Giáo trình thiên văn học đại cương = astronomy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Đại cương riucíc riA TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ - 2003 “The most incomprehensible thing about the Universe is that it is comprehensible” Albert Einstein Dich : “Dieu bi an nhat cua tu nhien la & cho chung ta co the nhan thuc duac no” Anbe - Anhxtanh “Ai khong biet ti gi ve thien van hoc hien dai, nguai khong the duac coi la da hoc hanh day du ” “Muai van cau hoi vi sao” NXB Khoa hoc & ky thuat LỜI MỞ ĐẦU Thế giới tự nhiên, xét mặt vật lý, tranh gồm ba phần: siêu vĩ mơ Siêu vĩ mơ có nghĩa vô to lớn theo không gian thời gian Thiên văn môn học giới siêu vĩ mơ Cùng với phần học khác vật lý, thiên văn giúp có tranh toàn diện giới tự nhiên Thiên văn môn học cổ điển, đồng thời đại Lượng kiến thức đồ sộ Thiên văn từ lâu bước khỏi khn khổ vật lý Nó môn sở nhận thức luận ngành khoa học mũi nhọn Tuy nhiên nước ta ngành thiên văn chưa phát triển Thiên văn dạy bậc đại học trường sư phạm mức độ bắt đầu với thời lượng ỏi, tài liệu sách nghèo nàn Điều đáng mừng gần tình hình giảng dạy có cải thiện đáng kể, vị trí mơn học nâng cao, tài liệu có nhiều hơn, quan hệ quốc tế mở rộng Chính việc biên soạn giáo trình cho môn học việc cần thiết có nhiều thuận lợi Vi mơ, vĩ mơ Mục đích giáo trình là: - Chắt lọc vấn đề thiên văn cấu trúc lại cho phù hợp với thời lượng giao, đồng thời có thêm phần mở rộng, cập nhật thơng tin để mở rộng tầm nhìn sinh viên đề hướng suy nghĩ thêm vấn đề nghiên cứu - Nhấn mạnh nội dung vật lý vấn đề thiên văn, theo sát chương trình vật lý phổ thơng để phù hợp với đối tượng học thầy giáo vật lý tương lai Cùng với giáo trình thiên văn GS Phạm Viết Trinh - Nguyễn Đình Nỗn vốn chuẩn mực, giáo trình đời nhằm giúp cho sinh viên có thêm tài liệu tham khảo để nắm học dễ dàng Tuy nhiên, việc biên soạn giáo trình cho mơn học đồ sộ phức tạp thiên văn vấn đề khó khăn khơng tránh khỏi sai sót Tác giả ý kiến nhận xét em sinh viên đồng nghiệp xa gần để giúp giáo trình ngày hồn thiện ThS Trần Quốc Hà r PHẦN NHẬP MÔN T THTÊN VĂN HỌC LÀ GÌ Đối tượng, nội dung nghiên cứu Thiên văn học môn khoa học thiên thể - vật thể tồn trời Đó cách nói nơm na Thực ra, định nghĩa cách xác là: Thiên văn môn khoa học cấu tạo, chuyển động tiến hóa thiên thể (kể Trái đất), hệ thống chúng vũ trụ nói chung Nội dung nghiên cứu chia làm phần : * Về qui luật chuyển động thiên thể mối quan hệ trời * Về cấu trúc chất vật lý thiên thể trình xảy vũ trụ * Về nguồn gốc hình thành phát triển thiên thể, hệ thống chúng vũ trụ Việc phân chia nội dung trùng khớp với lịch sử phát triển môn thiên văn học Sự phức tạp nội dung tăng dần với phát triển môn học Trái đất Đối tượng nghiên cứu thiên văn xác định ngày rộng phức tạp Từ “thiên thể” chung chung, vật bầu trời, mở rộng ra, cụ thể hơn, đa dạng Từ mặt trời, mặt trăng, hành tinh, thiên thạch đến vệ tinh nhân tạo, sao, bụi (Tinh vân) quần sao, thiên hà Càng ngày người ta phát nhiều vật thể lạ (có vật tiên đốn trước lý thuyết) nơ trôn (pun xa), quaza, lỗ đen v.v Như ta thấy thiên văn khơng phải túy mơn khí tượng học hay môn chiêm tinh người ta thường nhầm Phương pháp nghiên cứu Do đối tượng nghiên cứu vật thể to lớn vũ trụ xa xôi (trừ Trái đất) nên phương pháp nghiên cứu thiên văn đặc biệt, chí không giống môn khoa học Phương