Bây giờ chúng ta hãy nhìn lại lịch sử một thời gian ngắn. Phần lớn nền văn minh phương Tây hiện đại bắt nguồn bằng cách này hay cách khác từ những ý tưởng của người Hy Lạp và La Mã cổ đại, và điều này cũng đúng trong thiên văn học. Tuy nhiên, nhiều nền văn hóa cổ đại khác cũng phát triển các hệ thống tinh vi để quan sát và giải thích bầu trời.

Thiên văn học trên khắp thế giới

Các nhà thiên văn học Babylon, Assyria và Ai Cập cổ đại biết độ dài gần đúng của năm. Ví dụ, người Ai Cập của 3000 năm trước đã áp dụng lịch dựa trên 365 ngày trong năm. Họ đã theo dõi cẩn thận thời gian mọc lên của ngôi sao sáng Sirius trên bầu trời sáng sớm, có chu kỳ hàng năm tương ứng với lũ lụt của sông Nile. Người Trung Quốc cũng có lịch làm việc; họ xác định độ dài của năm vào cùng thời điểm với người Ai Cập. Người Trung Quốc cũng ghi nhận các sao chổi, thiên thạch sáng và các điểm tối trên Mặt trời. (Nhiều loại vật thể thiên văn đã được giới thiệu trong bài TVH 01 Khoa học và Vũ trụ: Cuộc hành trình vũ trụ. Nếu bạn không quen với các thuật ngữ như sao chổi và thiên thạch, bạn có thể muốn xem lại chương đó.) Sau đó, các nhà thiên văn Trung Quốc đã lưu giữ các ghi chép cẩn thận về “các ngôi sao khách” — Có vẻ bình thường quá mờ để nhìn thấy nhưng đột nhiên bùng phát trở nên có thể nhìn thấy bằng mắt thường trong vài tuần hoặc vài tháng. Chúng ta vẫn sử dụng một số các ghi chép này để nghiên cứu các ngôi sao đã phát nổ cách đây rất lâu.

Nền văn hóa Maya ở Mexico và Trung Mỹ đã phát triển một loại lịch tinh vi dựa trên hành tinh Sao Kim, và họ đã thực hiện các quan sát thiên văn từ các địa điểm dành riêng cho mục đích này từ một nghìn năm trước. Người Polynesia đã học cách định hướng theo các vì sao từ hàng trăm km ngoài đại dương — một kỹ năng cho phép họ định cư các hòn đảo mới ở cách xa nơi mà họ đã bắt đầu.

Ở Anh, trước khi chữ viết được sử dụng rộng rãi, người cổ đại đã sử dụng đá để theo dõi chuyển động của Mặt Trời và Mặt Trăng. Chúng ta vẫn tìm thấy một số vòng tròn đá lớn mà họ đã xây dựng cho mục đích này, có niên đại từ năm 2800 trước Công nguyên. Nổi tiếng nhất trong số này là Stonehenge, sẽ được thảo luận ở chương Trái Đất, Mặt Trăng và Bầu trời.

Hình 2.9 Bóng tròn của Trái Đất. Nguyệt thực xảy ra khi Mặt Trăng di chuyển vào và ra khỏi bóng của Trái Đất. Lưu ý hình dạng cong của cái bóng — bằng chứng cho một Trái Đất hình cầu đã được công nhận từ thời cổ đại. (tín dụng: sửa đổi tác phẩm của Brian Paczkowski)

Vũ trụ học Hy Lạp và La Mã sơ khai

Khái niệm của chúng ta về vũ trụ — cấu trúc cơ bản và nguồn gốc của nó — được gọi là vũ trụ học, một từ có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp. Trước khi phát minh ra kính thiên văn, con người phải phụ thuộc vào những bằng chứng đơn giản từ giác quan của mình để có được bức tranh về vũ trụ. Người xưa đã phát triển vũ trụ học kết hợp cái nhìn trực diện của họ về các tầng trời với nhiều biểu tượng triết học và tôn giáo phong phú.

