Nhà toán học, nhà khoa học Isaac Newton

Thứ tư, 10/03/2021

Chắc chắn chúng ta không còn ai lạ lẫm gì với giai thoại quả táo rơi xuống đầu giúp Newton đưa ra thuyết vạn vật hấp dẫn. Isaac Newton sinh ra trong một gia đình nông dân tại Anh sau đó được gửi lên thành phố để học tiếp trở thành một luật sư. Ngay từ đầu ngành học của ông là triết nhưng cùng lúc Newton cũng bị cuốn hút bởi toán học, quang học và cả thiên văn học.

Chắc chắn chúng ta không còn ai lạ lẫm gì với giai thoại quả táo rơi xuống đầu giúp Newton đưa ra thuyết vạn vật hấp dẫn. Isaac Newton sinh ra trong một gia đình nông dân tại Anh sau đó được gửi lên thành phố để học tiếp trở thành một luật sư. Ngay từ đầu ngành học của ông là triết nhưng cùng lúc Newton cũng bị cuốn hút bởi toán học, quang học và cả thiên văn học.

Newton sinh (4 tháng 1 năm 1643 - 31 tháng 3 năm 1727) tại một trang viên ở Lincolnshire, Anh. Cha anh đã mất trước khi anh chào đời hai tháng. Khi Newton lên 3, mẹ anh tái hôn và anh ở với bà ngoại. Ông không quan tâm đến trang trại của gia đình, vì vậy ông được gửi đến Đại học Cambridge để học.

Newton được sinh ra chỉ một thời gian ngắn sau cái chết của Galileo, một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất mọi thời đại. Galileo đã chứng minh rằng các hành tinh quay xung quanh mặt trời, không phải trái đất như mọi người nghĩ vào thời điểm đó. Newton rất quan tâm đến những khám phá của Galileo và những người khác. Newton cho rằng vũ trụ hoạt động như một cỗ máy và một vài định luật đơn giản đã chi phối nó. Giống như Galileo, ông nhận ra rằng toán học là cách giải thích và chứng minh các định luật đó.

Thời thơ ấu của Isaac là một thời kỳ cô độc. Ông có rất ít bạn, chỉ tư lự một mình và thường giam mình trong phòng sau ở nhà bà nội, suốt ngày làm những mô hình và những cánh diều, những đồng hồ mặt trời và những dụng cụ cơ học nhỏ.

Khi Isaac lên mười, cha ghẻ ông, ông Barnabas Smith, qua đời và mẹ ông, bà Hannah, trở về ngôi nhà ở Woolsthorpe. Hai năm sau, Isaac đến trường trung học Grantham gần bên. Ông đã ở lại đó với chú ông trong thành phố. Isaac ít gây được ấn tượng ở trường. Các thầy giáo nhận xét ông là trung bình, còn các bạn học thì lại cho ông khó gần. Sau này, ông thú nhận rằng ông đã không hiểu bài và dành nhiều thời gian làm những mô hình, những thí nghiệm riêng của ông.

Chủ nông trại hay nhà thông thái?

Dù thế, năm 1659, bà Hannah Newton đã quyết định bắt con trai rời trường Grantham để về làm việc trên nông trại gia đình. Nếu không phải là vì hai sự kiện may mắn phi thường thì Isaac Newton có thể đã vẫn là một chủ nông trại suốt cuộc đời còn lại của ông. Sự kiện thứ nhất là thiên tài vĩ đại của ông đã được hai người rất quan trọng nhận ra, đó là chú ông và hiệu trưởng trường Grantham - ông Henry Stokes. Trong vài năm cuối cùng ở trường Grantham, Isaac đã trở thành học sinh ngôi sao và Henry Stokes xem ông là học sinh xuất sắc nhất. Ông luôn luôn đọc những quyển sách uyên thâm và nghĩ ra những đáp án tài tình cho các vấn đề. Ông nghiên cứu các thuyết của các nhà khoa học cổ xưa, tìm ra những giải đáp cho các câu đố toán học. Tuy vậy ông lại hay lơ đãng và hay quên - thường bỏ dở công việc ở nông trại. Điều này dẫn đến lý do thứ hai - mẹ ông đã bắt đầu tin rằng ông sẽ không thể là một chủ nông trại thành công.

Bởi vậy, năm 1661, anh chàng Isaac trẻ tuổi được nhận vào Đại học Cambridge. Mẹ của Isaac, bà Hannah, không nghèo, nhưng bà không thể cung cấp cho Isaac suốt thời gian học đại học được nên ông đã phải làm việc thêm.

Lý thuyết trọng lực

Khi quả táo rơi từ cây xuống trong khu vườn của mẹ ông và trúng vào đầu của thiên tài trẻ tuổi, Isaac, thì ông biết rằng quả táo đã bị kéo xuống đất bởi cùng một lực vô hình đã giữ các hành tinh và mặt trăng trong quỹ đạo của chúng - trọng lực. Trái đất sử dụng một lực kéo trên quả táo và kéo nó xuống, cùng một cách mặt trời sử dụng một lực kéo trên các hành tinh và trái đất sử dụng một lực kéo trên mặt trăng. Nhưng, nếu đúng như thế thì tại sao các hành tinh lại không đâm mạnh vào mặt trời và mặt trăng không đâm vào trái đất cùng một cách như quả táo đâm sầm xuống mặt đất?