pháp chủ yếu thiên văn cổ điển quan sát quan trắc Người ta khơng thể làm thí nghiệm với thiên thể (tức bắt chúng tuân theo điều kiện mà ta tạo ra), khơng thể trực tiếp “sờ mó” chúng Nguồn thơng tin chủ yếu ánh sáng từ thiên thể Do ảnh hưởng khí quyển, chuyển động Trái đất tính chủ quan việc quan sát làm cho kết nghiên cứu bị hạn chế, chí dẫn đến kết luận sai lầm (Ví dụ: Việc quan sát chuyển động trời hành tinh dẫn đến kết luận hệ địa tâm Ptolemy) Một khó khăn phải kể đến việc quan sát tượng thiên văn xảy thời gian dài so với đời sống ngắn ngủi người không lặp lại Tuy vậy, khoa học phát triển việc nghiên cứu thiên văn trở nên dễ dàng Nguồn thơng tin gởi đến trái đất xạ điện từ khai thác triệt để hai vùng khả kiến vô tuyến giúp cho hiểu biết vũ trụ phong phú Đồng thời, với phát triển ngành du hành vũ trụ (cũng thành tựu thiên văn) người bước khỏi ràng buộc, hạn chế Trái đất để có thơng tin khách quan vũ trụ Việc xử lý thông tin kỹ thuật tin học giúp thiên văn phát triển vượt bậc Khác hẳn với thiên văn cổ điển kiên trì thu thập số liệu quan trắc suy luận để tìm qui luật, thiên văn đại sử dụng phương pháp mơ hình hóa, đề thuyết có tính chất dẫn đường việc quan sát thiên văn tìm kiếm chứng để kiểm định đắn lý thuyết biểu kiến M Nhìn chung phương pháp nghiên cứu khoa học thiên văn nằm khuôn khổ phương pháp luận khoa học nói chung, ln phát triển cịn hồn thiện Các nội dung vật lý thiên văn Các giáo viên vật lý biết hết phương pháp nghiên cứu thiên văn, phương tiện, dụng cụ v.v Nhưng họ cần phải biết nguyên tắc kết nghiên cứu thiên văn để có nhìn đầy đủ, tổng quát giới tự nhiên Những nội dung vật lý mà thiên văn có liên quan là: - Cơ học cổ điển - Điện từ - Quang - Vật lý chất rắn - Vật lý thống kê nhiệt động học - Vật lý Plasma - Cơ học lượng tử - Vật lý nguyên tử hạt nhân, hạt bản, vật lý lượng cao - Thuyết tương đối (hẹp, rộng) - Thuyết thống lớn v.v Trong khn khổ giáo trình ta đặc biệt ý đến phần: - Cơ học - Điện từ - Quang - Nhiệt - Nguyên tử hạt nhân, hạt - Cơ học lượng tử - Thuyết tương đối Đặc điểm việc dạy học thiên văn Thế giới tự nhiên tồn cách khách quan Nhưng nhận thức người tự nhiên lại mang tính chủ quan Do đó, phản ánh tự nhiên qua nhận thức người đúc kết thành môn khoa học dù đường tiệm cận với chân lý Thiên văn học Nó ln phát triển tất nỗ lực người việc tìm hiểu tự nhiên Vì vậy, khơng phải tất số liệu, kết luận thiên văn đắn bất biến Còn nhiều vấn đề tự nhiên mà thiên văn chưa biết chưa giải thích Mặt khác, tự nhiên vô tận nên môn thiên văn phong phú Không sách giáo khoa đề cập cách chi tiết đầy đủ vấn đề thiên văn Do vậy, việc dạy học thiên văn thực lâu dài phải cập nhật Ta cần nhiều thời gian để nghiên cứu, giảng dạy, học tập thiên văn hầu hết đối tượng môn học xa lạ với đời thường, trừu tượng (con người ngàn năm hiểu Hệ Mặt trời) Cũng cần phải có nhiều thời gian suy ngẫm để thắng định kiến sai lầm tự nhiên mà người tự tích lũy Thế lại có thời gian cho việc giảng dạy Điều đòi hỏi nỗ lực lớn người dạy học Chúng ta nên biết điều Ngồi ra, thiên văn mơn học địi hỏi quan sát Trong điều kiện ta chưa làm tốt Đây vấn đề ta cần tìm cách khắc phục việc dạy học môn Mối liên hệ thiên văn với môn khoa học khác ý nghĩa việc nghiên cứu, giảng dạy thiên văn Thiên văn có liên hệ với nhiều ngành khoa học Vốn môn khoa học xuất sớm, từ văn minh cổ, thiên văn