Lược sử khám phá khoa học - Phần 1: Thời gian và Không gian

Khoa học, như chúng ta vẫn thường tưởng tượng, là những phát minh đầy tính cách mạng, mang trong mình những miêu tả như “độc nhất”, “vô tiền khoáng hậu”, “lừng lẫy năm châu, chấn động địa cầu”. Thực ra, khoa học giống như một quả bóng tuyết: khởi đầu là những viên tuyết nhỏ bé, cứ lăn dần qua hàng thế kỷ, để rồi trở nên khổng lồ. Quả bóng tuyết đó, nếu không có những đốm tuyết ban đầu bên trong, sẽ trở nên rỗng tuếch và tự sụp đổ bởi sức nặng của chính nó.

Cuốn sách Những Nhà Khám Phá của Daniel J. Boorstin đã cho thấy khoa học là một hành trình không hồi kết, và con người đã luôn bồi đắp và tiếp sức cho nó. Tác giả lần theo bốn chủ đề chính trong quá trình khám phá thế giới và phát triển khoa học: thời gian, không gian, tự nhiên, xã hội.

Con người thời cổ đại đã luôn hướng mắt lên trời, dõi theo các thiên thể để ước tính thời gian. Họ nhìn mặt trời để biết ngày và đêm. Họ nhìn chu kỳ trăng tròn trăng khuyết để đánh dấu các tháng. Và họ dùng các mùa với những biểu hiện thời tiết để đánh dấu một năm, phục vụ mục đích nông nghiệp. Rồi con người phát minh ra tuần lễ. Về mặt tự nhiên, tuần lễ không có nhiều sự liên quan đến chu kỳ của các thiên thể. Việc tạo ra tuần lễ, hay là ra đời một đơn vị thời gian nhân tạo, đánh dấu việc con người dần tách khỏi sự phụ thuộc vào tự nhiên.

Con người là một sinh vật tham lam. Từ việc nhìn lên trời để biết ngày và đêm, tháng và năm, họ còn muốn biết chính xác thời điểm trong ngày, chứ không còn chỉ là buổi sáng, buổi chiều hay buổi tối nữa. Và đó là lí do mà đồng hồ ra đời.

Những dạng đồng hồ sơ khai nhất là đồng hồ mặt trời dạng đĩa, có một cái thanh thẳng đứng chiếu bóng xuống mặt đồng hồ có khắc vạch chỉ giờ. Cơ chế đơn giản khiến cho dạng đồng hồ này rất phổ biến ở các quốc gia cổ đại. Tất nhiên là đồng hồ này chỉ dùng được vào ban ngày, vậy nên con người đã nảy ra nhu cầu tìm ra một phương pháp thống nhất trong việc đo đạc thời gian mà không phải phụ thuộc vào những ngôi sao xa xôi.

Con người nhận ra rằng bất kỳ thứ thì chảy được hay có thể tiêu hao được đều có thể dùng làm công cụ đo đạc thời gian. Và họ đã không cần phải tìm đâu xa: nước là thứ luôn có sẵn xung quanh con người. Họ chế tạo ra những bình đựng và đo thời gian trôi đi dựa vào lượng nước rò rỉ khỏi bình.

Song song với việc cải tiến các dạng đồng hồ, con người còn chia thời gian trong ngày ra làm 24 giờ, tạo ra tiêu chuẩn vẫn còn giữ đến ngày nay. Rồi trong vài thế kỷ gần đây, nhu cầu đo lường thời gian bằng những mốc nhỏ và chính xác trong khoa học đã làm xuất hiện khái niệm phút và giây.

Thời trung cổ, các công trình nhà thờ thường có đồng hồ ở mặt ngoài và tháp chuông ở trong. Có nghĩa là nhà thờ đảm nhiệm vai trò như một chiếc đồng hồ cho cộng đồng. Chuông và đồng hồ nhà thờ làm đủ mọi việc, từ việc báo giờ, đánh thức mọi người, báo động có kẻ thù, báo hiệu có sự kiện lớn. Do thời kỳ này đồng hồ thường rất cồng kềnh phức tạp, vậy nên việc theo dõi thời gian chưa thể phổ biến rộng rãi ở mức độ cá nhân.

