CUỘC CÁCH MẠNG
CỦA GALILEI
và SỰ CHUYỂN HÓA
TRI THỨC

JÜRGEN RENN

Nguyễn Xuân Xanh dịch

Nguyên tác: Galileis Revolution und die Transformation des Wissens, được đăng đầu tiên trên tạp chí Sterne und Weltraum số tháng 11.2008, được tác giả đã có nhã ý cho phép đăng lại trong Kỷ Yếu 2009.

Cách đây gần bốn thế kỷ Galileo Galilei hướng chiếc viễn vọng kính lên trời và gây ra một cuộc cách mạng của ngành thiên văn học. Ông thấy những gì mà không con mắt nào trước đó phát hiện: núi, miệng núi lửa trên mặt trăng, các mặt trăng của Jupiter và các vì sao của dải ngân hà. Ông diễn giải những điều ông thấy như những chứng cớ của tính đúng đắn của thế giới quan Copernicus, và với sự xuất bản quyển sách “Sidereus Nuncius” (nghĩa đen: người mang tin của sao) ông chấp nhận một cuộc tranh luận công khai với thế giới quan chính thức của nhà thờ. Nhưng Galilei không những mở ra cho ngành khoa học thời đại ông những viễn cảnh mới, mà còn cho ngành lịch sử khoa học hiện đại. Đối với thế kỷ 19 ông đặc biệt được xem như người khai sáng phương pháp thực nghiệm, còn theo nhà sử học khoa học Alexandre Koyré ông có thể trở thành người khai sáng của ngành khoa học toán hóa, vì ông theo triết lý của Platon, trong khi các nghiên cứu mới lại nhấn mạnh các bối cảnh ngoài khoa học và những điều kiện của sự đóng góp của ông, xem xét tỉ mỉ Galilei là một người dị giáo, một “triều thần” hay một nghệ nhân. Tất cả những diễn giải này có điểm chung là xem Galilei như một người đóng vai chính duy nhất không hơn không kém, và cố gắng tìm ra những nét ở ông đã cho phép ông thực hiện bước đi từ thời Trung cổ sang thời Cận đại của khoa học. Sự lý giải cuộc biến động của thế giới quan khoa học dựa trên tên tuổi của ông được các nhà nghiên cứu cuối cùng gián tiếp hay trực tiếp quy về thiên tài đặc biệt của ông – nhưng chính bằng cách đó, xét cho cùng, họ vẫn còn phạm lỗi.

Một sự thách thức về mặt lịch sử khoa học

Điều thực sự làm cho người ta ngạc nhiên là trong phương diện nào đó tất cả những diễn giải này của cuộc cách mạng của Galilei đều có sự chính đáng. Chẳng hạn trên cơ sở những bản thảo ông còn để lại và được lưu giữ ở Florence người ta thực sự có thể chứng mình rằng Galilei đã thực hiện những thí nghiệm tinh tế, và theo cuốn sách xuất sắc của Horst Bredekamp người ta không còn nghi ngờ gì về tài năng bẩm sinh và dấu ấn nghệ thuật của ông về đề tài này.

Cho nên trước hết một vài khúc quanh trong tiểu sử ông sẽ được dựng lại ngắn gọn sau đây để chứng minh rằng đời ông được đánh dấu bằng những thay đổi quyết liệt trong phong cách (style) khoa học của ông. Thật cũng quá ngắn, nếu người ta chỉ muốn liên hệ các thành tích khoa học của Galilei với một trong các phong cách này. Sự đa dạng của sở thích và của hoạt động của ông, tính cách phức tạp của con người ông đúng hơn cho thấy một quá trình quy mô hơn của sự chuyển hóa tri thức, quá trình không được quy về các khám phá riêng lẻ của những nhân cách nổi bật, cho dù những khám phá đó tỏ ra độc đáo đi nữa như các khám phá bằng viễn vọng kính của Galilei mà với những khám phá đó thời đại thiên văn học quang học được bắt đầu. Nhưng vẻ bên ngoài đó dễ gây ngộ nhận. Thời đại của cuộc cách mạng khoa học được gắn liền với tên tuổi của Galilei cũng là thời đại của những khám phá song song – một dấu hiệu nữa của sự tác động của quá trình chuyển hóa tri thức qui mô hơn này.

Để lần theo dấu vết quá trình này, thiết tưởng chúng ta trước tiên nên nhìn về vốn tri thức được chia sẻ của thời đại kia, nghĩa là cái vốn tri thức như một di sản chung của lịch sử mà các người đương thời của ông có thể sử dụng, và nó quyết định chân trời của những khả năng tư duy họ. Trong cái bể dự trử chung này, bên cạnh tri thức trực quan về thế giới xung quanh ta được chia sẻ bởi tất cả mọi người, còn có tri thức thực hành của thời đại, thí dụ như nó được lưu truyền trong các ngành truyền thống thủ công, cũng như tri thức lý thuyết vốn đã có một sự phát triển mạnh trong thời Phục Hưng nhờ vào các sách vở tư liệu được tìm thấy lại từ thời Cổ đại.

Tuy nhiên động lực của sự phát triển tri thức, điều đặc trưng cho thời đại Galilei, chỉ có thể hiểu được khi người ta, nói cho cùng, cũng chú ý đến sự thật, rằng các nguồn tri thức này đã đóng một vai trò then chốt trong việc giải quyết các thách thức kỹ thuật của thời đại. Tại các thành phố châu Âu đã hình thành từ thời Trung cổ một tầng lớp kỹ sư-khoa học gia, kỹ sư-nghệ nhân hoạt động ở các đề án kỹ thuật lớn, như nhà thờ lớn, các công trình pháo đài, đóng tàu, công trình thủy lợi và súng đại bác. Trong bối cảnh này họ đã có một sự quan tâm thiết thân đến việc sử dụng và phát triển tiếp các nguồn tri thức này, không kể nguồn gốc từ đâu. (Xem ảnh 2)

Sự phát triển tiếp nguồn tri thức được lưu truyền này mặt khác mang dấu ấn của văn hóa vật liệu, đặc biệt của các đối tượng thách thức mà các kỹ sư-khoa học gia phải đương đầu, từ các dụng cụ đòn bẩy cơ khí qua con lắc và lò xo đến chuyển động của đầu đạn. Các nổ lực giải quyết độ phức tạp của các đối tượng thách thức với những phương tiện tri thức giới hạn của thời đại đã gây ra quá trình của sự chuyển hóa tri thức kia mà qua đó từ triết học tự nhiên của Aristoteles cuối cùng vật lý cổ điển hình thành, từ thế giới quan “địa tâm” của thời Cổ đại ngành thiên văn học hiện đại ra đời.

