Tìm hiểu các giả thuyết về cấu trúc của vũ trụ và sự hình thành của hệ mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠMKHOA VẬT LÝ ------Đề tàiTÌM HIỂU CÁC GIẢ THUYẾT VỀ CẤU TRÚC CỦA VŨ TRỤ VÀ SỰ HÌNH THÀNH CỦA HỆ MẶT TRỜI Giảng viên hướng dẫn : TH.S TRƯƠNG THÀNH Sinh viên thự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

- -Đề tàiTÌM HIỂU CÁC GIẢ THUYẾT VỀ CẤU TRÚC CỦA VŨ TRỤ VÀ SỰ HÌNH

THÀNH CỦA HỆ MẶT TRỜI

Giảng viên hướng dẫn : TH.S TRƯƠNG THÀNH

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ LOAN PHƯƠNG

Đà Nẵng, tháng 04 năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp: “Tìm hiểu các giả

thuyết về cấu trúc của Vũ trụ và sự hình thành của hệ Mặt Trời”, bên

cạnh sự cố gắng, nổ lực học hỏi của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều

sự quan tâm, đóng góp ý kiến của các quý thầy cô trong khoa Vật lý, người thân, và bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người đã tạo điều kiện giúp

đỡ tôi trong suốt khóa học

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Trương Thành, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này

Tuy đã có nhiều cố gắng để thực hiện khóa luận nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự góp ý phê bình của bạn đọc để bài viết được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 04 năm 2015