Ít nhất 2000 năm trước thời đại của Columbus, những người có học ở khu vực phía đông Địa Trung Hải đã biết Trái Đất tròn. Niềm tin vào một Trái Đất hình cầu có thể bắt nguồn từ thời của Pythagoras, một nhà triết học và toán học sống cách đây 2500 năm. Ông tin rằng các vòng tròn và hình cầu là "dạng hoàn hảo" và đề xuất rằng Trái Đất nên là một hình cầu. Để làm bằng chứng cho thấy các vị thần thích... những quả cầu, người Hy Lạp đã trích dẫn sự thật rằng Mặt Trăng là một khối cầu, sử dụng bằng chứng mà chúng tôi mô tả phần sau loạt bài này.

Các tác phẩm của Aristotle (384–322 TCN), gia sư của Alexander Đại đế, đã tóm tắt nhiều ý tưởng trong thời đại của ông. Chúng mô tả sự tiến triển của các pha Mặt Trăng — hình dạng biểu kiến thay đổi của nó — là kết quả của việc chúng ta nhìn thấy các phần khác nhau của bán cầu được chiếu sáng của Mặt Trăng khi một tháng trôi qua (xem chương Trái Đất, Mặt Trăng và Bầu trời). Aristotle cũng biết rằng Mặt Trời phải ở xa Trái Đất hơn Mặt Trăng vì đôi khi Mặt Trăng đi qua chính xác giữa Trái Đất và Mặt Trời và tạm thời che Mặt Trời khỏi tầm nhìn. Chúng ta gọi đây là nhật thực.

Aristotle đã trích dẫn những lý lẽ thuyết phục rằng Trái Đất phải tròn. Đầu tiên là thực tế khi Mặt Trăng đi vào hoặc ló ra khỏi bóng của Trái Đất trong khi xảy ra nguyệt thực, hình dạng của bóng tối nhìn thấy trên Mặt Trăng luôn là hình tròn (Hình 2.9). Chỉ có vật hình cầu luôn tạo ra bóng tròn. Ví dụ, nếu Trái Đất là một cái đĩa, sẽ có một số trường hợp khi ánh sáng Mặt Trời chiếu thẳng vào rìa và bóng của nó trên Mặt Trăng sẽ là một đường thẳng.

Lập luận thứ hai, Aristotle giải thích rằng những lữ khách đi về phía nam một khoảng cách đáng kể có thể quan sát những ngôi sao không thể nhìn thấy khi ở xa hơn về phía bắc. Và chiều cao của sao Bắc Cực — ngôi sao gần cực bắc nhất — giảm khi một người lữ khách di chuyển về phía nam. Trên một Trái Đất phẳng, mọi người sẽ nhìn thấy những ngôi sao giống nhau ở trên đầu. Lời giải thích duy nhất có thể là người lữ khách phải di chuyển trên một bề mặt cong trên Trái Đất, và do đó họ thấy các ngôi sao từ các góc độ khác nhau.

Một nhà tư tưởng người Hy Lạp, Aristarchus of Samos (310–230 TCN), thậm chí còn cho rằng Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời, nhưng Aristotle và hầu hết các học giả Hy Lạp cổ đại bác bỏ ý kiến ​​này. Một trong những lý do giải thích cho kết luận của họ đến từ suy nghĩ rằng nếu Trái Đất di chuyển xung quanh Mặt Trời, họ sẽ quan sát các ngôi sao từ những nơi khác nhau dọc theo quỹ đạo của Trái Đất. Khi Trái Đất di chuyển cùng, các ngôi sao gần đó sẽ dịch chuyển vị trí của chúng trên bầu trời so với các ngôi sao ở xa hơn. Theo cách tương tự, chúng ta thấy các đối tượng ở tiền cảnh dường như di chuyển so với hậu cảnh ở xa hơn bất cứ khi nào chúng ta chuyển động. Khi chúng ta đi trên một chuyến tàu, cây cối ở phía trước dường như dịch chuyển vị trí của chúng so với những ngọn đồi ở xa khi tàu lăn bánh. Một cách vô thức, chúng ta sử dụng hiện tượng này mọi lúc để ước tính khoảng cách xung quanh chúng ta.

Sự dịch chuyển biểu kiến theo hướng của một đối tượng do chuyển động của người quan sát được gọi là thị sai. Chúng tôi gọi sự dịch chuyển theo hướng biểu kiến của một ngôi sao do chuyển động quỹ đạo của Trái Đất là thị sai sao. Người Hy Lạp đã nỗ lực hết mình để quan sát thị sai sao, thậm chí còn tranh thủ sự trợ giúp của những người lính Hy Lạp có thị giác tốt nhất, nhưng vô ích. Những ngôi sao sáng hơn (và có lẽ là gần hơn) dường như không dịch chuyển khi người Hy Lạp quan sát chúng vào mùa xuân và sau đó lại vào mùa thu (khi Trái Đất nằm ở phía đối diện của Mặt trời).