nội dung đàm đạo nhà thông thái Dần dần, khoa học có phân hóa rõ rệt, thiên v mơn khoa học góp phần đắc lực vào việc trả lời câu hỏi lớn triết học như: Thế giới tạo nào? Vật chất có trước hay tinh thần có trước? Thế giới “khả tri” hay “bất khả tri?” Cuộc đấu tranh tư tưởng hai trường phái triết học xoay quanh câu hỏi đấu tranh gay go, khốc liệt chưa ngã ngũ Thiên văn ln đứng hàng đầu đấu tranh Trong phần lịch sử phát triển thiên văn ta thấy rõ điều Mối quan hệ thiên văn với vật lý rõ ràng Trong trình học thiên văn ta thấy rõ điều Các định luật vật lý ứng dụng thiên văn, đem lại phương tiện để giải vấn đề thiên văn Nhưng đồng thời thiên văn thường đường nêu ý tưởng cho vật lý Cơng cụ tính tốn thiên văn tốn học, phần thiên văn tính tốn Rất nhiều nhà thiên văn đồng thời nhà toán học Trước môn thiên văn thường dạy khoa tốn Trong q trình tìm hiểu cấu tạo thiên thể ta khơng thể khơng biết đến hóa học Ngày thiên văn có riêng ngành hóa học thiên văn Sinh vật học tìm cách lý giải nhiều vấn đề nhờ thiên văn Đặc biệt sinh học, mối quan hệ Thiên - Địa - Nhân ngày ý Để hiểu rõ chất nguồn gốc tiến hóa sống khơng thể khơng biết thiên văn Đối với địa lý mơn thiên văn người anh em Đối tượng nghiên cứu địa lý tự nhiên Trái đất, thành viên hệ Mặt trời Không thể hiểu rõ Trái đất khơng nắm mối quan hệ với thành viên hệ nói riêng tồn vũ trụ nói chung Ngay lịch sử, vốn mơn khoa học xã hội tưởng xa lạ với thiên văn, để xác định xác kiện lịch sử phải biết cách tính thời gian thiên văn Nhiều cơng trình cổ văn minh lớn loài người ghi lại kiến thức thiên văn thời Làm hiểu khơng có kiến thức thiên văn? Vũ trụ phịng thí nghiệm thiên nhiên vơ vĩ đại cho tất ngành khoa học Chính thiên văn kích thích ngành kỹ thuật khác phát triển theo Tầm quan trọng việc nghiên cứu giảng dạy thiên văn rõ ràng Đó khơng vấn đề học thuật, mà vấn đề xây dựng nhân sinh quan, giới quan đắn cho người Hy vọng thiên văn có chỗ đứng xứng đáng giáo dục - đào tạo nước nhà Tuy nhiên, thiên văn môn học dựa sở vật lý toán cao cấp, nên việc đưa thiên văn vào dạy bậc học phổ thơng vấn đề cịn khó khăn, cần phải nghiên cứu nhiều II LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH THIÊN VĂN HOC Thiên văn xuất từ lâu Ở ta kể sơ lược số mốc phát triển Từ thời hồng hoang, người cịn sống cảnh trời chiếu đất họ có nhận xét vũ trụ, lý giải cách ngây thơ câu chuyện thần thoại Hầu khơng có dân tộc lại khơng có thần thoại (thần thoại Hy Lạp, chuyện thần trụ trời Việt Nam, chuyện thần thoại Ai Cập, Ãn Độ, Trung Quốc ) Dần dần quan trắc bầu trời trở nên cần thiết cho việc canh tác nông nghiệp biển (qui luật mùa màng, nước, xác định vị trí biển sao) Engels nói xuất khoa học: “Trước tiên thiên văn Những người dân du mục nông dân làm nông nghiệp cần thiên văn học để xác định thời vụ” * Trong cơng trình kiến trúc văn minh cổ : Ai Cập, Maya lưu lại kiến thức thiên văn sâu sắc người cổ đại Lịch sử phát triển thiên văn một mơn khoa học chia làm ba giai đoạn chính: Cổ đại, cổ điển đại Thiên văn cổ đại (Ancient Astronomy): Từ năm 2000 trước cơng ngun người có ghi nhận xác thiên văn vị trí chịm sao, đường hành tinh, đường hồng đạo, chu kỳ Saros Những nước có văn minh cổ đáng h lưu ý là: Ai Cập, Ãn Độ, Trung Quốc, nước Ả Rập, đặc biệt Hy Lạp Người đáng ý Aristotle (khoảng năm 350 trước công nguyên) với ý tưởng đáng lưu ý như: Ý tưởng hệ Địa tâm, nguyên tố cấu thành vũ trụ: đất, nước, bất biến vũ trụ, phân chia giới phía Mặt trăng bên Mặt trăng v.v khơng khí, Cùng với đời Thiên chúa giáo với ý tưởng Chúa (Thượng đế) sáng tạo giới người trung tâm ưu ái, hệ địa tâm Ptolemy đời (năm 150 trước cơng ngun) Nó thống trị thiên văn suốt thời gian dài Chỉ đấu tranh kiên trì biết nhà thiên văn dũng cảm làm thay đổi nhìn sai lầm Hệ Mặt trời mà đưa Thiên văn cổ điển (Classical Astronomy): Từ kỷ 16, bị giám sát chặt nhà thờ, nhà thiên văn không chịu cơng nhận hệ địa tâm Ptolemy kiên trì đấu tranh cho tư tưởng Hệ nhật tâm nhà thiên văn Ba Lan Nicolaus Copernicus (1473 - 1543) đưa tác phẩm “Về quay thiên cầu” mở cho thiên văn học kỷ nguyên Sau đó, nhà thiên văn Đức Iohan Kepler (1571 - 1630) tìm định luật chuyển động hành tinh Hệ măt trời Đây thời kỳ đấu tranh khốc liệt cho thắng lợi thuyết nhật tâm Tấm gương chiến đấu tiêu biểu chết dàn hỏa thiêu nhà khoa học Ý G Bruno Roma kiên định nhà thiên văn Ý G Galileo (1564 - 1642) Galileo cịn cha đẻ kính thiên văn, công cụ thiếu việc quan sát bầu trời Nhưng đặc biệt giai đoạn cơng trình nghiên cứu học nhà bác học Anh I Newton với tác phẩm “Principia ( Các nguyên lý” (1643(1727) Ông đặt móng vững cho mơn học thiên thể thiên văn quang học Các phương pháp tính tốn Newton đóng góp nhiều cho tốn học Sau ơng, nhà tốn học như: Lagranges, Laplace, Le Verrier (Pháp) tính tốn tìm thêm số hành tinh Hệ Mặt trời, đánh dấu toàn thắng thiên văn cổ điển Thiên văn đại (Modern Astronomy) Vào cuối kỷ XVIII nỗ lực hồn thiện cơng cụ quan sát (kính thiên văn) F.W Herschel người Anh (1738(1822) khai sinh thiên văn học tinh (sao) Ông nhận thấy Mặt trời không đứng yên chỗ mà tham gia chuyển động hệ thống gọi Ngân hà (Our Galaxy) Ông người thu mơ hình kết cấu Ngân hà Sau đó, nhà thiên văn Mỹ Shapley chứng minh Mặt trời khơng nằm tâm Ngân hà, khơng phải tâm vũ trụ Một lần người nhận thức xác chỗ đứng vũ trụ Đồng thời quãng thời gian nghiên cứu quang học phát triển vượt bậc, với phát quang phổ vạch Mặt trời Fraunhofer, lý thuyết xạ vật đen tuyệt đối Kirchhoff Cuối kỷ XIX tranh luận chất ánh sáng chấm dứt đóng góp nhiều cho việc hiểu q trình thu nhận thơng tin (ánh sáng) từ thiên thể Các định luật xạ Boltzmann, Plank, Einstein làm sở cho môn thiên văn vật lý Các phép trắc quang (Photometry) quang phổ nghiệm (Spectroscopy) cho phép ta hiểu sâu chất trình vật lý thiên thể Đầu kỷ XX E.P Hubble (1889 - 1953), nhà thiên văn Mỹ, người sáng lập thiên văn học tinh hệ, nhận thấy qua hiệu ứng Doppler tinh hệ (thiên hà) rời xa chúng ta: vũ trụ khơng có tâm, tất dãn nở Và ơng tìm định luật dãn nở Cùng với thuyết tương đối rộng hẹp A Einstein vĩ đại (1879 - 1955) chất không thời gian, phát kiến Hubble làm cho môn vũ trụ luận (Cosmology) tiến thêm bước, với thuyết vụ nổ lớn (Big - Bang) tiếng Từ năm 1945 thiên văn vơ tuyến đời, góp phần đắc lực cho việc tìm hiểu vũ trụ Trong kỷ XX ta thấy có kết hợp hài hịa hai lĩnh vực nghiên cứu khác vật lý: vi mô siêu vĩ mô Các vật thể vũ trụ dù to lớn đến cấu tạo từ thành phần nhỏ nguyên tử hạt nhân Vật lý hạt nhân - nguyên tử cho phép giải thích nguồn gốc lượng thiên thể Các định luật giới vi mô l học lượng tử làm cho người ta hiểu rõ chế trình hình thành, tiến hóa vật thể vũ trụ (Nguyên lý Pauli, Giới hạn Chandrasekhar, Nguyên lý bất định