Nguyễn Thị Loan Phương

MỤC LỤC

A PHẦN MỞ ĐẦU 1

B NỘI DUNG 4

CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ VŨ TRỤ 4

1.1 Tổng quan về cấu trúc của Vũ Trụ 4

1.2 Mô hình Vũ Trụ Big Bang 5

1.2.1 Lịch sử hình thành mô hình Vũ Trụ Big Bang 5

1.2.2 Lí thuyết BIG BANG 7

CHƯƠNG II: CÁC GIẢ THUYẾT VỀ VŨ TRỤ 11

2.1 Những ý tưởng đầu tiên về vũ trụ duy vật – Giả thuyết Aristotle 11

2.1.1 Khái quát về những ý tưởng ban đầu 11

2.1.2 Giả thuyết Aristotle 12

2.1.2.1 Khái quát về giả thuyết 12

2.1.2.2 Ưu và nhược điểm của thuyết Aristotle 14

2.2 Giả thuyết Ptolemy 15

2.2.1 Đặc điểm của mô hình địa tâm Ptolemy 15

2.2.2 Ưu và nhược điểm của mô hình Ptolemy 16

2.3 Mô hình nhật tâm Copernic 17

2.3.1 Nội dung của hệ vũ trụ nhật tâm 17

2.3.2 Sự đúng đắn của học thuyết Copernic 19

2.3.3 Mặt Trời 22

2.3.3.1 Công suất, nhiệt độ và áp suất của Mặt Trời 23

2.3.3.1.1 Công suất bức xạ Mặt Trời 23

2.3.3.1.2 Xác định nhiệt độ của bề mặt Mặt Trời 23

2.3.3.1.3 Sự phân bố áp suất và nhiệt độ trung bình của Mặt Trời 24

2.3.3.2 Cấu trúc mặt ngoài của Mặt trời 25

2.3.3.2.1 Quang cầu (photosphere) 25

2.3.3.2.2 Các lớp ngoài quang cầu 25

2.3.3.2.3 Sắc cầu (chromosphere) 26

2.3.3.2.4 Nhật hoa (corona) 26

2.3.4 Trái Đất 27

2.3.4.1 Trái Đất trong không gian Vũ Trụ 27

2.3.4.2 Từ trường của Trái Đất 27

2.3.4.3 Khí quyển 28

2.3.4.4 Sự chuyển động của Trái Đất 30

2.3.4.5 Trái Đất - hành tinh có sự sống 31

2.3.4.6 Vệ tinh của Trái Đất 32

2.3.4.6.1 Nhật – Nguyệt thực 33

2.3.4.6.1.1 Nhật thực 33

2.3.4.6.1.2 Nguyệt thực 35

2.3.4.6.2 Thủy triều 35

CHƯƠNG III: SỰ HÌNH THÀNH HỆ MẶT TRỜI - GIẢ THUYẾT TINH VÂN

38

3.1 Lịch sử phát triển Giả thuyết Tinh vân 38

3.2 Đặc trưng cơ bản của hệ Mặt Trời 40

3.3 Giả thuyết tinh vân 41

3.4 Sự đổ sập hấp dẫn 42

3.5 Sự hình thành các hành tinh 42

3.6 Sự hình thành tiểu hành tinh 45

3.7 Sự hình thành sao chổi 46

C KẾT LUẬN 49

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Tổng quan về vũ trụ 4

Hình 1 2 George Gamov 7

Hình 1 3 Vụ nổ Big Bang 8

Hình 1 4 Hình ảnh mô tả Vũ trụ……… ….9

Hình 2 1 Aristotle……… …………12

Hình 2 2 Mô hình Aristotle……… ………13

Hình 2 3 Ptolemy ………15

Hình 2 4 Mô hình địa tâm Ptolemy……… ……… 16

Hình 2 5 Nicolas Copernic……… ……….17

Hình 2 6 Mô hình nhật tâm Copernic……… ……… 18

Hình 2.7 Mô phỏng Mặt Trời……… ……… 22

Hình 2 7 Minh họa về quỹ đạo của các hành tinh……… ……… 22

Hình 2 8 Mô tả chiều quay của các hành tinh……… ……… 23

Hình 2 9 Hình ảnh mô phỏng các lớp ngoài quang cầu………… ………26

Hình 2 10 Mô tả về từ trường Trài Đất……… ………28

Hình 2 11 Các tầng của khí quyển (mô tả) ……… ……… 29

Hình 2 12 Trái Đất……… ……… 31

Hình 2 13 Mặt Trăng quay quanh Trái Đất……… …………33

Hình 2 14 Hiện tượng nhật thực (mô tả) ……… ……….34

Hình 2 15 Hiện tượng nguyệt thực (mô tả) ……… …….35

Hình 2 16 Hiện tượng thủy triều (mô tả) ……… …37

Hình 3 1 Các giai đoạn hình thành hệ Mặt Trời……… ….38

Hình 3 2 Cấu trúc hệ Mặt Trời……… 39

Hình 3 3 Sự ra đời của Mặt Trời……… .41

Hình 3 4 Quá trình hình thành hệ Mặt Trời……… 42

Hình 3 5 Sự hình thành các hành tinh……… .43

Hình 3 6 Các hành tinh kiểu Trái Đất……… .43

Hình 3 7 Các hành tinh kiểu Mộc Tinh……… 44

Hình 3 8 Sự hình thành tiểu hành tinh (mô tả) ……… 45

Hình 3 9 Sự hình thành sao chổi……… … 46

Hình 3 10 Sự hình thành Mặt Trăng……… 47

Hình 3 11 Hai vệ tinh của Hỏa Tinh……… 47

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thời xưa, khi chưa có lịch trong quá trình sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi, nhân dân lao động thời cổ đại cổ đã biết lợi dụng các hiện tượng tự nhiên để định hướng thời vụ gieo trồng Con người còn biết quan sát các chòm sao trên trời nhằm xác định phương hướng, quan sát Mặt Trăng để nắm bắt thủy triều lên xuống…

“ Ánh nắng rực rỡ, ánh trăng dịu dàng, ánh sao lấp lánh, nhật thực tráng lệ… Những hiện tượng muôn màu muôn vẻ trong bầu trời đã kích thích óc tò mò và trí tưởng tượng của nhiều người” Vũ trụ cấu tạo như thế nào? Trái Đất mà chúng ta sinh sống như thế nào? Có mối quan hệ gì giữa bầu trời và Trái Đất? Làm thế nào Mặt Trời có thể phát ra những tia nắng rực rỡ? Ngoài Trái Đất của chúng ta ra, trên những hành tinh khác có sự sống hay không? Một loạt, rất nhiều câu hỏi từ đời thường cho tới những câu hỏi khó luôn khiến con người trăn trở Chính vì thế ngành Thiên văn học

ra đời và ngày càng phát triển mạnh mẽ

Thiên văn học là một môn khoa học nghiên cứu các thiên thể, cấu trúc của hệ thiên thể và quy luật tiến hóa nói chung của vật chất trong Vũ Trụ Bộ môn khoa học này được ra đời sớm bậc nhất và hiện nay vẫn là một mũi nhọn của khoa học hiện đại Vật Lý có một vai trò quan trọng trong môn thiên văn học, đặc biệt ngành Vật Lý thiên văn dùng để giải thích các quá trình xảy ra trong vũ trụ bằng các định luật Vật

