Aristotle cho rằng một vật chỉ chuyển động khi có thứ gì liên tục đẩy nó, và hễ thôi đẩy thì vật dừng lại. Quan niệm này sai vì ông không tách được lực ma sát, sức cản khỏi bản chất của chuyển động. Thật ra vật đang chạy tự giữ vận tốc, chỉ dừng vì bị cản. Vậy mà ý tưởng của Aristotle đứng vững gần hai nghìn năm, và đến nay vẫn là cách nghĩ tự nhiên của phần lớn chúng ta.
Thế giới chuyển động theo Aristotle
Aristotle (384–322 TCN) viết về chuyển động trong các sách Vật lý và Về bầu trời. Hệ thống của ông có lý lẽ chặt chẽ, dựa trên quan sát hằng ngày, chứ không phải đoán bừa.
Chuyển động tự nhiên
Mọi vật dưới Mặt Trăng làm từ bốn nguyên tố: đất, nước, khí, lửa. Mỗi nguyên tố có "chỗ tự nhiên" của nó. Đất và nước muốn về tâm vũ trụ, nên hòn đá rơi xuống. Lửa và khí muốn bay lên, nên khói bốc lên trời. Chuyển động tự nhiên không cần ai đẩy.
Chuyển động cưỡng bức
Mọi chuyển động khác — kéo xe, ném đá, bắn tên — đều cần một "tác nhân đẩy" tiếp xúc liên tục. Bò thôi kéo thì xe dừng. Đây là quan sát đúng ở thế giới đầy ma sát, và là lý do ông kết luận sai.
Bầu trời
Trên Mặt Trăng là nguyên tố thứ năm, ête, chuyển động tròn mãi mãi. Bầu trời và mặt đất tuân theo hai bộ luật khác nhau. Phải tới Newton, hai bộ luật này mới gộp làm một.
Câu hỏi Aristotle không trả lời trọn: mũi tên bay nhờ đâu
Nếu chuyển động cưỡng bức cần tác nhân đẩy liên tục, thì mũi tên đã rời dây cung lấy gì để bay tiếp? Aristotle đưa ra lời giải thích khá gượng: không khí bị mũi tên rẽ ra sẽ vòng ra phía sau và đẩy nó đi tiếp (ý này về sau được gọi là antiperistasis), hoặc dây cung đã truyền cho không khí khả năng đẩy.
Chính chỗ yếu này là cái khe mà các thế hệ sau lách vào. Câu hỏi "mũi tên bay nhờ đâu" mở đường cho khái niệm quán tính.
Những người đã nghi ngờ trước Galileo
| Thời gian | Người | Ý tưởng |
|---|---|---|
| Thế kỷ 6 | John Philoponus (Alexandria) | Bác lời giải thích "không khí đẩy". Cho rằng người ném truyền vào vật một "sức đẩy" bên trong, sức đẩy này hao dần |
| Thế kỷ 11 | Ibn Sina (Avicenna) | Bàn về một xu hướng chuyển động truyền vào vật, có thể không hao trong chân không |
| Thế kỷ 14 | Jean Buridan (Paris) | Gọi là impetus, tỉ lệ với lượng vật chất và tốc độ; nếu không bị cản thì impetus giữ mãi |
| Đầu thế kỷ 17 | Galileo Galilei | Thí nghiệm mặt phẳng nghiêng: không có cản trở thì vật đi mãi trên mặt ngang |
| 1644 | René Descartes | Vật có xu hướng đi theo đường thẳng, không phải đường tròn |
| 1687 | Isaac Newton | Định luật quán tính thành định luật đầu tiên của cơ học |
Lý thuyết impetus của Buridan đã rất gần quán tính. Khác biệt then chốt: impetus là một thứ "nhiên liệu" bên trong vật, còn quán tính của Newton không cần nhiên liệu gì cả. Vật không tiêu hao gì khi chuyển động thẳng đều.
Ba chỗ Aristotle sai, nói cụ thể
- Nhầm lực cản là bản chất. Xe bò dừng khi bò thôi kéo là vì ma sát bánh xe và mặt đường gồ ghề, không phải vì "chuyển động tự cạn". Giảm ma sát đi — như trên băng — vật trượt rất xa.
- Cho rằng vật nặng rơi nhanh hơn theo tỉ lệ. Theo Aristotle, vật nặng gấp đôi rơi nhanh gấp đôi. Thực tế, bỏ qua sức cản không khí, mọi vật rơi cùng gia tốc. Năm 1971, phi hành gia David Scott thả một chiếc búa và một chiếc lông chim trên Mặt Trăng trong chuyến Apollo 15; hai vật chạm đất cùng lúc.
- Cho rằng chân không không thể tồn tại. Lý lẽ của ông: trong chân không không có gì cản, vật sẽ chạy nhanh vô hạn, điều đó vô lý, nên không có chân không. Ngày nay ta biết trong chân không vật chỉ đơn giản giữ vận tốc đang có — đúng điều Aristotle cho là vô lý.
