Từ Địa Tâm Đến Nhật Tâm: Cuộc Cách Mạng Thiên Văn Học

Tuy nhiên, hơn bốn thế kỷ sau, Ptolemy (năm 150) đã dùng toán học xây dựng mô hình địa tâm, đặt Trái Đất vào trung tâm vũ trụ. Mô hình này, dù không chính xác, lại thống trị tư duy thiên văn học trong suốt hơn 1400 năm sau đó.

Như vậy, từ rất sớm đã nhen nhóm cuộc tranh luận giữa hai mô hình: nhật tâm táo bạo của Aristarchus và địa tâm có sức ảnh hưởng lâu dài của Ptolemy. Dù sự thật đã sớm được hé lộ, nhưng phải mất rất lâu sau, ánh sáng khoa học mới đủ sức soi rọi, đưa con người đến gần hơn với bản chất thật sự của vũ trụ.

Suốt thời kì sơ sử, tư tưởng phương Tây được uốn nắn theo quan niệm Trái Đất là trung tâm vũ trụ. Thoạt tiên, mô hình địa tâm có vẻ đúng với những quan sát thường nhật và hợp lẽ thường tình – ta không cảm nhận được bất kỳ chuyển động nào của mặt đất nơi ta đang đứng, và nhìn bề ngoài cũng không có bằng chứng cho thấy Trái Đất đang chuyển động. Hiển nhiên, cách giải thích đơn giản nhất là Mặt Trời, Mặt Trăng, các hành tinh và sao trời đều quay quanh Trái Đất, với những tốc độ khác nhau. Hệ thống này dường như được chấp nhận rộng rãi vào thời cổ đại, và đã cắm rễ vào triết học cổ điển qua các tác phẩm của Plato và Aristotle thời thế kỷ 4 TCN.

Tuy nhiên, khi người Hy Lạp cổ đại đo chuyển động của các hành tinh, họ thấy rõ hệ thống địa tâm có nhiều vấn đề. Bấy giờ họ mới chỉ biết đến sự tồn tại của năm hành tinh (năm đốm sáng lang thang trên trời), và quỹ đạo của chúng lại phức tạp. Thủy Tinh và Kim Tinh luôn xuất hiện trên bầu trời vào buổi sáng và chiều hôm, tạo thành những vòng sát nhau quanh Mặt Trời. Hỏa Tinh, Mộc Tinh và Thổ Tinh thì lần lượt mất 780 ngày, 12 năm và 30 năm để hoàn tất chu kỳ quanh những ngôi sao nền. Chuyển động của chúng còn phức tạp bởi những vòng “nghịch hành“, tức chậm dần và nhất thời đảo ngược hướng chuyển động chính.

Hệ Ptolemy

Để khắc phục những vấn đề vừa kể, giới thiên văn Hy Lạp đưa ra khái niệm “ngoại luận”- những quỹ đạo phụ thuộc mà các hành tinh di chuyển theo, còn các điểm trục trung tâm của các quỹ đạo phụ lại quay quanh Mặt Trời. Mô hình này được hoàn thiện vào thế kỷ 2 bởi Ptolemy ở thành phố Alexandria, ông là nhà thiên văn kiêm địa lý học vĩ đại người La Mã gốc Hy Lạp.

Nhưng ngay trong thế giới Hy-La (Hy Lạp- La Mã) đã có những ý kiến trái chiều. Thế kỷ 3 TCN, Aristarchus xứ Samos đã khéo léo sử dụng phép đo lượng giác để tính khoảng cách tương đối giữa Mặt Trời và Mặt Trăng. Ông nhận ra Mặt Trời rất to, và nhiều khả năng đây mới là điểm trục để mọi thứ trong vũ trụ quay quanh.

Mặc dù vậy, hệ Ptolemy đã chiến thắng các lý thuyết đối lập, để lại nhiều hệ quả sâu rộng. Tuy Đế quốc La Mã suy tàn vào những thế kỷ sau, nhưng nhiều tư tưởng của nó vẫn được Giáo hội kế thừa. Ý niệm Trái Đất là trung tâm vạn vật, và con người là đỉnh cao sáng tạo của Thiên Chúa, nắm quyền cai trị Trái Đất, đã trở thành giáo lý trung tâm của Ki-tô giáo, thống trị châu Âu đến tận thế kỷ 16.

