Tên sách: Kỷ yếu 2009 - Tập 1
400 năm thiên văn học và Galileo Galilei
Chủ biên: Chu Hảo, Nguyễn Quang Riệu, Trịnh Xuân Thuận, Nguyễn Xuân Xanh, Phạm Xuân Yêm
Khổ sách: 14x20,5 cm
Số trang: 456
Giá bìa: 80.000 đồng
Loại bìa: Mềm, tay gập
Xuất bản tháng 12/2009
Lời nói đầu
KỶ YẾU THIÊN VĂN 2009
Ai dám đặt ra giới hạn cho óc thông minh và năng khiếu khám phá của con người? Ai muốn khẳng định rằng tất cả những gì trong thế giới có thể trải nghiệm và nhận thức được đều đã được khám phá và nhận thức rồi?
Galileo Galilei
Bạn đọc quý mến,
Những năm qua, thế giới liên tiếp kỷ niệm chuỗi sự kiện quan trọng trong khoa học: 100 năm ra đời thuyết lượng tử (2000), 100 năm thần kỳ của Einstein và 50 năm ngày mất của ông (2005), sinh nhật thứ 150 của Max Planck, người khai sáng thuyết lượng tử (2008).
Cộng đồng khoa học Việt Nam rất vui mừng trước những sự kiện này và cố gắng tham gia đóng góp để tôn vinh các nhà khoa học và các lý thuyết khoa học đã góp phần soi sáng thế giới và đem lại sự phồn vinh cho nhân loại.
Năm nay, 2009, có nhiều sự kiện lịch sử, đặc biệt, nó được Liên Hiệp Quốc công bố là “Năm Thiên văn Quốc tế” để kỷ niệm 400 năm Galileo dùng kính thiên văn thám hiểm vũ trụ, và kỷ niệm tác phẩm Thiên văn học mới của Kepler; 2009 cũng là năm sinh nhật thứ 200 của Darwin cũng như 150 năm thuyết Tiến hóa của ông.
Nhân dịp này, UNESCO phối hợp với Hội Thiên văn Quốc tế IAU (International Astronomical Union) để tổ chức những hoạt động phổ biến thiên văn học trên toàn cầu. Đối với UNESCO, công việc giáo dục trong lĩnh vực khoa học là một động cơ thúc đẩy sự phát triển bền vững và sự tăng trưởng kinh tế́. UNESCO nhấn mạnh tầm quan trọng của thiên văn học, không những trong lĩnh vực khoa học cơ bản mà còn cả trong công việc thiết lập quan hệ giữa những quốc gia, nhằm bảo tồn những nền văn hóa rất đa dạng và duy trì hòa bình trên thế giới. Những nền văn minh trên Trái đất thường mang dấu ấn của thiên văn học. Di tích của những công trình kiến trúc cổ xưa đã được xây trên quy luật thiên văn.
Hưởng ứng Năm Quốc tế Thiên văn và Sinh học, với sự đóng góp của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước, chúng tôi xin giới thiệu với bạn đọc bộ Kỷ yếu 2009 gồm hai tập cho hai đề tài nói trên, 400 năm Thiên văn học và Galilei và 150 năm Thuyết tiến hóa và Charles Darwin, nói về lịch sử và sự tiến hóa của hai ngành khoa học này, và cũng để kỷ niệm hai nhà khoa học khai sáng vĩ đại của nhân loại là Galilei và Darwin.
Cũng là một sự tình cờ hết sức thú vị khi cũng trong năm này, một trong hai nhà khoa học quốc tế được UNESCO trao giải thưởng Kalinga vì đã có công “đóng góp vào việc đại chúng hóa khoa học” là Trịnh Xuân Thuận, Giáo sư thiên văn học tại Đại học Virginia, một thành viên trong nhóm chủ biên của Kỷ yếu 2009. Đó là một vinh dự lớn cho cộng đồng khoa học gia Việt Nam nói riêng, và cho người Việt Nam nói chung. Công việc làmKỷ yếu 2009 do đó rất hài hòa với mục đích truyền bá khoa học cho xã hội do UNESCO chủ trương.