Một nhân cách nhiều vẻ

Galilei bắt đầu sự nghiệp khoa học với tư cách là nhà toán học. Năm 1589, ở tuổi 25, ông được bổ nhiệm vào ghế giáo sư toán học tại đại học Pisa. Như sự trao đổi thư tín giữa ông và những nhà khoa học tên tuổi đặc biệt xác minh, như với Cha dòng Tên (Jesuit) và là nhà toán học Christopher Clavius, và kỹ sư-khoa học gia Guidobaldo del Monte, Galilei đã tạo cho mình tên tuổi từ những nghiên cứu cơ học bằng phương pháp toán theo trường thống của Archimedes. Sự làm chủ một cách sáng tạo về kỹ thuật chứng minh của hình học Euclid và cách giải quyết rất tự tin của ông các bài toán được Archimedes đặt ra cho ngành tĩnh học đã mang lại cho ông sự công nhận và nâng đỡ của các bậc thầy này trong ngành mà nếu không có cũng sẽ không có một sự phát triển tiếp tục do tình hình về tổ chức còn bất cập lúc bấy giờ của trường viện trong ngành khoa học.

Đáng lẽ Galilei, thể theo nguyện vọng của bố, trở thành bác sĩ, một ngành có hoạt động hàn lâm và thu nhập cao hơn nhiều so với toán học. Bố của Galilei, Vincenzo, là một nhà âm nhạc và cũng đã xuất bản một tác phẩm có tiếng về lý thuyết âm nhạc. Qua bố ông, thanh niên Galilei rõ ràng sớm có được một ấn tượng về các khả năng ứng dụng của tư duy toán học và các kỹ thuật thực nghiệm trong một lãnh vực của tri thức thực hành. Có lẽ vì thế mà ông đã đặc biệt nhạy cảm trước vẽ mê hoặc của các bài giảng mà Ostilio Ricci đọc tại Academia del Disegno ở Florence. Ricci có thể là một học trò của kỹ sư-khoa học gia nổi tiếng Nicolò Tartaglia vừa là cha đẻ của ngành đạn đạo học, ông đã dạy - trên cở sở những tác phẩm của ông - hình học Euclid, các kỹ thuất tính toán thực hành theo truyền thống của Luca Pacioli, đồng thời cũng dạy thêm các phép phối cảnh và kỹ thuật vẽ như những nhà kiến trúc và kỹ sư - nghệ nhân tương lai cần đến cho các đề án của họ. Có lẽ chính các bài giảng này đã khiến cho Galilei đã bỏ học y khoa để toàn tâm đi theo các sở thích của ông về toán học và cơ học.

Nhưng sau khi Galilei bắt đầu chiếc ghế giáo sư ở Pisa 1589 thì diện mạo khoa học của Galilei thay đổi. Có lẽ dưới ấn tượng của các nghiên cứu triết học tự nhiên của các đồng nghiệp ở Pisa như Borro và Buonamici, Galilei bắt tay vào một biên khảo về chuyển động được biết dưới cái tên “De Motu” trong tư liệu lịch sử khoa học. Trong những bản thảo khác nhau của biên khảo sớm còn được để lại này, Galilei đã nghiên cứu các đề tài của Aristoteles như chuyển động của các vật thể rơi trong các môi trường khác nhau, nhưng được mở rộng ra bằng những máy móc đơn giản như cân và mặt phẳng nghiên. Tuy có những lúc bút chiến chống lại Aristoteles nhưng vật lý Aristoteles và những sự phân biệt giữa các chuyển động tự nhiên và chuyển động có lực đẩy đã làm nền tảng của các suy nghĩ ông. Trước truyền thống kinh viện, công trình của Galilei được đặc trưng một mặt bởi mối quan hệ với cơ học, mặt khác bằng nổ lực sử dụng các khái niệm và lý thuyết của Archimedes để xem xét lại vật lý Aristoteles. Chẳng hạn, Galilei đã thay thế khẳng định của Aristoteles rằng các vật thể càng rơi nhanh hơn khi chúng càng nặng hơn bằng luận điểm của Archimedes, rằng vận tốc rơi của các vật thể lệ thuộc vào tỷ trọng của chúng. Các đối tượng thách thức khác của nền kỹ thuật đương thời như con lắc và chuyển động đầu đạn cũng đóng một vai trò trong luận văn của Galilei tuy thứ yếu.

Các thí nghiệm về đạn đạo học

Năm 1592 đánh dấu một bước ngoặc tiếp trong sự nghiệp của Galilei đồng thời là sự khởi đầu của một phong cách khoa học mới. Qua sự tiến cử của người đỡ đầu là Guidobaldo del Monte ông đã thành công nhận được lời mời làm giáo sư tại đại học nổi tiếng Padua, một vị trí được trả lương cao hơn nhiều so với đại học Pisa. Trên đường đến nước cộng hòa Venice, Galilei tranh thủ đến thăm Guidobaldo trên lâu đài nổi tiếng Montebaroccio của ông gần Pesaro và thảo luận với ông về những mối quan tâm chung về khoa học.

