VẬT LÝ VŨ TRỤ
Cùng năm Bruno lên giàn hoả thiêu đã xảy ra một sự kiện không kém phần quan trọng trong lịch sử khoa học so với cuốn sách của Copernic. Một thầy giáo môn toán trường dòng Luther ở thành phố Graz thuộc nước Áo tên là Johannes Kepler đến Praha theo lời mời của Tycho Brahe, nhà thiên văn (cung đình của hoàng đế Rudolph II của đế quốc la mã Thần Thánh.
Tycho Brahe (1546 - 1601) là một người Đan Mạch, xuất thân từ dòng họ quý phái và giàu có, có trình độ học vấn. Ông đã học luật ở trường đại học tổng họp Copenhague, sau đó chuyển về Leipzig, nơi ông bắt đầu tiến hành một cách hệ thống những quan sát thiên văn và quyết tâm hiến dâng cả cuộc đời mình cho ngành khoa học này. Có một vài sự kiện đã chi phối quyết định của ông. Một là, từ lúc còn ở Copenhague ông đã quan sát hiện tượng nhật thực xảy ra ngày 21 tháng 8 năm 1560 đã được dự báo trước và chính dự báo đó đã hấp dẫn chàng trai. Hai là vào tháng 8 năm 1563 tại Leipzig, ông đã quan sát hiện tượng giao hội (sự xích lại gần nhau tối đa trên trời) của Sao Mộc (Jupiter) và Sao Thổ (Saturn). Ngày tháng xảy ra những sự kiện đó được ghi trong ''Các bảng thiên văn của nước Phổ'' một tên gọi của nước Đức trước năm 1945). Các bảng biểu này do nhà toán học Đức Erasm Rheingold lập ra trên cơ sở lý thuyết Copernic, tuy có sai lệch mấy ngày. Các sai số trong các ''bảng thiên văn Alphonse'' (đặt theo tên vua Alphonse X xứ Astille thuộc Tây Ban Nha ngày nay) lập ra trên cơ sở lý thuyết Ptolemy, còn lớn hơn, tới gần một tháng. Khả năng về nguyên tắc đoán trước các hiện tượng tương tự cũng như những tồn tại về sai số tính toán đã thôi thúc Brahe bắt đầu quan sát các thiên thể một cách hệ thống và lâu dài. Ông luôn luôn cố gắng nâng cao độ chính xác của những quan sát và cố gắng tạo ra những dụng cụ thiên văn càng ngày càng hoàn thiện.
Ngày 15 tháng 11 năm 1572 xảy ra một sự kiện nữa làm Brahe sửng sốt. Trên bầu trời xuất hiện một ngôi sao mới với độ sáng khác thường trong chòm sao Tiên Hậu (Cassiopeia). Sự kiện đó không một ai có thể đoán trước. Hơn thế nó lại mâu thuẫn với vật lý Aristotle vì theo lý thuyết này, mọi thiên thể đều cố định và vĩnh hằng. Sự xuất hiện ngôi sao mới gây chấn động không riêng với Brahe mà với cả châu Âu. Nhưng chỉ có Ông tiến hành đo đạc hàng ngày một cách kỹ lưỡng vị trí của ngôi sao đó. Thành quả quan sát của ông được phản ánh trong cuốn “Về một ngôi sao mới” (1573). Lần đầu tiên trong lịch sử tư liệu khoa học, phần trình bày chi tiết các thiết bị nghiên cứu và phương pháp đo lường cùng với kết quả đã chiếm một nửa cuốn sách. Brahe rút ra kết luận như sau: ngôi sao mới không nằm trong khoảng không gian dưới Mặt Trăng như quan điểm của nhiều người, bởi sôi sao ấy không có thị sai và những khoảng cách góc đến các sao khác trong chòm Tiên Hậu không hề thay đổi. Ngôi sao mới ấy theo phải được xếp vào thiên cầu cố định, mà điều này không tương ứng với lý thuyết Aristotle về sự bất biến của khoảng không gian dưới Mặt Trăng.
Kết luận ấy sau này được củng cố những quan sát của ông về các sao chổi nhưng sao chổi này cũng không có thị sai. Những sao chổi cũng như ngôi sao mới năm 1572 đành phải xếp vào thiên cầu phía trên Mặt Trăng, như thế cũng không ăn nhập với lý thuyết Aristotle. Tuy nhiên Brohe cũng không thừa nhận các quan điểm của Copernic. Trước tiên, ông băn khoăn ở chỗ một khi coi con người đã không ở trung tâm Vũ Trụ thì đó là điều mâu thuẫn với Kinh Thánh.