Bạn đọc quý mến,
Năm 1609, Galileo Galilei hướng kính viễn vọng tự tạo của mình lên màn trời đêm và khám phá ra nhiều điều đáng ngạc nhiên. Ông thấy được vô số các vì sao mà mắt thường không thấy được, thấy núi, miệng núi lửa trên Mặt trăng, pha của nó, pha của Sao Kim (Venus), thấy các đám mây của dải Ngân hà hóa ra chỉ là vô số những đám sao, cũng như thấy các vệ tinh của Sao Mộc (Jupiter) quay xung quanh nó, chính là một hình ảnh thu nhỏ của Hệ thống Copernicus! Và ông thấy Trái đất của chúng ta chỉ là một trong vô số hành tinh của vũ trụ! Công bố nhanh chóng các kết quả quan sát được của ông trong quyển sách nhỏ của Thông điệp sao (Sidereus Nuncius) năm 1610 đã gây xôn xao lớn trong dư luận châu Âu bấy giờ. Những gì diễn biến trên trời đều rất nhạy cảm đối với người phương Tây. Trời vốn là quê hương của linh hồn. Linh hồn chúng ta đến từ Trời (Platon).
Với cuốn sách đó, ông trở nên nổi tiếng như một nhà thiên văn học tên tuổi trên khắp châu Âu và sau đó tại Trung Quốc, là người bênh vực cho thế giới quan Copernicus. Ông cảm thấy mình được nhận ân huệ của Chúa khi đã nhìn được cái bí mật của vũ trụ.
Năm 1632, khi Galilei công bố tác phẩm quy mô Dialog (Dialogue concerning the two chief world systems - Đối thoại giữa hai hệ thống thế giới chính) với ý đồ cải tạo thế giới quan của nhà thờ thì liền sau đó, 1633, nhà thờ đem Galilei ra trước Tòa án dị giáo xử tội “bị nghi ngờ dị giáo cao độ”. Ông bị tù chung thân dưới hình thức giam lỏng, phải quỳ gối đọc bản “thú tội” trước tòa án tự chối bỏ khoa học của chính mình, để khỏi chuốc lấy cái chết trên giàn hỏa thiêu như Gordiano Bruno 33 năm trước đó. Trong những ngày sống trong tù giam lỏng và bệnh tật, Galilei đã quyết tâm hoàn thành tác phẩm thứ hai của đời mình Discorsi (Discourses and Mathematical Demonstrations Relating to Two New Sciences - Nghi luận và Chứng minh toán học liên quan đến hai ngành khoa học mới) như một sự trả lời đanh thép trước Giáo hội La Mã: “Nhưng Trái đất vẫn quay!”. Tác phẩm này chính là cơ sở của ngành vật lý hiện đại, và cùng với các tác phẩm thiên văn học của Kepler, được hoàn chỉnh bởi Newton với tác phẩm Principia chỉ trong năm mươi năm sau.
Johannes Kepler, dựa vào số liệu quan sát rất chính xác của Tycho Brahe để lại đối với Sao Hỏa, đã tìm ra định luật chuyển động của các hành tinh: chúng chuyển động quay xung quanh Mặt trời trên những quỹ đạo hình ellip, chứ không phải hình tròn như người ta đã giả định từ thời Cổ đại, và năm 1609 ông đã công bố những kết quả đó trong cuốn sách mang tên Thiên văn học mới (Astronomia Nova). Cuộc khám phá này đầy li kì.
Quan niệm vũ trụ cho đến đầu thế kỷ 17 vẫn xem Trái đất là trung tâm điểm đứng yên của vũ trụ, các vì sao, kể cả Mặt trời, quay xung quanh Trái đất trên những hình cầu lớn nhỏ khác nhau. Hai cuộc phám phá của Galilei và Kepler xác định thế giới quan cách mạng mà Nicolaus Copernicus công bố năm 1543 tại Nürnberg trong tác phẩm De revolutionibus orbium coelestium (Về sự quay tròn của các thiên cầu) là đúng đắn: Trái đất không phải là trung tâm đứng yên của thế giới, mà quay xung quanh Mặt trời. Cơ học thiên thể và ngành thiên văn hiện đại, đặc biệt là thiên văn bằng kính viễn vọng, được khai sinh.
