Galileo được xem là một trong những nhà thiên văn vĩ đại nhất của mọi thời đại. Khám phá của ông về các vệ tinh chính của Mộc tinh (Io, Europa, Ganymede và Callisto) đã làm cách mạng hóa lĩnh vực thiên văn học và giúp đẩy nhanh tiến độ chấp nhận Mô hình Copernicus của vũ trụ. Tuy nhiên, Galileo còn nổi tiếng với vô số phát minh khoa học mà ông đã thực hiện trong đời mình.
Trong số này ngoài chiếc kính thiên văn nổi tiếng của ông còn có một loạt dụng cụ đã có tác động thấy rõ trong trắc đạc, sử dụng pháo binh, phát triển đồng hồ, và khí tượng học. Galileo đã chế tạo nhiều dụng cụ trong số này để kiếm thêm thu nhập cho gia đình ông. Nhưng cuối cùng, chúng còn giúp củng cố uy tín của ông với tư cách là người đã làm thách thức giá trị quan niệm mà người ta đã duy trì trong hàng thế kỉ và làm cách mạng hóa các lĩnh vực khoa học.
Chân dung Galileo Galilei do Giusto Sustermans vẽ năm 1636. Ảnh: Bảo tàng Hoàng gia Greenwich
Cân thủy tĩnh
Lấy cảm hứng từ câu chuyện Archimedes và thời khắc “Eureka” của ông, Galileo bắt đầu quan tâm chuyện các nhà kim hoàn cân đong các kim loại quý trong không khí, rồi sau đó bằng cách thay chỗ, xác định trọng lượng riêng của chúng. Vào năm 1586, ở tuổi 22, ông đã lập lí thuyết của một phương pháp tốt hơn mà ông mô tả trong một chuyên luận mang tiêu đề La Bilancetta (Cân Tiểu).
Trong lĩnh vực này, ông mô tả một cách cân chính xác các vật trong không khí và trong nước, trong đó một phần cánh tay đòn phía treo đối trọng được quấn dây kim loại. Lượng đối trọng phải lấy đi khi cân trong nước khi đó có thể xác định rất chính xác bằng cách đếm số vòng dây. Bằng cách cân như vậy, tỉ lệ kim loại như vàng so với bạc ở trong vật có thể được đọc ra trực tiếp.
Chuyên luận “La Billancetta” của Galileo, trong đó ông mô tả một phương pháp mới đo trọng lượng riêng của các kim loại quý. Ảnh: Bảo tàng Galileo
Máy bơm Galileo
Năm 1592, Galileo được bổ nhiệm chức danh giáo sư toán học tại Đại học Padua và có những chuyến viếng thăm thường xuyên đến Arsenal – cảng nội địa nơi tàu bè Venice hay lui tới. Arsenal từng là một nơi nhộn nhịp phát minh và cải tiến thực tế trong hàng thế kỉ, và Galileo đã tận dụng cơ hội đó để nghiên cứu cặn kẽ các máy cơ học.
Năm 1593, ông tập trung nghĩ về việc bố trí các tay chèo trên thuyền ga lê và trình bày một báo cáo trong đó ông xem tay chèo là đòn bẩy và xem nước là điểm tựa. Một năm sau, Hội đồng thành phố Venice trao cho ông bằng sáng chế cho một dụng cụ đưa nước lên cao qua một con ngựa điều khiển. Bằng sáng chế này đã trở thành cơ sở của các máy bơm hiện đại.
Đối với một số người, Máy bơm Galileo chỉ đơn thuần là một cải tiến trên Đai ốc Archimedes, cái được phát triển lần đầu tiên vào thế kỉ thứ ba trước Công nguyên và đăng kí sáng chế ở Cộng hòa Venice vào năm 1567. Tuy nhiên, có bằng chứng cho thấy rõ phát minh của Galileo có liên hệ với thiết kế sớm hơn và ít phức tạp hơn của Archimedes.
