Mô hình nhật tâm của Copernicus

Thuyết nhật tâm của Copernicus là lý thuyết thiên văn được Nicolaus Copernicus phát triển và công bố vào năm 1543. Lý thuyết này đặt Mặt Trời ở trung tâm của vũ trụ, bất động, trong khi Trái Đất và các hành tinh khác quay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo tròn, bị biến đổi bởi ngoại luân, và ở tốc độ đồng nhất. Mô hình này đã thay thế mô hình địa tâm của Ptolemaeus, vốn đặt Trái Đất ở trung tâm của vũ trụ trong nhiều thế kỷ.

Dù ông đã gửi một bản thảo về thuyết nhật tâm cho các đồng nghiệp vào khoảng trước năm 1514, nhưng chỉ khi được học trò Rheticus khuyến khích, ông mới quyết định công bố. Thách thức của Copernicus là đưa ra một giải pháp thực tiễn thay thế cho mô hình Ptolemaeus, xác định độ dài của năm mặt trời một cách chính xác hơn, đồng thời vẫn giữ lại các ý nghĩa siêu hình của một vũ trụ có trật tự toán học. Vì vậy, mô hình nhật tâm của ông vẫn giữ lại một số yếu tố của Ptolemaeus, dẫn đến sự không chính xác như quỹ đạo tròn của các hành tinh, ngoại luân và tốc độ đồng nhất, cùng với các ý tưởng như:

• Trái Đất là một trong nhiều hành tinh quay quanh một Mặt Trời đứng yên theo một trật tự cụ thể.
• Trái Đất có ba chuyển động: tự quay quanh trục hàng ngày, quay quanh Mặt Trời hàng năm và nghiêng trục hàng năm.
• Chuyển động nghịch hành của các hành tinh được giải thích thông qua chuyển động của Trái Đất.
• Khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời rất nhỏ so với khoảng cách từ Mặt Trời đến các ngôi sao.

Bối cảnh

Thời kỳ cổ đại

Philolaus (thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên) là một trong những người đầu tiên đưa ra lý thuyết về sự chuyển động của Trái đất, có thể đã được ảnh hưởng bởi các quan điểm của Pythagoras về một trái đất hình cầu đang chuyển động. Vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, Aristarchus xứ Samos đã đề xuất mô hình nhật tâm đầu tiên được biết đến cho đến nay, sau khi phát triển một số lý thuyết của Heraclides Ponticus (nói về 'sự quay của Trái đất quanh trục của nó' cứ sau mỗi 24 giờ). Mặc dù văn bản gốc của ông đã bị thất lạc, nhưng một tài liệu tham khảo trong cuốn sách của Archimedes có tên The Sand Reckoner (Archimedis Syracusani Arenarius & Dimensio Circuli) mô tả một tác phẩm mà Aristarchus đã phát triển mô hình nhật tâm.

Hệ Ptolemaeus

Mô hình thiên văn phổ biến ở châu Âu trong 1.400 năm trước thế kỷ 16 là Hệ Ptolemaeus, một mô hình địa tâm do Claudius Ptolemaeus xây dựng trong cuốn Almagest vào khoảng năm 150 sau Công nguyên. Trong suốt thời Trung Cổ, tác phẩm này được coi là tài liệu chính thức về thiên văn học, mặc dù tác giả thường bị nhầm lẫn với một trong những nhà cai trị Ptolemaios của Ai Cập. Hệ thống Ptolemaeus dựa trên nhiều lý thuyết trước đó, xem Trái Đất là trung tâm cố định của vũ trụ. Các ngôi sao nằm trong một quả cầu lớn bên ngoài quay nhanh, trong khi các hành tinh nằm trong những quả cầu nhỏ hơn—mỗi hành tinh có một quả cầu riêng. Để giải thích cho những bất thường như chuyển động giật lùi của các hành tinh, người ta đã sử dụng hệ thống mặt cầu và ngoại luân, cho rằng hành tinh quay trong vòng tròn nhỏ (ngoại luân) quanh một tâm, trong khi vòng tròn này quay trong vòng tròn lớn hơn (mặt cầu) quanh một tâm gần Trái đất.