Một số chi tiết được ghi trong quyển sổ tay nghiên cứu của Guidobaldo hiện còn tồn tại và được lưu giữa tại Thư viện quốc gia Paris xác nhận cuộc trao đổi này và những đề tài được mang ra thảo luận (Xem ảnh 3 và 8). Trong đó có những đề tài như sự cân bằng ở các mặt phẳng nghiêng, sự dao động của dây đàn, dạng hình học của một dây xích dao động, quỹ đạo mà một đầu đạn vẽ lên khi bay, nhưng có lẽ họ cũng bàn về tác phẩm của Giambattista Benedetti. Ông này vài năm trước Galilei đã nghiên cứu trong quyển sách ông những đề tài tương tự như Galilei trong bài luận văn “De Motu”, chẳng hạn như chuyển động của các vật thể rơi trong các môi trường. Guidobaldo hoài nghi trước những nghiên cứu như thế, vì theo ông, chúng sẽ không được thực hiện với sự chặt chẻ mà Archimedes đã làm một cách mẫu mực trong các bài viết của ông về tĩnh học.

Dù vậy Guidobaldo và Galilei vẫn thực hiện chung một thí nghiệm về chuyển động đầu đạn để có một cơ sở cho một lý thuyết mới về chuyển động, mặc dù, nhìn kỹ, lần đầu tiên chưa có một kết quả chính xác nào. Họ nhuộm bằng mực một quả cầu và ném nó xéo trên một mặt phẳng nghiêng khiến nó để lại một vết hằn, như Guidobaldo chú thích trong biên bản của mình, giống như một đường parabol hay hyperbol, hoặc hình dạng của dây xích treo ngược (Xem ảnh 3).

Những kết luận nào có thể rút ra được từ đó? Trong khi dạng hình học chính xác của quỹ đạo trong thí nghiệm chưa được xác định chính xác, thì điều người ta thấy rõ là nó mâu thuẩn với quan điểm phổ biến dựa trên động lực học của Aristoteles là đường biểu diễn của một đầu đạn phải là bất đối xứng. Theo quan điểm này, quan điểm được trình bày trong rất nhiều tài liệu đương thời về đại bác, bắt đầu bằng tác phẩm “Novo Scientia” nổi tiếng của Tartaglia, một viên đạn ban đầu di chuyển theo một chuyển động có lực đẩy nghĩa là chống lại bản tính của nó theo một đường ít nhiều thẳng đi lên, cho đến khi dần dần trọng lực của nó chiếm ưu thế để rồi cuối cùng nó tiến gần đến “chuyển động tự nhiên” theo đường thẳng về “vị trí tự nhiên” của nó là tâm điểm của quả đất.

Đường biểu diễn ít nhiều đối xứng từ thí nghiệm của Guidobaldo và Galilei rất khó dung hợp với quan điểm này nhưng mặt khác cũng không đưa ra được cơ sở cho sự xóa bỏ hoàn toàn tính khái niệm của Aristoteles. Mà đúng hơn nó gợi ý một sự so dánh quỹ đạo đạn với hình ảnh của sợi xích lộn ngược, rằng trong cả hai trường hợp khuynh hướng tự nhiên của các vật thể nặng rơi xuống và lực “bạo động” ngăn cản chúng đi theo khuynh hướng này cùng hoạt động với nhau thế nào để có một đường biểu diễn đối xứng ra đời. Những suy nghĩ khác, dựa lên trường hợp đặc biệt của sự ném ngang, làm cho có vẻ tin được rằng quỹ đạo của đầu đạn phải là một đường parabol hơn là hyperbol một khi người ta đặt giả thiết đối xứng được hỗ trợ thêm bởi sự so sánh với sợi dây xích làm nền tảng, mặc dù thí nghiệm về điều này dĩ nhiên không thể cho một kết luận chính xác. Nói tóm lại, người ta có khả năng phân tích bằng toán học quỹ đạo của chuyển động đầu đạn và các khuynh hướng chuyển động tạo thành nó, và từ giả thiết có thể tin được của dạng parabol của nó đặc biệt có thể suy ra định luật rơi, nghĩa là mối quan hệ bình phương của các đoạn đường đã đi được và các khoảng thời gian tương ứng trong trường hợp chuyển động rơi tự do. Từ cái nhìn của sự phát triển về sau, kết luận này là một sự bứt phá đưa đến một nhận thức cơ bản của cơ học cổ điển. Nhưng kết luận này có ý nghĩa gì đối với Galilei?

Ứng dụng thực tiễn

Cuộc gặp gỡ năm 1592 với Guidobaldo del Monte đã làm nảy sinh ra một phong cách khoa học mới của Galilei, nhưng không phải cái mà người ta từ viễn cảnh hôm nay chờ đợi. Như một bản thảo đương thời chứng minh, nhận thức về hình dạng toán học của quỹ đạo của vật thể được ném không trở thành xuất phát điểm của một chuyên khảo khoa học mới về chuyển động mà trở thành một bộ phận, có lẽ cũng không phải trung tâm, của một nghiên cứu khoa học được dự tính về đại bác. Cuộc viếng thăm tại Guidobaldo đối với Galilei đã trở thành một điểm ngoặc. Galilei đã thực hiện bước ngoặc từ một nhà triết học sang một kỹ sư-nhà khoa học, mà ở đó các thách thức kỹ thuật và thực tiễn là trung tâm.

Rõ ràng bị ấn tượng bởi một diện rộng các hoạt động của Guidobaldo, bởi xưởng chế tạo của ông, bởi sự dấn thân của ông như một nhà chế tạo công cụ, vừa là cố vấn quân sự và kỹ sư, Galilei đã tạo cho mình tại Padua, ngoài hoạt động với tư cách giáo sư, một khu vực hoạt động thực tiễn như thế. Ông cũng lập một xưởng chế tạo, nhận đảm nhiệm dạy trong ngành quân sự, chế tạo và bán công cụ như cái compas tỉ lệ nổi tiếng của ông, phát thảo các bài nghiên cứu về đại bác và cơ học, tất cả hoàn toàn theo tấm gương của Guidobaldo del Monte (Xem ảnh 4).

Bước ngoặc có tính cách thực hành này của các mối quan tâm khoa học của Galilei đã diễn ra ngay bên cạnh xưởng đóng tàu Arsenal khổng lồ của Venice, một trong những “khu liên hợp quân sự-công nghiệp” quan trọng nhất lúc bấy giờ của thế giới phương Tây. Trong tác phẩm chính của ông sau này về cơ học có tên “Discosi” được công bố năm 1638, ông đã tạc một bức tượng văn học cho các kỹ sư hàng đầu của Arsenal bằng sự khẳng định rằng các nhận thức then chốt của khoa học của ông đều có nguồn gốc từ kinh nghiệm thực hành của họ.

