Phòng thí nghiệm của Leonardo da Vinci: Nơi đi trước thời đại

Trong năm kỷ niệm 500 ngày mất của biểu tượng văn hóa Phục hưng, Martin Kemp đã rọi cái nhìn mới vào những mô hình thực nghiệm mang tính sáng tạo về sự chuyển động của nước và máu.

Mặc dù có vẻ sáo rỗng nhưng chúng ta vẫn phải lặp lại câu nhận xét quen thuộc này: Leonardo da Vinci (1452–1519) là người đi trước thời đại mình. Tuy nhiên, ông có được những điều đó là nhờ học hỏi rất nhiều từ những người thuộc thời đại mình. Sự tài khéo và linh hoạt của ông đã được báo hiệu từ những kỹ sư – nghệ sỹ của Ý thời kỳ Phục Hưng. Nổi bật nhất trong số này là Filippo Brunelleschi – người được coi là cha đẻ của kiến trúc Phục Hưng, đã kiến tạo ra mái vòm đồ sộ của nhà thờ Florence Cathedral và hình thành khoa học phối cảnh tuyến tính cho các họa sỹ trong những năm đầu thế kỷ 15. Các công trình về khoa học vật lý của Leonardo đã cho thấy ông đã thừa hưởng một cách trọn vẹn các lý thuyết về tĩnh học và động lực học thời kỳ Trung cổ trong khi sẽ còn rất lâu nữa mới đến thời kỳ của Isaac Newton và sự ra đời của cơ học cổ điển. Các nghiên cứu về giải phẫu của Leonardo là sự kết hợp của sinh lý học Trung cổ với các phân tích về chức năng và hình thái của nhà nghiên cứu y học thời kỳ La Mã Aelius Galenus.

Tuy nhiên cũng phải nói rằng, những đổi mới sáng tạo của Leonardo cũng cho thấy một sự thật hiển nhiên: ông đã hiểu các vấn đề này một cách sâu sắc hơn những người tiền nhiệm cũng như những người cùng thời để làm được nhiều hơn trong bối cảnh khoa học thời kỳ mình.

Những đổi mới sáng tạo nổi bật của Leonardo là việc phát minh ra những kỹ thuật đồ họa những chi tiết đường nét, cấu trúc bên trong vật thể trước khi tia X ra đời. Trong cuốn sổ tay ghi chép của mình, ông đã vẽ những vật thể bằng việc sử dụng kỹ thuật phối cảnh; mô hình hóa một cách có hệ thống các hình thể rắn bằng hình khối ánh sáng và bóng tối; tách bạch chúng để tiết lộ các cấu trúc bên trong; khắc họa những phần cơ thể và cỗ máy để phơi lộ những hình thái và khớp nối của chúng; phát minh ra những cách thể hiện dưới dạng sơ đồ để miêu tả các chức năng của các hệ thống cơ học và cơ thể; rút ra những kết luận về việc ý nghĩa hoạt động như thế nào thông qua thực nghiệm…

Sự chuyển động của chất lỏng

Giữa phạm vi rộng lớn của các hiệu ứng mà Leonardo khám phá và miêu tả là tính chất của các chất lỏng. Trong Leonardo da Vinci’s Codex Leicester — một cuốn sách gồm 4 tập được xuất bản từ cuốn sổ tay ghi chép về khoa học dày 72 trang, sáng tác sau năm 1508 — nhà sử học khoa học Domenico Laurenza và tôi đã chứng tỏ các ý tưởng mang tính cách mạng của ông về động lực học dòng chảy trong bối cảnh đặc biệt của lịch sử cổ đại về “cơ thể thế giới”.

Các lý thuyết của Leonardo về sự truyền đi của ánh sáng từ mặt trời đến trái đất và mặt trăng, bao gồm cả những phản xạ từ biển, thực tế hay giả định. Phần lớn cuốn ghi chép này, là dành cho các nghiên cứu về nước trong các chuyển động, trên biển cả, các dòng sông và kênh dưới hình thức vene d’aqua  (các mạch chảy của nước), trên bề mặt trái đất và ngầm dưới mặt đất. Yếu tố cơ bản trong suy nghĩ của Leonardo là dù ở cấp độ vi mô và vĩ mô, ông vẫn thấy cơ thể con người như một “thế giới thu nhỏ”, phản chiếu những hình thức và chức năng của thế giới rộng lớn hơn.  

Trong khi những nhà nghiên cứu trước đó, như nhà thiên văn học và địa chất học thế kỷ 12  Ptolemy, đã xem trái đất đã trải qua những thay đổi cục bộ thì Leonardo coi nó như có cả một câu chuyện về cuộc sống cổ xưa về những biến đổi trên quy mô lớn. Trong lý thuyết về địa chất của ông, các mặt cắt của vỏ trái đất sụp đổ, dẫn đến sự chuyển đổi dữ dội giữa đất và nước. Vì các trung tâm của trọng lực dịch chuyển, các phần của vỏ trái đất chuyển động để hình thành nên đồng bằng và núi non.