Heisenberg, Những kỳ dị toán học (Singularity) S Hawking ) Thiên văn đặt nhiều vấn đề cho vật lý học đại vật lý góp phần giải nhiều vấn đề thiên văn Đặc biệt việc giải thích nguồn gốc vũ trụ cần kết hợp lý thuyết vật lý đại thành lý thuyết thống hoàn chỉnh mà vật lý chưa tìm Do thiên văn vật lý ngành mũi nhọn khoa học Không thể không kể đến việc từ năm 60 kỷ người thành công việc bước khỏi nôi Trái đất bé bỏng mình, đặt bước chân vào vũ trụ Đó bước sải dài lịch sử thiên văn Nhờ có ngành hàng không vũ trụ thiên văn kỷ XX thu nhiều thành tựu lớn Tuy nhiên, vũ trụ mênh mông vô tận, so với tồn lịch sử phát triển mơn thiên văn chưa đầy tích tắc Thiên văn chưa viết đoạn kết cho nhiều vấn đề III TỔNG QUAN VỀ VŨ TRỤ Những quan sát từ Trái đất Từ Trái đất ngước mắt nhìn lên bầu trời ta thấy vòm cầu suốt mặt đất phẳng, nơi ta đứng trung tâm Vì ta có cảm giác trời trịn, đất vng ta trung tâm vũ trụ (!) Thực ra, vòm cầu mà ta nhìn thấy ảo giác Vũ trụ vơ tận, khơng có đường biên vịm cầu, khơng có nơi tiếp giáp trời đất đường chân trời mà ta nhìn thấy Ta gọi vịm cầu tưởng tượng thiên cầu Ban ngày, Mặt trời xuất rực rỡ từ đường chân trời phía đông, lên cao trời xanh lặn xuống chân trời tây Đêm bắt đầu, bầu trời tối đen thăm thẳm, rải rác vòm cầu sao, vị trí chúng dường khơng đổi mà kết nối chúng lại ta có vơ số hình ảnh lý thú Người xưa đặt tên cho chúng theo nhân vật thần thoại chòm Hercules (Vũ tiên); Orion (Lạp hộ) vật Ursa (Gấu), Canis (chó), Leo (sư tử) Mắt thường ta thấy rõ 88 chịm bầu trời Mặt trăng xuất bầu trời đêm với hình dạng thời điểm ln thay đổi cô gái đỏng đảnh, thiên thể sáng nhất, đẹp đáng ý bầu trời đêm úp Hình Bằng đường nối tưởng tượng sáng chịm sao, người ta có hình tượng nhân vật Tráng sĩ thần thoại Hy Lạp để đặt tên cho chòm chòm Tráng sĩ (Lạp hộ) - Orion Quan sát kỹ ta có cảm giác Mặt trời, Mặt trăng, xuyên qua nơi ta đứng, nối với gần nằm yên gọi Bắc cực Ta gọi trục quay thiên cực tượng quay quanh trục thiên thể ngày quay quanh đêm nhật động Người ta qui ước thiên cực bắc thiên cực mà nhìn thấy thiên thể nhật động (quay) ngược với chiều kim đồng hồ (nếu đứng bán cầu bắc Trái đất) Theo qui định ta đứng tay phải phương đông, trái tây, trước mặt bắc, sau lưng nam Bầu trời nhật động theo chiều từ đông sang tây (các thiên thể mọc phía đơng, lặn phía tây) Quan sát kỹ năm ta thấy đặc điểm chuyển động thiên thể sau: a) Mặt trời ( năm Mặt trời mọc hướng đông lặn hướng tây vào ngày: xuân phân (20 21 tháng ba); thu phân (23 24 tháng chín) Sau xuân phân điểm mọc Mặt trời lệch dần phía đơng bắc, ngày lệch cực đại hạ chí (22 tháng 6) 23o27' so với đơng Điểm lặn lệch phía tây bắc theo qui luật Sau đó, điểm mọc dịch dần phía nam đạt đơng vào thu phân Qua thu phân điểm mọc dịch dần phía đơng nam (điểm lặn tây nam), đạt độ lệch cao vào ngày đơng chí (22 tháng 12) khoảng 23o27' lại dịch dần phía bắc ngày xuân phân Như điểm mọc Mặt trời lệch tới 46o54' năm (minh họa h.2) Đông Bấc H h' Chính đơng Xuấn phấn Thu phấn Đơng nam Đơng chí Hình : Sự thay đổi điểm mọc Mặt trời năm Ngoài ra, năm vị trí Mặt trời trời thay đổi Mặt trời từ từ dịch chuyển theo ngược chiều nhật động (tây qua đông), trọn vòng hết khoảng 365 ngày Mặt trời dịch chuyển in hình lên chịm tháng gần vào chịm Đường gọi Hồng đạo đới cầu bao gồm 12 chòm gọi hồng đới Ban ngày ta khơng nhìn thấy sao, song