Một lý thuyết bổ sung cho các thiên thể đồng tâm của Ptolemaeus là các thiên thể bên trong quỹ đạo của hành tinh cũng có thể tự quay một chút. Lý thuyết này có nguồn gốc trước thời Ptolemy, được Eudoxus xứ Cnidus đưa ra, và vào thời Copernicus, nó được liên kết với Averroes. Các nhà thiên văn học cũng sử dụng những biến thể như độ lệch tâm, trong đó trục quay bị lệch và không hoàn toàn nằm ở tâm. Các hành tinh cũng được cho là có chuyển động không đều, không tuân theo quỹ đạo tròn. Phân tích cho thấy độ lệch tâm trong chuyển động của các hành tinh tạo ra những chuyển động ngược lại trong các khoảng thời gian quan sát, dẫn đến chuyển động ngược chiều kim đồng hồ, làm nền tảng giải thích cho lý do tại sao quỹ đạo này được gọi là ngoại luân.

Đóng góp đặc biệt của Ptolemy cho lý thuyết này là điểm gọi là 'equant' (cân bằng)—điểm mà tại đó tâm ngoại luân của một hành tinh chuyển động với vận tốc góc đều nhưng lệch khỏi tâm của nó. Điều này vi phạm nguyên tắc cơ bản của vũ trụ học Aristoteles, theo đó chuyển động của các hành tinh nên được giải thích theo chuyển động tròn đều, và bị nhiều nhà thiên văn học thời trung cổ coi là một thiếu sót nghiêm trọng.

Thuyết Copernicus

Tác phẩm nổi bật của Copernicus, De Revolutionibus orbium coelestium - Về chuyển động của các thiên thể (xuất bản lần đầu năm 1543 tại Nuremberg, và lần thứ hai năm 1566 tại Basel), là bộ sách gồm sáu cuốn được phát hành vào năm ông qua đời, mặc dù ông đã phát triển lý thuyết từ nhiều thập kỷ trước. Công trình này đánh dấu sự khởi đầu của sự chuyển mình từ vũ trụ địa tâm (và chỉ nhân loại) với Trái đất ở trung tâm. Copernicus cho rằng Trái đất chỉ là một hành tinh khác quay quanh Mặt Trời cố định mỗi năm và quay quanh trục của nó mỗi ngày. Tuy nhiên, dù Copernicus đặt Mặt Trời ở trung tâm của các thiên thể, ông không đặt nó ở chính xác trung tâm vũ trụ mà gần đó. Hệ thống của Copernicus chỉ sử dụng các chuyển động tròn đều, điều chỉnh những điểm mà nhiều người cho là kém tinh tế nhất trong hệ thống của Ptolemaeus.

Mô hình của Copernicus đã thay thế các vòng tròn cân bằng của Ptolemaeus bằng nhiều ngoại luân phức tạp hơn. Mô hình Ptolemaeus tồn tại suốt 1.500 năm đã giúp Copernicus có được những ước tính chính xác hơn về chuyển động của các hành tinh. Đây là lý do chính khiến hệ thống của Copernicus có nhiều ngoại luân hơn so với Ptolemaeus. Việc sử dụng nhiều ngoại luân hơn cho thấy có những phép đo chính xác hơn về vị trí thực sự của các hành tinh, 'dù chưa đủ để tạo nên sự quan tâm lớn'. Hệ thống của Copernicus có thể được tóm gọn trong một số mệnh đề, như chính ông đã làm trong cuốn Commentariolus ban đầu mà ông chỉ chia sẻ với bạn bè vào khoảng những năm 1510. Commentariolus chưa bao giờ được xuất bản chính thức. Sự tồn tại của nó chỉ được biết đến một cách gián tiếp cho đến khi một bản sao được phát hiện ở Stockholm vào khoảng năm 1880, và một bản sao khác ở Viên vài năm sau đó.

Các điểm nổi bật trong lý thuyết của Copernicus bao gồm:

1. Các chuyển động của thiên thể là đều đặn, vĩnh cửu và hình tròn hoặc được hình thành từ nhiều vòng tròn (ngoại luân).
2. Trung tâm của vũ trụ nằm gần Mặt Trời.
3. Xung quanh Mặt Trời, theo thứ tự là Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Mặt Trăng, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ và các ngôi sao cố định.
4. Trái Đất có ba chuyển động: tự quay hàng ngày, quay quanh Mặt Trời hàng năm và nghiêng trục hàng năm.
5. Chuyển động nghịch hành của các hành tinh được giải thích bởi sự chuyển động của Trái Đất, mà cũng chịu ảnh hưởng từ các hành tinh và thiên thể xung quanh.
6. Khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời rất nhỏ so với khoảng cách đến các ngôi sao.

Cảm hứng của Copernicus không đến từ việc quan sát các hành tinh, mà từ việc nghiên cứu các tác phẩm của Cicero và Plutarch. Trong các tác phẩm của Cicero, Copernicus đã tìm thấy mô tả về lý thuyết của Hicetas. Plutarch cũng đã nói về những người theo trường phái Pythagoras như Heraclides Ponticus, Philolaus và Ecphantes. Những tác giả này đã đưa ra quan điểm về một Trái Đất chuyển động, không quay quanh một Mặt Trời nằm ở trung tâm. Copernicus đã trích dẫn Aristarchus và Philolaus trong một bản thảo ban đầu của cuốn sách mà đến nay vẫn còn tồn tại, cho biết: 'Philolaus tin rằng Trái Đất chuyển động, và một số người thậm chí còn cho rằng Aristarchus xứ Samos cũng có quan điểm này'. Vì lý do không rõ ràng (có thể do sự miễn cưỡng trích dẫn các nguồn có liên quan đến Kitô giáo), Copernicus đã không đưa đoạn văn này vào bản xuất bản của mình.

Copernicus đã áp dụng những gì ngày nay gọi là bổ đề Urdi và cơ chế Tusi trong các mô hình hành tinh, tương tự như những gì được tìm thấy trong các nguồn gốc Ả Rập. Thêm vào đó, việc ông thay thế các đẳng thức bằng hai ngoại luân chính xác trong tác phẩm Commentariolus được ghi nhận từ trước trong tác phẩm của al-Shatir. Các mô hình về Mặt Trăng và Sao Thủy của Al-Shatir cũng rất giống với của Copernicus. Điều này đã khiến một số học giả cho rằng Copernicus có thể đã tiếp cận một số công trình chưa xác định dựa trên ý tưởng của các nhà thiên văn học trước đó. Tuy nhiên, không có ứng viên nào khả thi cho tác phẩm này được đưa ra, và các học giả khác khẳng định rằng Copernicus có thể đã phát triển những ý tưởng này một cách độc lập với truyền thống Hồi giáo muộn. Dẫu vậy, ông đã trích dẫn nhiều nhà thiên văn Hồi giáo có lý thuyết và quan sát mà ông đã sử dụng trong De Revolutionibus, bao gồm al-Battani, Thabit ibn Qurra, al-Zarqali, Averroes và al-Bitruji. Có ý kiến cho rằng ý tưởng về cơ chế Tusi có thể đã đến châu Âu mà không để lại dấu vết nào, vì điều này có thể xảy ra mà không cần dịch văn bản Ả Rập sang tiếng Latinh. Một con đường khác để lây truyền có thể là qua khoa học Byzantine; Grêgôriô Chioniades đã dịch một số tác phẩm của al-Tusi sang tiếng Hy Lạp Byzantine. Một số bản thảo tiếng Hy Lạp Byzantine vẫn còn tồn tại ở Ý có nhắc đến cơ chế Tusi.

De Revolutionibus orbium coelestium

Khi bản tóm tắt của Copernicus được công bố, nó có một lời tựa ẩn danh, không được sự đồng ý của một người bạn là nhà thần học theo Giáo hội Luther, Andreas Osiander. Ông này tuyên bố rằng Copernicus đã viết thuyết nhật tâm như một giả thuyết toán học chứ không phải là một lời giải thích chứa đựng sự thật hay khả năng xảy ra. Bởi vì giả thuyết của Copernicus được cho là trái ngược với câu chuyện trong Cựu Ước về chuyển động của Mặt Trời quanh Trái Đất (Giôsuê 10:12-13), nên điều này rõ ràng được viết ra nhằm làm dịu đi bất kỳ phản ứng nào từ phía tôn giáo đối với cuốn sách. Tuy nhiên, không có bằng chứng nào cho thấy Copernicus xem mô hình nhật tâm chỉ là một công cụ toán học và tách biệt khỏi thực tế.

Bản tóm tắt thực sự của Copernicus bắt đầu bằng một lá thư từ người bạn đã qua đời của ông, Nikolaus von Schönberg, Hồng y Tổng giám mục Capua, người đã khuyến khích Copernicus xuất bản lý thuyết của mình. Tiếp theo, trong phần giới thiệu dài, Copernicus đã dành tặng cuốn sách cho Giáo hoàng Phaolô III, giải thích lý do của ông khi viết cuốn sách là do các nhà thiên văn học trước đây không thể thống nhất về một lý thuyết đầy đủ cho các hành tinh, và lưu ý rằng nếu hệ thống của ông nâng cao tính chính xác của các dự đoán thiên văn, điều đó sẽ giúp Giáo hội phát triển một loại lịch chính xác hơn. Vào thời điểm đó, việc cải cách Lịch Julius là điều cần thiết và là một trong những lý do chính khiến Giáo hội quan tâm đến thiên văn học.

Tác phẩm này được chia thành sáu tập:

1. Tập đầu tiên tóm lược về thuyết nhật tâm và nêu ra những ý tưởng cơ bản của ông về Thế giới.
2. Tập thứ hai chủ yếu mang tính lý thuyết, trình bày các nguyên lý của thiên văn học và liệt kê các ngôi sao, làm nền tảng cho những lập luận trong các tập sau.
3. Tập thứ ba tập trung vào các chuyển động biểu kiến của Mặt Trời và các hiện tượng liên quan.
4. Tập thứ tư mô tả Mặt Trăng cùng với các chuyển động quỹ đạo của nó.
5. Tập thứ năm cụ thể hóa hệ thống mới, bao gồm cả kinh độ của hành tinh.
6. Tập thứ sáu trình bày chi tiết hơn về hệ thống mới, bao gồm cả vĩ độ của hành tinh.

Quan điểm hiện đại

Cơ bản là đúng

Từ góc nhìn hiện đại, mô hình Copernicus có nhiều ưu điểm. Ông đã cung cấp một giải thích rõ ràng về nguyên nhân hình thành các mùa: trục Trái Đất không vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo của nó. Bên cạnh đó, lý thuyết của Copernicus cũng đưa ra một lời giải thích rất đơn giản cho các chuyển động nghịch hành biểu kiến của các hành tinh—đặc biệt là sự dịch chuyển thị sai do chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời gây ra, một yếu tố quan trọng trong niềm tin của Johannes Kepler rằng lý thuyết này là đúng. Trong mô hình nhật tâm, các chuyển động nghịch hành biểu kiến của hành tinh xảy ra ở vị trí đối diện với Mặt Trời là hệ quả tự nhiên của quỹ đạo nhật tâm. Ngược lại, trong mô hình địa tâm, các hiện tượng này được giải thích bằng giải pháp gọi là ngoại luân, với các vòng quay liên kết bí ẩn với vòng quay của Mặt Trời.

Thuật chép sử hiện đại

Liệu các mệnh đề của Copernicus có được coi là 'cách mạng' hay 'bảo thủ' vẫn là một chủ đề gây tranh cãi trong lĩnh vực chép sử khoa học. Trong cuốn sách *Những kẻ mộng du: Lịch sử về tầm nhìn thay đổi của con người về vũ trụ* (1959), Arthur Koestler đã cố gắng giải thích 'cuộc cách mạng' của Copernicus bằng cách miêu tả ông là một kẻ nhút nhát, ngần ngại công bố tác phẩm của mình vì sợ bị chế giễu. Thomas Kuhn thì lại cho rằng Copernicus chỉ chuyển giao 'một số đặc tính mà trước đây thuộc về Trái Đất cho nhiều chức năng thiên văn của Mặt Trời.' Kể từ đó, các nhà chép sử đã cho rằng Kuhn đã đánh giá thấp tính chất 'cách mạng' trong công trình của Copernicus và nhấn mạnh rằng ông sẽ gặp khó khăn trong việc đề xuất một lý thuyết thiên văn mới chỉ dựa vào sự đơn giản trong hình học, do không có bằng chứng thực nghiệm nào.