Thiên văn học là ngành khoa học lâu đời nhất của nhân loại. Mọi người đã tìm kiếm, cố gắng giải thích những gì họ nhìn thấy trên bầu trời có lẽ kể từ khi những cư dân hang động “giống người” đầu tiên tồn tại. Có một cảnh nổi tiếng trong bộ phim 2001: A Space Odyssey, nơi một người hominid tên là Moonwatcher khảo sát bầu trời, ngắm nhìn và cân nhắc những gì anh ta nhìn thấy. Có khả năng là những sinh vật như vậy đã thực sự tồn tại, cố gắng tạo ra một số ý nghĩa về vũ trụ khi họ nhìn thấy nó.
Thiên văn học tiền sử
Hãy tưởng tượng cách đây hơn 10.000 năm, khi những cộng đồng định cư đầu tiên xuất hiện, con người lần đầu tiên nhận ra rằng bầu trời không chỉ là một tấm thảm đen thăm thẳm, mà còn ghi dấu chu kỳ thời gian và các hiện tượng kỳ bí. Trong nhiều nền văn minh, các “nhà thiên văn” sơ khai—bao gồm thầy tu, nữ tu, hoặc những thành viên ưu tú trong xã hội—đã dành cả đời quan sát chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng và các vì sao. Từ việc đoán ngày gieo hạt, xác định mùa vụ đến tổ chức lễ hội linh thiêng, họ sử dụng bầu trời như một chiếc đồng hồ và la bàn tinh tế nhất. Khả năng tiên đoán nhật thực, nguyệt thực hay chu kỳ trăng non giúp họ nắm giữ uy quyền lớn lao: bởi với đại đa số, bầu trời vẫn còn là thế giới của thần linh và điều huyền bí.
Dĩ nhiên, các quan sát ấy chưa theo tiêu chuẩn khoa học hiện đại: chúng thiên về kinh nghiệm thực tế và phục vụ mục đích nghi lễ nhiều hơn là đo đạc chính xác. Nhiều nền văn hóa tin rằng vị trí, độ sáng hay đường đi của các thiên thể có thể “báo hiệu” vận mệnh con người. Từ niềm tin đó nảy sinh chiêm tinh học—một hệ thống mô tả mối liên hệ giữa trời và đời, từng được tôn sùng như khoa học, nhưng đến nay chủ yếu là thú vui tìm hiểu và giải trí.
Người Hy Lạp cổ đại: Từ quan sát đến mô hình vũ trụ hệ thống
Vào thế kỷ VI–IV TCN, người Hy Lạp không chỉ dừng lại ở việc ghi chép chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng và các chòm sao mà còn tìm cách xây dựng những lý thuyết có hệ thống về vũ trụ. Ở phương Đông cùng thời, các xã hội nông nghiệp như ở Lưỡng Hà và Ân Độ cũng dựa vào chu kỳ trời sao để lập lịch mùa vụ; trong khi đó, thủy thủ Hy Lạp và Phoenicia đã sử dụng vị trí sao Bắc Đẩu, Orion và sao Sirius làm “la bàn” định hướng trên biển khơi mênh mông.
Hình cầu hoàn hảo – trái tim của địa tâm: Quan sát hiện tượng khúc xạ ánh sáng ngang qua các đám mây và đường mòn bóng tối trên Mặt Trăng, các nhà hiền triết Hy Lạp như Pythagoras và sau đó là Plato khẳng định Trái Đất có hình cầu – dạng hình duy nhất có thể giải thích hợp lý tầm che khuất và bóng đổ của nó. Plato còn cho rằng, nếu vũ trụ là một tổng thể được thiết kế bởi lý trí tối thượng, thì hình cầu chính là dạng “hoàn hảo”, nên Trái Đất dĩ nhiên phải đứng yên ở trung tâm.
Các quả cầu đồng tâm của Eudoxus và Aristotle: Để giải thích chuyển động trơn tru nhưng đôi lúc phức tạp của các hành tinh và sao, Eudoxus (thế kỷ IV TCN) đề xuất ý tưởng mỗi thiên thể gắn vào một “thiên cầu” trong suốt, các thiên cầu này lồng vào nhau và quay đều quanh Trái Đất. Aristotle tiếp nhận và hoàn chỉnh khái niệm này bằng cách cho rằng các thiên cầu làm từ chất “quinta essentia” (ngũ hành tinh chất) – một chất liệu tinh khiết và bất biến, hoàn toàn phù hợp với lý tưởng về sự vĩnh hằng của bầu trời.
Mô hình quả cầu đồng tâm giúp người Hy Lạp lý giải được phần lớn các chuyển động đều đặn, nhưng còn lúng túng khi gặp hiện tượng hành tinh ngược dòng hay sự thay đổi tốc độ quỹ đạo. Dẫu vậy, với những bổ sung tinh tế về số lượng thiên cầu và tần suất quay, mô hình này vẫn chiếm vị trí thống trị trong thiên văn học suốt hơn sáu thế kỷ, cho đến khi Ptolemy mang đến những sửa đổi sâu rộng hơn.