Nói vậy không có nghĩa là thiên văn học hoàn toàn đình trệ trong 1.500 năm sau Ptolemy. Việc dự báo chính xác chuyển động của các hành tinh không chỉ là một vấn đề khoa học và triết học, mà còn được cho là có những mục đích thiết thực, đều là nhờ những mê tín của khoa chiêm tinh học. Các nhà chiêm tinh thuộc mọi phái có lý do chính đáng để nỗ lực tính toán chính xác hơn sự chuyển động của các hành tinh.

Thiên văn học Ả Rập

Các thế kỷ cuối của thiên niên kỷ thứ nhất tương ứng với thời kỳ trăm hoa đua nở đầu tiên của khoa học Ả Rập. Từ thế kỷ 7, Hồi giáo lan truyền nhanh chóng khắp Trung Đông và Bắc Phi, giúp các nhà tư tưởng Ả Rập tiếp xúc với các tài liệu Hy-La, trong đó có sách thiên văn của Ptolemy và những người khác.

Ngành “thiên văn học vị trí”, chuyên tính toán vị trí thiên thể, đạt đến cực thịnh tại Tây Ban Nha, vùng đất giống như nói lẩu sục sôi, hòa tan các tư tưởng Hồi giáo, Do Thái và Ki-tô. Cuối thế kỷ 13, Vua Alfonso X của Castile ra lệnh biên soạn Bảng thiên văn Alfonso, kết hợp những quan sát mới với các biên bản do người Ả Rập lưu trữ qua hàng thế kỷ, giúp hệ Ptolemy trở nên chính xác hơn, cung cấp những dữ liệu để tính vị trí hành tinh. Báng này vẫn thông dụng đến đầu thế kỷ 17.

Hoài nghi Ptolemy

Nhưng đến thế kỷ 17, hệ Ptolemy đã trở nên phúc tạp tới mức ngớ ngẩn. Nhiều ngoại luân được thêm vào để kết quả dự đoán ăn khớp với thực tế quan sát. Năm 1377, triết gia Pháp Nicole Oresme, giám mục xứ Lisieux, đã phân tích trực diện vấn đề này trong cuốn Livre du Ciel et du Monde (Sách về trời và đất). Ông chứng minh rằng không có chứng cứ quan trắc nào cho thấy Trái Đất đứng yên, và cũng không có lý do nào để cho rằng nó không chuyển động. Tuy nhiên, dù đánh đổ bằng chứng của hệ Ptolemy, Oresme lại kết luận cá nhân ông không tin Trái Đất chuyển động.
Đầu thế kỷ 16, tình hình có những biến chuyển. Nhờ hai phong trào song song là Phục hưng và Kháng Cách, nhiều giáo lý tôn giáo cũ kĩ đã bị đem ra chất vấn. Trong bối cảnh ấy, Nicolaus Copernicus, một chức sắc nhỏ thuộc Giáo hội Công giáo ở tỉnh Warmia, Ba Lan, đã đề xướng lý thuyết nhật tâm hiện đại đầu tiên, chuyển ngôi vị trung tâm vũ trụ của Trái Đất sang cho Mặt Trời.

Copernicus lần đầu trình bày ý tưởng trong cuốn sách nhỏ tên Commentariolus (Tiểu luận), lưu hành trong nội bộ thân hữu từ khoảng năm 1514. Về bản chất, thuyết của ông tương tự như thuyết của Aristarchus. Tuy đã khắc phục nhiều nhược điểm của lý thuyết cũ, nó vẫn bám rễ sâu vào một số tư tưởng rường cột nhất định của Ptolemy. Điểm nổi bật nhất là quỹ đạo của các thiên thể được đính trên những mặt cầu trong suốt, và những mặt cầu này quay theo một chuyển động tròn hoàn hảo. Để điều chỉnh tốc độ di chuyển của các hành tinh tại vài phần nhất định trên quỹ đạo của chúng, Copernicus đã phải thêm vào những ngoại luân mới. Từ mô hình Copernicus, có thể suy ra một ý quan trọng là vũ trụ lớn hơn ta vẫn tưởng rất nhiều. Nếu Trái Đất quay quanh Mặt Trời, lẽ ra ta phải biết ngay, bởi lẽ nó sẽ gây nên hiện tượng thị sai do thay đổi góc nhìn: trong năm, các ngôi sao dường như lùi và tiến trên bầu trời. Nhưng vì hiện tượng này không xảy ra, nên hẳn nhiên các ngôi sao phải ở rất xa.