Ghi chép của Leonardo về bể thử nghiệm. 

Giữa những khía cạnh nguyên bản nhất trong các cuộc nghiên cứu của ông là những gì mà ngày nay chúng ta gọi là “thực hành trong phòng thí nghiệm” bằng việc sử dụng các mô hình vật lý một cách khéo léo. Các phân tích của Leonardo về tính chất của nước là sự kết hợp giữa các lý thuyết toán học về chuyển động với quan sát sắc sảo. Các thực nghiệm được thiết kế để chứng tỏ cách sóng nước được sinh ra từ gió và các dòng chảy cùng cuộn xoáy hình thành các đường lượn phức hợp của chúng dưới bề mặt. Ông đã phác thảo một bể thực nghiệm trong hai bức vẽ nhỏ trong số ghi chép, hình vẽ trên được ông ghi là experientia (thực nghiệm); kèm theo là một ghi chú của ông về “một đáy lớn và phẳng dài 2 braccia [116 centimetres], rộng bằng nửa braccio [29 cm]; phải được các thợ gốm làm ở đây”. Các thành bể, ông viết, có thể được làm từ thủy tinh; ông sẽ thả vào nước những hạt cỏ kê (Panicum spp.) để theo dõi các cuộn xoáy chuyển động.

Các loại van và cuộn xoáy

Một trong những nhiệm vụ ông định cho minh là quan sát những gì diễn ra để một vật thể di chuyển tại đáy bể khi một dòng không khí thổi qua một hình chữ nhật ngay phía trên bề mặt nước. Ông nghĩ rằng vật thể đó sẽ di chuyển theo hướng ngược lại với luồng gió.

Việc bố trí thực nghiệm tiết lộ những nghiên cứu kỳ diệu của Leonardo về sự chảy rối không xuất phát từ những quan sát thế giới tự nhiên mà từ những thí nghiệm về những chuyển động của cuộn xoáy. Bằng việc tập trung vào những khía cạnh khác nhau trong chuyển động của nước và không khí, ông đã hoàn tất một nghiên cứu tuyệt vời.

Nghiên cứu của Leonardo về chuyển động của máu trong cơ thể con người liên quan đến thực nghiệm về mô hình dòng chảy tương tự. Ông đặc biệt quan tâm đến sự thụ động của quả tim, một loại van động mạch chủ ba lá giữa tâm nhĩ và tâm thất mà ông nhận thấy là mang chức năng vận hành chuyển động của máu (trên thực tế nó giúp máu đi một chiều từ nhĩ phải xuống thất phải, dòng máu từ thất phải qua van động mạch phổi vào động mạch phổi đưa máu lên phổi để trao đổi ô xi). Lý thuyết của ông cho rằng các cuộn xoáy lấp đầy các điểm trong cấu trúc thắt lại như cổ ống thủy tinh ở động mạch chủ tại cổ người, ông đã đề xuất tạo ra một khuôn gốm hình cổ, trong đó thổi một ống thủy tinh, nhờ vậy ông có thể chứng kiến chuyển động của nước và hoạt động của các điểm van như một sự kiểm chứng các hành xử của máu. Mô hình của Leonardo đã được chuyên gia về cơ học dòng chảy Morteza Gharib – người đã được Hội Vật lý Mỹ (APS) trao giải thưởng Fluid Dynamics do có nghiên cứu nổi bật về động lực học chất lỏng – đã sử dụng các kỹ thuật hình ảnh hiện đại để chứng minh sự tồn tại của các cuộn xoáy xoay vòng và chứng minh là Leonardo đã diễn giải việc đóng van.

Việc mô hình hóa đã xuất hiện từ thời kỳ đầu Phục hưng. Bằng những đổi mới này, Leonardo đã thực sự đi trước thời đại mình.

Người ta thường cho rằng  vì các nghiên cứu khoa học của Leonardo không được xuất bản và không được lưu hành trong nhiều thế kẻ nên chúng không hề tác động vào sự phát triển của khoa học. Nhưng Codex Leicester cho thấy, công trình của ông vẫn tiếp tục được tiếp nối trong công việc của những nhà cải cách địa chất giữa thế kỷ 17 và 19 như nhà núi lửa học William Hamilton – đại sứ Anh tại Naples từ năm 1764 đến 1800. Những bản sao chép bằng tay tác phẩm của Leonardo đều có mặt tại nhiều địa điểm quan trọng trong sự phát triển của địa chất hiện đại: London, Rome, Florence, Naples, Paris và Weimar.

Do đó, những người nghiên cứu về Leonardo luôn luôn ngạc nhiên về ông.

Thanh Phương lược dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02144-z