CÁC THUYẾT về vũ TRỤ và hệ mặt TRỜI

II - Sự vận động và dãn nở của vũ trụ Để tồn tại dưới tác dụng của lực hấp dẫn, các thiên thể trong vũ trụ phải chuyển động không ngừng.. Các hành tinh tự xoay quanh mình và quay q

Trang 1

CÁC THUYẾT VỀ VŨ TRỤ VÀ HỆ MẶT TRỜI

A - VŨ TRỤ

I - Cấu tạo của vũ trụ

Vũ trụ là một khoảng không gian vô tận chứa các thiên hà Mỗi thiên hà chứa hàng trăm tỉ ngôi sao và các thiên thể khác cùng với khí, bụi, bức xạ điện từ trường và vật chất tối

Vũ trụ mà ta biết bao gồm vô số các vì sao Mỗi vì sao là một thiên thể phát sáng, như mặt trời của chúng ta

Quay quanh mỗi vì sao có các hành tinh, các thiên thạch, sao chổi, theo những quỹ đạo elip lấy sao làm tiêu điểm, nhờ tương tác của lực hấp dẫn Quay quanh mỗi hành tinh có các vệ tinh, các vành đai hoặc đám bụi Mỗi vì sao tạo ra quanh nó một hệ mặt trời, như hệ mặt trời của chúng ta

Vũ trụ mà ta quan sát được hiện nay chứa khoảng 10 tỷ thiên hà, có bán kính 3.1025 m, chứa khoảng 1020 ngôi sao với tổng khối lượng khoảng 1050kg

II - Sự vận động và dãn nở của vũ trụ

Để tồn tại dưới tác dụng của lực hấp dẫn, các thiên thể trong vũ trụ phải chuyển động không ngừng Các hành tinh tự xoay quanh mình và quay quanh mặt trời với tốc độ vài chục km/s, các mặt trời quay quanh tâm thiên hà với tốc độ hàng trăm km/s, các thiên hà quay quanh tâm đại thiên hà với tốc độ hàng nghìn km/s

Năm 1923, khi sử dụng kính thiên văn vô tuyến ghi phổ bức xạ phát ra từ các thiên hà, Edwin Hubble nhận thấy các vạch quang phổ luôn dịch chuyển về phía bước sóng  dài, phía màu đỏ Hiện tượng dịch về phía đỏ của bức xạ được giải thích bằng hiệu ứng Doppler, là do các thiên thể phát bức xạ đang chuyển động ra xa nơi thu bức xạ, chuyển động rời xa nhau của các thiên hà được phát hiện thấy theo mọi phương, với vận tốc tăng dần theo khoảng cách giữa chúng

Trang 2

Như vậy, các thiên thể trong vũ trụ đang rời xa nhau, và vũ trụ đang dãn nở như quả bóng đang được thổi căng ra

 Định luật Hubble

Dựa vào thực nghiệm, Edwin Hubble mô tả sự dãn nở của vũ trụ bằng định luật sau: Mọi thiên thể trong vũ trụ đang chuyển động ra xa nhau với vận tốc ⃗ω tỉ lệ thuận với khoảng cách r giữa chúng ⃗ω = - H *r⃗ với H  25 km/s.106 nas là hằng số Hubble

Thực tế hằng số Hubble chưa thể xác định chính xác, chỉ biết nó nằm trong khoảng 1530 km/s.106 nas

III - Một số thuyết về nguồn gốc vũ trụ

Vào thời nguyên thủy, tri thức của con người còn hạn chế Hằng ngày họ phải chứng kiến hàng loạt các cuộc tàn phá của tự nhiên, cướp đi hàng ngàn sinh mạng, ban đêm trên đầu họ là cả một thế giới lung linh huyền ảo Vì vậy, con người đã phải hốt hoảng lo âu và chỉ biết khẩn cầu các sức mạnh của các vị thần và

từ đó “thần thiện”, “thần ác” được ra đời Họ sùng bái thiên nhiên và thần thánh hóa các hiện tượng trong vũ trụ Bằng trí tưởng tượng của mình, các câu chuyện có tính huyền thoại bắt đầu được dựng lên Các thần thoại được ra đời trước tiên từ các nền văn minh sớm phát triển như: Hy Lạp, Ai Cập, Ấn Độ,… Đặc điểm chung nhất của thần thoại đều xoay quanh chủ đề “Vũ trụ và nguồn gốc của nó” Từ những thần thoại về nguồn gốc vũ trụ này dần dần được phát triển và hình thành nên thuyết sáng thế - nguồn gốc của các tôn giáo trên thế giới Theo kinh thánh Thiên Chúa giáo, muôn loài, muôn vật trên trần gian đều do kết quả của bảy ngày khổ công và sáng tạo của “Đức Chúa Trời” và “Thượng Đế” – đấng tối cao sáng tạo nên vũ trụ Còn các tôn giáo khác cũng đều tôn vinh một vị thần đặc quyền trong việc tạo hóa ra vũ trụ như: Đại thần Indra tạo ra đại dương và Mặt Trời; thần Vanana chia quả trứng nguyên thủy thành hai khối tạo thành Trời và Đất…

Trang 3

Cuộc cách mạng đầu tiên về nhận thức Vũ trụ là sự phủ nhận sức mạnh vô hình của thần linh và khẳng định trí tuệ của con người có thể nhận thức về vũ trụ Tiên phong trong cuộc cách mạng nhận thức phải kể đến các dân tộc ở Trung Cận Đông - xứ sở được coi là cái nôi văn minh của loài người trên Trái Đất Bằng các

bộ óc thông minh, sáng tạo và đầy trí tưởng tượng, các nhà thông thái đã rút ra được nhiều kết luận và nhận xét về Vũ trụ như: hình dạng cầu của Trái Đất, sự vận động của bầu trời sao… Nhờ những cơ sở khoa học ban đầu về nhận thức vũ trụ này là động lực cho sự ra đời của hàng loạt các học thuyết về Vũ trụ:

- Thalès de Milet (624- 546 TCN), nhà toán học, triết học Hy Lạp cho rằng nước

là nguyên tố cơ bản của vũ trụ, nước luôn vận động nhưng trước sau không thay đổi và do đó đã hòa tan mọi vật, bởi vậy nước là nguồn gốc của vũ trụ

- Anximandre (610- 546 TCN), nhà triết học Hy Lạp cho rằng nguồn gốc của Vũ

trụ là vô cực Vũ trụ chia thành hai mặt đối lập như khô và ướt, nóng và lạnh rồi kết hợp với nhau phức tạp mà thành mọi vật như đất, nước, không khí, lửa,… Đồng thời, ông cho rằng vũ trụ không ngừng phát triển, không ngừng hình thành, không ngừng sản sinh ra những vật mới

- Aristoteles (384- 322 TCN), nhà triết học Hy Lạp vĩ đại nhất thời cổ đại tin rằng

vũ trụ được tạo nên bởi sự vận động của 4 yếu tố ban đầu: đất, nước, lửa và không khí Mọi chuyển động và biến đổi có thể được giải thích trên cơ sở vận động của các yếu tố này Mỗi yếu tố có vị trí riêng, vị trí của yếu tố đất là Trái Đất Ông cho rằng Trái Đất đứng yên, mọi vật đều rơi xuống Trái Đất nên Trái Đất là trung tâm của vũ trụ

- Vào thời cổ đại ở Trung Quốc đã có thuyết Ngũ hành: Vũ trụ được hình thành từ năm nguyên tố ban đầu là: kim, mộc, thủy, hỏa, thổ Sau đó lại có thuyết về khí, coi “sinh khí nguyên thủy” là cơ sở hình thành vũ trụ Thuyết này cho rằng vũ trụ đầu tiên được hình thành từ một chất khí thống nhất “sinh khí nguyên thủy” Từ

Trang 4

“sinh khí nguyên thủy này” thì phần nhẹ, trong suốt của khí là “nguyên thế âm” tạo thành đất Âm và dương kết hợp tạo thành vạn vật

- Bên cạnh các học thuyết giải thích nguồn gốc của vũ trụ, vào đầu thế kỉ II SCN, nhà toán học, thiên văn học Hy Lạp Claude Ptolémée (90-168) đã đưa ra mô hình

vũ trụ địa tâm để giải thích đặc điểm chuyển động của các thiên thể Nội dung của

mô hình được mô tả như sau:

+ Trái Đất là trung tâm của vũ trụ và đứng yên bất động;

+ Giới hạn của Vũ trụ là một vòm cầu trong suốt trên đó có gắn chặt các sao Toàn

bộ thiên cầu sao này đều quay quanh một trục xuyên qua tâm Trái Đất (nhật động); + Mặt Trăng, Mặt Trời ngoài nhật động còn từ từ dịch chuyển đối với các sao với chu kì dịch chuyển xác định;

+ Mỗi hành tinh chuyển động đều trên một vòng tròn (được gọi là ngoại luân) còn tâm của ngoại luân này chuyển động tròn đều quanh Trái Đất được gọi là chính đạo để giải thích chuyển động dạng nút của các hành tinh

Mô hình địa tâm của C Ptolémée không thể hiện đúng bản chất của Vũ trụ nhưng lại phù hợp với hiện tượng quay nhìn thấy của bầu trời và nó cũng mang lại những ý nghĩa to lớn Nhờ mô mô hình này đã giúp cho con người lúc bấy giờ giải thích được sự chuyển động nhìn thấy của các thiên thể trên bầu trời…

Trang 5

- Cuối thế kỉ XV đầu thế kỉ XVI cùng với các phát triển địa lí vĩ đại (C Colombus phát hiện ra châu Mỹ, đoàn thám hiểm do F Magellan lãnh đạo đã lần đầu tiên đi vòng quanh Trái Đất) làm giảm sút uy lực của nhà thờ Trong bối cảnh đó, sự phát triển của khoa học đòi hỏi con người phải biết vị trí của mình trong vũ trụ Năm

1543, cũng làm năm cuối đời của mình, Nicolaus Copernicus (1473-1543) đã đưa

ra một tác phẩm gồm 6 tập về chuyển động của bầu trời với mô hình nhật tâm hệ Có thể nói, nhật tâm hệ ra đời như một cuộc cách mạng triệt để về nhận thức vũ trụ Theo ông đã khẳng định:

+ Mặt Trời đứng yên ở trung tâm vũ trụ;

+ Các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời trên các quỹ đạo tròn theo cùng một chiều với các chu kì khác nhau Hành tinh càng xa có chu kì càng lớn;

+ Trái Đất là một hành tinh, ngoài chuyển động quanh Măt Trời nó còn tự quay quanh trục một vòng trong một ngày đêm;

+ Mặt Trăng chuyển động tròn quanh Trái Đất (là vệ tinh của Trái Đất)

Về cơ bản, mô hình nhật tâm của N Cpernicus đã mô tả đúng với cấu trúc của hệ Mặt Trời Như vậy mô hình nhật tâm đã đánh dấu bước ngoặt trong nhận thức của con người về vũ trụ

Trang 6

 Sự hình thành Vũ trụ - thuyết Big Bang (Vụ nổ lớn)

 Thuyết Big Bang là gì?

- Là học thuyết nổi bật giải thích sự hình thành vũ trụ

- Theo học thuyết này: vũ trụ ra đời cách đây 13,7-15 tỉ năm (con số tương đối chính xác được tính đến nay) bởi một vụ nổ lớn, tại đó x=y=t=0 tức là khởi điểm của không gian và thời gian Sau giai đoạn đầu tiên hình thành các hạt cơ bản, các thiên hà và sao được hình thành, sau đó vũ trụ tiếp tục giãn nở rộng dần (x và y cùng tăng khi t tăng, đây là một mô phỏng trong đó không gian biểu diễn bằng hai trục, tất nhiên thực tế không gian của chúng ta có nhiều chiều hơn thế, ít nhất là 3)

và sẽ còn tiếp tục giãn nở thêm nữa

 Người tạo nền móng cho thuyết Big Bang

Có thể nói thuyết Big Bang là trí tuệ chung của nhiều nhà khoa học, được hình thành qua nhiều giai đoạn khác nhau, ở những địa danh khác nhau, mỗi giai đoạn có một cha đẻ tương ứng Ta hãy lần lượt điểm qua các địa danh và cha đẻ của nó

a) Người cha thiên tài Albert Einstein (1879 - 1955) đứa con vũ trụ dãn nở mà lý

thuyết tương đối tổng quát của mình đã đưa ra Theo quan niệm lúc bấy giờ tất cả mọi người, dù là vĩ nhân hay thứ dân đều nghĩ rằng vũ trụ là dừng, là bất biến

Trang 7

không thay đổi Chính trên quan niệm đó mà Einstein đã rất bối rối khi tìm ra các nghiệm phương trình của chính mình, đúng ra là hai nghiệm mô tả vũ trụ hoặc là đang dãn nở hoặc là co lại Ông đã chữa cháy bằng cách thêm vào phương trình của mình một số hạng chứa "Hằng số vũ trụ" để được một nghiệm mô tả vũ trụ dừng Vài năm sau chính Einstein phải thừa nhận rằng: "Đây là sai lầm đẹp nhất trong đời (khoa học) của tôi"

b) Người cha bị rơi vào quên lãng Alexxandro Fried Mann (1888 - 1925) Bởi

chính ông là một nhà khoa học nghiên cứu các vấn đề khí động học phục vụ pháo binh Vào năm 1920, ông bắt đầu làm quen với các phương trình Einstein Fried Mann đã loại bỏ ngay "Số hạng vũ trụ" Bằng giấy và bút chì ông đã giải được các phương trình Einstein Tất cả các nghiệm được chia làm hai loại, dẫn đến hai mô hình vũ trụ dãn nở mãi mãi hoặc vũ trụ dãn nở đến một thời điểm nào đó rồi co lại

do lực hấp dẫn lấn át xu hướng dãn nở Như vậy trong trường hợp thứ hai toàn bộ vật chất sẽ tập trung tại một điểm, thể tích bằng không, siêu đặc, rồi sau đó vũ trụ lại tham gia vào một pha dãn nở mới, rồi co lại, cứ như vậy Đồng thời ông cũng tính được tuổi thọ của vũ trụ là 10 tỷ năm Một kết quả đáng quý vào thời điểm bấy giờ Nhưng tiếc thay Fried Mann không tiếp tục mà ông lại quay trở về công việc ban đầu của mình

c) Người cha chính thức Greorges Lemaitre (1894 - 1966) là một vị linh

mục người Bỉ, đồng thời là một nhà khoa học rất lớn, Lemaltre phát hiện ra các công trình của nhiều nhà thiên văn Mỹ, trong đó có Edwin Hubble và rút ra kết luận là trong vũ trụ tồn tại nhiều thiên hà và các thiên hà đang chạy xa nhau với vận tốc lớn, bởi vì vũ trụ đang dãn nở Ngoài ra Lemaltre đưa thêm một ý tưởng thiên tài rằng: vũ trụ có một thời điểm khởi đầu

d) Người cha lơ đãng George Gamow (1904 - 1968): Vào những năm 40 vật lý

hạt nhân đang còn ở giai đoạn thiếu thời, không ai có thể tin được ý tưởng siêu nguyên tử nguyên thuỷ của Lemaltre Người ta cho rằng có thể lúc đầu toàn bộ vật

Trang 8

chất vũ trụ tồn tại dưới dạng một khối nơtron lạnh giá, một loại Vụ Nổ lớn lạnh Gamow về phần mình lại tin vào Vụ Nổ lớn nóng, nóng khủng khiếp và đã giải thích được tỷ lệ các nguyên tố hoá học trong thiên nhiên: 72% hiđro, 7% heli còn tất cả những nguyên tố nặng hợp lại không đến 1% Gamow cùng các đồng nghiệp cũng đã đề cập đến trụ cột thứ ba của thuyết Vụ Nổ lớn bằng cách cho rằng ngày nay vẫn phải còn tồn tại một dấu vết gì đó của nồi xúp nguyên thuỷ, đó là bức xạ

"hoá thạch" soi sáng tận cùng sâu thẳm của vũ trụ Ông cũng tính được bức xạ này có nhiệt độ là 5K Đáng tiếc lúc bấy giờ điều tiên đoán này chẳng được ai quan tâm Mãi đến năm 1965 mới có hai thanh niên nhảy lên vũ đài và đem lại thắng lợi lớn cho thuyết Vụ Nổ lớn của Gamow

Như vậy bằng trí tuệ thiên tài, các nhà Thiên văn Vật lý đã đưa ra một mô hình lý thuyết về Vụ Nổ lớn Big Bang có sức thuyết phục nhất từ trước đến nay Cho đến thời điểm này thì bằng những quan sát, thực nghiệm họ đã chứng minh được lý thuyết đã đưa ra là đúng đắn

Trang 9

 Thuyết Big Bang (Vụ nổ lớn)

Cho đến nay, dựa trên cơ sở các quan sát tỉ mỉ, chính xác và các luận cứ chặt chẽ, phần lớn các nghiên cứu vũ trụ được khỏi đầu từ một “Vụ nổ lớn” – Big Bang

Thuyết “Vụ nổ lớn” ra đời vào năm 1927 của nhà vật lí thiên văn người Bỉ

G Lemaitre Ông cho rằng vũ trụ được hình thành cách đây chừng 13,7-15 tỷ năm, sau một vụ nổ lớn từ “một nguyên tử nguyên thủy” Nguyên tử này chứa vật chất bị nén ép trong một không gian vô cùng nhỏ bé nhưng cực kì đậm đặc, có nhiệt độ cực cao Do trạng thái không ổn định này, vụ nổ làm tung ra không gian những đám bụi khí khổng lồ Vũ trụ khi đó chứa đựng nhiều nhất là các hạt cơ bản: electron, proton, notron, photon Những hạt này không ngừng sinh ra từ năng lượng đơn thuần nhưng ngay sau đó lại bị hủy

Sau vụ nổ, nhiệt độ giảm dần theo quá trình giản nở của vũ trụ Sau ba phút đầu tiên, nhiệt độ chỉ còn một tỉ độ Khi đó các hạt proton và notron có thể liên kết lại để tạo nên các hạt nhân nguyên tử Vũ trụ lúc này chủ yếu chứa các hạt photon, notron và một ít hạt nhân nguyên tử (73% hạt nhân hidro, 27% hạt nhân heli) và một ít electron

Tất cả các hạt vật chất này tiếp tục tản ra xa nhau, nhiệt độ và tỉ trọng tiếp tục giảm dần Vài ngàn năm sau vụ nổ, nhiệt độ mới đủ thấp để các electron có thể bị các hạt nhân bắt giữ tạo ra các nguyên tử hidro và heli Đám khí bụi này sẽ tụ tập ngẫu nhiên dưới tác động của lực hấp dẫn, hình thành các thiên hà và các ngôi sao trong vũ trụ hiện nay

Trang 10

Mô hình học thuyết Big Bang

Các mốc tiến hóa của vũ trụ theo thuyết Big Bang

t = 0 Vũ trụ ra đời, nhiệt độ và mật độ vật chất vô cùng lớn

t = 10-43s Nhiệt độ T  10

32K, kích thước vũ trụ d = 10-32cm, mật độ vật chất m = 1094 g/cm3

t = 10-35s

Nhiệt độ T = 1022K, thể tích tăng lên 10150 lần, kích thước tăng

1050 lần, vũ trụ giãn nở theo hàm số mũ, hình thành các hạt quark, lepton (electron, notrino) và các phản hạt của chúng, các hạt ánh sáng (photon) chiếm ưu thế

t = 10-6s Nhiệt độ T = 1013K, kích thước vũ trụ xấp xỉ kích thước hệ Mặt

trời, các hạt quark và phân hạt quark kết hợp với nhau thành các hadron (proton, notron và các phản hạt của chúng), các

Trang 11

hadron chiếm ưu thế.

t = 1s

T = 6.109 – 1010K, mật độ vật chất m = 100kg/cm3, vũ trụ chấm dứt thời kì hạt bước sang thời kì bức xạ kéo dài 380.000 năm sau, vũ trụ giãn nở với căn bậc hai của thời gian, proton và notron bắt đầu kết hợp với nhau để tạo ra doton (hạt nhân của doteri)

t = 100s

T = 109K, thời kì tổng hợp hạt nhân, doteri kết hợp với notron

dể tao ra He3, He3 kết hợp với proton để tạo ra He4 Vũ trụ bao gồm các hạt nhân hidro (chiếm khỏng ¾) và heli (1/4)

t = 15 phút T = 10

6 K, kêt thúc thời kì tổng hợp hạt nhân nguyên thủy, Vũ trụ tiếp tục giãn nở và lạnh đi

t = 300.000

đến 400.000

năm

T = 3000K, bắt đầu thời kì vật chất, electron kết hợp với các hạt nhân để tạo ra các nguyên tử (hidro và heli), vật chất và bức

xạ tách rời nhau,vũ trụ giãn nở theo hàm lũy thừa của thời gian

t2/3

t = 200 triệu

năm Những ngôi sao đầu tiên ra đời.

t = 1 tỷ năm Hình thành các thiên hà và các quark đầu tiên

t = 10,4 tỷ năm Hình thành Thái dương hệ - Hệ Mặt Trời

Hiện nay t = 15

tỷ năm T = 2,7535 - 3K.

Cuối thế kỷ 20, nhiều bằng chứng cho thấy vũ trụ không giản nở chậm lại

hoặc thậm chí sẽ co lại như nhiều dự đoán trước đó, mà thực tế giãn nở ngày càng nhanh lên Điều này dẫn tới dự đoán sự tồn tại của lực phản hấp dẫn mà nguyên nhân của nó là một dạng “năng lượng tối” (Dark Energy) nào đó, tương ứng với hằng số vũ trụ âm trong phương trình của thuyết Tương đối tổng quát Hơn bao giờ hết, khoa học đã thấy rõ vai trò vô cùng quan trọng của Hằng số Vũ trụ Thậm chí hằng số vũ trụ được xem như không phải là một hằng số nữa, mà là một hàm số

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	649,88 KB