Vì đồng hồ thời đó rất nặng nề, vậy nên không phải ai cũng có thể mang một chiếc đồng hồ theo mình. Với nhu cầu hàng hải và khám phá ngày càng lớn, các thuỷ thủ cần có đồng hồ mang theo để có thể xác định kinh độ của họ trên biển. Điều đó thúc đẩy những người thợ tìm ra cách để thu nhỏ đồng hồ, tinh xảo và gọn nhẹ tới mức có thể mang trong túi quần. Những cải tiến đột phá cho đồng hồ như là đồng hồ lò xo hay đồng hồ quả lắc cuối cùng đã cho phép thuỷ thủ và thương nhân có thể mang theo trên những chuyến hải trình dài hàng tháng trời và giúp họ ước lượng khá chính xác về vị trí của đoàn thuyền.

Tiến gần hơn tới thời cận đại và hiện đại, các ngành khoa học lên ngôi, đồng nghĩa với việc các thí nghiệm cần đo đạc thời gian trở nên ngày càng đòi hỏi sự chính xác. Ngoài ra, thời gian còn là công cụ để hỗ trợ con người hợp tác, lên các kế hoạch cá nhân và tập thể, đồng bộ các hệ thống công nghệ. Con người, khởi đầu với ngày, tháng, năm nhờ việc quan sát tự nhiên, đã phát minh thêm tuần, giờ, phút, giây, và còn tham vọng hơn nữa khi chia thời gian thành từng mili hay nano giây bằng đồng hồ nguyên tử để phục vụ những công nghệ tối tân.

Thời kỳ đầu của các nền văn minh, hiểu biết về địa lý của con người còn rất hạn hẹp. Thế giới đối với họ là những vùng đất mà bộ tộc hay thành quốc của họ sinh sống. Mỗi dân tộc ở mỗi vùng lại có những quan niệm về thế giới khác nhau. Một số đặc điểm địa lý nổi bật như núi non hay sông ngòi lớn được các dân tộc coi như là trung tâm của thế giới (hay ít nhất là thế giới của họ). Ví dụ như người Nhật có núi Phú Sĩ, người Hy Lạp có núi Olympus, người Do Thái có núi Sinai nơi Chúa giao cho Moses mười điều răn, người Trung Hoa có sông Hoàng Hà và Dương Tử.

Khi các dân tộc gặp gỡ, trao đổi tri thức và văn hoá, khái niệm về thế giới của họ cũng được mở rộng. Họ dần hình thành một khái niệm về Trái Đất, nơi toàn bộ loài người sống rải rác ở khắp nơi, và họ không còn là kẻ đơn độc giữa thế giới nữa. Vậy hình thù của trái đất ra sao? Người Ai Cập cổ đại quan niệm trái đất là một quả trứng. Một số triết gia và sử gia Hy Lạp thì tin rằng trái đất có hình đĩa tròn với con sông Oceanus bao quanh. Người Peru cổ đại thì coi trái đất như một hình chóp. Người Ấn Độ cổ xem trái đất như một hình bán cầu. Và rồi một số triết gia Hy Lạp đã đi đầu trong việc quan niệm trái đất là hình cầu, vì theo họ, hình cầu là hình khối hoàn hảo nhất trong tự nhiên. Eratosthenes đã thử tính toán chu vi trái đất, với sai số khoảng 15%, khá ấn tượng với trình độ khoa học thời đó.

Một trong những phát minh quan trọng nhất trong hành trình khám phá thế giới là bản đồ. Người Trung Hoa đã có những phương pháp vẽ bản đồ hình lưới để phục vụ cho quản lý và  chiến tranh. Trong khi đó, người phương Tây thời Trung Cổ tận dụng quan niệm trái đất hình cầu để vẽ ra bản đồ hình bánh xe.

