Giovanni Battista Riccioli và câu chuyện g (Phần 1)

• Christopher M. Graney (Physics Today, tháng 9/2012)

Một văn tự Latin cổ nhiều thế kỉ tuổi cho biết lực hút của Trái đất lần đầu tiên được đo không phải bởi Galileo mà bởi một nhà thiên văn và linh mục người Italy ít được biết tới.

Mọi sinh viên vật lí đều được học về vật rơi và g, gia tốc trọng trường của Trái đất. Nhưng ít nhà vật lí biết đến câu chuyện những thí nghiệm đầu tiên – đến nay đã hơn ba thế kỉ trôi qua – đo gia tốc g. Câu chuyện đó bắt đầu nghiêm túc với nhà thiên văn học danh tiếng người Italy Galileo Galilei. Trong bộ sách năm 1632 của ông, Đối thoại về Hai hệ thống thế giới chính, Galileo viết rằng

gia tốc của chuyển động thẳng ở những vật nặng [đang rơi] tăng theo số lẻ bắt đầu từ một. Nghĩa là, xét những khoảng thời gian bằng nhau và bằng bao nhiêu như bạn muốn... nếu vật đang chuyển động đó bắt đầu từ trạng thái nghỉ sẽ đi được trong khoảng thời gian thứ nhất một khoảng ví dụ bằng một ell [đơn vị đo chiều dài bằng 113 cm], thì trong khoảng thời gian thứ hai nó sẽ đi được ba ell; trong khoảng thời gian thứ ba, năm ell; thứ tư, bảy ell, và nó sẽ tiếp tục như thế theo những số lẻ liên tiếp. Tóm lại, điều này giống như là nói rằng quãng đường đi được bởi vật chuyển động từ trạng thái nghỉ phải gắn liền với tỉ số của bình phương những khoảng thời gian mà trong đó những quãng đường đó được đi qua.¹

Đối với Giovanni Battista Riccioli – một nhà thiên văn, linh mục dòng Tên, và là một đồng hương Italy – những khẳng định của Galileo là mơ hồ, nhất là sự xác nhận rằng một quả cầu sắt thả ra từ độ cao 100 cubit [đơn vị đo chiều dài thời cổ, 1 cubit » 46 cm] mất 5 giây để rơi tới đất.² Quả cầu đó dường như quá nặng, và thời gian rơi quá lâu, nên khó mà hợp lí. Vả lại, Galileo chỉ nêu ra có vài ba chi tiết về thao tác thí nghiệm của ông.

Vì thế Riccioli đã tiến hành nghiên cứu sự rơi tự do của riêng ông. Những thí nghiệm của ông, phần lớn chứng minh cho lí thuyết của Galileo, được các nhà sử học xem là những phép đo chính xác đầu tiên của g.^3-6 Mặc dù các nhà nghiên cứu lịch sử khoa học đã thảo luận về những thí nghiệm đó với chừng mực nhất định, nhưng bản báo cáo của riêng Riccioli cho đến nay vẫn chưa được dịch hết sang ngôn ngữ hiện đại. Đó là sự mất mát của thế giới vật lí, vì bản báo cáo của Riccioli về vật rơi kể lại câu chuyện của một thí nghiệm xuất sắc được thực hiện bởi một nhà khoa học ưu tú.

Almagestum novum

Bản báo cáo của Riccioli được tìm thấy trong chuyên luận bách khoa thư năm 1651 của ông, Almagestum novum (xem hình 1).⁷ Đó là một tác phẩm đồ sộ, uyên bác gồm hơn 1500 trang khổ lớn, với chi chít chữ và những sơ đồ thỉnh thoảng xuất hiện. Nó có một bản đồ mặt trăng chi tiết, xem hình 2, xác lập hệ thống hiện đại của chúng ta về danh pháp mặt trăng; thông tin về diện mạo trông qua kính viễn vọng của các ngôi sao và hành tinh; có lẽ còn có mô tả sớm nhất của lực Coriolis (xem Physics Today, tháng 8/2011, trang 8);⁸ và một thảo luận sâu rộng về cuộc tranh cãi hệ nhật tâm đấu với hệ địa tâm.

Bản thân Riccioli là một người theo chủ nghĩa địa tâm; ông lí giải chính xác rằng một Trái đất đang quay tròn sẽ tạo ra một hiệu ứng Coriolis, nhưng vì hiệu ứng đó chưa hề được phát hiện, nên ông xem nó là bằng chứng rằng Trái đất đang đứng yên. Nhà sử học Edward Grant lưu ý rằng không giống như những nhà địa tâm khác, những người

không phải là nhà khoa học đúng nghĩa mà là những nhà triết học tự nhiên theo nghĩa thời trung cổ đang sử dụng các luận điểm trong tác phẩm De caelo và Physics của Aristotle làm phương tiện thảo luận của họ, Riccioli là một nhà thiên văn và một nhà khoa học mang tính kĩ thuật.⁹

Sự nhạy cảm khoa học của Riccioli thể hiện rõ trong Almagestum novum. Tập chuyên luận của ông chứa đầy những bảng biểu số liệu thực nghiệm, những đánh giá về sự phù hợp của số liệu thực nghiệm với những mô hình nhất định, và những mô tả cách thu được số liệu để cho những người muốn tái hiện thí nghiệm đó có thể làm. Nó phản ánh sự làm việc thận trọng, chặt chẽ, trong đó một nghiên cứu có phương pháp đã đưa Riccioli đến kết luận rằng chỉ những dao động biên độ nhỏ của một con lắc là đẳng thời, còn những dao động biên độ lớn thì tăng dần tần số của chúng khi chúng tắt dần.¹⁰

Trong mô tả những nỗ lực của Riccioli nhằm chế tạo một con lắc có nhịp dao động đo giây chính xác – một con lắc chuẩn dựa trên đó có thể chế tạo những con lắc nhanh hơn – nhà sử học Alexandre Koyré minh họa tỉ mỉ mối quan tâm gần như ám ảnh của nhà khoa học người Italy về sự chi tiết và sự chính xác:

Trong sáu giờ liên tiếp, từ 9 giờ sáng đến 3 giờ chiều, ông đếm các dao động (với sự hỗ trợ của R. P. Francesco Maria Grimaldi). Kết quả thật tai hại: 21.706 dao động, thay vì 21.660. Hơn nữa, Riccioli nhận ra rằng với mục tiêu của ông, chính cái đồng hồ mặt trời thiếu độ chính xác như mong muốn. Một con lắc nữa lại được chuẩn bị và “với sự giúp đỡ của 9 cha Nhà thờ”, ông bắt đầu đếm lại lần nữa; lần này – ngày 2 tháng 4 năm 1642 – đếm trong 24 giờ liên tiếp, từ giữa trưa đến giữa trưa: kết quả là 87.998 dao động, trong khi ngày mặt trời chỉ có 86.640 giây [sao].³

Koyré tiếp tục mô tả một nỗ lực thứ ba, lần này với một con lắc chỉ dài hơn 3 foot 4 inch, ngắn hơn một chút so với những tiền bối của nó. Riccioli bỏ không sử dụng đồng hồ mặt trời nữa, thay vậy ông chọn sử dụng đồng hồ sao, một chuẩn đáng tin cậy hơn dựa trên vị trí của các ngôi sao. Lần thử nghiệm thứ ba, lại một ngày dài nữa, kết thúc với con lắc đếm nhiều hơn 599 nhịp, sai số chưa tới 1%. Lúc ấy, công việc bắt đầu ảnh hưởng đến những người đồng chí của Riccioli, nhưng như Koyré viết, Riccioli không hài lòng mà cũng chẳng bỏ cuộc:

Thất vọng nhưng không nản chí, Riccioli quyết định tiến hành lần thử nghiệm thứ tư, với một con lắc thứ tư, lần này có phần ngắn hơn, chỉ dài 3 foot 2,67 inch. Nhưng ông không thể nhờ chín người đồng chí làm cái công việc thê lương, tẻ ngắt là đếm số lượt dao động. Chỉ còn Cha Zeno và Cha F. M. Grimaldi là vẫn sẵn lòng giúp ông đến cùng. Ba lần, ba đêm, 19 và 20 tháng 5, và ngày 2 tháng 6 năm 1645, họ đếm số dao động từ sự đi qua thiên đỉnh của sao Spica (thuộc chòm Virgo) đến sự đi qua của sao Arcturus. Con số đếm là hai lần 3.212 và lần thứ ba là 3.214 cho 3.192 giây.

Tuy nhiên, lịch sử đã không rộng lượng với Riccioli. Mặc dù Grant xem phần trình bày của Riccioli về sự chuyển động của Trái đất “có khả năng là phân tích dài nhất, sâu sắc nhất và có căn cứ nhất được thực hiện bởi một tác giả thuộc thế kỉ 16 và 17,”¹¹ nhưng nhiều nhà sử học bác bỏ rằng nó chỉ có số lượng lập luận chứ không có chất lượng. Họ buộc tội Riccioli là viện dẫn quyền lực tôn giáo thay vì khoa học – mặc dù Almagestum Novum cho thấy cái ngược lại mới đúng¹² – hoặc họ miêu tả nhà linh mục dòng Tên này là một nhà khoa học lén lút che giấu suy nghĩ thật sự của ông vì những lí do tôn giáo nào đó.¹³

Hình 1. Almagestum Novum, một chuyên luận 1500 trang của nhà thiên văn học và thần học người Italy Giovanni Riccioli, bao quát những đề tài đa dạng như bản đồ mặt trăng, chuyển động của hành tinh, và gia tốc của vật rơi tự do. Ở bên trái là trang bìa của quyển sách, và bên phải là trang bìa phụ của nó. Những hình nằm phía trên cùng của trang bìa phụ nói đến những khám phá qua kính viễn vọng của các pha của Thủy tinh và Kim tinh cùng các dãy mây và vệ tinh của Mộc tinh. Phần chính giữa miêu tả cuộc tranh cãi giữa hệ nhật tâm và hệ địa tâm. Bị lệch xuống phía bên phải của cái cân là lí thuyết địa tâm của Tycho Brahe, theo đó Mặt trời quay xung quanh Trái đất và các hành tinh quay xung quanh Mặt trời. (Lúc ấy, lí thuyết Brahe tương thích với những khám phá qua kính viễn vọng trước đó.) Lí thuyết địa tâm đã mất uy tín của Ptolemy, theo đó các hành tinh quay xung quanh Trái đất, bị vứt bỏ xó dưới đất. (Ảnh: History of Science Collections, University of Oklahoma Libraries)

>> Phần tiếp theo: Sự rơi tự do