Thế nhưng đã có những luận chứng từ thời Cổ đại và Trung đại: nếu Trái Đất vận hành theo quỹ đạo thì phải quan sát thấy thị sai đối với các ngôi sao cố định điều mà Brahe không thể phát hiện dù ông có trong tay những dụng cụ tối tân nhất của mình. Nếu Trái Đất quay xung quanh trục mỗi ngày một vòng thì hòn đá rơi từ đỉnh cột buồm không thể rơi xuống chân cột mà phải lệch sang phía Tây. Cách lý giải ấy thôi thúc Brahe thiết lập một hệ thống Vũ Trụ của riêng mình, trong đó Trái Đất đứng yên và ở trung tâm Vũ Trụ. Mặt Trăng và Mặt Trời quay xung quanh Trái Đất Sao Thủy, Sao Kim, Sao hỏa và những hành tinh khác đã biết trong hệ Mặt Trời thì xoay quanh Mặt Trời giống như trong học thuyết Copernic.
Lý thuyết của nhà thiên văn Đan Mạch ấy đã tìm được những đồng minh sôi nổi trong số những tu sĩ Dòng Tên, những người sau Cộng đồng Trent đã trở thành những người thể hiện các quan điểm khoa học của Công giáo La Mã. Họ kịch liệt bác bỏ những ý đồ giải thích Kinh Thánh một cách phúng dụ, kể cả những luận điểm về Trái Đất đứng yên và Mặt Trời chuyển động.
Suốt cuộc đời mình Tycho Brahe thu thập một khối lượng khổng lồ những quan sát được thực hiện với độ chính xác phải nói là cao, với sự cẩn thận, tính hệ thống nhưng ông không có đủ sức lực và thời gian để xử lý. Toàn bộ việc xử lý sẽ được thực hiện bởi Johannes Kepler (1571 - 1630).
Tycho Brahe không thể có lựa chọn tốt hơn. Trước hết, Kepler rất thích những con số và những phép tính. Thế nhưng, cấu trúc Vũ Trụ luận theo kiểu Brahe thì ông không thích. Kepler hồ hởi tiếp nhận ý tưởng của Copernic bởi lý thuyết ấy tương ứng với Vũ Trụ quan của phái Pythagoras. Có thể nói Kepler là một người thiên về thuyết Pythagoras hơn là thuyết Copernic. Ở trung tâm Vũ Trụ theo ông phải là ''Ngọn Lửa Trung Tâm'', nguồn gốc của mọi chuyển động. Thế là Kepler đã rời xa vũ trụ học của Aristotle, ông không những đưa Mặt Trời vào trung tâm Vũ Trụ mà còn xem đó là dộng lực ban đầu.
Trong những quan sát của Brahe những quan sát Sao Hỏa chiếm vị trí quan trọng. Tính toán quỹ dạo hành tinh này thường là việc khó khăn đặc biệt cho các nhà thiên văn bởi vì, như về sau đã phát hiện ra, quỹ đạo Sao Hỏa khác hình tròn hơn quỹ đạo của bất kỳ một hành tinh nào khác trong hệ Mặt Trời. Kepler nghe rằng lý do những sai lầm của những người đi trước ông bắt nguồn từ sự khiếm khuyết của hệ thống Ptolemy và ông tính quỹ đạo Sao Hỏa theo hệ thống Copernic. Kết quả khá hoàn mỹ: vị trí thực của Sao Hỏa chênh lệch với tính toán không quá 8 phút (đơn vị đo góc và cung) nhưng Kepler vẫn không thỏa mãn với điều đó. Kepler tuyệt đối tin tưởng vào độ chính xác trong các phép đo của Brahe và khẳng định rằng sai lầm thuộc về cơ sở tính toán.
Thế là ông lại đắm mình vào những phép tính dài và cuối cùng đã xác định được quỹ đạo của Sao Hỏa có dạng elip. Sau đó ông mở rộng kết luận này tới các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời và từ đấy ra đời định luật Kepler thứ nhất.
Lý thuyết Ptolemy về bản chất bắt nguồn từ toán học, nghĩa là dồn tất cả chuyển động của các thiên thể được quan sát vào một hệ thống các đường tròn phức tạp. Kepler cũng quan tâm đến cơ chế chuyển động mặc dầu ông chưa hiểu chúng thuộc loại hình nào.