Newton đã vật lộn với vấn đề này nhiều ngày, rồi đúng vào lúc ông sắp xếp hành lý trở lại đại học, sự thật đã đập vào ông. Vì một lý do kỳ lạ nào đó, vào đúng lúc ấy, ông nhớ lại một trò chơi ở trường. Những người chơi, mỗi người thay phiên nhau đứng giữa sân chơi, cầm một sợi dây được buộc vào quai của một xô nước. Để thắng, bạn phải quay nhanh xô nước sao cho nước không văng ra ngoài. Làm sao mà nước vẫn ở trong xô khi nó bị quay tròn?

Đó đúng là ánh sáng đầy cảm hứng lóe lên từ trí nhớ mà ông cần. Đột nhiên toàn bộ sự việc trở nên sáng tỏ. Có một lý do khiến các hành tinh vẫn ở trong quỹ đạo thay vì đâm sầm về phía mặt trời và khiến nước vẫn ở lại trong xô thay vì chảy tràn ra ngoài. Đó là do tốc độ chạy về một bên mà các hành tinh đã đạt được trong khi chúng xoay quanh hoặc đi theo quỹ đạo. Cũng như đối với xô nước, sức căng của sợi dây kéo vào trong bắt buộc cái xô phải chạy trong một vòng tròn, nhưng nước tuân theo cái mà sau này trở thành định luật chuyển động thứ nhất của Newton, nó tự nhiên chuyển động trong một đường thẳng và vì vậy nó ở lại trong xô. Quả táo rơi thẳng xuống đất vì nó không có tốc độ hay vận tốc chạy về một bên.

Newton nhận thấy có một lực vô hình tác động giữ các hành tinh trong đường đi của chúng. Ông nhận thấy rằng hễ mỗi vật càng xa vật kia hơn thì trọng lực càng yếu hơn. Thí dụ, các hành tinh càng xa mặt trời nhất phải chịu một sức kéo yếu hơn các hành tinh gần mặt trời. Nhưng sức mạnh thay đổi như thế nào?

Sử dụng toán học cấp cao, ông đã tính toán ra rằng nếu một hành tinh cách xa mặt trời gấp hai lần một hành tinh khác thì nó chỉ chịu một phần tư trọng lực mà thôi. Nếu là ba lần xa hơn thì nó chỉ chịu một phần chín lực này.

Nếu những con số của ông đúng, thì trọng lực tuân theo “một luật bình phương nghịch đảo”.

Ủy viên Giám đốc Đại học và giáo sư Toán

Nhờ tất cả điều này và các khám phá của ông về ánh sáng, chàng thanh niên 25 tuổi Newton được bầu vào chức vụ ủy viên Giám đốc Đại học Ba Ngôi.

Ở tuổi 26, Isaac Newton đã trở thành Giáo sư Toán học trẻ nhất từ trước đến nay ở Cambridge.

Trên cương vị mới, Newton tiếp tục thực hiện các nghiên cứu của mình. Vào đầu thập niên 1670, ông đã chế tạo được kính viễn vọng phản xạ.

Vào đầu năm 1672, ông được mời gia nhập Hội Hoàng gia ưu tú. Đây là một nhóm nhỏ các nhà khoa học cự phách. Họ được vua Charles II ủng hộ và trong số hội viên có những người nổi tiếng như nhà hóa học Robert Boyle và nhà khoa học - kiến trúc, người đã xây dựng Nhà thờ chính tòa Thánh Phaolô, Christopher Wren.

Năm 1686, Newton cho ra đời cuốn sách “Các nguyên lý toán học của Triết học Tự nhiên” (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica - Principia), trong đó miêu tả các ý tưởng của ông về trọng lực, lực ly tâm và mối liên hệ của chúng. Tuy nhiên, quan trọng nhất là Principia đề cập đến các định luật chuyển động (lực và quán tính). Những phát minh này của Newton đã mở đường cho cuộc cách mạng công nghiệp lớn sau này. Chính nhờ các định luật chuyển động của ông mà kỹ sư người Anh, Isambard Kingdom Brunel chế tạo được những chiếc tàu lớn chạy bằng hơi nước và xây dựng các cầu treo vào thế kỷ XIX. Nếu không có những định luật này thì James Watt không thể chế tạo được động cơ chạy bằng hơi nước đầu tiên... Những lý thuyết của Newton cũng được ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực khoa học như cơ học, vũ trụ...

Sau Principia, năm 1704, Newton cho xuất bản cuốn sách “Quang học” (Optics) trình bày những khám phá của ông về ánh sáng được thực hiện khi ông còn là sinh viên trường Đại học Cambridge. Một năm sau, vì những đóng góp vĩ đại cho khoa học, ông được Nữ hoàng Anne phong tước hầu.

Isaac Newton qua đời ngày 20/3/1727, thọ 84 tuổi. Ông được mai táng giữa các nhà vua và nữ hoàng, các quận công và bá tước của nước Anh trong Tu viện Westminter - London.

Di sản

Các tính toán của Newton đã thay đổi cách mọi người hiểu về vũ trụ. Trước Newton, không ai có thể giải thích tại sao các hành tinh lại ở trong quỹ đạo của chúng. Điều gì đã giữ chúng ở vị trí? Mọi người đã nghĩ rằng các hành tinh được giữ cố định bởi một lá chắn vô hình. Newton đã chứng minh rằng chúng được giữ cố định bởi lực hút của mặt trời và lực hấp dẫn bị ảnh hưởng bởi khoảng cách và khối lượng. Mặc dù ông không phải là người đầu tiên hiểu rằng quỹ đạo của một hành tinh dài như một hình bầu dục, nhưng ông là người đầu tiên giải thích cách thức hoạt động của nó.

Tổng hợp: khoahoc.tv, vusta.vn, greelane.com (TL)

Tags