Một khoa học của sự chuyển động

Trong thời gian dừng chân ở nước cộng hòa Venice trong những năm giữa 1592 và 1610 một cuộc chuyển biến nữa của diện mạo khoa học của ông lại diễn ra. Trong một không khí có nhiều sự kích thích và thảo luận đa dạng về triết học tự nhiên và khoa học, chẳng hạn với nhà trí thức lớn của Venice là Paolo Sarpi, các nhận thức ban đầu ít nhiều có tính cách riêng lẻ của Galilei về các tính chất của chuyển trong trong những bối cảnh cơ học khác nhau, như con lắc, mặt phẳng nghiêng, chuyển động rơi và của đầu đạn đã bắt đầu tích tụ lại thành một mạng lưới của những kết luận có tính chất liên kết nhau.

Dần dần, từ mạng lưới của những kết luận này hình thành khả năng có thể phát triển một lý thuyết, vâng một khoa học mới của sự chuyển động. Một xuất phát điểm là sự diễn đạt được chuyển động gia tốc bằng khái niệm với sự trợ giúp của các công cụ được phát triển trong chủ nghĩa kinh viện thời trung cổ nhằm vào sự diễn đạt của các quá trình thay đổi. Trong đó đặc biệt có những biểu đồ, như Nicolas Osresme đầu tiên đã sử dụng chúng vào thế kỷ 14 để mô tả mối quan hệ giữa quá trình tổng thể và các thay đổi tức thời làm nên nó (Xem ảnh 5). Trong khi ở thời trung cổ sự ứng dụng tính khái niệm này vào chuyển động chỉ là trường hợp riêng lẻ thì trong tay của Galilei và các người đương thời ông nó trở thành một công cụ trung tâm cho sự phân tích chuyển động gia tốc và trở thành xuất phát điểm của các phép tính vi tích phân sau này.

Như vô số ghi chép nghiên cứu và phát thảo còn để lại trong thời gian này cho thấy, ông đã tìm cách liên hệ với nhau các tính quy luật được ông nhận ra của chuyển động con lắc, chuyển động rơi và chuyển động của đầu đạn, và suy diễn chúng, theo gương của Euclid và Archimedes, từ một ít nguyên lý, những cái tuy nhiên vẫn còn bén rễ trong các giả thiết khái niệm của hoa học cổ đại, chẳng hạn như sự phân biệt giữa chuyển động tự nhiên và chuyển động có lực đẩy. Những ngạc nhiên, thất bại, tính mâu thuẩn và nhiều nghĩa mà Galilei đã gặp phải trước tiên ngăn cản ông đặt những kết quả của ông vào một khuôn khổ suy diễn thuyết phục, và khái quát chúng trong một khoa học mới mạch lạc của chuyển động. Nhưng đồng thời sự đột phá của Galilei vào cái khung đã được cơ học tiền-cổ điển định vị đã đưa đến hệ quả là gây chuyển động cho một sự phát triển tiếp cơ sở khái niệm vốn là xuất phát điểm của ông, và cuối cùng phá vở nó. Không còn nghi ngờ gì nữa rằng Galilei khoảng 1602 đã tích cực hoạt động cho sự hình thành một lý thuyết mới như thế của chuyển động, và chậm nhất là từ 1604 ông đã có ấn tượng rằng mình đã có trong tay chiếc chìa khóa cho một cuộc cách mạng khoa học. Các công việc khác của ông, giảng dạy ở đại học, và kể cả hoạt động thực nghiệm, ngày càng lùi vào hậu trường, vâng chúng trở thành gánh nặng mà ông tìm cách giải phóng để có thể tập trung toàn tâm vào việc khởi thảo lý thuyết mới của ông.

Trong những điều kiện xã hội của thời tiền cận đại mà ở đó các cơ sở độc lập dành cho nghiên cứu và giảng dạy mới bắt đầu hình thành thì chỉ có một con đường có thể dẫn tới sự giải phóng trên: sự đỡ đầu của một nhà bảo trợ có quyền lực. Hệt thống bảo trợ của thời đó có tính chất làm tăng lên uy tín và tiếng tăm của nhà tài trợ bằng những thành tựu sáng tạo cao ngất, những cái sẽ không có được nếu không có sự bảo vệ và chăm sóc từ nhà bảo trợ. Hệ thống này được phát triển từ thời Phục Hưng trong mối quan hệ mật thiết với sự khuếch trương nghệ thuật và kiến trúc, để các nghệ nhân trong những vai trò khác nhau như họa sĩ, nhà kiến trúc, kỹ sư, tư vấn kỹ thuật và triều thần trở thành những người đóng vai chính. Các nhà khoa học như Galilei phải đi theo dấu chân của họ nếu muốn thành công tương tự, như Leonardo hay Michelangelo chẳng hạn. Nhưng đối với một kỹ sư-khoa học gia, một nhà toán học thực hành, thì không dễ tìm được một sự nghiệp ở cung đình như thế, bởi vì chỉ có một sức tỏa sáng có tính cách biểu tượng của những thành tựu sáng tạo mới có thể mở được cánh cửa vào các cung đình của thời đại.

Chiếc viễn vọng kính

Năm 1609 mở ra cho Galilei, bằng sự sáng chế ra viễn vọng kính, không những một cái nhìn mới lên bầu trời mà cũng còn một triển vọng về một sự nghiệp như thế. Bằng cách đó, một phong cách mới bắt đầu in dấu dấn lên các hoạt động khoa học của ông. Galilei ca ngợi bằng cả con người kỹ sư và khoa học gia của ông trước nước cộng hòa Venice chiếc viễn vọng kính mà ông đã xây dựng lại và cải tiến dựa trên thông tin nhận được về sự sáng chế từ đầu năm 1609 tại Hòa Lan, đặc biệt vì những ưu điểm quân sự và thực tiễn. Các khám phá của ông – như sự quan sát mặt trăng và các pha của sao Venus, sự cấu tạo của dải Ngân hà từ các vì sao riêng lẻ, đặc biệt sự quan sát bốn mặt trăng vệ tinh của sao Jupiter – đã thay đổi hình thế của Galilei một cách cơ bản.