Lý Vì vậy, hầu như tất cả các nhà thiên văn học đều có nền tảng vững chắc về Vật Lý Tuy nhiên, Thiên văn học cũng là một ngành khoa học khá bình dân và hấp dẫn nên bên cạnh các nhà thiên văn lại có rất nhiều người hoạt động nghiệp dư

Là một sinh viên Vật lý ở trường Đại Học Sư Phạm chỉ được học về Thiên văn đại cương thì những kiến thức Thiên văn hiện đại, đặc biệt là những vấn đề liên quan đến

vũ trụ còn mới mẻ và khá ít ỏi Tuy nhiên, không vì vậy mà tôi không thấy được điểm thú vị của môn học, mà ngược lại tôi lại rất yêu thích môn học này Và cũng chính vì những gì được học còn hạn hẹp nên tôi càng muốn biết nhiều hơn những gì mình chưa biết, hiểu nhiều hơn những gì mình chưa hiểu Trong môn thiên văn học mà tôi được học ở giảng đường, tôi cũng nắm được thành phần cấu tạo, bản chất vật lý và những quy luật chuyển động của các thiên thể Đồng thời cũng biết rõ về sự hình thành và

tiến hóa của các dạng tồn tại của vật chất trong vũ trụ…Tuy nhiên sự tò mò của bản thân không cho phép tôi dừng lại, chấp nhận với những kiến thức mình học được Tôi muốn đào sâu và nghiên cứu nhiều hơn về hệ Mặt Trời, về những lý thuyết mô tả vũ trụ qua các cột mốc lịch sử…về nơi mà chúng ta đang sống và sinh hoạt hằng ngày

Chính vì lẽ đó mà tôi quyết định: “Tìm hiểu các giả thuyết về cấu trúc của Vũ trụ

và sự hình thành của hệ Mặt Trời” Hy vọng rằng đây là một tài liệu bổ ích cho bạn

đọc và cho những ai có niềm yêu thích thiên văn

2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là nguồn gốc ra đời của hệ Mặt Trời; các giả thuyết về cấu trúc vũ trụ, những ưu nhược điểm của từng thuyết, đi sâu vào tìm hiểu giả thuyết được xem là đúng đắn và áp dụng nhiều nhất

3 Nội dung nghiên cứu

 Khái quát sơ lược về Vũ trụ.

 Tìm hiểu những ý tưởng đầu tiên về vũ trụ duy vật – Giả thuyết

Aristotle về hệ Mặt Trời

 Tìm hiểu về giả thuyết Ptolemy

 Tìm hiểu mô hình nhật tâm Copernic

 Tìm hiểu về sự hình thành hệ Mặt Trời

4 Phương pháp nghiên cứu

 Tra cứu, đọc và xử lý các thông tin thu thập từ sách vở, báo chí, internet

và các tài liệu liên quan đến đề tài

 Trao đổi, thảo luận với bạn bè những thông tin thu được

 Trao đổi và lắng nghe những ý kiến của giáo viên hướng dẫn để kiểm

tra tính chính xác những thông tin thu thập được

5 Mục đích nghiên cứu

 Tìm hiểu các hệ thống quá trình hoàn thiện về cấu trúc của vũ trụ, sự hình thành hệ Mặt Trời của nhân loại

 Nâng cao sự hiểu biết của mình về vũ trụ, về thế giới thiên văn học

 Tập làm công tác hoạt động khoa học

6 Kết quả đạt được

 Giới thiệu về vũ trụ

Tổng quan về cấu trúc vũ trụ

Giới thiệu về mô hình Vũ trụ Big Bang

 Tìm hiểu về một số giả thuyết của vũ trụ

Trình bày đặc điểm, nội dung của từng thuyết

Nêu lên những ưu, nhược điểm của các thuyết đó

Giới thiệu về Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng

 Mô tả sự hình thành của hệ Mặt Trời – Giả thuyết tinh vân

Trình bày sự ra đời của Mặt Trời, các hành tinh, tiểu hành tinh, sao chổi

Lý giải một số trường hợp ngoại lệ trong hệ Mặt Trời

7 Cấu trúc của khóa luận gồm 4 phần chính:

 Phần A: Mở đầu

 Phần B: Phần nội dung

Chương I: Sơ lược về vũ trụ

Chương II: Các giả thuyết về vũ trụ

Chương III: Sự hình thành hệ Mặt Trời – Giả thuyết tinh vân

 Phần C: Kết luận

 Phần D: Tài liệu tham khảo

B NỘI DUNG CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ VŨ TRỤ [1], [2], [6], [9], [10]