Cuộc cách mạng Ptolemaic trong Thiên văn học
Vào thế kỷ II trước Công nguyên, tại trung tâm học thuật Alexandria (Ai Cập), Claudius Ptolemaeus – thường gọi tắt là Ptolemy – đã nâng mô hình địa tâm của người Hy Lạp lên một tầm cao mới. Thay vì chỉ để các thiên thể “treo” trên những quả cầu đồng tâm, ông tiên phong bổ sung khái niệm deferent (vòng tròn cơ bản) và epicycle (chu kỳ phụ): mỗi hành tinh di chuyển trên một vòng nhỏ, đồng thời chính vòng nhỏ này lại quay quanh Trái Đất theo một vòng lớn hơn.
Ngoài ra, Ptolemy còn giới thiệu điểm equant – một vị trí tưởng tượng cho phép giải thích sự thay đổi vận tốc biểu kiến của hành tinh khi nó tiến gần hoặc rời xa Trái Đất. Nhờ bộ ba deferent‑epicycle‑equant, mô hình của ông không chỉ giữ được tính đối xứng hình học “thiên định” mà còn dự đoán quỹ đạo của các hành tinh với độ chính xác chưa từng có.
Mô hình Ptolemaic phức tạp nhưng thực tế này nhanh chóng trở thành “bản đồ” chủ đạo của vũ trụ trong suốt hơn 1.400 năm, cho đến khi Copernicus khơi mào cuộc cách mạng Nhật tâm. Dù sau này bị chứng minh không hoàn toàn đúng về mặt cơ bản, công trình của Ptolemy vẫn là di sản to lớn, thể hiện sức mạnh của toán học áp dụng vào thiên văn và ảnh hưởng sâu rộng đến tư duy khoa học thời Trung Cổ.
Cuộc cách mạng Copernican: Khi Mặt Trời trở thành tâm điểm
Vào thế kỷ XVI, mô hình địa tâm Ptolemaic—dù đã qua nhiều chỉnh sửa—ngày càng tỏ ra nặng nề và kém chính xác để giải thích các quan sát mới. Chính trong bối cảnh đó, nhà thiên văn Ba Lan Nicolaus Copernicus (1473–1543) quyết định đề xuất một cách tiếp cận hoàn toàn mới: đặt Mặt Trời vào vị trí trung tâm, còn Trái Đất cùng các hành tinh khác quay xung quanh nó.
- Lý giải chuyển động ngược dòng
Thay vì cho rằng các hành tinh đôi lúc “lùi” trên bầu trời (hiện tượng ngược dòng), Copernicus khẳng định đó chỉ là ảo giác do Trái Đất vượt qua chúng trên quỹ đạo của chính mình. Khi Trái Đất đi nhanh hơn một hành tinh bên ngoài, chúng ta sẽ thấy hành tinh kia “lùi bước” một cách tạm thời—một giải thích đơn giản và tự nhiên hơn nhiều so với hàng chục vòng epicycle phức tạp. - Xóa bỏ “địa tâm” và thay đổi vị thế của Trái Đất
Trong mô hình mới, Trái Đất không còn là “bất động” ở trung tâm vũ trụ, mà chỉ là một hành tinh quay quanh Mặt Trời. Điều này thách thức sâu sắc quan niệm tôn giáo thời bấy giờ—Giáo hội Công giáo từng khẳng định nhân loại được đặt ở vị trí trung tâm trong chương trình tạo dựng. Copernicus không trực tiếp đối đầu với Giáo hội, nhưng sách De revolutionibus orbium coelestium (1543) của ông vẫn phải đợi đến lúc ông sắp qua đời mới được xuất bản, để tránh rơi vào vòng cấm đoán và chỉ trích. - Mở rộng không gian vũ trụ
Khi Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời, không còn lý do gì phải giới hạn vũ trụ trong phạm vi quay một vòng đủ một ngày. Copernicus mở ra khái niệm về một không gian rộng lớn và vô tận hơn, nơi các vì sao cố định thực ra ở khoảng cách rất xa và chỉ có chuyển động biểu kiến do vị trí Trái Đất thay đổi.
Dù vẫn giữ quỹ đạo tròn và chưa biết đến lực hấp dẫn, mô hình Copernicus đã làm được ba điều trọng yếu: giải thích hiện tượng ngược dòng, xóa bỏ vị trí địa tâm, và khái quát thêm về quy mô vũ trụ. Ba điểm này đã đặt nền móng cho thiên văn học hiện đại.
Di sản và ảnh hưởng
- De revolutionibus trở thành “ngọn đuốc” khai sáng cho thời Phục Hưng và Thời đại Khai sáng, truyền cảm hứng cho Galileo Galilei tiến hành quan sát qua kính thiên văn.
- Johannes Kepler hoàn thiện mô hình nhật tâm bằng cách đưa vào quỹ đạo ellipse và ba định luật chuyển động hành tinh (1609–1619).
- Isaac Newton (1687) tổng hợp thành hệ cơ học cổ điển với định luật hấp dẫn, giải thích cơ chế giữ các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời.
Nhờ cuộc cách mạng Copernican, thiên văn học bước từ lý thuyết hình học giản lược vào kỷ nguyên khoa học thực nghiệm, mở ra khung nhìn mới về vũ trụ và vị thế của chính chúng ta trong đó.