Con đường tơ lụa xuất hiện như một sự thúc đẩy cho các phát kiến địa lý thế giới. Nhờ có con đường tơ lụa mà các nền văn minh đông-tây đã tiếp xúc và trao đổi kiến thức. Cả người châu Âu và người Trung Hoa dần nhận ra rằng đất nước của họ không phải là trung tâm của thế giới. Dù sao thì, con đường tơ lụa vẫn có một số rào cản về mặt con người, như là các thương nhân phương Tây thường sẽ phải qua rất nhiều lớp trung gian như là người Ba Tư, người Thổ, người Đột Quyết, để có thể tiếp xúc được với những hàng hoá và kiến thức phương đông. Qua cái quy trình nhiêu khê và rủi ro đó, kiến thức địa lý cũng đã tam sao thất bản đi khá nhiều.

Một bước ngoặt trong hành trình mở rộng địa lý của nhân loại là việc đế chế Mông Cổ xâm lược thế giới. Họ thống nhất phần lớn các quốc gia lại dưới một nhà nước, giúp việc đi lại buôn bán trên con đường tơ lụa trở nên dễ dàng và thống nhất hơn. Marco Polo là một ví dụ điển hình: xuất phát là một thương nhân, rồi ở lại Đại Đô (Bắc Kinh) phục vụ dưới trướng Hốt Tất Liệt. Vị khả hãn hiếu kỳ luôn tò mò về các nền văn hoá khác nhau khi thuộc hạ của ông trở về từ những chuyến công du. Marco Polo đã không làm Hốt Tất Liệt thất vọng: ông thực sự tìm hiểu văn hoá, tập tục, lễ nghi của những đất nước xa xôi, và những câu chuyện dâng lên khả hãn đã nâng ông lên thành một trong những người được Hốt Tất Liệt coi trọng nhất. Cuốn sách “Marco Polo du ký” đã truyền cảm hứng cho nhiều thế hệ các nhà thám hiểm châu Âu sau này.

Con đường tơ lụa đã mở rộng thế giới đất liền hơn bao giờ hết. Nhưng dù sao thì gần ¾ diện tích trái đất là biển. Con người, với bản chất ham muốn chinh phục những thứ mới lạ, luôn ấp ủ hoài bão làm chủ đại dương, vì có những nơi mà đôi chân và đàn ngựa sẽ không thể đến được. Những đoàn thuyền đã giong buồm đi đến những vùng đất mới, hoặc những vùng đất đã biết, nhưng bằng con đường chưa ai từng đi.

Người châu Âu thời cổ đại từng bó hẹp mình quanh Địa Trung Hải, phần lớn chỉ di chuyển buôn bán qua lại giữa Nam Âu và Bắc Phi. Dần dần họ tiến ra biển lớn, vượt qua eo Gibraltar của Tây Ban Nha để tiến ra Đại Tây Dương, đặt nền móng cho những phát kiến quan trọng trong lịch sử. Những vùng đất mới liên tục được khám phá và chinh phục. Riêng công cuộc vượt châu Phi để tiến vào Ấn Độ Dương đã bao gồm vượt qua các mũi Bojador (tây Sahara), mũi Verde (tây Phi), mũi Hảo Vọng (nam Phi). Để đến được Thái Bình Dương qua châu Mỹ phải vượt mũi Sừng xa xôi (nam Mỹ). Con người tiến dần như tằm ăn lá, và thế giới cứ thế mở ra trước mắt họ.