Bằng sự công bố chớp nhoáng các khám phá này trong “Sidereus Nuncius” (Người đưa tin của các vì sao) (quyển sách nhỏ làm nên thời đại được ra mắt ngày 12.3.1610) Galilei tức thì trở thành một nhà thiên văn học tên tuổi không những trên khắp châu Âu và chẳng bao lâu còn cả ở Trung Quốc, và là người cổ xúy kiệt xuất nhất cho thế giới quan copernicus và là người thách thức thế giới quan lấy trái đất làm trung tâm của nhà thờ. Thêm vào đấy, bằng chất lượng nghệ thuật của các bức ảnh mô tả những khám phá của ông trong khuôn khổ diễn đạt ý nghĩa của chúng và của sự khai thác trong bối cảnh hệ thống bảo trợ của thời bấy giờ, Galilei đã trở thành đối ứng khoa học của Michelangelo và là nhà triết học cung đình của giòng họ Medici ở Florence. Cho nên cũng không phải là sự ngẫu nhiên khi người học trò Viviani của ông đã tạo nên huyền thoại rằng ngày sinh của Galilei cũng là ngày trùng hợp với ngày mất của Michelangelo (Thực sự Galilei sinh ngày 15.2.1564 tại Pisa, ba ngày trước khi Michelangelo mất tại Rom).

Galilei tặng cho dòng họ Medici các mặt trăng của sao Jupiter mà ông đã khám phá như một tác phẩm nghệ thuật do ông trước tác, và “phong cách hóa” mình thành một Adam mới mà Chúa đã cho phép nhìn vào khoảng thế giới qui mô mới cho đến nay còn đóng kín của tạo hóa. Điều này dường như cho Galilei, cũng như những nhà nghệ thuật vĩ đại của thời đại ông, quyền của một sự diễn giải về sự sáng tạo của tạo hóa từ cái nhìn của ông. Đối với Galilei quyền này không những nằm ở chỗ đọc vào cuốn sách của tự nhiên được viết bằng ngôn ngữ toán học một cách độc lập với nhà thờ, mà còn ở chỗ trên cở sở này mà tra hỏi lại cội nguồn của thế giới quan đã được nhà thờ phê chuẩn từ triết học tự nhiên của Aristoteles và ở nơi đâu cần thiết, đặc biệt trong vấn đề thế giới quan lấy trái đất làm trung tâm. Các tác phẩm triết học tự nhiên của ông, như “Saggiatore” năm 1623 và Dialog về hai hệ thống thế giới lớn năm 1632 vì thế không phải chỉ dành cho một giới nhỏ hàn lâm, mà còn có mục đích xa này.

Một con đường trực tiếp hình thành từ một Galilei, người có thể mô tả gợi hình những khám phá thiên văn học nhờ vào năng khiếu vẽ và sự đào tạo ở Academia del Disegno như những biểu lộ của một cái nhìn sáng tạo, dẫn ngang qua một Galilei, một triều thần, một nhà triết học cung đình của họ Medici, mà tham vọng của họ không biết sợ hãi muốn cải cách lại thế giới quan của nhà thờ Ki tô giáo, đến Galilei một người bị hiểu nhầm là dị giáo, và cuối cùng một Galilei người “tử đạo” của khoa học bị tòa án dị giáo phán xử phải từ bỏ thuyết Copernicus, phải trả giá cho sự thất bại của sự cải cách của ông bằng cách cắt bỏ những hệ luận thế giới quan của các nghiên cứu, và bằng sự quản thúc tại gia. Nhưng sự giới hạn này đã đưa tới việc Galilei trong thời gian bị quản thúc tại Arceti gần Florence trở về lý thuyết chuyển động và tiếp tục công việc đã bắt đầu ở Padua về sự phát triển tiếp cơ học cổ đại. Năm 1638 ông kế thúc những nổ lực này với sự công bố “Discorsi” dành cho hai ngành khoa học mới được Galilei xây dựng: Lý thuyết của độ rắn của vật chất và lý thuyết của chuyển động.

Tri thức được chia sẻ của nền cơ học tiền-cổ điển

Định mệnh đầy thăng trầm của Galilei đã chứng minh rằng không phải một phong cách nhất định hay một phương pháp duy nhất là yếu tố quyết định cho sự thành công của ông, mà đúng hơn năng lực sử dụng được những cơ hội hành động và tư duy mở ra cho ông. Những thay đổi diện mạo khoa học của ông cũng nói lên phẩm chất cá nhân này cũng như các con đường khác nhau khách quan tồn tại trong bối cảnh xã hội và trí thức của thời đại. Trong đoạn đường lịch sử này tuy nhiên cũng có những con đường khác có thể đi được, vẫn đưa tới những kết quả so sánh được.

Một sự minh họa ấn tượng cho khả năng này là các công trình khoa học diễn ra song song đến ngạc nhiên của kỹ sư-khoa học gia người Anh là Thomas Harriot mà người ta có thể xem một cách chính đáng như một “Galilei Anh” (Xem các ảnh 6 và 7). Khoảng cùng thời gian và độc lập với Galilei, Harriot đã hướng một viễn vọng kính lên trời, cũng như làm những chuyển động rơi và ném. Ông tìm ra định luật rơi, và cũng giống như Galilei, tìm cách suy diễn nó bằng những phương pháp để lại từ thời Trung Cổ từ những tính chất của chuyển động gia tốc, và vẻ ra một trong những bản đồ mặt trăng chi tiết đầu tiên.