Những cố gắng đầu tiên của Kepler mang tính huyền nhiệm hơn là vật lý Kepler muốn giải thích cấu trúc hệ Mặt Trời bằng cách đặt các khối đa diện đều vào giữa các thiên cầu. Sau khi biết có các nghiên cứu về từ tính và nam châm của Willlam Gilbert, được trình bày trong khảo luận ''Về nam châm, các vật nam châm và về nam châm lớn Trái Đất'' (năm 1600), Kepler đã gắng công gán cho các lực tác dụng trong Vũ trụ là các lực lực từ tính. Mặt Trời 
được xem như một thanh nam châm khổng lồ, một cực nằm ở trung tâm cực kia phân bố đều trên mặt cầu. Bằng cách nào đó nhà bác học hy vọng giải thích được hiện tượng tiến gần và rời xa Mặt Trời của các hành tinh. Kepler phát hiện ra vận tốc của các hành tinh khi ở gần Mặt Trời lớn hơn khi ở xa, thậm chí còn tìm ra định luật định lượng: vận tốc của các hành tinh trên quỹ đạo sẽ có giá trị sao cho diện tích quét bởi đoạn thẳng nối Mặt Trời - hành tinh là bằng nhau, tương ứng với những khoảng thời gian bằng nhau. Đó là định luật thứ hai của Kepler.
Thử nghiệm cuối cùng của nhà bác học là tìm ra một định luật chung của của kết cấu Vũ Trụ dựa trên ý tưởng kinh của phái Pythagoras về ''âm nhạc của các thiên cầu''. Kepler nghĩ mỗi hành tinh khi chuyển động trên quỹ đạo phát ra một nhạc điệu, mà âm sắc tỉ lệ với vận tốc. Theo giai thoại, Pythagoras khẳng định đã nghe thấy những âm thanh hợp nên bản hoà âm thần thánh của Vũ Trụ mà người trần mắt thịt không nghe thấy. Khi ra sức tính toán âm sắc nhạc điệu của từng hành tinh Kepler đã tìm ra định luật thứ ba của mình: tỉ lệ các bình phương của chu kì quay của các hành tinh xung quanh Mặt Trời bằng tỉ lệ các lập phương (luỹ thừa bậc ba) của các khoảng cách trung bình của chúng đến Mặt Trời.
JOHANNES KEPLER
Kepler đã viết tự sự về bản thân mình như sau: ''Thời gian cho dù ngắn ngủi trôi qua không mang lại kết quả gì cũng gây cho anh ta một nỗi đau. Mà đâu có phải anh ta đã lánh xa xã hội loài người! Về tiền nong, anh gần như keo kiệt, hà tiện tới mức tối thiểu, chặt chẽ trước những việc vặt, với tất thẩy mọi điều gì dẫn tới sự lãng phí thời gian. Anh ta lại ghê sợ công việc đến mức chỉ có sự ham mê hiểu biết mới ngăn được anh ta không vứt bỏ những gì đã bắt đầu, tuy thế cái mà anh ham muốn vươn tới mới đẹp đẽ làm sao và trong nhiều trường hợp anh đã tiếp cận được chân lý.
Kepler là người thích viết. Ngoài các khảo luận tràng giang đại hải mà, phần lớn cho đến nay chưa được dịch, kể cả sang tiếng Anh, di sản khoa học rộng lớn của ông bao gồm cả những thư từ trao đổi và bàn luận về những chủ đề khác nhau, trong đó có cả về gia đình. Ông và bản thân ông.
Tuy Kepler không bị thiêu trên giàn lửa như Trung, không chịu cực hình vì những phát minh như Galilei, ông vẫn phải hứng chịu cảnh tha phương, đầy khổ ải. Giáo hội đã ra lệnh trục xuất ông và gia đình, trong vòng 24 giờ phải ra khỏi thành phố quê hương. Những ông vua mà ông từng phục vụ đã không trả lương cho ông hàng năm trời. Người vợ đầu của ông đã lâm bệnh nặng và những năm tháng cuối đời không còn nhận ra được chồng con.
Kepler sinh ngày 27 tháng 12 năm 1571 ở Weil-der-stadt, một thị trấn nhỏ thuộc vùng Schwaben, miền Nam nước Đức, hồi ấy chỉ vẻn vẹn có hơn 200 gia đình. Ông nội Kepler thuộc lớp quý tộc địa phương một thời đã từng là thị trưởng. Người cô nội của Johannes bị thiêu sống vì bị gán tội phù thuỷ; mẹ ông may mắn thoát khỏi giàn lửa. Bố ông sống lang bạt, đăng lính vào đội quân của công tước Albe đánh nhau ở Hà Lan, một lần suýt bị treo cổ, sau đó biệt tăm có lẽ đã chết.