Cuộc chạm trán của Galilei với nhà thờ La Mã có ý nghĩa thời đại. Galilei không những là nhà thiên văn học, mà còn là nhà vật lý học và toán học, người kỹ sư, tượng trưng cho thời đại mới đang lên. Ông nghiên cứu rất nhiều vấn đề mới mẻ, như sự rơi tự do, định luật chuyển động của con lắc, chuyển động của các vật thể, khái niệm vận tốc, gia tốc, khái niệm quán tính, nguyên lý tương đối, nghiên cứu động lực học và tĩnh học… Những đóng góp đặc biệt của Galilei vào việc làm “tan băng giáo điều kinh điển” nặng nề của thời Trung cổ là rất lớn. Các phương pháp nghiên cứu của ông là nền tảng của khoa học hiện đại. Tác phẩm của ông là quyển sách của tự nhiên (vũ trụ) được viết bằng ngôn ngữ của toán học, như ông viết, và nếu không có các phương tiện toán học thì người ta không thể nào đọc được nó, dù chỉ một chữ. Đối với ông, ngôn ngữ toán học đó là hình học. Sang thời Newton và Leibniz thì ngôn ngữ đó chính là toán vi tích phân.
Einstein đã gọi Galilei là “cha đẻ của vật lý hiện đại, và thực tế là của khoa học hiện đại”, trong khi người ta gọi Kepler là cha đẻ của nền thiên văn hiện đại. Họ là những con người khổng lồ mà 50 năm sau, Newton sẽ “đứng trên vai” họ (cũng như trên vai của Descartes và Huygens), và thế kỷ 17 trở thành “thế kỷ Ánh sáng” và thế kỷ của “những anh hùng” trong khoa học của nhân loại.
Thời đại của Galilei là thời đại của sự bừng tỉnh của khoa học sau đêm dài một ngàn năm rưỡi của thời kỳ Trung cổ. Chủ nghĩa kinh viện là một sự gián đoạn và thụt lùi đối với khoa học. Tư duy kinh viện là bó hẹp, hình thức chủ nghĩa và có tính chất độc đoán. Khái niệm ‘tiến bộ’ không có. Đối với giới học giả Trung cổ, tất cả tri thức đã được nghiên cứu xong rồi và được ghi thành khuôn vàng thước ngọc trong sách vở, công việc của họ chỉ còn là “diễn giải” chúng thôi. Bộ máy khoa học bị thoái hóa đến độ trở thành ngây ngô, buồn cười, và xuống cấp so với thời Aristoteles, mặc dù ai cũng dựa vào Aristoteles vanh vách. Một nhà triết học ở Pisa đã từng lý luận rằng “Tất cả cái gì chuyển động phải có chân. Trái đất không có chân, do đó không thể chuyển động!” (Vị này quên đi hình ảnh con rắn). Thành tích cá nhân không có. Cái “đáng giá nhất” trong cái kho thiên văn học của các nhà thông thái bấy giờ có lẽ chỉ là mấy đường cong epicycloid đã được Ptolemaios vẽ ra trong tưởng tượng để bắt các hành tinh chạy trên đó như làm xiếc, để giải thích các quan sát đứng từ Trái đất mà ông ngỡ là trung tâm.
Nghiên cứu thực nghiệm, cái rất thiếu cho nghiên cứu khoa học như cơ thể thiếu máu, xuất hiện trong thời đại Galilei, biểu hiện một kiểu tư duy cách mạng, ngược lại với cách tư duy kinh viện của Trung cổ. Một cách đáng ngạc nhiên, khuynh hướng này truyền đi từ Ý qua châu Âu đến các nước Hà Lan, Pháp, Đức nhanh chóng hơn các khuynh hướng khác. Trong khi các nhà nghệ thuật vẫn còn lấy các câu chuyện của Thánh kinh và lịch sử Cổ đại làm nguồn cảm hứng thì khoa học đã thoát ra khỏi các trói buộc của cách tư duy cũ: nó tiến thẳng đến thí nghiệm trong vật lý và y học. Chính thí nghiệm và những nhận thức rút ra từ đó giúp con người rũ bỏ những giáo điều kinh điển để bước ra khỏi đêm tối Trung cổ. Nói cách khác: thí nghiệm, hay lý tính thực hành, chính là sự khai tử của chủ nghĩa kinh viện và là bình minh của thời đại mới.