Khác với Galilei, Harriot không để lại những tác phẩm lớn của những khám phá của ông mà chỉ để lại hàng ngàn bản thảo với các chú thích nghiên cứu và phát họa. Sự nghiệp của ông trong một nước Anh quân chủ với một nhà thờ riêng, độc lập với La Mã (anglican church) đã diễn ra hoàn toàn khác với sự nghiệp của Galilei trong một nước Ý thiên chúa giáo với những quốc gia lớn nhỏ của nó. Mặc dù không bị khống chế bởi tòa án dị giáo, các khả năng xuất bản của Harriot ở Anh bị hạn chế hơn các khả năng của Galilei ở Ý. Nhưng ai muốn dùng những khác biệt hiển nhiên giữa Harriot và Galilei để tìm một lý do cho sự thành công trội bật của Galilei trong một phẩm chất năng lực cá nhân nhất định, người đó sẽ đánh mất đi những cơ hội có rất nhiều triển vọng hơn để bằng một sự so sánh hai người suy ra cái tri thức chia sẻ chính đã tạo điều kiện cho hai con đường của họ hình thành.

Như người ta có thể chứng minh ở trường hợp ngành cơ học, cái bể tri thức chung của ngành này chứa đựng các tri thức trực quan, thực tiễn và lý thuyết được lưu truyền trong các kinh nghiệm thường nhật, trong các truyền thống thủ công và trong sách vở kỹ thuật từ thời Cổ đại. Những người dịch thuật và xuất bản như Federico Commandino, những người gắn liền truyền thống của chủ nghĩa nhân văn với các mối quan tâm của các kỹ sư-khoa học gia, đã làm cho các tác phẩm của các tác giả cổ đại như Euclid và Archimedes về toán học và cơ học lại được biết đến. Một trong những điểm khởi đầu chung của tri thức lý thuyết là tác phẩm “Những vấn đề cơ học” được qui cho Aristoteles trong đó hiệu ứng tiết kiệm lực của những công cụ cơ học khác nhau được quy về nguyên lý đòn bẩy. Một điểm khởi đầu chung nữa cho những nổ lực muốn cắt nghĩa công nghệ cơ học bằng những nguyên lý đơn giản, là quy các máy phức tạp về một loạt máy đơn giản, một phương pháp đầu tiên được áp dụng bởi Heron của Alexandria (có lẽ thế kỷ thứ nhất sau công nguyên) và được truyền lại cho thời tiền cận đại bằng một bình luận của Pappus về Heron. Ý tưởng quy các máy phức tạp về các máy đơn giản đóng vai trò trung tâm trong tác phẩm chuẩn về cơ học của người đỡ đầu của Galilei là Guidobaldo del Monte được xuất bản vào cuối thế kỷ 16.

Tri thức được chia sẻ về cơ học, cái đã được để lại cho giai đoạn đầu thời cận đại như một di sản của thời cổ đại và trung cổ là hoàn toàn không thống nhất trong các cấu trúc khái niệm. Cho nên nó tạo ra cơ hội cho những quan điểm khác nhau và những tranh cải mà qua đó tiềm năng phát triển của tri thức này được thăm dò và phát triển tiếp. Trong khi đối với Guidolbaldo chẳng hạn, khái niệm về trọng tâm của Archimedes đóng vai trò then chốt trong phân tích lý thuyết của ông, thì đối với những cùng thời ông Nicolò Tartaglia và Giovanni Battista Benedetti thì đó lại là khái niệm trọng lượng “vị trí”, một khái niệm xuất phát từ thời trung cổ Jordanus Nemorarius. Khái niệm này cho phép tính toán tác dụng khác nhau của một trọng lượng tùy thuộc vào vị trí của nó, chẳng hạn ở góc đòn bẩy hay trên mặt phẳng nghiêng, những đề tài mà Guidobaldo phải chịu khó nhọc hơn (Xem ảnh 8).

Ảnh 8. Guidobaldo Del Monte, “Meditatiumculae”, 1592,
với những ghi chú về sự phân tích đòn bẩy góc (khuỷu) của Benedetti.

Trước một bối cảnh khái niệm không thuần nhất như thế các tác giả này một phần đã đi đến những kết quả khác nhau trong những vấn đề then chốt của cơ học. Các ghi chú viết tay của Guidobaldo trong một bản in cá nhân mới tìm thấy gần đây của cuốn sách Benedetti về cơ học cho thấy sự hiểu biết lẫn nhau trong một lãnh vực là khó khăn thế nào, lãnh vực tại biên giới của sự tiến bộ khoa học. Chỉ bằng một sự nghiên công phu các kết luận rút ra trong những hệ thống khái niệm khác nhau, và một sự trao đổi tích cực trong một mạng lưới trên phạm vi châu Âu của các học giả, các khái niệm cơ bản của cơ học cổ điển cuối cùng hình thành từ các nguồn tri thức của vật lý tiền cổ điển. Cơ học của Galilei và các nghiên cứu của ông về chuyển động trên các mặt phẳng nghiêng, nếu không có tiền đề của tri thức chia sẻ này, sẽ không hình dung được, cũng như những thành tựu thiên văn của ông, những cái cũng dựa lên các truyền thống thực tiễn và lý thuyết, có nguồn gốc xa xôi thời cổ đại.

Các đối tượng thách thức

Chất xúc tác thực sự cho sự chuyển hóa tri thức của vật lý tiền cổ điển là các đối tượng có tính chất thách thức của thực tế kỹ thuật của thời đại. Những kỹ sư-khoa học gia – những người thường sống trong mối liên hệ với các đề án đại qui mô có tính chất quân sự, kỹ thuật và kiến trúc như xây dựng các nhà thờ lớn, súng đại bác và các thành trì quân sự – nghiên cứu những đối tượng này, cho nên họ đã tạo thành cái xương sống của cuộc cách mạng khoa học của thời cận đại, ít ra trong lãnh vực cơ học. Họ đã tạo ra không những cơ sở thực nghiệm của ngành khoa học mới, mà còn kích thích các nguồn tri thức đôi khi tính chất rất khác nhau mà từ đó cuộc cách mạng đã được nuôi dưỡng, với mục đích chế ngự được các đối tượng thách thức từ thực tiễn của họ, một các trí thức.