1.1 Tổng quan về cấu trúc của Vũ Trụ

Với kính thiên văn hiện đại có thể nhìn vào vũ trụ với khoảng cách 15 triệu năm ánh sáng mà chưa thấy “bức tường” cuối cùng của vũ trụ, nên hiện nay vũ trụ được xem là vô tận, một không gian trống rỗng không có biên giới

Trong không gian các sao phân bố rộng rãi và không đều Chúng tập trung thành những hình dạng xác định gồm hàng trăm tỉ sao và được gọi là các thiên hà Các thiên hà đó thường có dạng elipxoit, dạng đĩa xoắn… với đường kính từ hàng chục đến hàng trăm ngàn năm ánh sáng Những ngôi sao trong mỗi thiên hà cũng phân bố

không đồng đều, đa số tập trung vào một mặt phẳng xác định được gọi là mặt phẳng chính của thiên hà

Măt Trời của ta là một ngôi sao nằm trong thiên hà gọi là ngân hà Ngân hà bao gồm các sao mà ta nhìn thấy bằng mắt thường (khoảng sáu ngàn sao) và hơn một trăm

tỉ sao khác chỉ có thể quan sát qua kính thiên văn Ta có thể thấy được một số thiên hà khác (những thiên hà ở gần thiên hà của chúng ta) dưới dạng những vết sáng nhòe yếu

Hình 1 1 Tổng quan về vũ trụ

ớt và vì thế mà chúng còn được gọi là các tinh vân Qua kính thiên văn cực mạnh ta có thể nhìn thấy một số sao riêng biệt cấu tạo nên các tinh vân ấy Trong khoảng không giữa các sao còn có các vật chất tồn tại dưới dạng bụi, khí, các hạt cơ bản, trường điện

từ và trường hấp dẫn Vì thế các đám bụi khí vũ trụ làm cản trở khả năng nhìn xa của chúng ta

Mặt Trời là một trong số các sao cấu tạo nên thiên hà của chúng ta Quanh Mặt Trời có các hành tinh chuyển động và quanh các hành tinh còn có các vệ tinh Các kết quả quan trắc cho biết xung quanh nhiều ngôi sao khác cũng có các hành tinh chuyển động, tương tự như hệ Mặt Trời

Các thành tựu đạt được mà thiên văn học đem lại đã khẳng định rằng vật chất trong vũ trụ vận động và biến đổi không ngừng Các hành tinh chuyển động quanh các sao còn các sao và cả thiên hà quay quanh trục của thiên hà Ngoài ra thiên hà còn chuyển động trong vũ trụ với vận tốc rất lớn và càng ngày càng xa nhau

Quá trình nghiên cứu về vũ trụ của con người là một quá trình cần mẫn, lâu dài,

tỉ mỉ để rồi dần dần, con người ta có thể nhìn xa hơn, sâu hơn vào vũ trụ tưởng như là

vô biên này, dự đoán cho tương lai của vũ trụ, của sự sống con người Và vũ trụ rộng lớn của chúng ta, vũ trụ mà khi con người xuất hiện đã có nó, con người không được chứng kiến sự hình thành của vũ trụ nhưng lại luôn muốn nghiên cứu về vũ trụ Để làm được điều này con người đã và đang nhìn về quá khứ, nhìn về thời điểm khi mà vũ trụ bắt đầu hình thành Đã có rất nhiều những giả thuyết về sự hình thành của vũ trụ, các thuyết có thể đối lập nhau, hoặc nối tiếp nhau để dựng lại quá trình hình thành vũ trụ Cái gì cũng có cơ sở để tồn tại và phát triển Vũ trụ của chúng ta càng phải vậy, cơ

sở của vũ trụ là các thuyết (điều này đã được công nhận)

1.2 Mô hình Vũ Trụ Big Bang

1.2.1 Lịch sử hình thành mô hình Vũ Trụ Big Bang

Vũ trụ bí hiểm, luôn đòi hỏi óc tìm tòi, khám phá của con người và “vũ trụ xuất hiện và tiến hoá như thế nào?” là câu hỏi đã gây ra không ít tranh cãi cho các nhà khoa học, do đó mà nhiều học thuyết đã ra đời nhằm trả lời câu hỏi trên Tuy nhiên, đến nay

lí thuyết được nhiều người ủng hộ nhất để giải thích nguồn gốc và sự tiến hoá của vũ trụ là lí thuyết về “Vụ nổ lớn” hay còn gọi là Big Bang Lí thuyết này đưa ra dựa trên

cơ sở của các thành tựu cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm Vậy thuyết này đã ra đời như thế nào?