ban đêm ta xác định định chòm mà Mặt trời in vào nhờ xuất chịm đối diện Ví dụ : Tháng ba đối diện tháng chín, đêm ta thấy Mặt trời lặn, chòm Trinh nữ xuất (nhật động đối diện với Mặt trời thiên cầu) Vậy Mặt trời in lên chòm Song ngư (xem bảng 1) Bảng : Các chịm hồng đới Tháng Tên chòm Mặt trời in lên Con hươu Cái bình Song ngư Con dê Con trâu Song tử Capricomus Aquarius Pisces Aries Taurus Gemini Thán g 10 11 12 Tên chòm Mặt trời in lên Con tôm Sư tử Trinh nữ Cái cân Thần nông Nhân mã Cancer Leo Virgo Libra Scorpius Sagittarius b) Mặt trăng ( (ĩ) từ từ dịch chuyển ngược chiều nhật động, trọn vịng gần 27 ngày Đồng thời hình dáng Mặt trăng thay đổi (lúc tròn, lúc khuyết, lúc không xuất hiện) c) Các dường tham gia nhật động, vị trí tương đối chúng khơng đổi năm, tạo nên chịm cố định d) Tuy có số lang thang khác (hành tinh) Người xưa tìm thấy hành tinh Thủy, Kim, Hỏa, Mộc, Thổ Các hành tinh nói chung dịch chuyển ngược với chiều nhật động, có thời gian chúng dịch chuyển ngược lại tạo nên quĩ đạo hình nút Đường chúng gần với Hồng đạo Đặc biệt Thủy tinh, Kim tinh thường gần Mặt trời (Thủy tinh: 280, Kim tinh : 480) Người xưa dựa quan sát qui luật chuyển động Mặt trời, Mặt trăng để xác định thời gian, làm lịch xác định phương hướng Họ trời, Mặt trăng, Trái đất hành tinh kết hợp thành hệ mà ta gọi Hệ Mặt trời sau nhận thấy M Bức tranh toàn cảnh vũ trụ Từ quan sát ban đầu, người xưa có kết luận vũ trụ gồm hệ chứa Trái đất, Mặt trời, Mặt trăng, hành tinh Giới hạn vũ trụ vịm cầu suốt có gắn Ngày nay, người nhận thức vũ trụ vô tận Phần vũ trụ mà người tìm hiểu vơ lớn (cỡ 3.1026m) có hàng tỉ tỉ Các thường tập hợp lại thành hệ gọi thiên hà, hay tinh hệ (galaxy), ta thường nhìn thấy dạng vết sáng nhòe yếu ớt nên gọi (là chữ Galaxy viết hoa) gọi Ngân hà, dải sáng vắt ngang bầu trời đêm, có khoảng 6000 nhìn mắt thường hàng trăm tỉ khác tinh vân Thiê Mặt trời ngơi trung bình nằm ngồi rìa Ngân hà Mặt trời kéo theo “bầu đoàn thê tử” gồm hành tinh, tiểu hành tinh, chổi quay xung quanh, tập hợp thành Hệ Mặt trời Kích thước thiên thể lớn, khoảng không vũ trụ chúng lớn nhiều Trong khoảng khơng cịn có vật chất tồn dạng trường làm cản trở tầm quan sát Chúng ta thật ngạc nhiên trước khả tìm hiểu vũ trụ người Ta thử làm phép so sánh để tưởng tượng mức độ vĩ đại bụi, khí, Trước hết Trái đất, có đường kính cỡ hàng ngàn km Để vòng quanh Trái đất người hết hàng nửa năm, Trái đất hoàn toàn phẳng Trong thực tế, cách 500 năm Magellan phải năm biển hết vòng Trái đất kết luận Trái đất hình cầu Ngày máy bay ta cỡ 30 để bay vòng quanh Trái đất Trái đất vĩ đại thật chả thấm vào đâu so với vũ trụ Mặt trời, ngơi trung bình gần Trái đất nhất, có đường kính gấp trăm lần đường kính Trái đất Mặt trời chứa hàng triệu Trái đất [(100)3 lần] Khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời cỡ hàng trăm triệu km Nếu người đến Mặt trời hàng ngàn năm Ánh sáng, vật thể có vận tốc nhanh (cỡ 300.000 km/s), từ Mặt trời xuống Trái đất hết phút Nhưng ánh sáng từ Mặt trời đến rìa Hệ Mặt trời (vị trí Diêm vương tinh) hết 5,2 Có nghĩa gấp 40 lần quãng đường từ Trái đất lên Mặt trời Ẩy mà đến gần ta nhất, Cận tinh, ánh sáng phải hết 4,3 năm Kích thước phần vũ trụ ta quan sát cỡ 1010 năm ánh sáng Có nghĩa kiện ta quan sát từ rìa vũ trụ xảy cách hàng chục tỷ năm! Thật khó kiếm tỷ lệ thích hợp để mơ tả