Điều này có nghĩa là Trái Đất không chuyển động hoặc các ngôi sao phải ở rất xa đến mức độ dịch chuyển thị sai là rất nhỏ. Một vũ trụ ở mức độ to lớn như vậy đòi hỏi một bước nhảy vọt về trí tưởng tượng mà hầu hết các nhà triết học cổ đại chưa kịp chuẩn bị để thực hiện, vì vậy họ đã rút lui về vùng an toàn với quan điểm lấy Trái Đất làm trung tâm, là quan điểm sẽ thống trị tư duy phương Tây trong gần hai thiên niên kỷ.

Bên lề: Làm sao chúng ta biết Trái Đất tròn?

Ngoài hai cách (từ các tác phẩm của Aristotle) ​​được thảo luận trong chương này, bạn cũng có thể lập luận như sau:

  1. Hãy xem một con tàu rời cảng và đi ra xa vào một ngày đẹp trời. Trên một Trái Đất phẳng, chúng ta sẽ chỉ thấy con tàu ngày càng nhỏ hơn khi nó ra khơi. Nhưng đây không phải là những gì chúng ta thực sự quan sát được. Thay vào đó, các con tàu chìm xuống dưới đường chân trời, với thân tàu biến mất trước tiên và cột buồm vẫn còn có thể nhìn thấy trong một thời gian nữa. Cuối cùng, chỉ có phần đỉnh của cột buồm là có thể nhìn thấy khi con tàu chạy quanh đường cong của Trái Đất. Cuối cùng, con tàu biến mất dưới đường chân trời.
  2. Trạm vũ trụ quốc tế quay quanh Trái Đất cứ sau khoảng 90 phút mỗi vòng. Các bức ảnh chụp từ tàu con thoi và các vệ tinh khác cho thấy Trái Đất hình tròn từ mọi góc nhìn.
  3. Giả sử bạn đã kết bạn ở mỗi múi giờ của Trái Đất. Bạn gọi tất cả họ vào cùng một giờ và hỏi, "Mặt Trời ở đâu?" Trên một Trái Đất phẳng, mỗi người gọi sẽ cho bạn câu trả lời gần giống nhau. Nhưng trên một Trái Đất tròn, bạn sẽ thấy rằng, đối với một số bạn, Mặt Trời sẽ ở trên trời cao trong khi đối với những người khác, Mặt Trời sẽ mọc, lặn hoặc hoàn toàn khuất dấu (và nhóm bạn cuối cùng này sẽ khó chịu với bạn vì đánh thức họ).

Phép đo Trái Đất của Eratosthenes

Người Hy Lạp không chỉ biết Trái Đất tròn mà còn biết đo kích thước của nó. Việc xác định đường kính Trái Đất khá chính xác đầu tiên được thực hiện vào khoảng năm 200 TCN bởi Eratosthenes (276–194 TCN), một người Hy Lạp sống ở Alexandria, Ai Cập. Phương pháp của ông là một phương pháp hình học, dựa trên các quan sát Mặt Trời.

Mặt Trời ở rất xa chúng ta đến nỗi tất cả các tia sáng chiếu vào hành tinh của chúng ta về cơ bản đều tiếp cận theo các đường song song. Để biết lý do tại sao, hãy xem Hình 2.10. Lấy một nguồn ánh sáng gần Trái Đất - chẳng hạn như ở vị trí A. Các tia của nó chiếu vào các phần khác nhau của Trái đất dọc theo các đường phân kỳ. Từ nguồn sáng tại B, hoặc tại C (ở xa hơn), góc giữa các tia chiếu tới các phần đối diện của Trái Đất nhỏ dần. Nguồn càng xa thì góc giữa các tia càng nhỏ. Đối với một nguồn ở xa vô hạn, các tia đi dọc theo các đường thẳng song song.

Hình 2.10 Tia sáng từ không gian. Một vật càng ở xa thì các tia sáng đến từ nó càng gần song song.