Mô hình Copernicus mau chóng cho thấy tính chính xác hơn bất cứ phiên bản cải tiến nào của hệ Ptolemy cũ kĩ. Tin tức về nó lan truyền trong giới trí thức châu Âu. Ngược với niềm tin của công chúng, ngay tại Rome, một số chức sắc Công giáo thoạt tiên cũng đón nhận nó. Mô hình mới gây tiếng vang đến độ nhà toán học người Đức Georg Joachim Rheticus lặn lội đến tận Warmia để học hỏi và phụ giúp Copernicus từ năm 1539. Một năm sau, Rheticus xuất bản tác phẩm đầu tiên được lưu hành rộng rãi, giải thích về hệ Copernicus – cuốn Narratio Prima (Tường giải ban đầu). Lúc bấy giờ Copernicus đã về già, và Rheticus thúc giục ông công bố toàn bộ công trình – điều mà Copernicus đã nghĩ đến từ nhiều năm trước, nhưng ông chỉ đồng ý vào năm 1543, khi đang trải qua những giờ phút cuối đời trên giường bệnh.

Công cụ toán học

Bất kỳ ý kiến nào cho rằng Trái Đất chuyển động sẽ mâu thuẫn trực tiếp với vài đoạn trong Kinh Thánh, và sẽ bị giới thần học Công giáo lẫn Tin Lành coi như dị giáo. Tuy vậy, quyển De Revolutionibus Orbium Coelestium (Vẻ chuyển động quay của các thiên thể), xuất bán sau khi Copernicus qua đời, ban đầu lại không gây sóng gió. Để né tránh vấn đề, một lời tựa đã được thêm vào sách, giải thích rằng mô hình nhật tâm chỉ đơn thuần là một công cụ toán học để dự báo, chứ không mô tả vũ trụ thực tế. Tuy nhiên, bản thân Copernicus lúc sinh thời không dè dặt như thế. Bất chấp những ngụ ý dị giáo trong đó, mô hình Copernicus vẫn được sử dụng để tính toán trong cuộc đổi lịch trọng đại do Giáo hoàng Gregory XIII khởi xướng vào năm 1582.

Chẳng bao lâu sau, những khó khăn mới lại nảy sinh khi hệ thống mới không thể dự báo chính xác. Nhà thiên văn học người Đan Mạch Tycho Brahe (1546-1601) đã quan sát tỉ mỉ và thấy răng mô hình Copernicus không mô tả đầy đủ các chuyển động của hành tinh. Nhằm giải quyết mâu thuẫn, ông để xướng mô hình của riêng mình, cho các hành tinh quay quanh Mặt Trời, còn Mặt Trời và Mặt Trăng vẫn quay quanh Trái Đất. Tuy nhiên, phải đến đời học trò của ông là Johannes Kepler thì lời giải đích thực – tức quỹ đạo hình elip – mới được khám phá.

Phải 6 thập niên sau thì mô hình Copernicus mới thật sự trở thành biểu tượng của cuộc chia rẽ do phong trào Kháng Cách gây ra tại châu Âu, chủ yếu do những tranh cãi xung quanh nhà khoa học người Ý Galileo Galilei. Năm 1610, Galileo quan sát các pha của Kim Tinh, đồng thời phát hiện các mặt trăng quay quanh Mộc Tinh, từ đó đi đến kết luận rằng thuyết nhật tâm là chính xác. Ngay giữa trung tâm nước Ý Công giáo, ông cực lực ủng hộ lý thuyết Copernicus, và cuối cùng đã bày tỏ chính kiến trong tác phẩm Đối thoại về hai hệ thống thế giới chính yếu (1632). Xung đột giữa Galileo và tòa thánh Vatican dẫn tới nhiều hệ lụy, một trong số đó là việc cuốn Về chuyển động quay bị kiểm duyệt lại và cấm đoán những đoạn gây tranh cãi vào năm 1616. Lệnh cấm chỉ được dỡ bỏ sau hơn hai thế kỷ.