Johannes Kepler giải mã chuyển động các hành tinh

Ngày nay, chúng ta biết rằng vật lý và thiên văn học có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, nhưng trước đây chúng từng là hai lĩnh vực hoàn toàn riêng biệt. Vật lý thuộc lĩnh vực triết học tự nhiên, trong khi thiên văn học có mối liên hệ chặt chẽ với toán học và nghệ thuật tự do. Johannes Kepler là nhà khoa học đã giúp phá bỏ rào cản này.

Trước khi Kepler chào đời vào thế kỷ 16, mọi người nghĩ rằng các hành tinh trong hệ Mặt trời chuyển động tròn quanh Trái đất. Các nhà nghiên cứu giải thích một số hiện tượng bất thường liên quan đến chuyển động của các hành tinh – chẳng hạn như sao Hỏa đột ngột đảo ngược hướng di chuyển [chuyển động giật lùi trên bầu trời] – bằng cách thêm các vòng tròn nhỏ, hoặc đường ngoại luân (epicycle) vào trong quỹ đạo di chuyển của chúng.

Kepler không chỉ kiên quyết bảo vệ ý tưởng cho rằng các hành tinh quay xung quanh Mặt trời thay vì Trái đất, ông còn chứng minh quỹ đạo của chúng không phải là đường tròn hoàn hảo. Những mô tả của ông về chuyển động của các hành tinh được gọi là Định luật Kepler. Ngày nay, định luật này không chỉ mô tả chuyển động chính xác của các hành tinh mà còn giúp con người thiết lập quỹ đạo cho vệ tinh và trạm vũ trụ.

Kepler sinh ra tại thị trấn Weil der Stadt, phía Tây Nam nước Đức vào tháng 12/1571. Lúc nhỏ, Kepler là một đứa trẻ ốm yếu nhưng học rất giỏi toán và đam mê thiên văn. Trong quá trình học tập tại Đại học Tübingen, ông từng đọc các tác phẩm nổi tiếng của Nicolaus Copernicus – người đã đặt nền móng cho thuyết nhật tâm.

Năm 1594, Kepler trở thành giáo sư toán học tại một trường dòng ở Graz, Áo. Vào những lúc rảnh rỗi, ông tiếp tục nghiên cứu thiên văn học và chiêm tinh học. Năm 1596, ông viết luận thuyết Mysterium Cosmographicum (Bí ẩn vũ trụ) ủng hộ thuyết nhật tâm của Copernicus. Đây là một việc làm nguy hiểm, bởi vì nhà thờ Công giáo khi đó cho rằng đây là những tư tưởng dị giáo.

“Các nhà lãnh đạo tôn giáo không muốn từ bỏ quan niệm của họ về các tầng trời”, Dan Lewis, người phụ trách lịch sử khoa học và công nghệ tại Thư viện Huntington (Mỹ), nhận định. “Khám phá của các nhà thiên văn học về bầu trời chứa đầy những thiên thể chuyển động theo quỹ đạo không tròn và nhiều hiện tượng khác đi ngược lại với mô hình lấy Trái đất làm trung tâm đã đe dọa đến niềm tin của giáo hội”.

Để tiếp cận những ghi chép chi tiết nhất về các hành tinh trong hệ Mặt trời, Kepler đã liên hệ với Tycho Brahe, nhà thiên văn học người Đan Mạch thuộc tầng lớp quý tộc giàu có. Brahe đã tự mình xây dựng một đài quan sát ở Prague, nơi ông theo dõi sự chuyển động của các hành tinh và duy trì những quan sát chính xác nhất về hệ Mặt trời vào thời điểm đó. Năm 1600, Brahe đã mời Kepler đến làm việc cùng với mình tại đài quan sát.

Brahe giao nhiệm vụ cho Kepler tìm hiểu bí ẩn về chuyển động giật lùi của sao Hỏa theo định kỳ trên bầu trời đêm, một trong những vấn đề khó hiểu nhất đối với các nhà thiên văn học đương thời. Khi đó, không có mô hình nào của hệ Mặt trời – bao gồm cả mô hình nhật tâm của Copernicus – có thể giải thích chuyển động kỳ lạ của hành tinh đỏ.

Ban đầu Kepler tin rằng ông sẽ tìm ra câu trả lời chỉ trong tám ngày, nhưng thực tế ông đã mất gần tám năm. Trong quá trình miệt mài nghiên cứu, ông đã hiểu cách thức vận hành của hệ Mặt trời.

Sử dụng dữ liệu quan sát chi tiết của Brahe, Kepler nhận thấy các hành tinh di chuyển trong những “vòng tròn kéo dài” gọi là hình elip. Mặt trời không nằm chính xác ở tâm quỹ đạo của các hành tinh mà thay vào đó nằm lệch sang một bên, tại một trong hai tiêu điểm của elip. Giới khoa học gọi đây là Định luật thứ nhất của Kepler.

Một số hành tinh, chẳng hạn như Trái đất, có quỹ đạo elip gần giống như một vòng tròn, nhưng quỹ đạo của sao Hỏa là một hình elip bị kéo dài mạnh ở hai đầu. Hiện tượng sao Hỏa chuyển động lùi về phía sau là do Trái đất bắt kịp và bay vượt qua hành tinh đỏ trên quỹ đạo ở gần Mặt trời hơn.

Trước đó, Copernicus cũng gợi ý rằng Trái đất chuyển động quanh Mặt trời (thay vì Trái đất nằm ở vị trí trung tâm) có thể là nguyên nhân dẫn đến chuyển động ngược của sao Hỏa. Tuy nhiên, do ông nhận định các hành tinh chuyển động trên những quỹ đạo tròn hoàn hảo nên ông vẫn cần sử dụng đến hệ thống các vòng ngoại luân để giải thích hiện tượng này.

Kepler cũng phát hiện sự thay đổi vận tốc của các hành tinh. Cụ thể, một hành tinh chuyển động chậm hơn khi nó ở xa Mặt trời và chuyển động nhanh hơn khi ở gần Mặt trời. Trong quá trình hành tinh di chuyển trên quỹ đạo hình elip, đoạn thẳng nối Mặt trời và một hành tinh bất kỳ quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau. Đây là nội dung Định luật thứ hai của Kepler.

Kepler công bố hai định luật đầu tiên của ông cùng lúc vào năm 1609. Định luật thứ ba được công bố một thập kỷ sau đó đã chỉ ra mối liên hệ giữa chu kỳ chuyển động của hai hành tinh bất kỳ và khoảng cách của chúng tới Mặt trời. Cụ thể, tỉ số lập phương bán trục lớn và bình phương chu kỳ quay là giống nhau cho mọi hành tinh quay quanh Mặt Trời.

Trong khi hai định luật đầu tiên của Kepler tập trung vào các đặc điểm cụ thể trong chuyển động của một hành tinh, thì định luật thứ ba là sự so sánh quỹ đạo của hai hành tinh.

“Các định luật của Kepler, thay vì quả táo, đã góp phần giúp Newton phát minh ra định luật vạn vật hấp dẫn. Kepler thực sự có thể được gọi là người sáng lập ra lĩnh vực cơ học thiên thể”, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) viết về tiểu sử của Kepler trên trang web của tổ chức này.

Ngoài việc xây dựng các định luật liên quan đến chuyển động của hành tinh, Kepler cũng có một số đóng góp đáng chú ý khác cho khoa học. Ông là người đầu tiên xác định hiện tượng khúc xạ trong mắt, đồng thời chứng minh việc sử dụng hai mắt để nhìn giúp con người cảm nhận được chiều sâu của không gian.

Kepler tuyên bố rằng lực hấp dẫn là do hai thiên thể gây ra thay vì một, và Mặt trăng là nguyên nhân tạo ra chuyển động thủy triều trên Trái đất. Ông đã cố gắng sử dụng kiến thức về quãng đường di chuyển của Trái đất và vị trí các thiên thể trên bầu trời để đo khoảng cách tới các vì sao.

Để ghi nhận những đóng góp của Kepler đối với khoa học, NASA đã dùng tên của ông đặt cho một chiếc kính thiên văn tìm kiếm hành tinh trong vũ trụ. Kính viễn vọng không gian Kepler bắt đầu sứ mệnh của mình kể từ năm 2009. Nhiệm vụ chính của kính viễn vọng là quan sát các hệ thống hành tinh bên ngoài hệ Mặt trời. Nó phát hiện hơn 5.000 ứng cử viên là ngoại hành tinh, trong số đó có 2.500 ngoại hành tinh đã được xác nhận.

Theo APS Physics, Space