vũ trụ Ngay Hệ Mặt trời nhỏ bé ta lấy tỷ lệ (nghĩa thu nhỏ kích thước khoảng cách theo tỷ lệ) thì: Nếu Mặt trời khối cầu đường kính 1,4m đặt tượng Phù Thiên vương giao mạng tháng Tám - Nguyễn Trãi - Lý Tự Trọng, Trái đất hịn bi đường kính 1,3 cm đặt cách 150m Khi Diêm vương tinh (giới hạn Hệ Mặt trời) nằm ngã tư Bảy Hiền (cách cỡ 6km) hột đậu cỡ 2mm Thật khó có tỷ lệ nhỏ để thu vào h l PHẦN KẾT Chúng ta vừa học xong giáo trình Thiên văn học đại cương Gấp sách lại, không khỏi băn khoăn, dường cịn q nhiều điều chưa nói hết Đó khơng có đủ thời gian trình độ để sâu Nhưng lẽ nửa đường tìm hiểu tự nhiên mãi vơ tận Vậy học điều qua giáo trình hạn hẹp này? Trước tiên, lợi ích mà mơn học đem tới cho người học Sự hiểu biết giới tự nhiên giúp làm chủ thân, làm chủ giới Người xưa nói: “Cách vật thành ý tâm Tu thân, tề gia, trị quốc, bình thiên hạ” Muốn làm việc lớn phải việc học hỏi, quan sát tự nhiên, từ rút kết luận đắn qui luật vận động tự nhiên, hình thành cho nhân sinh quan, giới quan đắn, giúp thành cơng sống Học thiên văn để trang bị cho vũ trụ quan đắn, tiến bộ, khoa học Tuy nhiên, việc học tập, nghiên cứu môn học sớm chiều, hiểu biết người tự nhiên chân lý bất biến Tự nhiên tồn khách quan hiểu biết người phản ánh chủ quan, ln mang đậm dấu ấn thời đại Vật lý mơn khoa học tìm hiểu qui luật vận động vật chất không gian theo thời gian khái niệm vật chất không gian thời gian theo lịch sử phát triển vật lý có nhiều biến đổi Điều thể rõ học Tìm hiểu khơng - thời gian tìm hiểu vũ trụ, vũ trụ là: phần vũ trụ l “Thượng hạ, đông tây viết VŨ cổ, lai kim viết TRỤ” Vũ trụ khơng - thời gian mà vật chất tồn Trong sách ta không sâu nghiên cứu riêng phần vũ trụ luận Nhưng qua bật mà thầy giáo vật lý, đối tượng phục vụ sách thay đổi quan điểm vũ trụ, qua giai đoạn phát triển vật lý từ thời Aristotle qua Newton đến Einstein cịn tiếp tục Từ khơng gian hạn hẹp gắn liền với nôi Trái đất bất động vươn xa đến hàng tỷ tỷ thiên hà Từ chỗ coi thời gian giúp liên kết kiện, sống bầu trời thần thánh, bất diệt, vô thủy vô chung, thấy “già” “chết” Ta lần ngược ngày đời vũ trụ Và đường tìm hiểu vũ trụ khái niệm khơng - thời gian ngày trở nên phức tạp Chúng không tồn độc lập, tự thân mà gắn liền với vật chất Khái niệm vật chất hiểu với mức độ ngày sâu sắc tinh tế Thế giới thiên thể dù to lớn đến đâu, hình thành từ thành phần nhỏ bé vật chất Để hiểu rõ trình hình thành vũ trụ gồm thiên thể to lớn phải sâu vào giới vi mô vật chất Thế giới nguyên tử hạt nhân, hạt v.v Sự kết hợp nghiên cứu hai thái cực vật chất Siêu vi mô siêu vĩ mô đưa môn thiên văn vũ trụ thành ngành khoa học mũi nhọn thời đại Tuy nhiên chủ thể quan sát tự nhiên cịn câu hỏi có tính dẫn đường cho việc nghiên cứu mà chưa có câu trả lời dứt khốt Triết học cần trước dẫn đường cho khoa học, cho rõ ta hiểu tự nhiên hay không? Thế giới phải tạo ta ta? Trớ trêu thay, muốn triết học trả lời câu hỏi thân khoa học phải cung cấp đầy đủ chứng cho Vậy đến có câu trả lời tối hậu đây? trọng phải nắm t đ Cho nên, sách đến phần kết nhiều vấn đề chưa kết thúc Để ngày hiểu tự nhiên, nhiệm vụ phải không ngừng học hỏi cập nhật kiến thức Cuốn sách hẳn có thêm nhiều phần PHỤ LỤC Mơt số số vât lý Hằng số Ký hiệu Giá trị ước tính Tốc độ ánh sáng chân khơng Điện tích ngun tố Khối lượng electron Khối lượng proton Tỷ số k/lượng proton k/lượng electron Khối lượng nơtron Khối lượng muon Khối lượng electronc) Khối lượng protonc) Khối lượng nơtronc) Khối lượng nguyên tử hidroc) Khối lượng nguyên tử đơteric) Khối lượng nguyên tử hêric) Thương số điện tích k/lượng electron Hằng số điện Hằng số (từ) thẩm Hằng số Planck Bước sóng Compton electron Hằng số khí lí tưởng Hằng số Avogadro Hằng số Boltzman Thể tích mol khí lý tưởng STPd) Hằng số Faraday Hằng số Stefan- Boltzmann Hằng số Ridberg Hằng số hấp dẫn Bán kính Bohr Momen từ electron Momen từ proton Manheton Bohr Manheton hạt nhân c e mc mp mp/mc mn m^ mc mp mn mm m2H m4He e/ mc So Uo h 3.000 x 108m/s 1.60 x 10-19C 9.11 x 1031kg 1.67 x 1027kg 1840 1.68 x 1027kg 1.88 x 1028kg 5.49 x 10-4u 1,0073u 1,0087u 1,0078u 2,0141u 4,0026u 1,76 x 10u C/kg 8,85 x 10-12F/m 1.26 x 10-H/m 6.63 x 10-34ls 2.43 x 10-12m 8.31 J/mol K 6.02 x 1023mol-4 1.38 x 10-23J/K 2.24 x 10-2m3/mol 9.65 x 104C/mol 5.67 x 10-4W/m2 K4 1.10 x 107m4 6.67 x 10-11m3/s2 kg 5,29 x 10-11m 9,28 x 10-24J/T 1,41 x 10-26J/T 9.27 x 10-24J/T 5,05 x 10-26J/T u R Na k Vm F R G rB Uc hp Ub Un Giá trị tốt (1986) Giá trịa) Sai sốb) 2.99792458 1.60217738 9.1093897 1.6726230 1836152701 1.6749286 1.8835326 5.48579902 1.007276470 1.008664704 1.007825035 2.0141019 4.0026032 1.75881961 8.85418781762 1.25663706143 6.6260754 2.42631058 8.314510 6.0221367 1.380657 2.241409 9.6485309 5.67050 1.0973731534 6.67260 5.29177249 9.2847700 1.41060761 9.2740154 5.0507865 xác 0.30 0.59 0.59 0.020 0.59 0.61 0.023 0.012 0.014 0.011 0.053 0.067 0.30 xác xác 0.60 0.089 8.4 0.59 11 8.4 0.30 34 0.0012 100 0.045 0.34 0.34 0.34 0.34 a) Các giá trị ghi cột phải đơn vị lũy thừa 10 giá trị ước tính b) Phần triệu c) Khối lượng ghi theo đơn vị khối lượng nguyên tử (u) 1u = 1,6605402 10-27kg d) STP (standard temperature and pressure) có nghĩa nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn : 00C 1.0 atm (0.1 Mpa) * Các giá trị bảng lựa chọn từ bảng dài Symbols, Units and Nomenclarure in Physics (IUPAP), E Richard Cohen Pic Giacomo biên soạn năm 1986.* * Số liệu theo Halliday PHỤ LỤC Một số số liệu thiên văn VÀI KHOẢNG CÁCH TỪ TRÁI ĐẤT Tới mặt trăng * Tới mặt trời * Tới gần (Proxima Centauri) Tới tâm thiên hà Tới thiên hà Andromet Tới biên vũ trụ quan sát 3,82 x108m 1,50 x 1011m 4,04 x1016m 2,2 x 1020m 2,1 x 1022m ~ 1026m * Khoảng cách trung bình MẶT TRỜI, TRÁI ĐẤT VÀ MẶT TRĂNG Tính chất Khối lượng Bán kính trung bình Khối lượng riêng trung bình Gia tốc rơi tự bề mặt Vận tốc thoát Chu kỳ quaya) Đơn vi kg m kg/m3 m/s2 km/s Năng suất xạc) W Mặt trời Trái đất 1,99 x 1030 5,98 x 1024 6,96 x 108 6,37 x 106 1410 5520 274 9,81 618 11,2 37 ngày cựcb) 26 ngày xích đạob) 3,90 X 1026 Mặt trăng 7,36 x 1022 1,74 x 106 3340 1,67 2,38 a) Được đo xa b) Mặt trời khối khí khơng quay vật thể rắn c) Ngay ngồi khí trái đất, lượng nhận từ mặt trời, coi tới vuông góc, với tốc độ 1340W/m2 * Số liệu lấy theo Halliday PHỤ LỤC Vài tính chất hành tinh a)bc Sao Sao Trái Sao thủy Kim đất hỏa Khoảng cách trung bình 57,9 từ Mặt trời, 106km Sao Mộc Sao Thổ Sao Thiên Sao Hải Vương Vương 108 150 228 778 1430 2870 4500 Sao Diêm Vương 5900 Chu kì vịng quay, năm 0,241 0,615 1,00 1,88 84,0 165 248 58,7 - 243b 0,997 1,03 11,9 0,409 29,5 Chu kì quay, a) ngày 0,426 -0,451b 0,658 6,39 Tốc độ quỹ đạo, km/s 47,9 35,0 29,8 24,1 13,1 9,64 6,81 5,43 4,74 Độ nghiêng trục so