Thế nhưng, về mặt nào đó, Kepler vẫn còn vận may. Công tước xứ Wurtemberg, vùng Schwaben muốn các linh mục giáo phái Luther có học vấn tốt để thắng phe Công giáo trong các cuộc tranh cãi. Nhờ vậy, Kepler được đào tạo chu đáo không mất tiền, đầu tiên trong trường dòng Adelberg, sau đó ở trường đại học Tubingen. Thật ra ông chưa tốt nghiệp khoa thần học ở Tubingen. Lãnh đạo trường đã chỉ định ông làm giáo viên toán trong một trường dòng Luther ở thành phố Graz thuộc nước Áo, thay thế một giáo viên toán vừa qua đời. Graz vốn là một thành phố nhỏ bé, xa xôi, nơi những tín đồ đạo Tin Lành luôn luôn bị đàn áp. Tuy
vậy, chính ở đây Kepler đã học được khá nhiều về toán, đoạn tuyệt với ước mơ trở thành nhà thần học và ý tưởng mới xuất hiện trong ông: ''Bây giờ tôi đã nhận ra rằng với sự cần mẫn thông qua thiên văn học tôi có thể tôn vinh Chúa Trời''. Năm 1596, ông cho ra đời công trình đầu tiên ''Sơ thảo các khảo luận Vũ Trụ học mô tả chứa đựng bí ẩn Vũ Trụ học về các mối liên quan đáng ngạc nhiên giữa các quỹ đạo thiên thế cũng như những cơ sở đích thực và thoả đáng những con số, những độ lớn và những chuyển động theo chu kỳ, thường được gọi ngắn gọn hơn là ''Bí mật Vũ Trụ học mô tả''. Và thế là, số phận Kepler đã thay đổi cơ bản: cuốn sách là cái cầu nối để ông làm quen với Galilei, cũng như là căn cứ để ông được mời đến Praha làm trợ lý cho nhà thiên văn của hoàng đế Tycho Brahe. Năm 1600 Kepler đến xứ Séc. Một năm sau Brahe đột ngột qua đời và Kepler thay chỗ ông. Từ đó đến năm 1612 ông trở thành nhà toán học cung đình và nhà thiên văn của hoàng đế của đế quốc La Mã Thần thánh Rudolph II (1576-1612). Tại đây không một ai truy bức ông về tín ngưỡng đạo Tin lành và sự trung thành với lý thuyết Copernic bởi trong số những người bao quanh vua Rudolph II còn có những quan điểm kỳ quặc hơn các nhà ma thuật và giả kim thuật. Nhưng sau khi hoàng đế băng hà và cuộc chiến tranh Ba Mươi Năm (1618 - 1648) bắt đầu mọi việc đều thay đổi. Đối với những tín đồ công giáo, Kepler người theo đạo Tin Lành bị coi là kẻ tà đạo, còn những tín đồ giáo Luther giáo lại xem ông là kẻ lạc loài vì đã có cảm tình với những quan điểm của Jean Calvin. Kepler không thể thoả hiệp trong những tín điều tôn giáo của mình vì chúng gắn với những quan niệm Vũ Trụ học.
Như đã biết, những người theo học thuyết Pythagoras cho rằng nguồn gốc sức mạnh làm cho Vũ Trụ chuyển động là Ngọn Lửa Trung Tâm. Theo họ thì nguồn gốc ấy đồng nhất với Thượng đế. Copernic đưa Mặt Trời vào trung tâm Vũ Trụ, đặt Thượng đế vào vùng ngoại vi của thế giới, thậm chí ngoài giới hạn thế giới. Như vậy có nghĩa là Mặt Trời tách rời khỏi những thuộc tính của Thượng Đế và mất khả năng tác động đến các hành tinh quay xung quanh mình. Hơn thế nữa, theo Copernic, nói chính xác hơn, không phải Mặt Trời mà là tâm quỹ đạo của Trái Đất nằm ở trung tâm Vũ Trụ và so với nó, Mặt Trời có xê dịch ít nhiều. Kepler không tán thành lý thuyết kiểu này. Ông gắn cho Mặt Trời chức năng vừa mang thuộc tính của Thượng đế vừa mang tính chất vật lý, bằng cách đặt Mặt Trời vào trung tâm Vũ Trụ và trả lại cho nó trách nhiệm phải điều hành toàn bộ chuyển động của Vũ Trụ. Vị trí trung tâm của Mặt Trời, đối với Kepler là sự thể hiện giáo điều về Đấng Ba Ngôi (một trong những giáo điều của đạo Kitô - Ba Ngôi gồm Chúa Cha, Chúa Con và Thánh Thần).