Đồng hồ quả lắc
Vào thế kỉ 16, nền vật lí học Aristotle vẫn là tư duy thống lĩnh lí giải hành trạng của các vật ở gần mặt đất. Chẳng hạn, người ta tin rằng vật nặng phải tìm trở lại vị trí tự nhiên của chúng hay nằm yên – tức là tại trung tâm của vạn vật. Vì vậy, người ta chẳng có cách nào giải thích hành trạng của con lắc, trong đó một vật nặng treo bên dưới một sợi dây lại đong đưa tới lui và không chịu nằm yên ở tại giữa.
Đồng hồ quả lắc điều khiển bằng lò xo, do Huygens thiết kế, được chế tạo bởi Salomon Coster (1657), và bản sao quyển Horologium Oscillatorium, Bảo tàng Boerhaave, Leiden
Galileo đã tiến hành các thí nghiệm chứng minh rằng vật nặng không rơi nhanh hơn vật nhẹ - một quan niệm thâm căn cố đế từ thời Aristotle. Ngoài ra, ông còn chứng minh rằng các vật bị ném trong không khí chuyển động theo cung parabol. Dựa trên kết quả này và hứng thú của ông với chuyển động tuần hoàn của vật nặng treo dưới sợi dây, ông bắt đầu nghiên cứu con lắc vào năm 1588.
Năm 1602, ông giải thích các quan sát này trong một lá thư gửi cho một người bạn, trong đó ông mô tả nguyên lí đẳng thời. Theo Galileo, nguyên lí này khẳng định rằng thời gian để con lắc dao động không liên hệ với cung quỹ đạo của con lắc, mà với độ dài của con lắc. So sánh hai con lắc có độ dài bằng nhau, Galileo chứng minh được rằng chúng sẽ dao động với tốc độ như nhau, cho dù bị kéo ra những khoảng biên độ khác nhau.
Theo Vincenzo Vivian, một trong những người đương thời của Galileo, vào năm 1641, trong khi đang chịu quản thúc tại nhà, Galileo đã sáng tạo một thiết kế cho đồng hồ quả lắc. Thật không may, lúc ấy mắt ông đã mù, nên ông không thể hoàn thiện nó trước khi qua đời vào năm 1642. Vì thế mà tác phẩm Horologrium Oscillatorium năm 1657của Christiaan Huygens được công nhận là đề xuất đầu tiên được ghi lại cho đồng hồ quả lắc.
Cái sector
Súng đại bác, lần đầu tiên có mặt ở châu Âu vào năm 1325, đã trở thành phương tiện chiến tranh chủ lực vào thời Galileo. Cỗ máy chiến tranh trở nên phức tạp hơn và linh động hơn, các chiến binh cần dụng cụ giúp họ canh chỉnh và tính toán đường đạn của súng. Vì thế, khoảng năm 1595 đến 1598, Galileo đã nghĩ ra và cải tiến và một compa hình học và quân sự dùng cho pháo binh và thợ trắc đạc.
Cái sector, một compa quân sự/hình học do Galileo Galilei thiết kế. Ảnh: chsi.harvard.edu
Compa khi ấy của các chiến binh gồm hai cánh tay đòn vuông góc với nhau và một thang chia tròn với một đường dọi để xác định độ cao. Trong khi đó, các compa toán học, hay bộ chia góc, được phát triển trong thời gian này được thiết kế với các thang đo hữu ích khác nhau trên chân của chúng. Galileo kết hợp công dụng của hai thiết bị lại, thiết kế một compa hay sector có nhiều thang đo hữu ích khắc trên chân của chúng có thể dùng cho nhiều mục đích khác nhau.
Ngoài việc mang lại một cách mới và an toàn hơn cho các pháo binh hướng nòng đại bác của họ sao cho chính xác, nó còn lại mang lại một cách nhanh hơn tính lượng thuốc súng cần thiết dựa trên kích cỡ và vật liệu của đạn đại bác. Là một dụng cụ hình học, nó cho phép dựng bất kì đa giác đều nào, tính diện tích của mọi đa giác hoặc hình quạt, và nhiều tính toán khác nữa.