Tất nhiên, Mặt Trời không ở xa vô hạn, nhưng với khoảng cách 150 triệu km, các tia sáng chiếu vào Trái Đất từ ​​một điểm trên Mặt Trời phân kỳ với nhau một góc quá nhỏ để có thể quan sát bằng mắt thường. Kết quả là, nếu mọi người trên khắp Trái Đất có thể nhìn thấy Mặt Trời và cùng đưa tay chỉ vào nó, về cơ bản, các ngón tay của họ sẽ song song với nhau. (Điều này cũng đúng đối với các hành tinh và các ngôi sao — một ý tưởng mà chúng tôi sẽ sử dụng trong cuộc thảo luận về hoạt động của kính thiên văn.)

Eratosthenes được kể rằng vào một ngày đầu tiên của mùa hè tại Syene, Ai Cập (gần Aswan hiện đại), ánh sáng Mặt Trời chiếu vào đáy giếng thẳng đứng vào buổi trưa. Điều này chỉ ra rằng Mặt Trời ở ngay phía trên giếng — có nghĩa là Syene nằm trên đường thẳng từ tâm Trái đất đến Mặt trời. Vào ngày và giờ tương ứng ở Alexandria, Eratosthenes quan sát cái bóng do một cột tạo ra và thấy rằng Mặt Trời không trực tiếp ở trên cao, mà hơi chếch về phía nam của thiên đỉnh, do đó tia sáng của nó tạo một góc với phương thẳng đứng bằng khoảng 1/50 của một hình tròn (7°). Vì tia sáng Mặt Trời chiếu vào hai thành phố song song với nhau, tại sao hai tia này không tạo cùng một góc với bề mặt Trái Đất? Eratosthenes lý luận rằng độ cong của Trái Đất tròn khiến cho sự "thẳng lên" không giống nhau ở hai thành phố. Và ông nhận ra phép đo góc ở Alexandria cho phép ông tìm ra kích thước của Trái đất. Ông nhận thấy Alexandria phải cách 1/50 chu vi Trái Đất về phía bắc Syene (Hình 2.11). Alexandria đã được đo là cách 5000 stadia về phía bắc của Syene. (stadium là đơn vị đo chiều dài của người Hy Lạp, bắt nguồn từ chiều dài của đường đua trong sân vận động.) Do đó, Eratosthenes nhận thấy rằng chu vi Trái đất phải là 50 × 5000, hay 250.000 stadia.

Hình 2.11 Cách Eratosthenes đo kích thước của Trái Đất. Eratosthenes đã đo kích thước của Trái Đất bằng cách quan sát góc mà tia Mặt Trời chiếu vào bề mặt hành tinh của chúng ta. Các tia của Mặt Trời song song với nhau, nhưng do bề mặt Trái Đất cong nên một tia tại Syene đi thẳng xuống trong khi một tia tại Alexandria tạo một góc 7° so với phương thẳng đứng. Điều đó có nghĩa là, trên thực tế, bề mặt Trái Đất tại Alexandria so với  tại Syene đã vênh đi 7° của 360°, tức là 1/50 của một vòng tròn đầy đủ. Như vậy, khoảng cách giữa hai thành phố phải bằng 1/50 chu vi Trái Đất. (tín dụng: sửa đổi công việc của NOAA Ocean Service Education)

Không thể đánh giá chính xác độ chính xác của phép đo bởi Eratosthenes vì người ta nghi ngờ về đơn vị stadia trong số nhiều loại stadia Hy Lạp mà ông đã sử dụng làm đơn vị đo khoảng cách của mình. Nếu đó là một sân vận động Olympic thông thường thì kết quả của ông là quá lớn, hơn khoảng 20%. Theo một cách giải thích khác, ông đã sử dụng một sân vận động bằng khoảng 1/6 km, trong trường hợp đó, con số của ông nằm trong khoảng 1% quanh giá trị chính xác là 40.000 km. Ngay cả khi phép đo của ông không chính xác, thì thành công của ông trong việc đo kích thước hành tinh của chúng ta bằng cách chỉ sử dụng bóng tối, ánh sáng Mặt Trời và sức mạnh của tư tưởng con người là một trong những thành tựu trí tuệ vĩ đại nhất trong lịch sử.

(còn tiếp...)

Tham khảo

  • Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy)