Giáo trình: Thiên văn học đại cương normal quality DT7

Thế giới tự nhiên, xét về mặt vật lý, là một bức tranh gồm ba phần: Vi mô, vĩ mô và siêu vĩ mô. Siêu vĩ mô có nghĩa là vô cùng to lớn theo không gian và thời gian. Thiên văn là một môn học về thế giới siêu vĩ mô đó. Cùng với các phần học khác của vật lý, thiên văn giúp chúng ta có được một bức tranh toàn diện về thế giới tự nhiên. Thiên văn là một môn học rất cổ điển, nhưng đồng thời cũng rất hiện đại.

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ - 2003 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com “The most incomprehensible thing about the Universe is that it is comprehensible” Albert Einstein Dịch : “Điều bí ẩn tự nhiên chỗ nhận thức nó” Anbe - Anhxtanh “Ai khơng biết tí thiên văn học đại, người khơng thể coi học hành đầy đủ” “Mười vạn câu hỏi sao” NXB Khoa học & kỹ thuật Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com LỜI MỞ ĐẦU Thế giới tự nhiên, xét mặt vật lý, tranh gồm ba phần: Vi mơ, vĩ mơ siêu vĩ mơ Siêu vĩ mơ có nghĩa vơ to lớn theo khơng gian thời gian Thiên văn mơn học giới siêu vĩ mơ Cùng với phần học khác vật lý, thiên văn giúp có tranh tồn diện giới tự nhiên Thiên văn mơn học cổ điển, đồng thời đại Lượng kiến thức đồ sộ Thiên văn từ lâu bước khỏi khn khổ vật lý Nó mơn 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 mơn học việc cần thiết có nhiều thuận lợi 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 mong nhận ý kiến nhận xét em sinh viên đồng nghiệp xa gần để giúp giáo trình ngày hồn thiện ThS Trần Quốc Hà Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PHẦN NHẬP MƠN I THIÊN VĂN HỌC LÀ GÌ Đối tượng, nội dung nghiên cứu Thiên văn học mơn khoa học thiên thể - vật thể tồn trời Đó cách nói nơm na Thực ra, định nghĩa cách xác là: Thiên văn mơn 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 Trái đất bầu trời * Về cấu trúc chất vật lý thiên thể q 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 mơn thiên văn học Sự phức tạp nội dung tăng dần với phát triển mơn học 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 trơn (pun xa), quaza, lỗ đen v.v Như ta thấy thiên văn khơng phải túy mơn khí tượng học hay mơn chiêm tinh người ta thường nhầm Phương pháp nghiên cứu Do đối tượng nghiên cứu vật thể to lớn vũ trụ xa xơi (trừ Trái đất) nên phương pháp nghiên cứu thiên văn đặc biệt, chí khơng giống mơn 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 khơng thể bắt chúng tn 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 biểu kiến Mặt 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 đơi khơng 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 vơ 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 thơng 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 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Nhìn chung phương pháp nghiên cứu khoa học thiên văn nằm khn khổ phương pháp luận khoa học nói chung, ln phát triển hồn thiện Các nội dung vật lý thiên văn Các giáo viên vật lý khơng thể biết hết phương pháp nghiên cứu thiên văn, phương tiện, dụng cụ v.v Nhưng họ cần phải biết ngun tắc kết nghiên cứu thiên văn để có nhìn đầy đủ, tổng qt 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 ngun 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 - Ngun 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 mơn 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 vơ tận nên mơn thiên văn phong phú Khơng 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 ln cập nhật Ta cần nhiều thời gian để nghiên cứu, giảng dạy, học tập thiên văn hầu hết đối tượng mơn 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 đòi hỏi quan sát Trong điều kiện ta chưa làm tốt Đây vấn đề ta cần tìm cách khắc phục việc dạy học mơn Mối liên hệ thiên văn với mơn khoa học khác ý nghĩa việc nghiên cứu, giảng dạy thiên văn Thiên văn có liên hệ với nhiều ngành khoa học Vốn mơn khoa học xuất sớm, từ văn minh cổ, thiên văn nội dung đàm đạo nhà thơng thái Dần dần, khoa học có phân hóa rõ rệt, thiên văn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 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 q rõ ràng Trong q 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 dẫn 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 tốn học Trước mơn 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 Khơng 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 lồi người ghi lại kiến thức thiên văn thời Làm hiểu khơng có kiến thức thiên văn? Vũ trụ phòng 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 mơn học dựa sở vật lý tốn cao cấp, nên việc đưa thiên văn vào dạy bậc học phổ thơng vấn đề khó khăn, cần phải nghiên cứu nhiều II LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH THIÊN VĂN HỌC Thiên