Cơ học cổ đại và những điều vẫn biết

Hãy thử hình dung đến những người nô lệ chèo thuyền ăn mặc rách rưới, bị xích vào một dãy ghế bằng gỗ cứng gắn với một mái chèo dài như cột cờ. Một người đàn ông vạm vỡ với cây roi da trong tay đi đi lại lại lớn tiếng thúc giục. Hẳn bạn đã nhìn thấy cảnh này trong phim.

Những người nô lệ chèo thuyền đã biết rằng những vị trí ở giữa con thuyền là tốt nhất mặc dù họ không thể giải thích được tại sao. Các học giả đã phải đi tìm câu trả lời cho điều đó. Giáo sư Mark Schiefsky thuộc khoa kinh điển Harvard cho biết: “Hãy coi mái chèo là một đòn bẩy, cọc chèo là điểm tựa và đại dương chính là vật nặng.” Tay đòn tính từ cọc chèo hướng về phía người chèo thuyền càng dài thì càng dễ nâng vật nặng. Ở vị trí giữa thuyền như những người nô lệ vẫn biết, khoảng cách từ tay họ đến cọc chèo là dài nhất.

Trên một tàu chiến cổ ba tầng chèo, những người chèo phía cuối là những người góp sức nhiều nhất. (Ảnh: Stefano Bianchetti/ Corbis)

Lời giải thích này được đưa vào Vấn đề số 4 thuộc chuyên luận Hy Lạp kinh điển có tên “Các vấn đề cơ học” từ thế kỉ thứ ba trước công nguyên – đây là chuyên luận đầu tiên được biết đến, giải thích khoa học cơ học đồng thời giải thích cơ chế hoạt động của đòn bẩy. Chuyên luận này thậm chí còn đi trước ít nhất là một thế hệ so với lý thuyết “Sự cân bằng của các hình phẳng” của Ac-si-met, cung cấp bằng chứng đầu tiên về nguyên lý hoạt động của đòn bẩy.

Tiến sĩ Schiefsky hiện là giáo viên giảng dạy tiếng Hy Lạp và Latin. Ông cũng đọc các tác phẩm của sử gia Thucydides và kịch gia Sophocles thời Hy Lạp cổ. Ông cũng có chuyên môn về thiên văn học với vai trò là một sinh viên. Chín năm trước, cảm thấy mình cần phải tìm hiểu thêm về khoa học, ông đã tham gia vào nghiên cứu đa quốc gia mang tên Dự án Ac-si-met được tiến hành tại Viện Max Planck về Khoa học lịch sử đặt tại Berlin.

Nhóm Ac-si-met đã tìm hiểu về lịch sử của cơ học, cách con người suy nghĩ về những loại dụng cụ đơn giản như đòn bẩy, bánh xe - trục xe, sự cân bằng, cái ròng rọc, cái nêm, đinh ốc đồng thời nhóm còn tìm hiểu bằng cách nào mà con người biến những suy nghĩ của mình thành lý thuyết và quy tắc.

Những tư liệu ghi chép đầu tiên có tên “Những vấn đề cơ học” đã phiêu du từ Rome, qua thế giới đạo hồi thời trung cổ đến thời kì Phục hưng. Cuối cùng nó dừng chân tại chỗ của Newton – người đã đưa ra rất nhiều các quy luật cơ học cơ bản vào thế kỉ 18.

Đáng ngạc nhiên là hiện nay còn tồn tại rất nhiều những văn bản khoa học dưới hình thức này hoặc hình thức khác có từ thời xa xưa đã chống chọi được với sự tàn phá của thời gian. Trang web Ac-si-met đã liệt kê hơn 100 văn bản như thế; trong đó bao gồm hình học Ơc-lit, kỹ thuật dùng tay với ná và súng cao su thời kì La Mã của anh hùng Alexandria, những bài chuyên luận thời trung cổ về đại số học và cơ học của Jordanus de Nemore và lời phản bác về thuyết Mặt trời chiếm vị trí trung tâm Thái Dương hệ của Galileo thế kỉ 17.

Điều thú vị đối với tiến sĩ Schiefsky là hầu như không có ai đọc những lý thuyết này. Thường thường các nhà khoa học không say mê tiếng Hy Lạp hay La tin cổ huống hồ là tiếng Arập. Đa phần đồng nghiệp của tiến sĩ Schiefsky đều làm việc trong ngành văn học, triết học, ngữ văn và khảo cổ.

Theo những ghi chép lịch sử, nhóm nghiên cứu Ac-si-met đã khám phá ra quá trình phát triển của vật lý hay ít nhất là cơ học dựa trên mối quan hệ qua lại giữa lý thuyết và thực hành. Thực hành đi trước, còn lý thuyết theo sau. Thợ thủ công tạo nên các công cụ rồi sử dụng chúng nhưng họ không nghĩ về chuyện tại sao chúng lại hoạt động được như thế. Các nhà lý luận giải thích cơ thế hoạt động của dụng cụ rồi hình thành nên các nguyên tắc mà dựa vào đó để tạo thêm nhiều dụng cụ, máy móc phức tạp hơn.

Các nhà nghiên cứu nhóm Ac-si-met cho biết bằng cách tìm hiểu biện chứng họ có thể hiểu được rõ hơn những gì con người học được từ thế giới tự nhiên vào một thời điểm nhất định, và hiểu được những kiến thức đó có thể ảnh hưởng đến cuộc sống của họ như thế nào.

Tiến sĩ Schiefsky đặt ra câu hỏi: “Bạn sẽ làm gì nếu bạn muốn cân một miếng thịt nặng 100 pound mà bạn lại không có quả cân có trọng lượng như thế? Bạn sẽ phải sử dụng một cái cân có hai tay đòn không đều nhau. Quả cân nhẹ hơn ở phía tay đòn dài còn miếng thịt đặt ở tay đòn ngắn”.

Cái cân không đều này còn được gọi là cân đứng, cũng là một dạng đòn bẩy. Tiến sĩ Schiefsky nhấn mạnh rằng cái cân đứng này cũng đã xuất hiện trong tác phẩm hài “Hòa bình” của Aristophanes nói về thời điểm kết thúc cuộc chiến Peloponnesian. Có một thương gia không biết làm thế nào với những chiếc kèn trumpet dùng trong chiến tranh còn thừa, Tryganeus – nhân vật chính của tác phẩm – đã đưa ra ý kiến đổ chì vào trong cái chuông để tạo nên những cái cân đứng. Chỉ vào cái ống nói, Trygaeus đề nghị: “Gắn vào đầu này một cái đĩa cân treo bằng sợi dây thừng nhỏ, và thế là ông đã có một dụng cụ để cân quần áo cho những người hầu của ông”.

Một lý do tại sao các học giả nhóm Ac-si-met lại thấy cơ học thú vị chính là những dụng cụ như cân đứng hay đòn bẩy có cả một chặng đường lịch sử rất dài. Tiến sĩ Schiefsky cho biết: “Con người đã biết đến chiếc đòn bẩy từ rất lâu trước khi lý thuyết khoa học hình thành, gần như vào thời điểm cội nguồn văn minh”. Một số nhà lý luận cho rằng nhìn từ một vài khía cạnh thì hiện tượng này cần phải được giải thích. Jurgen Renn – điều tra chính của dự án Ac-si-met – phát biểu khi được phỏng vấn qua điện thoại từ Berlin rằng: “Đó là cả một giai đoạn thăng trầm. Tại Trung Quốc và Hy Lạp đã tồn tại rất nhiều những cuộc tranh luận kịch liệt ở những trung tâm đô thị. Truyền thống tại Trung Quốc đã mất đi cùng đạo Khổng và sự hình thành đế chế. Nhưng tại phương tây nó lại được A-ris-tôt hợp pháp hóa”.

Tài liệu “Những vấn đề cơ học” đến với thế giới hiện đại cùng với những tác phẩm của A-ris-tôt. Thật ra từ nhiều thế kỉ người ta đã cho rằng chính A-ris-tôt viết nên tác phẩm. Tiến sĩ Schiefsky cho biết: “Hiện nay hầu hết các học giả đều phủ nhận điều đó”. A-ris-tôt thường đề cập đến mạng lưới lý thuyết rộng lớn còn “Những vấn đề cơ học” lại có tính chất tập trung hơn nhiều.

Theo tiến sĩ Schiefsky, tác giả của “Những vấn đề cơ học” biết rất rõ về A-ris-tôt và tiếp nhận tính thực tế của A-ris-tôt để mô tả những hoàn cảnh dường như rất khó định nghĩa bằng những thuật ngữ thực hành gọn ghẽ. Vấn đề 3 đã mô tả các đặc tính của đòn bẩy.

Tác giả có viết: “Thật kì lạ khi có thể nâng được một khối lượng lớn chỉ với một lực nhỏ. Nếu không có đòn bẩy, một người đàn ông không thể nâng nổi vật nặng. Nhưng khi có đòn bẩy anh ta lại có thể nâng lên nhanh chóng và dễ dàng ngay cả khi cộng thêm cả khối lượng của đòn bẩy nữa”.

Vấn đề 4 đề cập đến những người chèo thuyền và mô tả cùng quy luật đó nhưng ở một hoàn cảnh khác. Những người nô lệ chèo thuyền ngồi theo hàng từ đuôi tàu đến mũi tàu. Các mái chèo có độ dài như nhau, nhưng khoảng cách giữa tay người cầm và cọc chèo – hay còn gọi là tay đòn - ở phần giữa tàu lại dài hơn vì con tàu có rộng hơn ở phần giữa. Những người chèo thuyền ở giữa tàu phải bỏ ra một lực nhỏ hơn những người ở đuôi tàu hay mũi tàu để nâng cùng một khối lượng nước. Kết quả là, nếu những người chèo thuyền ở giữa cũng sử dụng một lực bằng với những người khác, thì họ sẽ di chuyển được một khối lượng nước lớn hơn và góp sức nhiều hơn trong việc di chuyển con tàu.

Ac-si-met: “Hãy cho tôi một điểm tựa, tôi sẽ nâng cả Trái đất” (Ảnh: Bettmann/ Corbis)

Mặc dù tác giả của chuyên luận “Những vấn đề cơ học” rất am hiểu về nguyên lý hoạt động của đòn bẩy, nhưng chính Ac-si-met mới là người mô tả chính xác mối quan hệ giữa vật nặng và khoảng cách của nó tính từ điểm tựa.

Tiến sĩ Schiefsky cho biết: “Ac-si-met đã biến những gì ông hiểu thành một nguyên lý cơ học lý thuyết cơ bản được mọi người áp dụng”. Ac-si-met đã từng có một câu nói kinh điển rằng: “Hãy cho tôi một điểm tựa, tôi sẽ nâng cả Trái đất”. Cũng theo tiến sĩ Schiefsky, “nguyên lý chính là giữa lực và vật nặng có một tỉ lệ tương xứng dù vật có nặng đến đâu. Và chúng ta chỉ cần làm một phép biến đổi trong đầu”.

Vào thời trung cổ, Ả rập chính là thế giới của những kiến thức khoa học mới mẻ đã được dịch từ tiếng Hy Lạp sang tiếng Ả rập từ thế kỉ thứ 9; đây cũng là thế giới dành cho những người trông coi kho tàng kinh điển đồ sộ đó. Vào thế kỉ 13, các học giả phương tây đã dịch các tác phẩm của A-ris-tôt từ tiếng Ả rập sang tiếng Latin.

“Những vấn đề cơ học” đã được lưu truyền đến thời Phục Hưng, cùng với những bản sao tiếng Hy Lạp những tác phẩm của A-ris-tôt được tìm thấy từ các thư viện, tu viện và các kho chứa ở vùng Trung Đông. Nó đã thôi thúc rất nhiều học giả đưa ra những lời bình luận và cũng được Galileo cùng các nhà lý luận khác ngâm cứu. Thực ra, trên nhiều phương diện “Những vấn đề cơ học” rất có ích cho xã hội 2.500 năm trước và cả ngày nay cũng vậy.

Hãy thử lấy một ví dụ với huấn luyện viên môn bơi thuyền của câu lạc bộ New York – Vincent Ventura. Mặc dù ông chưa hề đọc vấn đề số 4 trong “Những vấn đề cơ học” nhưng ông cũng có một cách hiểu khá gần gũi với nó. Trong cuộc phỏng vấn qua điện thoại, ông cho biết: “Điều đó không giống với hoàn cảnh của chúng tôi, do độ dài mái chèo tính từ cọc chèo đều dài như nhau dù bạn có ngồi ở vị trí nào trên thuyền. Mọi người đều đẩy một khối lượng nước như nhau. Đôi khi chúng tôi cũng rút ngắn mái chèo nếu người cầm chèo không được to khỏe như những thành viên khác.”