Mùa hè năm 1665, một cơn đại dịch hạch quét qua nước Anh, gieo rắc sợ hãi và chết chóc. Trường Đại học Cambridge đóng cửa. Tất cả sinh viên phải trở về quê nhà, bao gồm một chàng trai 23 tuổi tên là Isaac Newton. Người thanh niên ấy không biết rằng, hai năm sống ẩn dật tại nông trại Woolsthorpe sẽ là khoảng thời gian định hình cả lịch sử vật lý sau này.
Vào một buổi chiều nắng nhẹ, Newton ngồi đọc sách trong khu vườn quen thuộc. Không khí yên tĩnh, chỉ có tiếng gió và tiếng côn trùng. Bất chợt, một quả táo chín rơi xuống đất. Không rơi vào đầu ông như lời kể dân gian, cũng chẳng gây tiếng động gì lớn. Nhưng ngay khoảnh khắc đó, trong tâm trí Newton nảy sinh một câu hỏi: Vì sao quả táo lại rơi xuống? Vì sao nó không lơ lửng, hoặc bay ngược lên?
Câu hỏi ấy không phải lần đầu được đặt ra trong lịch sử. Nhưng khác với người khác, Newton không để câu hỏi ấy trôi qua. Ông bắt đầu suy nghĩ về chuyển động. Nếu quả táo rơi xuống, hẳn là có một lực nào đó đang kéo nó về phía Trái Đất. Và nếu lực ấy tác động lên quả táo, liệu nó cũng tác động lên Mặt Trăng, lên các hành tinh khác không? Từ quả táo bé nhỏ, Newton mường tượng đến lực vô hình điều khiển cả vũ trụ.
Những ngày sau đó, ông thường lặng lẽ ngồi quan sát. Khi thấy một cỗ xe lăn chậm lại rồi dừng, ông không chấp nhận lời giải thích thông thường rằng xe “muốn dừng lại”. Ông nghĩ: nếu không có mặt đất gồ ghề hay gió thổi, liệu xe có dừng không? Dần dần, ông đi đến một nhận định táo bạo: nếu không có bất kỳ lực nào cản trở, một vật đang chuyển động sẽ cứ tiếp tục chuyển động mãi mãi. Và nếu một vật đang đứng yên, nó sẽ vẫn đứng yên nếu không có lực nào tác động vào.
Đó là lúc định luật đầu tiên trong ba định luật hình thành. Một vật sẽ giữ nguyên trạng thái chuyển động thẳng đều hoặc đứng yên, trừ khi bị tác động bởi một lực từ bên ngoài. Không cần thiết phải có lực để duy trì chuyển động — đây là điều hoàn toàn trái ngược với quan niệm thời đó. Newton gọi đây là “quán tính”.
Vấn đề tiếp theo khiến ông trăn trở là: nếu một vật bị tác động bởi một lực, thì nó sẽ thay đổi chuyển động như thế nào? Ông bắt đầu thử nghiệm với những vật có khối lượng khác nhau. Khi ông dùng tay đẩy hai vật giống hệt nhau, nhưng một vật nặng gấp đôi, thì rõ ràng vật nhẹ tăng tốc nhanh hơn. Khi ông đẩy cùng một vật với hai lực khác nhau, tốc độ thay đổi cũng khác nhau. Sau hàng chục lần lặp lại, ông nhận ra một công thức: lực tác động lên một vật tỷ lệ thuận với gia tốc mà vật nhận được, và tỷ lệ thuận với khối lượng vật đó. Một định luật ra đời trong im lặng: lực bằng khối lượng nhân gia tốc. F bằng m nhân a.
Công thức ấy tưởng chừng đơn giản, nhưng nó là chìa khóa cho mọi chuyển động. Người ta có thể dùng nó để tính lực cần thiết để bắn một viên đạn, thiết kế bánh xe, tính toán lực cần để nâng một tảng đá, thậm chí để đưa vệ tinh vào quỹ đạo. Newton đã tìm ra cách đo lường lực — một khái niệm từng được coi là trừu tượng.
Một ngày khác, trong lúc bước xuống cầu thang, Newton vấp phải bậc đá và chống tay vào tường. Bàn tay đau điếng. Ông nghĩ: rõ ràng ta là người tác động vào tường, nhưng tại sao tay ta lại bị đau? Không lẽ… tường cũng tác động trở lại? Nếu mình tác động một lực lên vật, vật đó cũng sẽ tác động một lực ngược lại lên mình. Lực và phản lực — bằng nhau, nhưng ngược chiều. Thế là định luật thứ ba ra đời, giản dị như chính cuộc sống: nếu bạn đẩy ai đó, người đó cũng đẩy bạn lại một lực y hệt.
Newton không chỉ quan sát, ông chứng minh các định luật đó bằng toán học, bằng phương trình và logic. Và ông không dừng lại ở quả táo hay cái xe. Một đêm, khi nhìn lên Mặt Trăng, ông tự hỏi: nếu quả táo bị Trái Đất hút xuống, thì Mặt Trăng cũng đang bị hút như thế. Nhưng tại sao Mặt Trăng không rơi xuống? Ông nhận ra: Mặt Trăng đang “rơi”, nhưng do nó di chuyển rất nhanh theo phương ngang, nên nó “rơi vòng quanh” Trái Đất — tạo thành quỹ đạo. Giống như bạn ném một quả bóng cực nhanh về phía trước, nó sẽ không rơi ngay mà bay theo đường cong. Chỉ cần tốc độ đủ lớn, nó sẽ bay mãi quanh Trái Đất.
Với ba định luật chuyển động, Newton không chỉ giải thích được quả táo rơi, mà còn lý giải được cả hành tinh quay, thủy triều lên xuống, và thậm chí cả sự rơi của sao chổi. Khi ông viết lại các định luật ấy vào cuốn sách vĩ đại “Principia Mathematica”, cả thế giới khoa học bừng tỉnh. Lần đầu tiên trong lịch sử, con người có một hệ thống chặt chẽ để giải thích chuyển động trong tự nhiên.
Có người hỏi Newton làm sao ông phát minh ra những điều lớn lao như thế. Ông chỉ nhẹ nhàng đáp: “Tôi không phát minh ra chúng. Tôi chỉ phát hiện ra những gì vốn đã có từ trước. Thiên nhiên là người giảng bài, tôi chỉ là học trò lắng nghe.”
Và quả táo năm nào vẫn nằm trong vườn, không nói lời nào. Nhưng với Newton, cú rơi thầm lặng ấy đã đánh thức cả một vũ trụ đang vận hành bằng những quy luật bền vững — quy luật mà ông đã lắng nghe, suy ngẫm và tìm hiểu.