Chính định mệnh đau buồn cùng các tác phẩm của Galilei là những nhân tố đã đem lại cho nghiên cứu tự do động cơ mạnh mẽ nhất. Thời đại của sự bừng tỉnh của nghiên cứu tự nhiên trên khắp châu Âu đã tới. Có thể kể ra một loạt tên tuổi của những nhà cách mạng quan trọng nhất đã đóng góp vào cuộc cách mạng vĩ đại này: Nicolaus Copernicus, Paracelsus, William Gilbert, Tycho Brahe, Francis Bacon, Johannes Kepler, Galileo Galilei, William Harvey, René Descartes, Pierre de Fermat, Evangelista Torricelli, Blaise Pascal, Christiaan Huygens, Isaac Newton và Gottfried Wilhelm von Leibniz.
Sau nhiều cuộc cách mạng, đặc biệt bắt đầu từ những thập niên đầu của thế kỷ 20, ngày nay chúng ta biết khá nhiều về vũ trụ. Trái đất là một trong tám hành tinh của Thái Dương hệ. Mặt trời là một trong ít nhất trăm tỉ vì sao trong dải Ngân hà. Dải Ngân hà có “đường kính” khoảng 100.000 năm ánh sáng, là một thiên hà (galaxy) tiêu biểu trong ít nhất trăm tỉ thiên hà trong vũ trụ mà con người nhìn thấy được. Khoảng 75% thể tích vũ trụ là những khoảng không gian rỗng mà ở các “bức tường” của nó có các đám thiên hà được phân bổ. Ngân hà chúng ta là một trong một đám khoảng 30 thiên hà nằm trong tầm hấp dẫn của một đám lớn hơn của khoảng 100 Ngân hà; đám này lại nằm trong tầm hấp lực của một đám vĩ đại hơn gồm 100.000 thiên hà. Người láng giềng gần nhất của Ngân hà chúng ta, thiên hà Andromeda, cách chúng ta đến 2,25 triệu năm ánh sáng.
Tương tự như các chủng loài trên quả đất, vũ trụ cũng có lịch sử, mà thuyết tiến hóa của nó được các nhà vật lý chấp nhận rộng rãi hiện nay là thuyết Big Bang với vụ nổ tiên khởi xảy ra vào khoảng 14 tỉ năm trước. Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein năm 1917 lần đầu tiên mô tả được sự tiến hóa này. Những diễn biến lịch sử tiến hóa để lại dấu ấn quyết định của nó trên bình diện hạt cơ bản, lực và các hằng số tự nhiên.
Người ta không biết vụ nổ lớn có phải là một sự “chuyển pha” hay không (phase transition, như các hiện tượng nóng chảy, bốc hơi, ngưng tụ), nghĩa là một sự chuyển biến trạng thái mang tính chất “kịch tính” (critical change) từ một tiền-vũ trụ hay không, hay là một sự thăng giáng (fluctuation) ngẫu nhiên trong một chân không lượng tử. Từ vụ nổ, vũ trụ đã làm một loạt giai đoạn chuyển pha, như giai đoạn lạm phát, giai đoạn năng lượng biến thành vật chất tiên khởi của vũ trụ. Trước hay sau đó, “lực tiên khởi” của vũ trụ, siêu hấp lực, từng bước được phân tán ra thành bốn tương tác căn bản của tự nhiên: hấp lực, lực hạt nhân yếu và mạnh cũng như lực điện từ. Sau cùng, các proton và neutron hình thành, tạo ra các nguyên tử được biết đến ngày nay.
Trong tất cả những sự chuyển pha quan trọng này để sinh ra các hạt và lực, các vi phạm (phá vỡ) đối xứng đóng vai trò quyết định. Ở các năng lượng cao có một sự đối xứng lớn (siêu đối xứng) trong vũ trụ. Với sự dãn nở và nguội đi của không gian, đối xứng bị phá vỡ. Do đó có nhiều lực và nhiều hạt cơ bản. Cho nên, cấu trúc của vũ trụ hiện nay chủ yếu là một chuỗi các sự chuyển pha kèm theo sự phá vỡ đối xứng. Sự nghiên cứu các hạt cơ bản hiện nay góp phần hiểu sự tiến hóa của vũ trụ.