Mặc dù phần lớn các phát kiến về biển cả đến từ châu Âu, nhưng Trung Hoa đã từng có một thời đỉnh cao, vượt mặt châu Âu về hàng hải. Hạm đội khổng lồ của đô đốc Trịnh Hòa thời Minh đã chu du khắp các vùng biển phía Nam Trung Quốc, tiến tới Ấn Độ Dương và thiết lập quan hệ ngoại giao với các quốc gia xa xôi ở tận đông Phi và bán đảo Ả Rập. Nhưng sau một vài biến cố chính trị, việc duy trì hạm đội này không còn được ủng hộ bởi các hoàng đế, và triển vọng bá chủ đại dương của Trung Hoa cũng theo đó mà biến mất. Từ đó, Trung Hoa sẽ được các nước phương Tây phát hiện ra, chứ không phải là chiều ngược lại. Việc mất thế chủ động rất quan trọng với số phận của Trung Quốc sau này.

Một phát hiện đột phá khác là việc tìm ra châu Mỹ. Tìm ra châu Mỹ không phải là một phát hiện nhất thời, mà là tổng hợp từ nhiều kiến thức và kinh nghiệm từ hàng thế kỷ trước. Từ xưa, các bộ tộc Vikings đã giong buồm từ bắc Âu đến đảo Anh. Rồi họ tiếp tục tiến tới đảo Ireland, rồi Iceland, và tiếp đến Greenland. Từ Greenland, họ đã đi thuyền tới được phía đông bắc Canada.

Dựa trên kinh nghiệm hàng hải của những người đi trước, Columbus đã khám phá ra đảo Cuba và đặt chân tới Trung và Nam Mỹ. Amerigo Vespucci đã đi xuống xa hơn về phía nam châu Mỹ. Đoàn thuyền của Magellan đã đi từ Đại Tây Dương sang Thái Bình Dương, hoàn thành chuyến đi vòng quanh thế giới.

Một lý do song hành với những phát kiến địa lý vĩ đại là sự phát triển của công nghệ trong thời phục hưng. Thời kỳ hàng hải lên ngôi là chất xúc tác cho những phát minh quan trọng về công cụ địa lý.

Với sự bùng nổ của ngành in ấn, những cuốn sách và tập bản đồ được phát hành khắp nơi, bồi đắp nền tảng kinh nghiệm cho các thế hệ thuỷ thủ, giúp họ đi xa, đi nhanh và đi an toàn hơn. Các đoàn thuỷ thủ sẽ ghi chép hải trình và vẽ lại bản đồ với những chuyến đi của họ. Khi về nhà, họ sẽ tổng hợp lại bản đồ trên biển, kinh nghiệm về những vùng biển động, hướng gió, các bãi đá ngầm, xuất bản thành sách và bán lấy một khoản kếch xù. Việc này đưa kiến thức hàng hải đi khắp nơi. Một mét vuông có mười gã thuỷ thủ, điều này chẳng khác nào một phép thử và sai ở diện rộng: những người mắc lỗi thì bỏ mạng trên biển, những kẻ sống sót thì trở về với kiến thức và bán nó lấy tiền và danh vọng. Không gì thúc đẩy con người cố gắng làm việc hơn là hai điều trên.

Ngoài ra, công nghệ đóng tàu cũng có những cải tiến đáng kể: một số cải tiến về buồm giúp tàu có thể đi ngược gió, cải tiến về thân tàu giúp mớn nước thấp hơn, dễ dàng lật ngang tàu ra để bảo dưỡng và sửa chữa. Việc la bàn, đồng hồ, thước ngắm ra đời cũng giúp việc xác định vị trí trên biển ngày càng chính xác. Và ý tưởng chữa bệnh scurvy đã gia tăng tỉ lệ thuỷ thủ sống sót trong những chuyến ra khơi dài ngày, bảo tồn được rất nhiều nguồn nhân lực và kiến thức quý giá.

Ở thời hiện đại, con người đã tìm ra được sự tương đối của thời gian, và sự nhỏ bé của trái đất. Những nghiên cứu về máy thời gian đã từng xuất hiện trong lịch sử. Cuộc đua vào vũ trụ thì trở nên ráo riết hơn bao giờ hết. Công cuộc khám phá thời gian và không gian của con người đã trải qua một hành trình dài, và nó vẫn đang tiếp diễn.