Chúa Cha là Mặt Trời, động lực nguyên khởi; Chúa Con là thiên cầu của những ngôi sao cố định; Thánh Thần là một sức mạnh tàng ẩn, toả ra từ Chúa Cha xuyên khắp Vũ Trụ và bắt Vũ Trụ phải chuyển động.
Kepler đã làm rất nhiều việc để phát triển không những môn thiên văn học và Vũ Trụ học mà còn cả quang học. Từ đầu thế kỷ XVII khi quan sát Mặt Trời bằng ''buồng tối”, ông đã mô tả nguyên lý tạo ảnh trong cái hộp đó gần giống như trong môn quang hình học hiện đại. Năm 1602, Kepler là người đầu tiên mô tả chuẩn xác hoạt động của con mắt người, dự đoán ảnh thu được trên võng mạc, chứ không phải ở trong thủy tinh thể như quan niệm trước đó. Ông hiểu rằng, thủy tinh thể hội tụ các tia sáng trên võng mạc cũng như các thấu kính hội tụ chúng trên tờ giấy. Ông chưa biết một cách chuẩn xác định luật khúc xạ ánh sáng. Tuy vậy nhờ một định luật gần đúng được gán cho Ptolemy, theo đó góc khúc xạ tỉ lệ với góc tới, Kepler đã mô tả đúng khả năng dùng những gương lồi để thu các chùm tia và ông đã là người đầu tiên sử dụng khái niệm ''tiêu điểm'' và giải thích hàng loạt hiệu ứng quang học.
Rất nhiều phát minh quang học của ông liên quan tới môn thiên văn quan sát được ông trình bày trong cuốn ''Phần quang học trong thiên văn học'', xuất bản năm 1604. Vào năm 1611, được cổ vũ bởi tác phẩm ''Sứ giả của các vì sao'' của Galilei, trình bày các phát minh thiên văn học đầu tiên nhờ kính viễn vọng, Kepler đã tạo ra một kiểu kính viễn vọng trên cơ sở lý thuyết. Cả vật kính lẫn thị kính ông đều cùng thấu kính hội tụ (iốt). Thời gian đã chứng minh dụng cụ ấy (về sau gọi là kính thiên văn khúc xạ Kepler) tỏ ra ưu việt hơn so với kính viễn vọng của Galilei. Thế không, tiếc thay Kepler không phải là một kỹ sư giỏi như Galilei để có thể đạt được chất lượng cao trong việc đánh bóng thủy tinh của gương. Ngay cả khi hiểu được cấu tạo kính viễn vọng và hiểu tại sao kính viễn vọng có khả năng phóng đại hình các vật thể ở rất xa, Kepler vẫn không thể nhìn thấy các vệ tinh của Sao Mộc rõ như Galilei trong khi Galilei lại không hiểu nguyên lý hoạt động của kính viễn vọng. Kepler đã hoài công yêu cầu Galilei gửi cho mình một kính viễn vọng. Kepler chỉ quan sát được các vệ tinh của Sao Mộc khi Ernest xứ Cologne đến Praha và cho ông mượn trong vài tuần một kính viễn vọng là quà tặng của Galilei cho Ernest.
Niềm khoan khoái chủ yếu đối với Kepler trong suốt cả cuộc đời vẫn là việc tìm kiếm các quy luật về số, ông viết: ''Các chữ số đem lại cho tôi nhiều sung sướng, vì chúng biểu thị các con số, tức là một cái gì đó tồn tại trước cả trời đất. Bởi lẽ các con số được tạo ra đầu tiên, cùng với vật chất; còn trời lại chỉ được tạo ra vào ngày thứ hai. Ý tưởng về các con số có ở trong Chúa Trời từ sự vĩnh cửu; chúng chính là Chúa Trời; do đó chúng có mặt trong bất cứ trí tuệ nào được tạo ra theo hình ảnh chúa Trời. Cả các nhà triết gia đa thần giáo lẫn các bậc thầy của Giáo hội đều nhất trí về điều đó''.
