.

Trong những năm đại dịch hoành hành, ông cũng xúc tiến công trình về cơ học của mình những định luật chi phối những vật thể chuyển động. Chúng ta đã thấy cách Galileo, Kepler, Descartes và những người khác phát triển những ý tưởng để giải thích (và diễn đạt trên giấy bằng toán học) chuyện gì xảy ra khi một quả đạn đại bác được bắn đi, hay Trái Đất quay quanh Mặt Trời. Robert Hooke cũng quan tâm đến chủ đề này. Newton đọc những tài liệu do những người đó viết, nhưng ông cũng tiến xa hơn họ. Ông đã từng viết cho Hooke rằng, “Nếu tôi có nhìn được xa hơn, đó là nhờ đứng trên vai những người khổng lồ.” Bạn có nhớ những lần được ngồi trên vai bố? Đột nhiên, việc bạn được cao hơn gấp hai đến ba lần mở ra tất cả những thứ mà bạn không thể tự mình nhìn thấy. Và đó chính là những gì Newton đang nói đến. Hình ảnh kì diệu của ông mô tả cách mỗi nhà khoa học, và mỗi thế hệ các nhà khoa học, có thể được lợi như thế nào từ những hiểu biết sâu rộng của những người đi trước. Đó là bản chất của khoa học.

Nhưng chính Newton cũng là một người khổng lồ, và ông biết điều đó. Các vấn đề chỉ phát sinh khi Newton cảm thấy người khác không nhận ra điều này. Các rắc rối của Newton với Robert Hooke bắt đầu khi Newton gửi bài nghiên cứu đầu tiên của mình đến Hội Hoàng gia. Hội Hoàng gia đã làm công việc mà những tạp chí khoa học uy tín ngày nay vẫn làm: gửi bài báo đến một chuyên gia khác để người đó nhận xét. Chúng ta gọi đây là “bình duyệt”, và quá trình này là một phần của tính mở mà các nhà khoa học lấy làm tự hào. Hội Hoàng gia chọn Hooke làm người bình duyệt bài nghiên cứu đó vì ông cũng nghiên cứu ánh sáng. Newton không ưa các nhận xét của Hooke chút nào, và thậm chí muốn từ bỏ tư cách Hội hữu của Hội Hoàng gia. Hội Hoàng gia lặng lẽ phớt lờ bức thư xin từ bỏ tư cách thành viên của ông.

Sau sự bùng nổ năng lượng sáng tạo đáng kinh ngạc của ông vào những năm 1660, Newton hướng chú ý sang những vấn đề khác, bao gồm giả kim thuật và thần học. Như mọi lần, ông giữ những ghi chú cẩn thận về những tài liệu ông đã đọc và các thí nghiệm đã làm, những ghi chú mà ngày nay những người muốn hiểu rõ tư duy của Newton trong lĩnh vực này vẫn đọc. Vào thời của mình, Newton giữ kín những suy nghĩ và nghiên cứu này, đặc biệt là quan điểm tôn giáo của ông, những quan điểm khác với các tư tưởng của Giáo hội Anh. Đại học Cambridge thời đó yêu cầu sinh viên phải đồng ý với các niềm tin của Giáo hội. May mắn cho Newton và cho khoa học, ông có nhiều người ủng hộ đầy quyền lực ở trường đại học, vậy nên có thể trở thành một Viện sĩ của Trường Trinity, và sau đó được bầu là Giáo sư Toán học Lucasian§, mà không cần phải thề nguyện rằng ông tin vào tất cả các tư tưởng của Giáo hội. Ông giữ vị trí giáo sư này trong hơn 20 năm. Không may, ông là một giảng viên rất tệ, và sinh viên của ông không thể hiểu nổi ông đang nói về điều gì. Thỉnh thoảng, khi ông đến giảng đường, không có một sinh viên nào ở đó để ông giảng bài cho. ng luôn nói về những chủ đề chính thống như ánh sáng và chuyển động, chứ không phải giả kim thuật và thần học mà ông đang bí mật theo đuổi – có lẽ những chủ đề đó sẽ khiến sinh viên hứng thú hơn nhiều!

Đến giữa những năm 1680, nghiên cứu của Newton về toán học, vật lý học và thiên văn học dần được nhiều người biết đến. Ông đã viết rất nhiều bài nghiên cứu khoa học và công bố một vài bài trong số đó, nhưng ông thường lưu ý rằng ông nghiên cứu khoa học chỉ để cho chính ông, hoặc cho những người xuất hiện sau khi ông qua đời. Năm 1684, nhà thiên văn hoc Edmund Halley đến thăm Newton ở Cambridge. (Hãy để ý sao chổi Halley, được đặt theo tên của Edmund Halley, vào năm 2061, tức lần tiếp theo người ta có thể quan sát nó từ Trái Đất.) Halley và Hooke khi đó đang thảo luận về hình dạng quỹ đạo của một vật chuyển động quanh một vật khác (ví dụ như Trái Đất quay quanh Mặt Trời, hay Mặt Trăng quay quanh Trái Đất). Ho đặt ra nghi vấn liệu lực hấp dẫn có ảnh hưởng tới đường đi của vật thể, theo cách mà chúng ta ngày nay gọi là “Định luật bình phương nghịch đảo”. Lực hấp dẫn chỉ là một trong nhiều ví dụ về định luật này. Nó có nghĩa là độ lớn của lực hấp dẫn giảm tỉ lệ thuận với bình phương khoảng cách giữa hai vật thể, và tất nhiên, tăng lên cũng theo tỉ lệ đó khi hai vật thể đến gần nhau. Lực hấp dẫn ảnh hưởng chung lên cả hai vật thể, nhưng khối lượng của hai vật thể cũng quan trọng. Nếu một vật, ví dụ như Trái Đất, rất lớn, và vật còn lại, ví dụ như quả táo, rất nhỏ, Trái Đất sẽ gần như đảm nhận toàn bộ nhiệm vụ hấp dẫn. Chương 12 đã giải thích cách Galileo sử dụng một hàm “bình phương” trong nghiên cứu của ông về vật rơi tự do. Chúng ta cũng sẽ thấy nó trong các chương tiếp theo, bởi Tự Nhiên dường như thích mọi thứ phải xảy ra theo một hàm bình phương, bất kể là bình phương thời gian, gia tốc, hay sự hấp dẫn. Khi bạn làm tính với các số bình phương (ví dụ, 3 × 3 = 9, hoặc 32), nhớ rằng Tự Nhiên có thể đang mỉm cười đấy.

Chuyến viếng thăm của Halley khiến Newton gác lại nghiên cứu về giả kim thuật và thần học. Ông bắt đầu nghiên cứu và cho ra đời cuốn sách vĩ đại nhất của mình, một trong những cuốn sách quan trọng nhất trong lịch sử khoa học, mặc dù nó không hề dễ đọc. Ngày nay, nó được biết đến với cái tên Principia nhưng tên đầy đủ bằng tiếng Latin của nó (Newton viết cuốn sách bằng tiếng Latin) là _Philosophiae naturalis principia mathematica (“Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên”). (Hãy nhớ rằng triết học tự nhiên là cách cũ để gọi khoa học). Cuốn sách của Newton ghi chép chi tiết cách áp dụng toán học mới của ông, và giải thích bản chất nhiều khía cạnh vật lý bằng các con số thay vì những mô tả dài dòng. Chỉ một vài người có thể thông hiểu cuốn sách ở thời của Newton, nhưng thông điệp của nó được trân trọng trên quy mô rộng hơn nhiều. Cuốn sách mở ra một cách mới để nhìn nhận và mô tả Vũ Trụ.

Nhiều khía cạnh trong quan điểm của Newton về thế giới và bầu trời được hàm chứa trong ba định luật về chuyển động đã được viết trong Principia. Định luật thứ nhất của ông phát biểu rằng mọi vật thể hoặc giữ nguyên vị trí, hoặc chuyển động đều theo một đường thẳng trừ phi có một lực nào đó tác động lên nó. Một viên đá trên sườn núi sẽ nằm ở đó mãi mãi trừ phi gió, mưa, hoặc con người, làm nó chuyển động; và, khi không có sự cản trở nào (ma sát), viên đá sẽ chuyển động theo đường thẳng mãi mãi.

Định luật thứ hai của ông phát biểu rằng nếu một vật đang chuyển động, một lực có thể thay đổi vận tốc hoặc hướng của nó. Độ lớn của vận tốc khi ấy phụ thuộc vào độ lớn của lực, và hướng mới của vật đi theo một đường thẳng, cùng hướng của lực mới. Như vậy, nếu bạn đập một quả bóng bay đang rơi xuống từ một bên, nó sẽ chuyển động sang bên kia; nếu bạn đập nó từ trên xuống, nó sẽ chuyển động xuống nhanh hơn.

Định luật thứ ba về chuyển động của ông phát biểu rằng với bất cứ lực nào, luôn có một phản lực theo chiều ngược lại với độ lớn tương đương. Điều này có nghĩa là hai vật thể luôn tác động lên nhau với lực lớn như nhau nhưng theo chiều ngược nhau. Bạn có thể đập một quả bóng bay, và nó sẽ chuyển động ra xa khỏi bàn tay bạn, nhưng nó cũng tác động lại tay bạn (bạn sẽ cảm nhận được điều này). Nếu bạn đập một tảng đá lớn, tảng đá sẽ không chuyển động, nhưng tay bạn có thể bị đau và bật ngược lại. Lý do là những vật nhẹ khó gây ảnh hưởng lên những vật nặng, nhưng ngược lại vật nặng dễ gây ảnh hưởng lên vật nhẹ. (Chúng ta đã thấy rằng lực hấp dẫn cũng vận động theo nguyên lý này.)

Ba định luật này cũng giải quyết được nhiều câu hỏi của các triết gia tự nhiên thời trước. Trong tay Newton, chúng giải thích được rất nhiều hiện tượng quan sát được, từ chuyển động của các hành tinh cho đến đường bay của một mũi tên được bắn đi từ một cây cung. Các định luật về chuyển động cho phép người ta nhìn thế giới như một cỗ máy khổng lồ, hoạt động đều đặn, như một chiếc đồng hồ căn được thời gian chính xác nhờ các lò xo, tay đòn và trục máy. Cuốn Principia của Newton được công nhận là một công trình trí tuệ thiên tài có mức ảnh hưởng cực lớn. Nó biến người đàn ông sống ẩn mình, có nhiều vấn đề này thành một người nổi tiếng. Phần thưởng cho ông là một vị trí được trả công hậu hĩnh, Tổng đốc Sở đúc tiền, nơi chính phủ đúc các đồng xu và điều tiết nguồn tiền của quốc gia. Newton chủ động làm công việc này với đầy nhiệt huyết và cảm giác tận hưởng, tìm ra những kẻ làm tiền giả và giám sát nguồn tiền quốc gia. Ông phải chuyển tới London, do đó ông xin chấm dứt mọi trách nhiệm tại Cambridge và dành 30 năm cuối cuộc đời ở thủ đô, trở thành Chủ tịch của Hội Hoàng gia.

Trong những năm ở London, ông đã chỉnh sửa đáng kể cuốn Principia, bổ sung một số nghiên cứu sâu hơn của ông, đồng thời trả lời rất nhiều phản biện khác nhau mà người ta đưa ra từ khi cuốn sách được xuất bản. Các nhà khoa học thường làm như vậy. Không lâu sau khi Robert Hooke qua đời, Newton xuất bản cuốn sách khoa học quan trọng thứ hai của ông, Opticks (1704), viết về ánh sáng. Trước đó, Newton và Hooke đã gây gổ với nhau nhiều lần về việc ai trong số họ đã làm gì trước, và làm thế nào hiểu được những kết quả thí nghiệm về bản chất và cách vận động của ánh sáng. Gần 40 năm trước đó, Newton đã làm nhiều phần của công việc nghiên cứu cho cuốn sách này, nhưng ông ngại xuất bản chúng khi Hooke còn sống. Giống Principia, Opticks rất quan trọng. Chúng ta sẽ gặp một vài kết luận của nó trong những chương sau, khi các nhà khoa học khác đứng trên vai của Newton.

Newton là nhà khoa học đầu tiên được phong tước hiệp sĩ, trở thành Sir Isaac. Ông tận hưởng quyền lực, nhưng không nhiều hạnh phúc. Ông không phải người dễ chịu trong mắt người khác, nhưng ông là một người vĩ đại, một trong những nhà khoa học sáng tạo nhất từng sống trên đời, được vinh danh bởi những đóng góp hết sức to lớn cho hiểu biết của chúng ta về Vũ Trụ. Principia của Newton là đỉnh cao của thiên văn học và vật lý học mà trước đó đã được Galileo, Kepler, Descartes và những nhà khoa học khác theo đuổi. Trong cuốn sách của ông, Newton đưa bầu trời và Trái Đất về một hệ thống, bởi các định luật của ông có thể ứng dụng khắp Vũ Trụ. Ông đưa ra những giải thích bằng toán học và vật lý học cho cách các hành tinh chuyển động và cách các vật thể rơi xuống Trái Đất. Ông đã đặt những nền móng cho vật lý học mà các nhà khoa học đã sử dụng cho đến thế kỷ 20, khi Einstein và các nhà khoa học khác cho thấy rằng Vũ Trụ thậm chí còn có nhiều hơn cả những gì Sir Isaac đã tưởng tượng.

Giáo sư Toán học Lucasian là một danh hiệu giáo sư ở Đại học Cambridge. Theo tờ Daily Telegraph, đây là một trong những vị trí hàn lâm danh giá nhất trên thế giới.

Chương 17

Những tia chớp sáng

Đã bao giờ bạn tự hỏi một ánh chớp thực sự là gì, và tại sao tiếng ầm của sấm lại đến sau đó? Những màn trình diễn bạo liệt của sấm và chớp diễn ra tít trên bầu trời, và khá kịch tính, ngay cả khi bạn biết điều gì tạo ra chúng. Cũng như những tia sét luôn tìm đường xuống mặt đất, đến đầu thế kỷ 18, các nhà khoa học đã bắt đầu đặt nhiều câu hỏi về hiện tượng này và thứ quen thuộc hơn nhiều đó là điện.

Một câu hỏi khác là về thứ mà sau này được gọi là từ. Người Hy Lạp cổ đại đã biết rằng nếu bạn chà lên hổ phách (một loại đá trang sức màu vàng không quá quý giá) thật mạnh, nó sẽ hút những vật nhỏ gần nó. Người ta khó có thể hiểu nguồn gốc của năng lực này. Nó có vẻ khác với năng lực vĩnh viễn của một loại đá khác, đá nam châm, năng lực hút những vật chứa sắt. Cũng như một ngôi sao dẫn đường cho người ta biết hướng đi (đặc biệt là sao Bắc Đẩu), đá nam châm cũng dẫn đường cho những người lữ khách: nó là một mảnh kim loại đặc biệt, nếu được treo để quay tự do, nó sẽ luôn chỉ về các cực từ của Trái Đất. Đá nam châm cũng có thể được dùng để từ hóa các cây kim, và đến thời của Copernicus, vào giữa thế kỷ 16, những la bàn thô đã được những người đi biển sử dụng để giúp họ định hướng, vì một đầu của kim la bàn luôn chỉ về hướng Bắc. Một bác sĩ người Anh tên William Gilbert đã viết về điều này vào năm 1600, khi từ “từ” đã ra đời. Cả điện và từ đều có thể tạo ra những hiệu ứng có tính giải trí và đều là chủ đề được ưa thích trong các bài giảng khoa học lẫn các trò chơi sau bữa tối.

Không lâu sau, người ta tạo ra những hiệu ứng mãnh liệt hơn bằng cách xoay một quả cầu thủy tinh trên một điểm và chà xát nó khi nó quay. Bạn có thể cảm nhận và thậm chí nghe thấy tiếng tia lửa điện khi chúng được tạo ra trên thủy tinh. Thiết bị này trở thành nền tảng cho cái mà người ta gọi là bình Leyden, được đặt tên theo thị trấn ở Hà Lan nơi nó được một giáo sư đại học phát minh vào khoảng năm 1745. Nước được đổ vào đến một nửa bình, và kết nối với một máy phát điện bằng một sợi dây. Phần kết nối được gọi là “vật dẫn” bởi nó cho phép năng lượng bí ẩn kia truyền được vào nước trong bình, nơi năng lượng này được lưu trữ. (“Dẫn” có nghĩa là “dẫn đường”.) Khi một người trợ lý phòng thí nghiệm chạm vào mé bình và một đầu vật dẫn, anh ta bị điện giật choáng váng đến mức anh ta tưởng đời mình thế là hết. Báo cáo của thí nghiệm này gây xôn xao dư luận và bình Leyden trở thành chủ đề rất được ưa thích. Mười thầy tu từng có lần nối tay với nhau và khi người đầu tiên chạm tay vào bình và vật dẫn, họ bị điện giật cùng lúc. Dường như một cơn sốc điện giật có thể truyền từ người này sang người khác.

Chính xác chuyện gì đã xảy ra? Ngoài những trò giải trí, đây có những vấn đề khoa học nghiêm túc. Có rất nhiều giả thuyết xung quanh các hiện tượng ấy, nhưng một người đã đem đến chút trật tự cho bộ môn này là Benjamin Franklin (1706–1790). Bạn có thể biết đến ông như một nhà yêu nước người Mỹ, người đã giúp viết nên Tuyên ngôn Độc lập (1776), khi Hợp chủng quốc Hoa Kỳ giành được độc lập khỏi Đế quốc Anh. Ông là một người hóm hỉnh, được nhiều người yêu quý với nhiều lời thông tuệ mà đơn giản, ví dụ như “Thời gian là tiền bạc,” và “Trong thế giới này, chẳng thể nói thứ gì là chắc chắn, ngoại trừ cái chết và thuế.” Lần tiếp theo bạn ngồi trên một chiếc ghế lắc lư, hay nhìn thấy một người đeo kính đa tròng, hãy nghĩ đến ông: ông đã phát minh ra cả hai thứ này.

Hầu như tự học, Franklin am hiểu về rất nhiều thứ, bao gồm khoa học. Ông cảm thấy thoải mái như ở nhà khi sống trên đất Pháp, Anh và Mỹ, và thực hiện thí nghiệm khoa học nổi tiếng nhất của mình, thí nghiệm với sét, lúc đang ở Pháp. Giống nhiều người sống ở những năm 1740 và 1750, Franklin tò mò với các bình Leyden và những gì chúng có thể làm được. Trong tay ông, chúng thể hiện vượt xa những gì người ta nghĩ đến trước đó. Đầu tiên, ông nhận ra rằng các vật có thể mang những điện tích âm hoặc dương, như bạn có thể thấy chúng được đánh dấu bằng dấu “+” và “-” ở hai đầu của một cục pin. Ông nói rằng trong bình Leyden, dây dẫn và nước trong bình được “điện hóa thành điện tích dương, hay cộng” và bề mặt bên ngoài mang điện tích âm. Điện tích âm và dương có cùng độ lớn nên chúng trung hòa lẫn nhau. Những thí nghiệm tiếp theo thuyết phục ông rằng sức mạnh thật sự của bình Leyden nằm ở chất thủy tinh, và ông tạo ra một loại pin (ông là người nghĩ ra từ này) bằng cách đặt một miếng thủy tinh vào giữa hai thanh chì. Khi ông kết nối thiết bị này với một nguồn điện, “pin” này có thể giải phóng ra điện. Tiếc rằng, ông không theo đuổi nghiên cứu này sâu hơn.

Franklin không phải là người đầu tiên đặt câu hỏi về mối quan hệ giữa tia lửa điện do máy móc sinh ra trên mặt đất và tia lửa điện trên bầu trời, chính là sét. Nhưng ông là người đầu tiên áp dụng những gì mình biết được về bình Leyden để cố gắng hiểu xem chúng có mối liên hệ với nhau như thế nào. Ông nghĩ ra một thí nghiệm thông minh (nhưng nguy hiểm). Ông lý luận rằng điện trong khí quyển sẽ tích tụ ở rìa đám mây, giống như điện trong bình Leyden. Nếu hai đám mây va vào nhau, khi chúng bay qua bầu trời trong một cơn giông sét, sẽ có sự phóng điện – một tia chớp. Bằng cách thả một con diều trong một cơn giông như vậy, ông có thể chứng minh rằng mình đúng. Người thả diều phải được cách điện bằng phương pháp phù hợp (sử dụng một tay cầm bằng sáp để giữ dây diều) và “nối đất” (bằng một đầu dây nối vào anh ta và để thả đầu còn lại trên mặt đất). Không có những biện pháp ngăn ngừa này, cú sốc điện có thể giết chết anh ta, và quả thực, một người thử nghiệm xấu số đã chết bởi anh ta không làm theo hướng dẫn của Franklin. Thí nghiệm với diều thuyết phục Franklin rằng điện của sét cũng giống điện trong bình Leyden.

Đầu tiên là lực hấp dẫn, giờ là điện: những thứ trên bầu trời và dưới mặt đất đang được đưa tới gần nhau hơn bao giờ hết.

Nghiên cứu của Franklin về điện đã đem đến các kết quả tức thì. Ông chứng minh rằng một cột kim loại có đầu nhọn truyền được điện xuống mặt đất. Do đó, nếu một cột như vậy được đặt trên nóc một tòa nhà, với một đường dây được cách điện dẫn từ cột đó xuống mặt đất, sét sẽ được dẫn khỏi tòa nhà, và tòa nhà sẽ không bắt cháy nếu bị sét đánh. Đây vốn là một vấn đề nghiêm trọng khi các căn nhà được xây dựng hầu như bằng gỗ và đôi khi còn có mái rơm. Các cột thu sét, chúng vẫn được gọi như vậy cho đến ngày nay, hoạt động dựa trên nguyên lý này, và thậm chí bây giờ chúng ta còn sử dụng từ “nối đất” cho phần dây cách điện trong những phích cắm, phần giúp truyền xung điện thừa khỏi những đồ điện như máy giặt hay tủ lạnh. Franklin cắm một cột thu sét trên nhà của chính ông, và ý tưởng này cứ thế được người khác học tập. Nhiều kết quả quan trọng sau này xuất phát từ việc thấu hiểu điện.

Điện học là một trong những lĩnh vực nghiên cứu khoa học lý thú nhất vào thế kỷ 18, và nhiều “điện nhân”, theo cách người ta gọi họ, đã đóng góp vào vốn hiểu biết về điện ngày nay của chúng ta. Đặc biệt, chúng ta biết đến tên tuổi của ba người. Người đầu tiên là Luigi Galvani (1737–1798), một bác sĩ thích tạo ra những chỉnh sửa nho nhỏ trên các máy điện và động vật. Ông hành nghề y, dạy giải phẫu học và sản khoa (y học về sinh nở) ở Đại học Bologna, nhưng ông cũng rất hứng thú với nghiên cứu sinh lý học. Khi nghiên cứu mối liên hệ giữa cơ và dây thần kinh, ông phát hiện ra rằng cơ của một con ếch có thể bị làm cho co lại nếu dây thần kinh gắn với cơ đó tiếp xúc với một nguồn điện. Sau khi nghiên cứu sâu hơn, ông xem cơ giống như một bình Leyden, có khả năng sản sinh và phóng ra một dòng điện. Galvani nói điện là một phần quan trọng của động vật. Thật vậy, “điện động vật”, cách mà ông gọi loại điện này, dường như là một thành phần thiết yếu của cơ chế vận động ở động vật. Và ông đã đúng.

Các sốc tĩnh điện, xảy ra khi điện tích tụ trên bề mặt một vật được giải phóng, vẫn được gọi là sốc điện galvanic. Các nhà khoa học và thợ điện sử dụng điện kế (galvanometer) để đo dòng điện. Khái niệm điện động vật của Galvani đã thu hút nhiều phản biện, đặc biệt từ Alessandro Volta (1757–1827), một nhà khoa học từ Como, miền Bắc nước Ý. Volta không đánh giá cao những bác sĩ mở rộng hướng nghiên cứu sang vật lý học, và ông bắt đầu nghiên cứu để chứng minh rằng điện động vật không tồn tại. Volta và Galvani đã có một cuộc tranh luận công khai về cách diễn giải những thí nghiệm của Galvani. Trong những nghiên cứu để hạ bệ Galvani, Volta kiểm tra một con lươn điện, con vật có thể sinh ra điện. Ông tin rằng ngay cả những con lươn điện cũng không khiến khái niệm “điện động vật” của Galvani thuyết phục hơn. Quan trọng hơn, Volta phát hiện ra rằng nếu ông chồng các lớp kẽm và vải lên nhau, và xen kẽ giữa chúng là các lớp bìa ướt, ông có thể tạo ra một dòng điện liên tục qua tất cả các lớp. Volta gửi báo cáo về phát minh mới của mình, mà ông gọi là “pin”§, tới Hội Hoàng gia London. Giống bình Leyden, nó gây xôn xao dư luận ở Anh và Pháp.

Vào thời gian này, Pháp đang bận rộn với cuộc chinh phạt miền Bắc nước Ý, và Hoàng đế nước Pháp, Napoleon Bonaparte, trao huy chương cho nhà khoa học người Ý vì phát minh của ông, bởi nó tạo ra một dòng điện đáng tin cậy cho các nghiên cứu thực nghiệm. Pin Volta tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong hóa học ở thế kỷ 19. Nó là một bước phát triển có tính thực dụng từ pin của Franklin, và đã trở nên thiết yếu trong cuộc sống của chúng ta ngày nay. Chúng ta nhớ tới Volta bởi tên ông cho chúng ta từ “volt”, là một trong những đơn vị dùng để đo dòng điện – bạn hãy nhớ nhìn qua vỏ pin trong lần thay pin tiếp theo nhé.

Điện nhân vĩ đại thứ ba của chúng ta (đồng thời là một nhà toán học đáng nể) cũng cho chúng ta một cái tên để đo điện: André-Marie Ampère (1775–1836). Chúng ta có từ “ampere” từ tên ông. Ampère sống qua thời kỳ sang chấn của Cách mạng Pháp và hậu kì của nó, cha của ông phải rơi đầu trên máy chém trong thời gian này. Đời tư của ông cũng bi thảm tương tự. Người vợ đầu tiên yêu dấu của ông mất sau khi sinh người con thứ ba, và cuộc hôn nhân thứ hai của ông rất không hạnh phúc và kết thúc bằng một cuộc ly hôn. Các con ông lớn lên không được hạnh phúc, và ông phải gánh nỗi lo tiền bạc triền miên. Giữa sự hỗn loạn này, Ampère nhận ra một số điểm cốt yếu trong toán học, hóa học, và trên hết, cái mà ông gọi là “điện động lực học”. Bộ môn phức tạp này mang điện và từ về một mối. Bất chấp sự phức tạp của nó, những thí nghiệm đơn giản nhưng tinh tế của Ampère cho thấy rằng từ thực chất là điện đang chuyển động. Nghiên cứu của ông làm cơ sở cho Faraday và Maxwell, và vì thế chúng ta sẽ nói về nó chi tiết hơn khi tới chương của những người khổng lồ về điện từ này. Mặc dù những nhà khoa học thời kỳ sau chứng minh rằng nhiều chi tiết trong lý thuyết của Ampère chẳng đi đến đâu cả, ông đã mở đầu cho nhiều nghiên cứu về điện từ. Cần phải nhớ rằng khoa học đôi khi còn là mắc sai lầm.

Đến khi Ampère qua đời, điện đã tiến một quãng đường dài về hướng bị thuần phục. Nghiên cứu của Franklin lúc này đã trở nên quá đơn giản và bình thường, và dù nó quan trọng, ông vẫn chỉ là một tay nghiệp dư khéo léo khi người ta so sánh ông với Galvani, Volta và Ampère, những người sử dụng các dụng cụ tinh vi hơn và làm việc trong các phòng thí nghiệm. Galvani cuối cùng vẫn là người được nở nụ cười chiến thắng trước Volta, bởi ngày nay chúng ta đã biết điện đóng vai trò quan trọng khi cơ và dây thần kinh tương tác với nhau.

Còn gọi là pin Volta.

Chương 18

Vũ trụ như cơ cấu đồng hồ

Cách mạng Mỹ (còn được biết đến với cái tên Chiến tranh Độc lập Mỹ) năm 1776, Cách mạng Pháp 1789, và Cách mạng Nga 1917, mỗi cuộc cách mạng này đều nhanh chóng mang đến những chính thể mới và một trật tự xã hội mới. Còn có một cuộc Cách mạng Newton. Ít người từng nghe tới Cách mạng Newton, nhưng nó cũng quan trọng như những cuộc cách mạng trên, và mặc dù nó cần tới hàng thập kỷ thay vì vài năm để tạo ra hiệu ứng, những hệ quả nó để lại rất sâu sắc. Cách mạng Newton mô tả thế giới mà chúng ta sống.

Sau khi qua đời vào năm 1727, Sir Isaac tiếp tục là một tượng đài ở thế kỷ 18. Trong mọi lĩnh vực, người ta đều muốn được trở thành một “Newton” của ngành họ theo đuổi. Adam Smith muốn trở thành Newton của kinh tế học; một số người gọi William Cullen là Newton của y học; Jeremy Bentham phấn đấu để trở thành Newton của cải cách chính trị và xã hội. Điều mà tất cả những người này tìm kiếm là một định luật tổng quát hoặc nguyên lý kết nối tất cả các vấn đề trong ngành của họ, cũng giống như lực hấp dẫn của Newton dường như đã giữ Vũ Trụ trong trạng thái tiến triển đều đặn và trầm ổn qua các mùa và các năm. Như nhà thơ Alexander Pope đã đùa, “Tự nhiên, và luật của tự nhiên ẩn nấp trong đêm./ Đức Chúa Trời phán rằng, Phải có Newton! và tất cả sáng lên.”§

Là một người Anh, Pope có thể đã thiên vị người đồng hương của ông. Ở Pháp, Đức và Ý, Newton là một tượng đài quan trọng ngay từ khi ông còn sống, nhưng vẫn có những truyền thống khoa học khác có tầm quan trọng đáng kể. Ở Pháp, quan điểm cơ học của Descartes về Vũ Trụ vẫn có ảnh hưởng mạnh. Ở Đức, những cuộc tranh cãi xem ai là người đã phát minh ra giải tích nổ ra, trong đó những người ngưỡng mộ triết gia G.W. Leibniz (1646–1716) nhấn mạnh rằng Newton đóng vai trò ít quan trọng hơn Leibniz trong việc phát triển công cụ toán học này. Tuy nhiên, ở Vương quốc Anh, Newton đã thu hút nhiều người tôn sùng, những người sẵn sàng gọi bản thân là những người theo trường phái Newton và sử dụng những kiến thức sâu sắc tuyệt vời trong toán học, vật lý học, thiên văn học và quang học của Newton.

Tuy nhiên, dần dần, sức mạnh của quang học thực nghiệm và các định luật chuyển động của Newton cũng bắt đầu kiểm soát tư tưởng của người châu Âu. Danh tiếng của ông được hỗ trợ bởi một người ủng hộ khó ai có thể ngờ đến nhất: nhà thơ, tiểu thuyết gia, và học giả Voltaire (1694–1778). Sáng tạo nổi tiếng nhất của Voltaire là nhân vật dễ mến Candide, xuất hiện trong một câu chuyện phiêu lưu. Những tai họa liên tiếp giáng xuống cuộc đời của Candide – tất cả những gì có thể trục trặc đều thành ra trục trặc – nhưng ông không bao giờ quên triết lý của mình: thế giới mà Đức Chúa Trời tạo ra hẳn phải là thế giới tốt nhất trong các thế giới có thể tồn tại. Vì thế, ông vẫn luôn yêu đời, và vững tâm rằng những gì xảy đến với ông, dù tồi tệ đến thế nào, vẫn là để đạt đến cái tốt nhất trong “thế giới tốt nhất trong số các thế giới có thể tồn tại”. (Sau những chuyến phiêu lưu khủng khiếp, ông mới quyết định rằng đáng ra ông nên ở nhà và chăm sóc khu vườn của mình: thực ra, đó đúng là một lời khuyên tốt.)

Candide là một cú chỉ trích nhẹ nhàng nhắm đến triết lý của đối thủ của Newton trong phát minh môn giải tích, Leibniz. Voltaire là một “người hâm mộ cỡ bự” của Newton và, trên thực tế, của tất cả những gì thuần chất Anh. Ông sống vài năm ở nước Anh và rất ấn tượng với tự do ngôn luận và tự do tư tưởng ở đây. (Voltaire bị quản chế tại gia ở Pháp vì dám chỉ trích Giáo Hội Công giáo và vua Pháp, nên ông hiểu tự do ngôn luận quan trọng đến mức nào.) Ông trở về từ nước Anh mang theo lòng trân trọng dành cho những thành tựu của Newton, và ông viết một cuốn sách bằng tiếng Pháp tổng hợp những ý tưởng của Newton nhưng là một phiên bản thân thiện với đại chúng hơn, dành cho những thường dân. Cuốn sách của Voltaire đến tay rất nhiều độc giả ở châu Âu, nơi tất cả mọi người thảo luận về cách thức toán học và vật lý học của Newton giải thích được bản chất sự chuyển động của các hành tinh và các vì sao, hiện tượng dâng lên và hạ xuống hằng ngày của thủy triều, đường bay của những viên đạn, và tất nhiên, sự rơi của những quả táo.

Newton dần có được danh tiếng tột đỉnh bởi những công cụ – cả toán học và vật lý học – mà ông đã chỉ ra trong cuốn Principia thật sự có tác dụng. Những công cụ này giúp các nhà toán học, vật lý học, và thiên văn học nghiên cứu một số vấn đề mà Newton chưa nghiên cứu sâu. Không một nghiên cứu khoa học nào là nghiên cứu cuối cùng, và điều này cũng đúng với các nghiên cứu của Newton. Nhiều cá nhân cảm thấy hạnh phúc có được Newton như một người khổng lồ mà họ có thể đứng được lên vai. Và trong nhiều trường hợp, ông thật sự đã giúp họ nhìn được xa hơn.

Hãy xem xét ba ví dụ: nguyên nhân của thủy triều, hình dạng của Trái Đất, lẫn số lượng và quỹ đạo của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời.

Thủy triều gồm có triều kém và triều cường: triều kém là khi biển ở “ngoài” và bạn phải đi bộ ra xa hơn nhiều trước khi bạn có thể bơi, và triều cường là khi biển ở “trong” và nó rửa trôi đi những lâu đài cát của bạn. Thủy triều diễn ra đều đặn hằng ngày, và việc hiểu về chúng rất quan trọng với các thủy thủ, những người có thể cần tới triều cường để đưa tàu vào bến cảng. Aristotle đã đưa ra một mối liên hệ giữa thủy triều và Mặt Trăng. Sau khi ý tưởng Trái Đất quay được chấp nhận rộng rãi, một số người so sánh thủy triều với những đợt sóng mà bạn có thể tạo ra trong một xô nước khi nghiêng nó liên tục từ bên này qua bên khác. Đối với Newton, lực hấp dẫn là chìa khóa của vấn đề. Ông lập luận rằng lực hấp dẫn của Mặt Trăng lớn nhất khi Mặt Trăng gần Trái Đất nhất. (Giống như Trái Đất quay quanh Mặt Trời, Mặt Trăng quay quanh Trái Đất theo quỹ đạo hình ellipse, do đó khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng thay đổi đều đặn.) Lực hấp dẫn của Mặt Trăng hút nước của các đại dương về phía nó. Do Trái Đất quay, một vùng biển sẽ trở nên gần Mặt Trăng hơn, rồi sau đó lại xa Mặt Trăng hơn, và cứ như vậy sự tăng và giảm lực hấp dẫn khiến cho các đại dương dâng lên rồi hạ xuống theo cách đều đặn mà chúng ta có thể quan sát thấy. Điều này giải thích triều cường và triều kém. Newton đã đúng khi nghĩ rằng các đợt thủy triều minh họa cho tác động của lực hấp dẫn.

Những người theo trường phái Newton sau này đã hoàn thiện các tính toán của người thầy. Bác sĩ người Thụy Sỹ Daniel Bernoulli (1700–1782) đưa ra một phân tích chi tiết hơn về thủy triều vào năm 1740. Ông quan tâm đến toán học, vật lý học và nghề hàng hải hơn y học, và ông cũng góp phần giải thích cách những sợi dây rung lên (như khi bạn gảy một cây đàn guitar) và cách những con lắc đung đưa (như trong đồng hồ quả lắc). Ông cũng cải tiến thiết kế của các con tàu. Tại trường y ở Basel, ông sử dụng cơ học của trường phái Newton để xem xét những thứ như cách các cơ co lại và thu ngắn để làm cho các chi của chúng ta cử động. Nghiên cứu về thủy triều của ông là để đáp lại một bộ câu hỏi của Viện Hàn lâm Khoa học ở Paris, khi viện này hứa trao giải thưởng cho câu trả lời tốt nhất – thời đó các tổ chức học thuật thường làm điều này. Bernoulli chia sẻ giải thưởng này với một số người khác, mỗi người trong đó đều góp phần giải thích tại sao thủy triều lại vận động như vậy, và đề cập đến tác động của lực hấp dẫn của Mặt Trời trong những lời giải thích của họ. Khi hai vật, như Trái Đất và Mặt Trăng, hút lẫn nhau, các mô tả toán học của hiện tượng này tương đối đơn giản. Trong thế giới thực, Mặt Trời, các hành tinh và những vật có khối lượng khác sẽ phức tạp hóa bức tranh tổng thể, và các mô tả toán học trở nên khó hơn rất nhiều.

Viện Hàn lâm Khoa học Paris cũng tham gia đi tìm câu trả lời cho một câu hỏi lớn khác của trường phái Newton: Trái Đất có phải là một khối tròn? Dễ dàng nhìn thấy rằng nó không hoàn toàn trơn nhẵn giống một quả bóng quần vợt – trên Trái Đất có núi non và thung lũng. Nhưng về cơ bản nó có tròn không? Newton nói rằng không, bởi ông đã chứng minh rằng độ lớn của lực hấp dẫn ở xích đạo khác một chút so với độ lớn lực của hấp dẫn ở Bắc Âu. Ông biết được điều này bằng các thí nghiệm với một quả lắc. Chuyển động qua lại của quả lắc bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của Trái Đất, lực hấp dẫn càng lớn, quả lắc càng chuyển động nhanh, và nó mất ít thời gian hơn để hoàn thành một chu kỳ. Các thủy thủ đã đo xem quả lắc chuyển động được bao xa trong đúng một giây, và khoảng cách này ở xích đạo ngắn hơn một chút. Sự khác biệt này cho Newton biết rằng khoảng cách đến tâm Trái Đất sẽ lớn hơn một chút nếu đo từ xích đạo. Nếu Trái Đất là một khối cầu hoàn hảo, khoảng cách từ bề mặt Trái Đất đến tâm Trái Đất phải không đổi ở bất cứ vị trí bề mặt nào. Từ đó, Newton đã phát biểu rằng Trái Đất thực ra hơi phẳng ở hai cực – như thể nó đã bị ép từ trên xuống – và nó phình ra một chút ở khu vực xích đạo. Ông nghĩ rằng hình dạng này được tạo ra bởi hoạt động tự quay của Trái Đất quanh chính trục Bắc – Nam của nó, vào thời kỳ Trái Đất mới sinh ra và đang nguội dần ở thể lỏng. Newton gợi ý rằng điều này đồng nghĩa với việc Trái Đất đã tồn tại trên 6.000 năm, nhưng ông không bao giờ tiết lộ suy nghĩ của ông về tuổi thực sự của Trái Đất.

Khi nghiên cứu của Newton được đem ra tranh luận ở Pháp vào những năm 1730, nhiều nhà khoa học Pháp đã từ chối tin rằng Trái Đất có hình dạng không hoàn hảo này. Do đó, Louis XV, vua nước Pháp, đã gửi hai đoàn thám hiểm, một đến Lapland, gần Vòng Bắc Cực, và một tới Peru, gần đường xích đạo – một cách làm tốn kém chỉ để kiểm tra một thực tế đơn giản. Những gì hai đoàn thám hiểm đã làm là đo độ dài chính xác của 1 độ vĩ ở hai địa điểm này. Vì đó là cách đo lường theo trục Bắc – Nam của Trái Đất, mà trong đó đường xích đạo có vĩ độ bằng 0 độ, Bắc Cực có vĩ độ +90 độ, và Nam Cực có vĩ độ -90 độ. (Cần qua 360 độ để đi một vòng hoàn chỉnh quanh Trái Đất.) Bạn có thể nhìn thấy các vĩ tuyến được vẽ từ bên này qua bên kia trên một bản đồ thế giới. Nếu Trái Đất là khối tròn hoàn hảo, các độ vĩ sẽ có giá trị giống nhau. Đoàn thám hiểm từ Lapland trở về trước (họ không phải di chuyển quá xa) nhưng khi đoàn thám hiểm từ Peru trở về, sau 9 năm, người ta đã chứng minh được rằng 1 độ vĩ ở Lapland dài hơn 1 độ vĩ ở Peru, chính xác như những gì mô hình của Newton dự đoán. Kết quả này góp phần làm tăng danh tiếng của Newton trên châu Âu đại lục.

Các nhà thiên văn học trên toàn châu Âu vào thời gian đó đang quan sát các vì sao và các hành tinh để cố gắng dự đoán cách chúng di chuyển, và nhờ đó dự đoán cả địa điểm người ta có thể quan sát được chúng vào mỗi đêm (hoặc mỗi năm). Những dự đoán này ngày càng chính xác hơn, vì càng ngày càng nhiều quan sát được thực hiện, và vì những phân tích toán học về chuyển động của các hành tinh và các vì sao trở nên chính xác hơn. Việc xây dựng các kính viễn vọng lớn hơn cho phép các nhà thiên văn học nhìn xa hơn vào không gian, và từ đó khám phá ra những vì sao mới, thậm chí các thiên hà mới. Một trong những nhà thiên văn học quan trọng nhất là một người tị nạn từ nước Đức đến với nước Anh, William Herschel (1738–1822). Herschel là một nhà soạn nhạc, nhưng đam mê của ông là nhìn ngắm bầu trời. Một đêm năm 1781, ông nhận ra một vật thể mới, mà không phải là một ngôi sao. Ban đầu, ông nghĩ nó có lẽ là một sao chổi và ông mô tả nó với một nhóm người địa phương ở Bath, nơi ông sống. Kết quả quan sát của ông thu hút sự chú ý của những người khác, và sau đó người ta nhanh chóng nhận ra rằng Herschel đã khám phá ra một hành tinh mới. Cuối cùng nó được đặt tên là Thiên Vương Tinh – Uranus, theo tên một nhân vật trong thần thoại Hy Lạp.

Khám phá mới này thay đổi cuộc đời Herschel và cho phép ông toàn tâm cống hiến cho thiên văn học. Vua George III, có gia đình cũng đến từ nước Đức, quan tâm đến nghiên cứu của Herschel. George III giúp Herschel xây dựng kính viễn vọng lớn nhất thế giới thời đó, và cuối cùng cho Herschel đến sống gần Windsor, nơi có một trong những lâu đài hoàng gia. Herschel toàn tâm toàn lực nghiên cứu thiên văn đến mức khi ông chuyển đến Windsor, ông sắp xếp cuộc sống sao cho ông không phải bỏ lỡ dù chỉ một lần quan sát trời đêm. Trong tất cả các nghiên cứu của mình, Herschel được em gái ông, Caroline (1750–1848), cũng là một chuyên gia về thiên văn học, giúp đỡ. Con của Herschel, John (1792–1871) cũng tiếp tục nghiên cứu của cha mình và biến nó thành một nghề của gia đình.

William Herschel không chỉ quan sát các vì sao, hành tinh và các thiên thể khác, mà còn suy nghĩ sâu về những gì ông quan sát được. Bởi ông có kính viễn vọng tốt nhất thời kỳ đó, ông có thể nhìn xa hơn người khác. Ông biên soạn những danh mục sao chính xác và đồ sộ nhất đến thời điểm đó. Ông nhận ra rằng thiên hà của chúng ta, dải Ngân Hà, không phải là thiên hà duy nhất trong Vũ Trụ, và ông suy nghĩ rất kỹ về cái được gọi là “tinh vân”, những khu vực trên bầu trời trông giống như những vùng loang mờ ảo màu trắng. Người ta có thể nhìn thấy một vài tinh vân này bằng mắt thường trong một đêm trời quang, nhưng kính viễn vọng của Herschel khám phá ra thêm nhiều vùng loang như vậy. Dải Ngân Hà bắt đầu mờ đi khi chúng ta hướng tầm nhìn vào những điểm xa hơn của nó, và các nhà thiên văn học đã giả thiết rằng tinh vân chỉ đơn giản là các cụm gồm nhiều ngôi sao. Herschel đã chứng minh rằng một số tinh vẫn có thể đúng là như vậy, nhưng những tinh vân khác là những vùng mây khí khổng lồ, cuộn xoáy trong một không gian xa xôi. Thêm vào đó, bằng cách quan sát các cặp “sao kép”, những cặp sao gần nhau (ờ thì, “gần” theo thang khoảng cách mà chúng ta đang nói ở đây), ông chỉ ra rằng hoạt động của những ngôi sao này có thể được giải thích bằng nguyên lý lực hấp dẫn: điều này cho thấy lực hấp dẫn của Newton mở rộng phạm vi ứng dụng ra những vùng thậm chí xa nhất của không gian Vũ Trụ.

Các định luật của Newton về hấp dẫn và chuyển động, cùng với phân tích toán học của ông về lực (sức mạnh), gia tốc (sự gia tăng tốc độ), và quán tính (xu hướng tiếp tục chuyển động theo đường thẳng), trở thành những nguyên lý dẫn đường cho các triết gia tự nhiên trong thế kỷ 18. Không một người nào có nhiều nỗ lực chứng minh giá trị giải thích của những nguyên lý này bằng Pierre Simon de Laplace (1749 1827). Laplace làm việc cùng Lavoisier, người chúng ta sẽ gặp ở Chương 20, nhưng không giống người bạn xấu số của mình, Laplace bình an vượt qua Cách mạng Pháp. Được Napoleon ngưỡng mộ, ông là một hình tượng hàng đầu của khoa học Pháp trong nửa thế kỷ. Laplace sử dụng các định luật chuyển động và các công cụ toán học của Newton để chứng minh rằng con người có thể hiểu được những thứ họ có thể nhìn thấy trên bầu trời, và những chuyển động trong tương lai của các vì sao, hành tinh, sao chổi và thiên thạch có thể được dự đoán chính xác. Ông phát triển một lý thuyết về việc Hệ Mặt Trời, gồm Mặt Trời và các hành tinh của nó, có thể đã sinh ra như thế nào hàng triệu năm trước từ một vụ nổ cực lớn, khi Mặt Trời đẩy ra những cụm khí nóng khổng lồ mà sau đó dần nguội lại để tạo thành các hành tinh (và các Mặt Trăng của chúng). Ông gọi đây là “giả thuyết tinh vân”, và đưa ra những tính toán rất phức tạp để chứng minh rằng có thể sự ra đời của Hệ Mặt Trời đã diễn ra như vậy. Laplace đã mô tả một phiên bản của cái mà ngày nay chúng ta gọi là Vụ nổ Lớn (Chương 39), mặc dù những nhà vật lý học ngày nay biết rõ về vụ nổ này hơn Laplace rất nhiều.

Laplace ấn tượng với sức mạnh của những định luật về chuyển động của Newton đến mức ông tin rằng nếu như chúng ta có thể biết tất cả những hạt trong Vũ Trụ này ở đâu vào một thời điểm cho trước, chúng ta có thể dự đoán vận mệnh của cả Vũ Trụ cho đến thời khắc tận cùng của thời gian. Ông biết rằng việc này là không thể. Ý của ông là những định luật về vật chất và chuyển động cho thấy cả Vũ Trụ cứ như thể thực sự vận hành như một chiếc đồng hồ được chế tạo rất tốt và chỉ thời gian chính xác đến mức hoàn hảo. Tầm nhìn của ông về một Vũ Trụ như cơ cấu đồng hồ đã giúp ích cho các nhà khoa học trong suốt một thế kỷ sau ông.

Nguyên văn: God said, Let Newton be! and all was light. Câu này là cải biên từ một câu trong Kinh Thánh: “God said, Let there be light: and there was light.”

Chương 19

Sắp xếp trật tự thế giới

Hành tinh của chúng ta là nhà của không biết bao nhiêu chủng loài thực vật và động vật. Chúng ta vẫn không biết chính xác có bao nhiêu loài côn trùng hoặc sinh vật biển trên Trái Đất. Chúng ta có một mối lo chính đáng rằng loài người đang làm giảm số lượng của chúng. “Những loài bị đe dọa”, ví dụ như gấu trúc lớn hoặc hổ Ấn Độ, xuất hiện trên bản tin mỗi ngày. Đối với chúng ta, những người đang quan tâm lo lắng, phần quan trọng trong cụm từ “những loài bị đe dọa” là bị đe dọa, nhưng đối với các nhà khoa học, một phần cũng quan trọng không kém là những loài. Làm sao chúng ta biết được rằng gấu trúc lớn không phải là cùng một loài với gấu nâu Bắc Mỹ, hoặc mèo hoang khác với mèo nhà mà chúng ta vuốt ve?

Trong sách Sáng thế của Kinh Thánh, Adam đã được trao nhiệm vụ đặt tên các loài cây cỏ và động vật trong Vườn Địa Đàng. Tất cả các cộng đồng loài người đều có một cách nào đó để sắp xếp thế giới sinh vật xung quanh họ. Tất cả mọi ngôn ngữ đều có tên cho những loài thực vật và động vật mà con người sử dụng, bất kể chúng được nuôi, trồng hay cung cấp sức vận chuyển, thịt, da hoặc sữa.

Vào thế kỷ 17 và 18, những nhà thám hiểm người châu Âu đã bắt đầu đem về nhiều loại thực vật và động vật mới từ những vùng xa xôi của thế giới: từ Bắc Mỹ và Nam Mỹ, châu Phi, châu Á, rồi Úc và New Zealand, cũng như những hòn đảo của các đại dương trên thế giới. Nhiều sinh vật trong số này khác biệt một cách tuyệt diệu so với những thực vật và động vật quen thuộc của Cựu Thế giới, nhưng khi chúng được nghiên cứu kĩ, rất nhiều trong số chúng không khác biệt đến thế. Ví dụ, những con voi người ta tìm thấy ở Ấn Độ và châu Phi giống nhau đến mức việc gọi chúng bằng cùng một cái tên có vẻ hợp lý. Tuy nhiên, có những khác biệt nhỏ. Chúng ta nên giải thích nguyên nhân của những khác biệt nhỏ này, và cả những giống loài vô cùng phong phú của tự nhiên như thế nào?

Từ thời cổ đại, đã tồn tại hai câu trả lời cơ bản cho câu hỏi này. Một là giả thuyết rằng tự nhiên phong phú đến mức không có gì ngạc nhiên khi rất nhiều, rất nhiều loại thực vật và động vật mới được tìm thấy ở những vùng hẻo lánh của thế giới. Những khám phá mới này được cho là chỉ đơn giản trám vào những phần còn trống trong “Chuỗi Sinh vật”, theo cách gọi của những nhà tự nhiên học, một ý tưởng mà chúng ta đã gặp ở Chương 5. Những người tin vào Chuỗi Sinh vật lý luận rằng Chúa Trời có quyền năng lớn đến mức Ngài tạo ra mọi sinh vật có thể tồn tại trên đời. Họ không hề ngạc nhiên khi tìm thấy những động vật kết hợp những đặc điểm của các động vật khác, ví dụ như cá voi và cá heo ở đại dương, trông có vẻ giống cá, nhưng thở bằng phổi và sinh con như các động vật trên cạn; hay dơi, trông giống chim ở chỗ chúng có đôi cánh và bay được, nhưng không đẻ trứng. Đây là vì những nhà tự nhiên học đó cho rằng tất cả những khía cạnh gây tò mò của đời sống thực vật và động vật có thể được giải thích bằng cách coi chúng là một phần của Chuỗi Sinh vật. Ý tưởng về “mắt xích còn thiếu” trong chuỗi này, mà có thể bạn đã từng nghe được khi một hóa thạch mới và quan trọng được tìm thấy, đã xuất hiện từ rất lâu trước đó.

Câu trả lời thứ hai là giả thuyết rằng Chúa Trời tạo ra mỗi loại thực vật và động vật, và sự đa dạng của tự nhiên mà chúng ta có thể nhìn thấy xung quanh là kết quả của sự sinh sản hết thế hệ này đến thế hệ khác. Cây sồi tạo ra các cây non từ những quả sồi, giống như mèo sinh ra mèo con, những con mèo con lại lớn lên để sinh ra nhiều mèo con hơn, và cứ như vậy. Sau mỗi thế hệ, hoặc hàng trăm thế hệ, hoặc hàng nghìn thế hệ, cây sồi và mèo sẽ ngày càng đa dạng. Như vậy, sự đa dạng của tự nhiên được hiểu là bắt nguồn từ những thay đổi xảy ra theo thời gian, mặc dù mỗi loài thực vật hoặc động vật đều được cho là có mối liên hệ với một thiết kế gốc. Việc vẽ sơ đồ tất cả những loài thực vật và động vật gốc sẽ minh họa được kế hoạch của Chúa Trời, như một “Cây Sự Sống”.

Vào thế kỷ 18, hai nhà tự nhiên học thống trị tư tưởng về những vấn đề này, và họ tình cờ phản ánh hai cách tiếp cận khác nhau ở trên. Người đầu tiên là một quý tộc người Pháp, Georges-Louis Leclerc, Bá tước Buffon (1707–1788), một người giàu có, đã dành cả cuộc đời cho khoa học. Mỗi năm, ông sống một vài tháng trên lãnh địa của mình, và thời gian còn lại ông ở Paris, nơi ông quản lý các khu vườn của nhà vua – những khu vườn này giống vườn thú hoặc công viên hoang dã ngày nay. Ông đã sớm ngưỡng mộ sâu sắc Newton và cả vật lý học lẫn toán học của Newton, nhưng phần lớn cuộc đời ông được dành để nghiên cứu thế giới tự nhiên. Mục đích của ông là mô tả Trái Đất với tất cả những loài thực vật và động vật sống trên đó. Tất cả những nghiên cứu tỉ mỉ của ông được tập hợp lại trong một bộ sách gồm 127 tập, có tên đơn giản Histoire naturelle (Lịch sử tự nhiên). Vào thời đó, “lịch sử” cũng có nghĩa là “mô tả”, và trong những cuốn sách này Buffon khởi đầu công việc mô tả tất cả những loài động vật (và một vài loài thực vật) mà ông có thể tìm được.

Buffon mô tả gần như tất cả những gì ông có thể mô tả về những con vật mà ông có cấu trúc giải phẫu, cách chúng di chuyển, những gì chúng ăn, cách chúng sinh sản, giá trị của chúng đối với chúng ta, và nhiều điều khác. Đây là một cố gắng tuyệt vời có tính hiện đại nhằm quan sát động vật trong môi trường của chúng nhiều nhất có thể. Trong hết tập này đến tập khác, ông xem xét kĩ càng nhiều loài động vật có vú, chim, cá và bò sát mà loài người đã biết đến. Cả bộ sách đồ sộ này ra đời trong khoảng 40 năm, từ năm 1749, và các độc giả hào hứng chờ đợi từng tập mới. Chúng được dịch sang hầu hết các ngôn ngữ ở châu Âu.

Buffon bị thu hút bởi tất cả những đặc điểm của từng loài động vật mà ông đã quan sát. Theo một câu nói nổi tiếng của ông, “Tự nhiên chỉ biết đến cá thể,” nghĩa là không có một trật tự nào trong tự nhiên, chỉ có rất nhiều cá thể thực vật và động vật. Chỉ có con người luôn cố gắng phân loại chúng thành các nhóm, để phục vụ mục đích riêng của họ. Về Chuỗi Sinh vật, ông nói rằng tự nhiên rất đông đúc, nhưng người ta chỉ có thể nghiên cứu nó thông qua nghiên cứu từng sinh vật một.

Đối thủ lớn của Buffon là bác sĩ và nhà tự nhiên học người Thụy Điển, Carl Linnaeus (1707–1778). Linnaeus học y nhưng đam mê thật sự của ông là thực vật. Trong phần lớn cuộc đời mình, ông làm giáo sư ở Đại học Uppsala, ở miền Bắc Thụy Điển. Ở đây, ông duy trì một vườn thực vật, và cho nhiều sinh viên đi khắp nơi trên thế giới để sưu tầm các loài thực vật và động vật cho ông. Một số sinh viên qua đời trong các chuyến đi, nhưng những học trò của ông vẫn tâm huyết với mục tiêu vĩ đại của Linnaeus: đặt tên chính xác tất cả những thứ tồn tại trên Trái Đất. Để hỗ trợ việc đặt tên, Linnaeus phân loại chúng, có nghĩa là ông định nghĩa các đặc điểm cơ bản của chúng. Việc này cho phép ông đặt chúng trong “trật tự của tự nhiên”. Khi còn chưa đến ba mươi, vào năm 1735, ông đã cho ra đời một cuốn sách mỏng tên Systema Naturae (Hệ thống của tự nhiên). Cuốn sách này về cơ bản là một danh sách dài những loài thực vật và động vật đã được biết đến, được phân nhóm theo chi. Ông xuất bản 12 ấn bản của cuốn sách này trong suốt cuộc đời mình, mỗi lần ông lại mở rộng danh sách bởi ông biết được thêm nhiều loài động vật và thực vật hơn, đặc biệt những loài mà sinh viên của ông khám phá cho ông ở châu Mỹ, châu Á, châu Phi, và các vùng khác trên thế giới.

Từ thời Hy Lạp cổ đại, những nhà tự nhiên học đã đặt câu hỏi liệu có thể tồn tại một phương pháp phân loại “tự nhiên” cho các loài trên thế giới. Liệu giữa các loài có mối liên hệ bất biến hay được Chúa ban? Và nếu như vậy, làm thế nào chúng ta có thể tìm ra mối liên hệ đó? Ở kỷ nguyên của Cơ Đốc giáo, giả thuyết phổ biến nhất là Chúa Trời đã tạo ra mỗi loài thực vật và động vật “ngay từ thủa ban đầu”, để Adam đặt tên cho chúng, và những gì chúng ta thấy ngày nay là sản phẩm của thời gian và sự ngẫu nhiên.

Linnaeus đồng tình với quan điểm này, nhưng ông cũng nhận ra thực vật và động vật đã thay đổi nhiều thế nào từ thủa Sáng Thế đến nay. Điều này khiến cho việc xây dựng một phương pháp phân loại “tự nhiên” trở nên vô cùng khó khăn. Vì vậy, ông nghĩ thứ đầu tiên người ta cần đến là những quy tắc đơn giản để sắp xếp trật tự và phân loại vạn vật trong thế giới này. Thứ hai, ông muốn cho mỗi vật một cái nhãn đơn giản để nhận diện chúng. Đây là nhiệm vụ của cuộc đời ông: ông coi bản thân mình là một Adam thứ hai theo nghĩa đen, trao cho mọi sinh vật tên chính xác của chúng. Sau cùng thì, làm thế nào những nhà động vật học và nhà thực vật học có thể thảo luận về một loài “chó” hoặc một loài “hoa ly” nếu như họ không biết chính xác loài mà họ đang nhắc đến? Tự nhiên, theo như Linnaeus nghĩ, cần phải có các ngăn chuồng bồ câu, và khi mọi vật đều nằm trong đúng ngăn chuồng của chúng, khoa học mới có thể được thực hiện.

Linnaeus phân loại gần như tất cả mọi thứ: khoáng vật, bệnh tật, thực vật và động vật. Trong nhóm động vật, ông đã có một động thái táo bạo: ông đặt con người vào nhóm này. Thực tế, ông cho chúng ta cái tên sinh học mà chúng ta vẫn sử dụng: Homo sapiens, có nghĩa đen là “người thông thái, hoặc hiểu biết”. Nhiều nhà tự nhiên học trước Linnaeus đã giới hạn bản thân trong cái đôi khi được gọi là “thế giới tự nhiên”, và vì thế đặt con người ra ngoài những hệ thống của họ. Linnaeus, con trai của một mục sư, là người rất sùng đạo. Tuy nhiên, như ông đã chỉ ra, không có một lý do sinh học nào có thể giải thích tại sao con người không đơn giản là động vật, giống như chó và khỉ, và vì thế con người cần được xếp trong hệ thống tự nhiên mà ông xây dựng.

Hai nhóm quan trọng nhất đối với Linnaeus trong số các công trình khoa học của ông về nguyên tắc phân loại (từ khoa học dùng để chỉ việc phân loại) là chi và loài. Ông luôn sử dụng một chữ cái viết hoa để đặt tên cho chi (chúng ta vẫn làm vậy ngày nay), và một chữ cái viết thường cho loài: do đó ta có tên Homo sapiens. Chi là một nhóm các thực vật hoặc động vật có những đặc điểm chung cơ bản hơn so với các đặc điểm chung của loài. Ví dụ, có một vài loài mèo khác nhau trong chi Felis, bao gồm cả loài mèo nhà của chúng ta (Felis catus), và mèo hoang (Felis silvestris). (Vào thời đó, tất cả mọi người đều học tiếng Latin ở trường, vì thế hệ thống đặt tên của ông rất dễ hiểu: felis có nghĩa là “mèo”, catus có nghĩa là “láu cá”, và silvestris có nghĩa là “thuộc về rừng cây”.)

Linnaeus biết rằng có nhiều mức độ khác nhau về sự tương đồng hoặc khác biệt giữa các sinh vật. Ở đỉnh của hệ thống phân loại của mình, ông có ba giới: thực vật, động vật, và khoáng vật. Dưới chúng là các lớp, ví dụ như động vật có xương sống (các loài động vật có xương sống: lừa, thằn lằn, và tương tự); trong một lớp có bộ, ví dụ như động vật có vú (những động vật cho con non của chúng bú sữa); thấp hơn nữa là chi; tiếp theo là loài. Dưới loài, có các thứ. Trong loài người, các thứ được gọi là các “chủng tộc”. Tất nhiên, có những cá thể – một người, một cây hoặc một con vật có những đặc tính kì lạ của riêng nó, ví dụ như chiều cao, đực hay cái, màu mắt hay màu lông, hoặc tông tiếng kêu. Nhưng bạn không phân loại chúng theo các đặc điểm đó, mà bạn đặt chúng vào một nhóm mà từ đó bạn có thể phân loại. Các nhà khoa học sau này phát hiện ra rằng họ cần đặt thêm các cấp bậc khác vào hệ thống của Linnaeus, ví dụ như họ, phân họ và tông. Sư tử, hố và các loài mèo nuôi trong nhà đều nằm trong họ mèo.

Toàn bộ các cá thể thực vật và động vật góp phần cấu tạo nên thế giới sinh vật, và đây là điểm mà Buffon nhắc đến khi ông nhấn mạnh rằng hệ thống phân loại cơ bản của ông – theo cá thể – là hệ thống duy nhất chắc chắn.

Bậc phân loại thực sự quan trọng đối với Linnaeus là bậc loài. Ông đã nghĩ ra một hệ thống đơn giản để xác định mỗi loài thực vật, dựa trên các phần đực và cái trên hoa của chúng. Hệ thống này cho phép những nhà thực vật học nghiệp dư rong ruổi khắp những khu rừng và các cánh đồng và xác định những thứ họ nhìn thấy. Mặc dù hệ thống này chỉ dành cho thực vật, hệ thống phân loại theo giới tính của Linnaeus gây khó chịu cho một số người, đồng thời cũng kích thích một vài bài thơ khêu gợi nhẹ nhàng. Quan trọng hơn cả, phương pháp phân loại thực vật của ông thực sự tốt. Nó cho ngành thực vật học một cú huých thật sự. Sau khi Linnaeus qua đời, những bộ sưu tập thực vật quan trọng của ông được mua lại bởi một người Anh giàu có, người đã lập ra Hội Linnean London. Hội này vẫn hoạt động cho đến ngày nay, sau hơn 200 năm.

Chúng ta vẫn sử dụng nhiều cái tên mà Linnaeus đã đưa vào để định danh các loài thực vật và động vật. Một trong số chúng là bộ động vật bao gồm loài người, linh trưởng. Chúng ta nằm cùng bộ đó với khỉ không đuôi, khỉ, vượn cáo, và các loài động vật khác có nhiều đặc điểm giống chúng ta. Linnaeus không tin rằng một chủng loài có thể tiến hóa thành một chủng loài khác: ông tin rằng Chúa Trời đã đặc biệt tạo ra từng chủng loài thực vật và động vật riêng biệt. Nhưng ông nhận ra rằng con người là một phần của tự nhiên, và những quy luật mà chúng ta sử dụng để nghiên cứu thế giới tự nhiên cũng có thể được dùng để tìm hiểu nhân loại. Ý nghĩa chính xác khi chúng ta phát biểu rằng nhóm thực vật hoặc động vật này kia là một chủng loài sinh học đã tiếp tục khiến cho những nhà tự nhiên học phải thắc mắc. Ngày nay vẫn vậy. Nhưng một thế kỷ sau đó khung phân loại của Linnaeus đã được thay đổi, bởi một nhà tự nhiên học khác, người cũng yêu thực vật: Charles Darwin. Chúng ta sẽ tiếp tục với câu chuyện của ông ở [# Chương 25 – Màn trình diễn vĩ đại nhất trên Trái đất].

Chương 20

Không khí và khí

“Không khí” (air) là một từ rất cũ. “Khí” (gas) là một từ mới hơn nhiều, chỉ mới có vài trăm năm tuổi, và sự chuyển đổi từ không khí sang khí thực sự là một chuyển biến quan trọng. Đối với người Hy Lạp cổ đại, không khí là một trong bốn nguyên tố cơ bản, chỉ là một “thứ”. Nhưng các thí nghiệm của Robert Boyle vào thế kỷ 17 đã thách thức quan điểm này, và những nhà khoa học đã dần đi đến khám phá rằng không khí xung quanh chúng ta, và được chúng ta hít thở, được tạo thành từ nhiều hơn một chất. Từ đó, việc hiểu những gì diễn ra trong nhiều thí nghiệm hóa học trở nên dễ dàng hơn nhiều. Nhiều thí nghiệm đã tạo ra thứ gì đó nổi bong bóng, hoặc bay lên trời ở dạng một luồng hơi phụt ra rồi biến mất vào không trung. Đôi khi, thí nghiệm dường như làm thay đổi không khí: các nhà hóa học thường tạo ra khí amoniac khiến cho họ chảy nước mắt, hoặc hydro sulfur, có mùi trứng gà ung. Nhưng khi không có khả năng thu các chất khí lại, người ta rất khó có thể biết được chuyện gì đang xảy ra. Isaac Newton đã chứng minh rằng việc đo lường rất quan trọng, nhưng rất khó để đo được chất khí khi nó chỉ lơ lửng trong bầu không khí.

Vì thế các nhà hóa học phải tìm ra cách để thu các khí nguyên chất. Cách thông dụng nhất là thực hiện thí nghiệm hóa học trong một không gian nhỏ kín, như một hộp có niêm phong. Không gian kín này được nối qua một ống đến một bình lộn ngược chứa đầy nước. Nếu khí không hòa tan vào nước – và một số chất khí thực chất có hòa tan trong nước – khí sẽ nổi lên phía trên và đẩy nước trong bình xuống dưới. Stephen Hales (1677–1761), một tu sĩ tài trí, đã nghĩ ra một “bồn nước” thu khí rất hiệu quả. Hales dành phần lớn cuộc đời làm cha xứ ở Teddington, vào thời đó là một làng quê, nay đã sáp nhập vào London. Là một người đàn ông khiêm tốn và kín đáo, ông cũng cực kì ham hiểu biết và liên tục làm thí nghiệm. Một số thí nghiệm của ông rất kinh dị: ông đo huyết áp của ngựa, cừu, và chó bằng cách cắm thẳng một ống rỗng vào một động mạch chủ của chúng. Ống này được nối với một ống thủy tinh dài khác, và ông đơn giản đo xem lượng máu dâng lên cao bao nhiêu, tương đương với huyết áp. Khi thí nghiệm trên một con ngựa, ống thủy tinh phải cao 2,7 mét để tránh việc máu trào ra khỏi miệng trên của ống.

Hales cũng nghiên cứu sự dịch chuyển của nhựa cây và đo sự phát triển các bộ phận khác nhau của cây. Ông vẽ các đường mực nhỏ cách đều nhau lên lá và cành của cây, và sau đó đo khoảng cách giữa các vết mực trước và sau khi cây lớn lên. Ông đã chứng minh rằng không phải tất cả các bộ phận của cây đều phát triển với tốc độ như nhau. Sau đó Hales sử dụng thiết bị thu khí của ông để kiểm tra xem các loài cây phản ứng thế nào trong những điều kiện khác nhau. Ông đã phát hiện ra rằng chúng sử dụng “không khí”, như cách người ta vẫn dùng để gọi chung bầu không khí xung quanh vào thời đó. (Năm 1727, cuốn sách Vegetable Staticks của ông là nền tảng để sau này người ta phát hiện ra hiện tượng quang hợp, tức cách thức thực vật sử dụng ánh sáng Mặt Trời như một nguồn năng lượng và có thể chuyển hóa carbonic và nước thành các loại đường và tinh bột, và “thở” ra khí oxy. Đây là một trong những quá trình cơ bản và quan trọng nhất trên hành tinh của chúng ta. Nhưng chúng ta đang nói trước nhiều quá rồi, và ở giai đoạn đó chưa có ai hiểu biết về oxy.)

Bạn có nhớ từ pneuma ở Chương 6 không? “Pneumatic” có nghĩa là “liên quan đến không khí”, và “pneumatic chemistry”, hóa học về các không khí, là một trong những lĩnh vực khoa học quan trọng nhất trong thế kỷ 18. (Bạn có để ý rằng “không khí” ở đây được nhắc đến ở dạng số nhiều?) Hóa học về các không khí có được vị trí quan trọng đó từ những năm 30 của thế kỷ 18 trở đi. Nó không đơn thuần là việc khái niệm cũ về “không khí” phải nhường đường cho ý tưởng linh hoạt hơn rằng không khí thực ra được tạo thành từ nhiều chất khí khác nhau. Các nhà khoa học cũng đang khám phá ra rằng hầu hết các chất đều có thể tồn tại ở, hoặc được chuyển thành, thể khí với điều kiện thích hợp.

Stephen Hales đã dẫn đường với thiết bị bồn nước của mình, và ông chứng minh rằng thực vật, giống như động vật, cần không khí. “Không khí” này được hiểu là một loại khí sinh ra khi thứ gì đó cháy. Một bác sĩ đồng thời là một nhà hóa học người Scotland, Joseph Black (1728–1799), thu được “không khí” này (mà lúc đó ông gọi là “không khí cố định”) và chứng minh rằng trong khi các loài cây có thể sống trong khí này và sử dụng nó, các loài động vật sẽ chết nếu chúng được đặt trong một bình chứa lớn mà chỉ có không khí cố định trong đó để thở. Chúng cần thứ gì đó khác. “Không khí cố định” của Black ngày nay được gọi là khí carbonic (CO2), và chúng ta biết rằng khí này là một phần thiết yếu trong những vòng đời của thực vật và động vật. (Nó cũng là một loại “khí nhà kính”, một nguyên nhân chủ yếu của “hiệu ứng nhà kính”, dẫn đến hiện tượng nóng lên của Trái Đất.)

Nhà quý tộc sống khép kín, Henry Cavendish (1731–1810), dành thời gian trong phòng thí nghiệm riêng tại nhà của ông London để làm thí nghiệm và đo lường. Ông khám phá ra nhiều điều hơn về không khí cố định, và thu được một loại không khí khác, rất nhẹ và phát nổ khi tiếp xúc với không khí bình thường. Ông gọi nó là “không khí dễ cháy”. Chúng ta ngày nay gọi nó là khí hydro, và hóa ra vụ nổ đó tạo ra một chất lỏng trong suốt, chính là nước! Cavendish cũng nghiên cứu các loại khí khác, ví dụ như khí nitro.

Không ai thành công trong ngành khoa học về các không khí như Joseph Priestley (1733–1804). Priestley xuất sắc một cách phi thường. Là một tu sĩ, ông viết sách về tôn giáo, giáo dục, chính trị và lịch sử của điện. Ông trở thành một người theo thuyết Nhất Vị, tức một thành viên của một nhóm theo Tân giáo nhưng tin rằng Jesus chỉ là một người thầy vĩ đại, không phải là con của Thượng Đế. Priestley cũng là một người theo thuyết vật chất, ông dạy rằng tất cả sự vật của tự nhiên đều có thể được giải thích bằng các phản ứng của vật chất: không cần đến “tinh thần” hay “linh hồn”. Trong những ngày đầu của Cách mạng Pháp mà ông ủng hộ, ngôi nhà của ông ở Birmingham bị thiêu rụi bởi những người lo sợ rằng những quan điểm tôn giáo và xã hội tự do như của ông sẽ đem cách mạng qua eo biển Manche sang nước Anh. Ông trốn chạy đến Hoa Kỳ, nơi ông sống 10 năm cuối của cuộc đời.

Priestley cũng là một nhà hóa học rất bận rộn. Ông sử dụng không khí cố định để tạo ra nước soda, nên lần sau bạn uống nước có ga, hãy nhớ tới ông. Ông xác định được thêm một vài chất khí, và giống tất cả những nhà hóa học về các không khí khác, ông tự hỏi điều gì xảy ra khi các chất cháy. Ông biết rằng không khí đóng vai trò nhất định trong sự cháy, và ông cũng đã biết rằng có một loại “không khí” (một chất khí) khiến cho các vật cháy dữ dội hơn không khí “thường” bao quanh chúng ta. Ông tạo ra “không khí” này bằng cách đốt một chất mà chúng ta gọi là thủy ngân oxide, và thu chất khí trong một bồn nước. Ông chứng minh rằng động vật có thể sống trong không khí này, cũng giống như thực vật có thể sống trong “không khí cố định”. “Không khí” mới của Priestley là một thứ gì đó đặc biệt: thật vậy, nó dường như chính là yếu tố cơ bản tham gia trong nhiều phản ứng hóa học, và trong cả hoạt động hô hấp và sự cháy. Ông nghĩ rằng tất cả có thể được giải thích bằng một chất gọi là “yếu tố cháy”§, và tất cả những thứ có thể cháy được đều chứa yếu tố cháy, thứ được giải phóng trong quá trình cháy. Khi không khí xung quanh bão hòa yếu tố cháy, chúng không thể cháy được nữa.

Nhiều nhà hóa học sử dụng ý tưởng về yếu tố cháy này để giải thích những hiện tượng xảy ra khi các vật cháy, và tại sao một số loại “không khí” lại khiến các vật trong một khoang kín cháy được một thời gian, sau đó dường như chính chúng khiến cho sự cháy bị dập tắt. Đốt một miếng chì, và sản phẩm thu được (thứ còn lại sau sự cháy) sẽ nặng hơn miếng chì ban đầu. Điều này gợi ra giả thuyết rằng yếu tố cháy, thứ mà nhiều nhà khoa học tin rằng có trong chì rồi được giải phóng trong quá trình cháy, có khối lượng âm, có nghĩa là nó khiến cho các vật có chứa nó nhẹ hơn các vật không chứa nó.

Với hầu hết các vật khi cháy, sản phẩm sinh ra là các khí rất khó thu thập và cân. Ví dụ, đốt một que gỗ và sản phẩm người ta dễ dàng nhìn thấy, tro, nhẹ hơn que gỗ ban đầu rất nhiều; để tính được tổng khối lượng của sản phẩm, lượng khí thoát ra cần được thu thập, cân, và cộng vào.

Trong mô hình của Priestley, yếu tố cháy đã giữ vị trí của cái mà chúng ta ngày nay gọi là khí oxy, ngoại trừ việc nó có những đặc tính gần như trái ngược hoàn toàn! Đối với Priestly, khi các vật cháy, chúng mất yếu tố cháy và trở nên nhẹ hơn; nhưng chúng ta thì sẽ nói rằng chúng kết hợp với oxy, và ta biết rằng các vật sẽ nặng hơn khi việc này xảy ra. Khi cây nến tắt bên trong một bình chứa kín, hoặc nếu một con chim hoặc chuột chết sau một thời gian bị niêm phong trong một khoang kín có chứa không khí thường, Priestly giải thích rằng đó là vì không khí đã bão hòa yếu tố cháy, tức là chứa nhiều yếu tố cháy đến mức không thể chứa hơn được; còn chúng ta ngày nay đã biết rằng đó là do oxy đã được dùng hết. Điều này nhắc nhở chúng ta rằng người ta có thể thực hiện những thí nghiệm và những phép đo hết sức thận trọng nhưng giải thích kết quả theo những cách rất khác nhau.

Người đàn ông đã đặt tên cho oxy vẫn được biết đến là “cha đẻ” của hóa học hiện đại, Antoine-Laurent Lavoisier (1743–1794), bị chết thảm khốc trong Cách mạng Pháp. Ông bị bắt, bị đấu tố, và bị hành hình trên máy chém, không phải vì ông là một nhà hóa học, mà vì ông là một “người thu thuế tư”§. Tại nước Pháp thời trước Cách mạng, những người đàn ông giàu có có thể trả một khoản phí cho Nhà nước để trở thành người thu thuế, và sau đó giữ lại những gì họ có thể thu được. Hệ thống này thối nát, nhưng không có bằng chứng gì cho thấy Lavoisier đã lợi dụng nó. Trên thực tế, ông dành rất nhiều thời gian trước Cách mạng để thực hiện nhiều nghiên cứu khoa học và kỹ thuật quan trọng cho Nhà nước, nghiên cứu một số vấn đề quan trọng trong sản xuất và nông nghiệp. Nhưng ông là người thuộc giới thượng lưu, và những thủ lĩnh của Cách mạng ghét ông và tầng lớp của ông, nên ông đã phải trả giá.

Giống Priestley, Cavendish và các nhà hóa học về các không khí khác, Lavoisier là một nhà thí nghiệm hăng say, và ông được vợ hỗ trợ. Trên thực tế, phu nhân Lavoisier là một nhân vật quan trọng trong khoa học. Marie-Anne Pierrette Paultze (1758–1836) cưới Lavoisier khi bà chỉ mới mười bốn tuổi (Lavoisier khi đó hai mươi tám tuổi), và họ cùng làm việc trong phòng thí nghiệm, làm các thí nghiệm, đọc và ghi chép kết quả. Ngoài ra, phu nhân Lavoisier là một nữ gia chủ đáng mến. Bà và chồng thường chiêu đãi những người đàn ông và phụ nữ có học thức, họ thường bàn luận về những thành tựu mới nhất trong khoa học và công nghệ. Cuộc hôn nhân của họ là một cuộc hôn nhân hạnh phúc của những người bạn đời thực sự.

Khi còn là học sinh, Lavoisier đã yêu khoa học. Tư duy sắc sảo và tham vọng khoa học của ông đã rất rõ ràng ngay từ nhỏ. Giống đa số những sinh viên nghiên cứu hóa học vào thời đó, ông lớn lên với giả thuyết về yếu tố cháy, nhưng ông chỉ ra được một số lỗ hổng về logic và thực nghiệm của giả thuyết này. Lavoisier quyết tâm có được dụng cụ thí nghiệm tốt nhất có thể. Ông và vợ luôn phát minh ra thiết bị mới cho phòng thí nghiệm với mục tiêu cải thiện độ chính xác của các thí nghiệm hóa học. Ông sử dụng những cái cân cực kì chính xác để cân các chất trong thí nghiệm của ông. Một vài loại thí nghiệm khác nhau đã thuyết phục ông rằng khi các vật cháy, tổng khối lượng của tất cả các sản phẩm sau cháy tăng lên. Việc này bao gồm việc thu thập và cân tất cả các chất khí mà sự cháy sinh ra.

Lavoisier cũng tiếp tục tìm hiểu chuyện gì xảy ra khi chúng ta (và các loài động vật khác) thở. Những thí nghiệm này khiến ông chắc chắn rằng chất tham gia vào hoạt động cháy và hô hấp chỉ là một, và là một nguyên tố thật sự, chứ không phải là chất gì đó giống yếu tố cháy. Nguyên tố này có vẻ cũng rất cần thiết để tạo thành acid. Những phản ứng hóa học giữa acid và chất kiềm (đôi khi được gọi là “base”) từ lâu đã thu hút sự chú ý của các nhà hóa học. Bạn có nhớ phát minh ra giấy quỳ của Robert Boyle? Lavoisier đã tiếp tục dùng nghiên cứu này.

Thật vậy, ông tin rằng oxy (có nghĩa là “chất tạo ra acid”) cũng quan trọng trong acid đến nỗi mọi acid luôn chứa nguyên tố này. Chúng ta hiện nay đã biết rằng điều này không chính xác (acid clohydric, một trong những acid mạnh nhất, chứa hydro và clo, nhưng không có oxy). Nhưng rất nhiều phát biểu của Lavoisier về oxy vẫn được công nhận là một phần trong tri thức ngày nay. Chúng ta ngày nay biết rằng nó là nguyên tố cần cho sự cháy, hoặc cho chúng ta thở, và hai quá trình dường như rất khác nhau này lại có nhiều điểm chung. Con người sử dụng oxy để “đốt”, hoặc xử lý, đường và các thứ khác mà chúng ta ăn, để cung cấp cho cơ thể của chúng ta năng lượng mà thực hiện các chức năng hằng ngày.

Lavoisier và vợ tiếp tục các thí nghiệm hóa học của họ trong những năm 80 của thế kỷ 18, và vào năm 1789, ngay trước Cách mạng Pháp, Lavoisier xuất bản cuốn sách nổi tiếng nhất của ông. Tên tiếng Anh của nó là Elements of Chemistry (Những nguyên tố hóa học), và nó đúng là chỉ như vậy. Nó là cuốn sách giáo khoa hiện đại đầu tiên về bộ môn này, chứa đầy thông tin về thí nghiệm và thiết bị, và cả những suy ngẫm của ông về bản chất của nguyên tố hóa học. Ngày nay chúng ta gọi chất nào đó không thể bị tách nhỏ hơn bằng các thí nghiệm hóa học là một nguyên tố. Một hợp chất là một sự kết hợp của nhiều nguyên tố mà, với thí nghiệm thích hợp, có thể bị tách nhỏ hơn về mặt hóa học. Cho nên, nước là một hợp chất, được tạo thành từ hai nguyên tố, hydro và oxy. Điểm khác biệt này là ý tưởng quan trọng nhất trong cuốn sách của Lavoisier. Danh sách các nguyên tố, hoặc “chất đơn giản”, mà ông đưa vào cuốn sách, không bao gồm tất cả những nguyên tố mà các nhà hóa học ngày nay nhận diện được, vì vào thời đó có nhiều nguyên tố chưa được tìm ra. Tuy nhiên nó thật sự đã chứa đựng những điều đáng ngạc nhiên, ví dụ như ánh sáng và nhiệt. Nhưng Lavoisier đã thiết lập khung cơ sở để hiểu được sự khác biệt giữa một nguyên tố và một hợp chất.

Một điểm quan trọng không kém là niềm tin của ông rằng ngôn ngữ của hóa học phải chính xác. Cùng một vài đồng nghiệp, Lavoisier đã cải cách ngôn ngữ trong bộ môn khoa học của ông, và chứng minh rằng để làm được khoa học tốt, từng từ ngữ bạn sử dụng phải chính xác. (Linnaeus hẳn sẽ đồng ý.) Các nhà hóa học cần biết cách chỉ định chính xác các hợp chất và nguyên tố họ đã dùng trong thí nghiệm, để bất cứ nhà hóa học nào khác, ở bất cứ đâu trên thế giới, cũng có thể hiểu được họ đang làm việc với chính xác cùng những thứ đó. Ông viết, “Chúng ta suy nghĩ qua công cụ trung gian duy nhất là ngôn từ.” Sau Lavoisier, càng ngày càng nhiều nhà hóa học sử dụng chung một ngôn ngữ.

Nguyên văn: phlogiston.

Nguyên văn: tax farmer. Đây là những người hoặc nhóm người, thường không phải công chức hoặc viên chức nhà nước, nhưng được nhà nước trao quyền thay mặt nhà nước thu thuế.