Qua đó các truyền thống tri thức được đưa đến gần nhau, những thứ cho đến lúc đó được lưu truyền biệt lập nhau, chẳng hạn tri thức thực hành về ngành đóng tàu và tri thức lý thuyết về các máy đơn giản. Đòi hỏi tri thức, liên quan đến những vấn đề như tính ổn định của mái vòm nhà thờ, cách đặt vị trí tối ưu của mái chèo (trong tàu chiến), hay hình dạng của sợi dây xích treo, phần lớn đều vượt quá các khả năng tri thức của thời đại. Nhưng sự thách thức đối với các nguồn tri thức đang có để mô tả các đối tượng này, đối với các nhà kỹ sư-khoa học gia đã trở thành động cơ cho việc thăm dò và khám phá tiềm năng tri thức chứa đựng trong các nguồn tài nguyên tri thức này, và cuối cùng đã dẫn đến những nhận thức cơ bản của ngành vật lý cổ điển sau này, mặc dù những nhận thức đó không luôn luôn đáp ứng những chờ đợi ban đầu, những cái vẫn còn bám rễ trong những ý tưởng khái niệm của thời tiền cổ điển.

Sự biết ơn mà Galilei đã cảm nhận trước các chuyên viên kỹ thuật của khu liên hợp quân sự-công nghệ khổng lồ Arsenal của Venice, và đã được diễn tả trong tác phẩm “Discorsi” của ông, rõ ràng có lý do thực tiễn của nó trong nghiên cứu của ông đối với một đối tượng thách thức như thế. Thông qua một quan chức của Arsenal ông đã sớm đến những vấn đề về tính ổn định của vật chất mà việc đóng các tàu ngày càng lớn hơn đặt ra, trên cơ sở yêu cầu sự vũ trang ngày càng tốn kém hơn. Những vấn đề tương tự cũng được biết đến từ ngành kiến trúc và chế tạo máy. Xuất phát từ “Những vấn đề cơ học” của Aristoteles, Galilei do đó bắt đầu nổ lực để hiểu được vấn đề độ bền chống phá hủy của một vật thể bằng định luật đòn bẩy. Bằng cách đó, một đối tượng thách thức của thực tiễn kỹ thuật đương thời đã trở thành xuất phát điểm của một trong hai ngành kyhoa học mới mà Galilei đã trình bày trong “Discorsi”, đó là thuyết về độ rắn của vật chất.

Ảnh 9. Ghi chú của Galileis về một thí nghiệm trong đó một hòn bi được bắn đi
theo chiều ngang với nhiều vận tốc khác nhau rồi sau đó rơi tự do. Galilei so sánh
các tầm bắn tính toán của ông với những kết quả đo được.

Ngành khoa học thứ hai của Galilei, lý thuyết chuyển động, cũng có nguồn gốc từ việc nghiên cứu một đối tượng thách thức của thực tiễn thời đại, đó là đạn đạo học (Xem các ảnh 3 và 9). Galilei cũng đã đặt vào một bối cảnh thực tiễn như thế những nhận thức của mình về hình dạng của quỹ đạo từ thí nghiệm thực hiện chung với Guidobaldo. Hơn nữa vốn kinh nghiệm quý báu của các tay súng đại bác đương thời đã cung cấp cơ sở thông tin cho sự phát triển của một lý thuyết về chuyển động của đầu đạn xuất phát từ sự lệ thuộc của tầm bắn vào vận tốc ban đầu và góc bắn, và vào sự tồn tại của một góc bắn theo đó tầm bắn đạt trị số cực đại.

Cho nên người ta cũng không lấy làm lạ rằng, trên cơ sở thực nghiệm này và cùng với những suy nghĩ động học về cách vận hành của các thành phần “bạo lực” (lực đẩy) và “tự nhiên” của chuyển động, không phải chỉ Galilei mà còn các kỹ sư-khoa học gia khác như Thomas Harriot có thể hoạt động thành công ở một lý thuyết như thế. Cho đến giai đoạn cuối cùng, nghĩa là đến lúc công bố lý thuyết của ông trong tác phẩm “Discorsi” Galilei vẫn còn để mình chịu ảnh hưởng của ý tưởng nhầm lẫn, rằng quỹ đạo của chuyển động đầu đạn và sợi dây xích có cùng một dạng, đó là parabol. Từ quan điểm này, một quan điểm dưới cái nhìn hôm nay không còn đứng vững nữa, đối với ông không còn nghi ngờ gì nữa về hình dạng đối xứng của quỹ đạo đầu đạn, khác với phần lớn những người đương thời của ông. Ngày nay người ta biết, rằng sợi dây xích không phải là đường parabol và – một cách đặc trưng cho một đối tượng thách thức - được biểu diễn bằng một hàm số mà để diễn tả nó toán học thời Galilei chưa đủ sức. Ngược lại trong các bản thảo của Galilei người ta tìm thấy nhiều nỗ lực sáng tạo để chứng minh hình dạng parbol của dây xích, chẳng hạn bằng sự xấp xỉ của nó như sợi chỉ với các trọng lượng khác nhau mà trạng thái cân bằng của chúng Galilei đã tìm cách xác định với các phương pháp của Guidolbaldo (Xem ảnh 10).

Chuyển động của các hành tinh

Ngành thiên văn học và đặc biệt sự chuyển động các hành tinh cũng cung cấp cho khoa học những đối tượng thách thức mà ý nghĩa thực tiển của chúng liên quan đến các nhu cầu cải cách lịch hay giao thông đường biển. Chúng có vai trò như những đối tượng thách thức của khoa học một mặt bởi các nổ lực giải thích các chuyển động thiên thể bằng cơ học, mặt khác bởi bối cảnh thế giới quan mà những nổ lực đó không tránh khỏi rơi vào trước thế giới quan thống trị của nhà thờ.

Chẳng hạn từ rất sớm Galilei đã cố gắng làm cho những ý tưởng của ông về chuyển động ném và chuyển động rơi ứng dụng được cho việc cắt nghĩa cơ học về sự hình thành của hệ thống hành tinh. Ông hình dung đấng tạo hóa đã để cho các hành tinh, từ một điểm nhất định, rơi theo hướng mặt trời để rồi điều khiển chúng đi vào một quỹ đạo tròn để rồi cuối cùng chúng quay quanh trên đó với vận tốc đạt được trong chuyển động rơi nói trên. Và ông hy vọng bằng cách đó có thể cắt nghĩa được bằng cơ học mối tương quan lấy từ sự mô tả của Kepler giữa vận tốc trên quỹ đạo và khoảng cách đến mặt trời. Mặc dù các tính toán của Galilei không thể xác nhận được mô hình này như ông mong đợi, ông vẫn công bố ý tưởng của mình như một sự mở rộng hiểu được của lý thuyết chuyển động của ông vào cơ học thiên thể. Một cách tương tự, ông đã tìm cách đạt được một ý nghĩa vũ trụ học từ sự phân tích chuyển động con lắc và biến nó thành hậu thuẩn cho quan điểm Copernicus, bằng cách ông cố diễn giải sự thay đổi của thủy triểu như sự dao động của quả lắc và như hệ quả của chuyển động gia tốc của quả đất xung quanh chính nó và trên quỹ đạo của nó xung quanh mặt trời.

Sự chuyển hóa tri thức

Các sự nhầm lẫn của Galilei, sự giả định của ông rằng sợi xích có hình dạng parabol, sự cắt nghĩa của ông về nguồn gốc vũ trụ bằng định luật rơi, sự tin tưởng của ông rằng thủy triều lên xuống được cắt nghĩa từ chuyển động Copernicus của trái đất, những sai lầm đó cũng như các quan điểm thường lạ lùng đối với chúng ta của các người đương thời của ông chứng minh hệ thống tri thức của vật lý tiền cổ điển khác biệt thế nào với hệ tri thức của vật lý cổ điển. Nhưng sự chuyển tiếp giữa hai hệ thống đã diễn ra như thế nào và cuộc cách mạng khoa học đã thực hiện ra sao? Tính chất lâu dài của sự phát triển tri thức, điều quyết định cho sự lưu truyền tiếp nối qua các khoảng thời gian dài, như từ thời Cổ đại sang đến thời Cận đại, và sự lệ thuộc của nó vào các hoàn cảnh bên ngoài, như sự phát triển văn hóa đô thị với các khoảng không gian tự do và với những đòi hỏi của nó về trí thức kỹ thuật, chứng minh rằng có lẽ không có một công thức khái quát có hiệu lực nào cho cấu trúc của các cuộc cách mạng khoa học.

Tuy nhiên, cũng như trường hợp thuyết tiến hóa của các hình thái sự sống, người ta có thể nhận diện được một số cơ chế nhất định cho sự phát triển của tri thức làm cho quá trình chuyển hóa như thế dễ hiểu hơn. Trong đó có tình huống ngạc nhiên, rằng các bứt phá lớn về khái niệm, chẳng hạn nhận thức nguyên lý quán tính vốn có vai trò trung tâm trong vật lý cổ điển, phần lớn không diễn ra ở giai đoạn đầu mà ở giai đoạn cuối của một quá trình như thế - và chính là kết quả của một sự cơ cấu lại một hệ thống tri thức phát triển cao, chứ không phải của sự từ bỏ nó để nhường chổ cho một “hệ hình” hoàn toàn mới như Thomas Kuhn sẽ diễn giải.

Sự phát triển tiếp hệ thống tri thức của vật lý tiền cổ điển trước tiên được thúc đẩy bởi những thách thức mà các kỹ sư-khoa học gia như Galilei đối mặt. Mặc dù trên cơ sở còn chưa ổn định, sự phát triển này dẫn tới những kết quả (như sự nhận thức về hình dạng parabol của chuyển động đầu đạn chẳng hạn) đưa tới sự hình thành các khái niệm mới, những khái niệm sau đó lại chỉ ra con đường lý giải các nhận thức đã thu lượm được thuyết phục hơn.

Cho nên người ta không ngạc nhiên khi thấy định luật quán tính vẫn chưa đi vào hiện bên lề của suy nghĩ ông, nhưng được các học trò và những người đi sau ông nghiên cứu như một nền tảng cơ bản của họ một cách đương nhiên (Xem ảnh 11).

phần xây dựng của lý thuyết chuyển động của Galilei rõ nét, mà nhiều nhất chỉ mới xuất Sự chuyển hóa tri thức mà cuộc cách mạng của Galilei đem lại cũng được đặc trưng bằng một sự dịch chuyển trung tâm khái niệm, giống như trong “quá trình Copernicus”. Cũng như trong trường hợp Copernicus, thay vì trái đất thì mặt trời trở thành trung tâm của sự chuyển động của các hành tinh mà không làm mất đi các nhận thức kỹ thuật của thiên văn học lấy trái đất làm trung tâm, những nhận thức ban đầu vốn chỉ bên lề của hệ tri thức của vật lý tiền cổ điển nhưng có vai trò trung tâm cho việc xây dựng ngành vật lý cổ điển, ngành tuy với tính khái niệm khác nhau của nó cuối cùng được xây dựng trên những nhận thức của Galilei và các người đương thời của ông.

Jürgen Renn Người dịch: Nguyễn Xuân Xanh Jürgen Renn là Viện trưởng của Viện Max-Planck nghiên cứu lịch sử khoa học tại Berlin. Trọng tâm các nghiên cứu của ông bao gồm các cuộc cách mạng khoa học gắn liền với tên tuổi của Galileo Galilei và Albert Einstein.

Tư liệu tham khảo:

Bredekamp, H.: Galilei der Künstler. Der Mond. Die Sonne. Die Hand. Akademie Verlag, Berlin 2007.

De Padova, Th., và Staude, J.: Galilei, der Künstler. Trong: Sterne und Weltraum 12/2007, tr. 36-41.

Renn, J. (ed.): Galileo in Context. Cambridge University Press, 2001.

Schemmel, M.: The English Galileo. Thomas Harriot’s Work on Motion as an Example of Preclassical Mechanics, Springer, 2008.

Weblinks: www.astronomie-heute.de/artikel /968998