Vì sao ta vẫn nghĩ giống Aristotle
Từ thập niên 1980, các nhà tâm lý học nhận thức đã nghiên cứu cách người bình thường dự đoán chuyển động. Một nghiên cứu nổi tiếng của Michael McCloskey và đồng nghiệp (đăng trên tạp chí Science năm 1980) hỏi sinh viên: một viên bi chạy trong ống cong hình xoắn, ra khỏi ống sẽ đi đường nào? Khá nhiều người vẽ đường cong tiếp tục, như thể viên bi "nhớ" đường cong cũ. Câu đúng là đường thẳng.
Các giáo viên vật lý khắp thế giới gặp hiện tượng này đến mức đã có bộ câu hỏi chuẩn để đo nó, gọi là Force Concept Inventory (công bố năm 1992). Nhiều học sinh học xong ba định luật Newton vẫn trả lời theo kiểu Aristotle khi gặp câu hỏi đời thường. Lý do đơn giản: trực giác của ta được rèn trong thế giới đầy ma sát. Muốn đổi trực giác, phải tận mắt thấy chuyển động gần như không ma sát.
Công bằng với Aristotle
Nói Aristotle "sai" thì đúng, nhưng nói ông "ngớ ngẩn" thì không công bằng.
- Vật lý của ông mô tả khá đúng chuyển động trong môi trường có lực cản lớn, như hòn bi rơi trong mật ong: ở đó vận tốc thật sự tỉ lệ với lực đẩy, và thôi đẩy thì vật dừng gần như ngay.
- Ông là người đầu tiên cố đưa chuyển động vào một hệ thống lý luận có nguyên nhân, có quy luật.
- Chính vì hệ thống của ông chặt chẽ nên người sau mới tìm được chỗ để phản biện.
Góc nhìn hôm nay: biến hiểu lầm thành bài học
Muốn tự kiểm tra mình đang nghĩ theo Aristotle hay theo Newton, thử trả lời:
- Đá quả bóng trên sân cỏ, khi bóng đang lăn có lực nào đẩy nó về trước không? (Không. Chỉ có ma sát và sức cản kéo nó chậm lại.)
- Thả một quả bóng từ máy bay đang bay ngang, bóng rơi đường nào? (Đường cong parabol về phía trước, vì nó mang theo vận tốc ngang của máy bay; nếu bỏ qua sức cản, bóng luôn ở ngay dưới máy bay.)
- Một con lắc đứt dây ở điểm thấp nhất, quả nặng bay đi đâu? (Theo phương ngang, tiếp tuyến với cung tròn tại điểm đó, rồi rơi theo đường parabol.)
Sách nên đọc: Hai hệ thống thế giới chính và Hai khoa học mới của Galileo (có bản tiếng Anh dễ tìm) cho thấy chính Galileo đã tranh luận với các môn đồ Aristotle ra sao. Phần lịch sử vật lý trong bộ sách của George Gamow cũng là lối vào dễ chịu.
Câu hỏi thường gặp
Aristotle quan niệm về chuyển động như thế nào?
Aristotle cho rằng có chuyển động tự nhiên (vật rơi về chỗ của nó) và chuyển động cưỡng bức cần lực đẩy liên tục. Thôi đẩy thì vật dừng. Ông cũng cho rằng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ theo tỉ lệ khối lượng.
Vì sao quan niệm của Aristotle sai?
Vì ông coi việc vật dừng lại là bản chất của chuyển động, trong khi thật ra đó là tác dụng của ma sát và sức cản. Không có lực cản, vật đang chạy sẽ giữ vận tốc mãi, như định luật quán tính của Newton.
Ai bác bỏ quan niệm của Aristotle về chuyển động?
Nhiều người góp phần: Philoponus thế kỷ 6, Buridan thế kỷ 14 với thuyết impetus, rồi Galileo với thí nghiệm mặt phẳng nghiêng đầu thế kỷ 17, Descartes năm 1644, và cuối cùng Newton năm 1687 đưa ra định luật quán tính.
Thuyết impetus là gì?
Đó là ý tưởng thời trung cổ, được Jean Buridan phát triển, rằng người ném truyền vào vật một "sức đẩy" bên trong giúp nó bay tiếp. Impetus gần với quán tính, nhưng vẫn coi chuyển động cần một thứ nhiên liệu bên trong vật.
Vì sao nhiều người vẫn nghĩ như Aristotle?
Vì ta sống trong thế giới đầy ma sát, mọi thứ thôi đẩy đều dừng. Các nghiên cứu giáo dục cho thấy kể cả học sinh đã học định luật Newton vẫn hay đoán chuyển động theo trực giác kiểu Aristotle khi gặp tình huống đời thường.