văn xuất từ lâu Ở ta kể sơ lược số mốc phát triển Từ thời hồng hoang, người 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, Ấn Độ, Trung Quốc ) Dần dần quan trắc bầu trời trở nên cần thiết cho việc canh tác nơng nghiệp biển (qui luật mùa màng, nước, xác định vị trí biển sao) Engels nói xuất khoa học: “Trước tiên thiên văn học… Những người dân du mục nơng dân làm nơng 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 chòm sao, đường hành tinh, đường hồng đạo, chu kỳ Saros Những nước có văn minh cổ đáng Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com lưu ý là: Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc, nước Ả Rập, đặc biệt Hy Lạp Người đáng ý Aristotle (khoảng năm 350 trước cơng ngun) với ý tưởng đáng lưu ý như: Ý tưởng hệ Địa tâm, ngun tố cấu thành vũ trụ: đất, khơng khí, lửa, nước, bất biến vũ trụ, phân chia giới phía Mặt trăng bên Mặt trăng v.v 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 chẽ nhà thờ, nhà thiên văn khơng 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 ngun 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 cha đẻ kính thiên văn, cơng cụ khơng thể 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 ngun lý” (1643(1727) Ơng 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 tồn 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) Ơng nhận thấy Mặt trời khơng đứng n chỗ mà tham gia chuyển động hệ thống gọi Ngân hà (Our Galaxy) Ơng 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 qng 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 mơn thiên văn vật lý Các phép trắc quang (Photometry) quang phổ nghiệm (Spectroscopy) cho phép ta hiểu sâu chất q 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 khơng thời gian, phát kiến Hubble làm cho mơn 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 hòa hai lĩnh vực nghiên cứu khác vật lý: vi mơ siêu vĩ mơ Các vật thể vũ trụ dù to lớn đến cấu tạo từ thành phần nhỏ ngun tử hạt nhân Vật lý hạt nhân - ngun tử cho phép giải thích nguồn gốc lượng thiên thể Các định luật giới vi mơ Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com học lượng tử làm cho người ta hiểu rõ chế q trình hình thành, tiến hóa vật thể vũ trụ (Ngun lý Pauli, Giới hạn Chandrasekhar, Ngun lý bất định Heisenberg, Những kỳ dị tốn 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 hồn chỉnh mà vật lý chưa tìm Do thiên văn vật lý ngành mũi nhọn khoa học Khơng thể khơng kể đến việc từ năm 60 kỷ người thành cơng việc bước khỏi nơi Trái đất bé bỏng mình, đặt bước chân vào vũ trụ Đó bước sải dài lịch sử thiên văn Nhờ có ngành hàng khơng vũ trụ thiên văn kỷ XX thu nhiều thành tựu lớn Tuy nhiên, vũ trụ mênh mơng vơ 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 úp xuống mặt đất phẳng, nơi ta đứng trung tâm Vì ta có cảm giác trời tròn, 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 vòm cầu, khơng có nơi tiếp giáp trời đất đường chân trời mà ta nhìn thấy Ta gọi vòm cầu tưởng tượng thiên cầu Ban ngày, Mặt trời xuất rực rỡ từ đường chân trời phía đơng, 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 chòm bầu trời Mặt trăng xuất bầu trời đêm với hình dạng thời điểm ln thay đổi gái đỏng đảnh, thiên thể sáng nhất, đẹp đáng ý bầu trời đêm Hình Bằng đường nối tưởng tượng ngơi sáng chòm 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, quay quanh trục xun qua nơi ta đứng, nối với ngơi gần nằm n gọi Bắc cực Ta gọi trục quay thiên cực tượng quay quanh trục thiên thể ngày Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 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 đơng, trái tây, trước mặt bắc, sau lưng nam Bầu trời nhật động theo chiều từ đơng 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 đơng lặn hướng tây vào ngày: xn phân (20 21 tháng ba); thu phân (23 24 tháng chín) Sau xn 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 xn phân Như điểm mọc Mặt trời lệch tới 46o54’ năm (minh họa h.2) Đông Bắc Hạ chí Chính đông Xuân phân Thu phân o 23 27’ Đông nam Đông chí 23o27’ Hình : Sự thay đổi điểm mọc Mặt trời năm Ngồi ra, năm vị trí Mặt trời trời thay đổi Mặt trời từ từ dịch chuyển theo ngược chiều nhật động (tây qua đơng), trọn vòng hết khoảng 365 ngày Mặt trời dịch chuyển in hình lên chòm tháng gần vào chòm 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 chòm 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 chòm hồng đới Tháng Tên chòm Mặt trời in lên Con hươu Cái bình Song ngư Con dê Con trâu Song tử Capricornus Aquarius Pisces Aries Taurus Gemini Thán g 10 11 12 Tên chòm Mặt trời in lên Con tơm Sư tử Trinh nữ Cái cân Thần nơng Nhân mã Cancer Leo Virgo Libra Scorpius Sagittarius Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com b) Mặt trăng ( ) từ từ dịch chuyển ngược chiều nhật động, trọn vòng gần 27 ngày Đồng thời hình dáng Mặt trăng thay đổi (lúc tròn, lúc khuyết, lúc khơng xuất hiện) c) Các dường tham gia nhật động, vị trí tương đối chúng khơng đổi năm, tạo nên chòm 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 nhận thấy Mặt trời, Mặt trăng, Trái đất hành tinh kết hợp thành hệ mà ta gọi Hệ Mặt trời sau Bức tranh tồn 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 vòm cầu suốt có gắn Ngày nay, người nhận thức vũ trụ vơ tận Phần vũ trụ mà người tìm hiểu vơ lớn (cỡ 3.1026m) có hàng tỉ tỉ ngơi Các ngơi 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 tinh vân Thiên hà (là chữ Galaxy viết hoa) gọi Ngân hà, dải sáng vắt ngang bầu trời đêm, có khoảng 6000 nhìn mắt thường hàng trăm tỉ ngơi khác Mặt trời ngơi trung bình nằm ngồi rìa Ngân hà Mặt trời kéo theo “bầu đồn thê tử” gồm hành tinh, tiểu hành tinh, chổi quay xung quanh, tập hợp thành Hệ Mặt trời Kích thước thiên thể lớn, khoảng khơng vũ trụ chúng lớn nhiều Trong khoảng khơng có vật chất tồn dạng bụi, khí, hạt bản, 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 Trước hết Trái đất, có đường kính cỡ hàng ngàn km Để vòng quanh Trái đất người hết hàng nửa năm, Trái đất hồn tồn 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 qng đường từ Trái đất lên Mặt trời Ấy mà đến ngơi 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 lộ Cách mạng tháng Tám - Nguyễn Trãi - Lý Tự Trọng, Trái đất 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 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PHẦN KẾT Chúng ta vừa học xong giáo trình Thiên văn học đại cương Gấp sách lại, khơng khỏi băn khoăn, dường 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 mơn học khơng phải sớm chiều, hiểu biết người tự nhiên khơng phải 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 khơng gian theo thời gian khái niệm vật chất khơng gian thời gian theo lịch sử phát triển vật lý có nhiều biến đổi Điều thể rõ phần vũ trụ luận Thiên văn học Tìm hiểu khơng – thời gian tìm hiểu vũ trụ, vũ trụ là: “Thượng hạ, đơng tây viết VŨ cổ, lai kim viết TRỤ” Vũ trụ khơng – thời gian mà vật chất tồn Trong sách ta khơng sâu nghiên cứu riêng phần vũ trụ luận Nhưng qua bật trọng tâm mà thầy giáo vật lý, đối tượng phục vụ sách phải nắm Đó thay đổi quan điểm vũ trụ, qua giai đoạn phát triển vật lý từ thời Aristotle qua Newton đến Einstein tiếp tục Từ khơng gian hạn hẹp gắn liền với nơi 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, vơ thủy vơ 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 khơng 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 q trình hình thành vũ trụ gồm thiên thể to lớn phải sâu vào giới vi mơ vật chất Thế giới ngun tử hạt nhân, hạt v.v Sự kết hợp nghiên cứu hai thái cực vật chất Siêu vi mơ siêu vĩ mơ đưa mơn thiên văn vũ trụ thành ngành khoa học mũi nhọn thời đại Tuy nhiên chủ thể quan sát tự nhiên 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 khơng? 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? Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Cho nên, sách đến phần kết q nhiều vấn đề chưa kết thúc Để ngày hiểu tự nhiên, nhiệm vụ phải khơng ngừng học hỏi cập nhật kiến thức Cuốn sách hẳn có thêm nhiều phần Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PHỤ LỤC Một số số vật 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 ngun tử hidroc) Khối lượng ngun tử đơteric) Khối lượng ngun 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 mµ mc mp mn m1H m2H m4He e/ mc εo µo h λc R NA k Vm F σ R G rB µc µp µB µN 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 1011C/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 Giá trị tốt (1986) Sai sốb) Giá trịa) 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 ngun 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 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PHỤ LỤC Một số số liệu thiên văn VÀI KHOẢNG CÁCH TỪ TRÁI ĐẤT Tới mặt trăng * Tới mặt trời * Tới ngơi 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 Chu kỳ quaya) Đơn vị kg m kg/m3 m/s2 km/s Năng suất xạc) W Mặt trời 1,99 x 1030 6,96 x 108 1410 274 618 37 ngày cựcb) 26 ngày xích đạob) 3,90 x 1026 Trái đất 5,98 x 1024 6,37 x 106 5520 9,81 11,2 Mặt trăng 7,36 x 1022 1,74 x 106 3340 1,67 2,38 a) Được đo ngơi xa b) Mặt trời khối khí khơng quay vật thể rắn c) Ngay ngồi khí trái đất, lượng nhận từ mặt trời, coi tới vng góc, với tốc độ 1340W/m2 * Số liệu lấy theo Halliday Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PHỤ LỤC Vài tính chất hành tinh Sao Sao Trái Sao thủy Kim đất hỏa Khoảng cách trung bình 57,9 108 150 228 từ Mặt trời, 106km Chu kì vòng quay, năm 0,241 0,615 1,00 1,88 Chu kì quay, a) ngày 58,7 - 243b 0,997 1,03 Tốc độ quỹ đạo, km/s 47,9 Độ nghiêng trục so