Nhiệt nghiệm Galileo
Vào cuối thế kỉ 16, chẳng có phương tiện thực tiễn nào cho các nhà khoa học đo nhiệt lượng và nhiệt độ. Các nỗ lực khắc phục tình trạng này ở giới trí thức thành Venice đã mang lại nhiệt nghiệm, một dụng cụ hoạt động dựa trên sự dãn nở của không khí do sự có mặt của nhiệt.
Vào khoảng năm 1593, Galileo đã xây dựng phiên bản nhiệt nghiệm của riêng ông hoạt động dựa trên sự co dãn của không khí trong một bầu thủy tinh làm dịch chuyển nước trong một ống gắn liền với nó. Theo thời gian, ông và các đồng sự đã bỏ công phát triển một thang đo số đo nhiệt lượng dựa trên sự dãn nở của nước bên trong ống.
Và trong khi chờ một thế kỉ sau các nhà khoa học – như Daniel G. Fahrenheit và Anders Celsius – mới bắt đầu phát triển các thang đo nhiệt độ phổ thông, thì nhiệt nghiệm Galileo là một bước đột phá lớn. Ngoài việc có thể đo nhiệt trong không khí, nó còn cung cấp thông tin khí tượng định lượng đầu tiên trong lịch sử.
Kính thiên văn Galileo cùng bản ghi chú viết tay của ông về độ phóng đại của thấu kính, trưng bày tại triễn lãm ở Viện Franklin, Philidelphia. Ảnh: AP Photo/Matt Rourke
Kính thiên văn Galileo
Galileo thật sự không phát minh ra kính thiên văn, nhưng ông thực hiện cải tiến lớn đối với chúng. Trong nhiều tháng năm 1609, ông đã công bố các thiết kế kính thiên văn mà ngày nay được gọi chung là Kính thiên văn Galileo. Cái thứ nhất, do ông chế tạo từ tháng 6 đến tháng 7 năm 1609, là một kính thiên văn nhỏ phóng đại ba lần, sau đó vào tháng 8 ông cho thay bằng một thiết bị phóng đại 8 lần mà ông trình diễn trước Hội đồng thành phố Venice.
Vào tháng 10 hay 11 sau đó, ông tiếp tục cải tiến thêm và cho ra đời một chiếc kính thiên văn phóng đại 20 lần – chiếc kính thiên văn ông đã dùng để quan sát Mặt trăng, khám phá các vệ tinh của Mộc tinh (sau này được gọi là các vệ tinh Galileo), nhận thấy các pha của Kim tinh, và phân giải các vệt sáng tinh vân là các ngôi sao dày đặc.
Những khám phá này đã giúp Galileo xúc tiến Mô hình Copernicus, mô hình về cơ bản phát biểu rằng Mặt trời (chứ không phải Trái đất) là trung tâm của vũ trụ (tức là hệ mặt trời). Ông còn tiếp tục cải tiến thêm các thiết kế của ông, cuối cùng chế tạo được một chiếc kính thiên văn có thể phóng đại các vật lên 30 lần.
Mặc dù những kính thiên văn này là quá tầm thường so với các tiêu chuẩn hiện đại, nhưng chúng là một cải tiến rất to lớn cho các mô hình tồn tại vào thời Galileo. Thực tế ông đã tự tay chế tạo chúng là một lí do nữa khiến chúng được xem là những phát minh ấn tượng nhất của ông.
Do những thiết bị mà ông chế tạo cùng những khám phá mà chúng mang lại, Galileo được đánh giá là một trong những nhân vật quan trọng nhất của Cách mạng Khoa học. Nhiều đóng góp lí thuyết của ông cho các lĩnh vực toán học, kĩ thuật và vật lí học cũng đã thách thức các lí thuyết Aristotle vốn được người ta chấp nhận trong hàng thế kỉ.
Tóm lại, Galileo là một trong số ít các nhà khoa học – qua sự theo đuổi không mệt mỏi của ông đối với chân lí khoa học – đã làm thay đổi mãi mãi nhận thức của chúng ta về vũ trụ các định luật cơ bản chi phối nó.
Nguồn: Matt Williams – Universe Today