Sự biến đổi lớn cuối cùng của vũ trụ bắt đầu khoảng năm tỉ năm trước đây. Từ đó đến nay, vũ trụ bành trướng ngày càng nhanh hơn. Hiện tượng dãn nở gia tốc hiện nay của vũ trụ là một trong những cái khó hiểu nhất của vũ trụ học hiện đại, vì không ai hình dung được cái gì đứng đằng sau sự phình ra ấy. Nhiều nhà vật lý thiên văn đang quy nó về “năng lượng tối”, có lẽ là điều kỳ bí lớn nhất của ngành vật lý. Có hay không năng lượng tối đó, và tác động của nó vào vũ trụ thế nào? Kết hợp với ngành vật lý hạt cơ bản, thuyết Big Bang đã dẫn đến những kết quả làm sáng tỏ phần nào những vấn đề liên quan đến nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Những thiết bị thiên văn ngày càng hiện đại sẽ được dùng để thăm dò thật sâu, xa nhằm quan sát vũ trụ trong trạng thái nguyên thủy. Những máy gia tốc lớn cũng có thể tái tạo trong phòng thí nghiệm một môi trường tương tự như vũ trụ nguyên thủy. Như vậy, thiên văn và vật lý bổ túc cho nhau, giúp chúng ta hiểu được sự vận hành của những thiên thể, sự tiến hóa của vũ trụ và xác định vị trí của con người trong không gian. Thiên văn vật lý (astrophysics) đang trở thành thiên văn vật lý hạt (astro-particle physics).
Ngoài ra, các nhà thiên văn đã tìm thấy hàng trăm hành tinh nằm ở bên ngoài Hệ Mặt trời, mà phần lớn là những hành tinh khổng lồ và nặng như hành tinh Mộc, chứa toàn là khí. Họ bắt đầu sử dụng những kỹ thuật quan sát hiện đại có độ nhạy cao, nhằm phát hiện loại hành tinh có vỏ rắn chắc và nhỏ như Trái đất có khả năng chứa sự sống. Sự phát hiện ra những hành tinh xa xôi ở bên ngoài Hệ Mặt trời là điều kiện tiên quyết để phát hiện những nền văn minh trong dải Ngân hà, bởi vì sự sống trường tồn như trên Trái đất chỉ có thể tồn tại trên những hành tinh mà nhiệt độ và điều kiện lý-hóa không quá khắt khe. Các nhà thiên văn đã phát hiện được trong dải Ngân hà rất nhiều hóa chất, đặc biệt là những phân tử hữu cơ có khả năng dẫn đến sự hình thành axit amin. Loại phân tử sinh học này có vai trò trung tâm trong qúa trình hình thành của sự sống trên trái đất và có thể cả trên những hành tinh khác. Sự săn tìm axit amin trong vũ trụ là một đề tài quan trọng về mặt khoa học cũng như về mặt triết học. Có phải chúng ta là những sinh vật thông minh duy nhất trong vũ trụ? Từ ba thập niên gần đây, các nhà thiên văn vô tuyến đã ra công tìm kiếm trong dải Ngân hà phân tử glycine, loại axit amin đơn giản nhất, nhưng vẫn chưa có kết quả. Với những kính thiên văn quang học và vô tuyến có kích cỡ cực lớn sắp được đưa vào sử dụng, các nhà thiên văn hy vọng sẽ thành công. Quan niệm chỉ có một - tức là nhân loại chúng ta trên Trái đất - hay nhiều nền văn minh khác trong dải Ngân hà cũng là một đề tài nghiên cứu thiên văn đang thịnh hành.
Bạn đọc quý mến,
Thiên văn và tiến hóa đều có chung một ý nghĩa: đi tìm nguồn gốc sâu xa của con người trong vũ trụ và trên mặt đất, nối liền quá khứ và tương lai của vũ trụ mà những cái huyền bí của nó, tuy nghiên cứu khoa học đã có cực kỳ phát triển, nhưng vẫn chưa được hiểu hết. Hai số Kỷ yếu 2009muốn gợi lên cho thanh niên và cộng đồng người Việt có sự quan tâm đặc biệt đến các vấn đề của con người và vũ trụ, và có ý thức bảo tồn hơn sự sống trên Trái đất. Con người là sản phẩm tuy không hoàn hảo của tạo hóa, nhưng rất độc đáo và vô giá. Chúng ta mang trong người không những các “vết xưa” của cuộc tiến hóa trên mặt đất, mà còn mang những dấu vết của tiến hóa vũ trụ hàng tỉ năm trước. Từ đâu có các nguyên tố sắt trong cơ thể chúng ta, nếu không phải từ các vụ nổ supernova? Làm sao để có một hành tinh như Trái đất của chúng ta với những điều kiện thuận lợi cho sự nảy nở và phát triển của sự sống: ở một khoảng cách vừa phải đối với Mặt trời, để khỏi bị nóng cháy hay giá buốt; có một trọng lượng vừa phải để giữ được bầu khí quyển bền vững; quay với tốc độ vừa phải xung quanh trục của nó để bề mặt của nó không bị nóng cháy hay băng giá bởi ánh sáng mặt trời? Cho nên chúng ta lại càng trân trọng sự sống trên Trái đất, càng đóng góp cho nó phát triển không phải theo tăng trưởng thuần túy, mà theo bền vững. Chỉ có phát triển bền vững mới giúp con người và các chủng loài thoát khỏi những thảm họa khủng khiếp trong tương lai.
Kỷ niệm 400 năm thiên văn, chúng ta cũng không quên kỷ niệm cuộc đời và tác phẩm của Galilei, con người khai sáng của nhân loại, để suy ngẫm về những bài học đắt giá của quá khứ mà ngày nay hơn bao giờ hết xã hội cần cảnh giác. Bánh xe vinh quang của lịch sử đã lăn trên xác những người con ưu tú của thế giới. “Nhưng rồi Trái đất vẫn quay”, chân lý ấy vẫn sáng mãi, không một bàn tay quyền lực u tối nào che khuất được.
Chúng tôi xin cảm ơn tất cả đóng góp quý báu của Anh Chị gần xa để làm nên hai số Kỷ yếu đượm chất khoa học và nhân văn. Xin chân thành cám ơn Đài Quan sát Thiên văn Paris đã có nhã ý tài trợ cho công việc kỷ niệm này. Và mong bạn đọc đón nhận Kỷ yếu trong sự cảm thông cho những gì còn thiếu sót.
Nguyễn Xuân Xanh và Ban chủ biên
MỤC LỤC
Lời nói đầu
Nguyễn Xuân Xanh và Ban chủ biên
Cuộc cách mạng của Galilei và sự chuyển hóa tri thức
Jürgen Renn
Bước tiến mới trong vật lý tia vũ trụ
Pierre Darriulat
Vũ trụ: từ buổi bình minh đến thời đại nảy sinh sự sống
Nguyễn Quang Riệu
Nhà khoa hoc lang thang trên Dải Ngân hà
Nguyễn Đức Phường
Không-Thời gian ký sự Từ Galilei đến Majorana
Võ Văn Thuận
Địa Trục, Thiên Hà
Phạm Xuân Yêm
Nước ở ngoài hệ mặt trời
Thérèse Encrenaz
Observations from Space at submillimeter wavelength open a new window on the Universe
P. Encrenaz & Beaudin
The International Year of Astronomy 2009 in Asia: bringing a rich past into the modern world
Catherine Cesarsky, Pedro Russo, Kevin Govender , Lee Pullen
Phát triển ngành thiên văn ở Việt Nam
Nguyễn Đức Phường
Vài điều về cách sử dụng ngôn từ trong Thiên văn học
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Và con người đã tạo ra vũ trụ
Trịnh Xuân Thuận
Khai sinh của một ngôi sao
Nguyễn Lương Quang
Từ αβγ tới vũ trụ học chính xác
Mike Turner
Năm quốc tế thiên văn 2009 với Việt Nam
Nguyễn Đình Noãn
Galileo Galilei và “Eppur si muove”
Nguyễn Xuân Xanh