Trước đây vào những năm đầu của thế kỉ XX, người ta vẫn quan niệm vũ trụ là tĩnh tại và không gian, thời gian là vô hạn Năm 1915, nhà bác học thiên tài Albert Einstein đã công bố lí thuyết tương đối tổng quát hay còn gọi là thuyết tương đối rộng, gây nên một chấn động cho giới khoa học Bởi lí thuyết này cho rằng không thời gian

là đại lượng động lực tức phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất Điều đó dẫn tới việc không thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, tức là hoàn toàn không tĩnh như người ta vẫn nghĩ Hơn nữa, nghiệm mà phương trình Einstein mô

tả vũ trụ là đang dãn ra hoặc co lại Tuy nhiên, chính Einstein cũng không thể tin vào

sự tồn tại một vũ trụ như vậy nên ông đã thêm vào phương trình của mình một hằng

số vũ trụ có tác dụng phản hấp dẫn để phù hợp với vũ trụ tĩnh như quan niệm hiện giờ Đến năm 1922, Friedman (1888-1925) – một nhà khoa học nghiên cứu các vấn đề khí động học phục vụ pháo binh người Nga đã nghiên cứu một cách nghiêm túc thuyết tương đối rộng mà không sử dụng đến hằng số vũ trụ Kết quả là ông đã tìm được nghiệm của phương trình Einstein cho một vũ trụ động gọi là phương trình Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker Độc lập tìm ra phương trình này với Friedman là 1 vị linh mục người Bỉ tên Greorges Lemaitre (1894-1966) đồng thời cũng là một nhà khoa học lớn Ông đã tìm ra phương trình này dựa trên các quan sát về sự lùi xa của các tinh vân xoáy ốc và đặt giả thuyết rằng vũ trụ bắt đầu từ 1 nguyên tử duy nhất Giả thuyết này của Lemaitre có tên là giả thuyết “nguyên tử nguyên thuỷ” Giả thuyết này đã được cổ vũ mạnh mẽ bởi các quan sát của nhà thiên văn Edwin Hubble khi Hubble nhận thấy các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta theo mọi hướng với vận tốc tỉ lệ với khoảng cách giữa chúng Sự dãn nở này gọi là định luật Hubble Khám phá của Hubble đã tạo ra một bước ngoặt trong việc nghiên cứu và nhận thức về vũ trụ, khám phá này chính là cơ sở để hình thành thuyết Big Bang Tuy nhiên, mãi đến năm 1948 nhà vật lý Mỹ gốc Nga G.Gamow mới tạo ra một bước ngoặt mới cho lí thuyết Big Bang khi cho rằng vũ trụ đang dãn nở hiện nay là kết quả của sự nổ tung của một khối vật chất trong một thể tích vô cùng nhỏ gần như một điểm cách đây 14 tỷ năm Ông cũng dự đoán được sự tồn tại của bức xạ còn sót lại trong vũ trụ từ sau Vụ nổ đó Đáng tiếc điều tiên đoán này lúc bấy giờ không được giới khoa học quan tâm

Bức xạ còn lại này (bức xạ tàn dư), thường gọi là bức xạ phông vi ba vũ trụ, đã được A.A.Penzias và R.W.Wilson bất ngờ phát hiện vào năm 1965 khi hai ông đang thử máy thu tín hiệu trên bước sóng 3cm Đó là một chứng cớ rất rõ ràng về sự đúng đắn của giả thuyết quả cầu lửa nguyên thuỷ mà Gamow đã đề xuất Chính phát hiện này đã đem lại thắng lợi cho thuyết Vụ nổ lớn của Gamow

Có một điều thú vị là cái tên Big Bang lại do nhà Hoyle đặt ra năm 1950 nhằm chế giễu lý thuyết Ông là người đề xuất thuyết vũ trụ dừng năm 1948, theo đó vũ trụ không có khởi đầu và kết thúc Sau khám phá bức xạ tàn dư, nó đã chết vẻ vang như hầu hết các lý thuyết khoa học khác

Mô hình Big Bang đã được hoàn thiện dần dần về cả lí thuyết lẫn thực nghiệm theo sự phát triển của thiên văn học Ngày nay, mô hình Big Bang đã được thừa nhận rộng rãi, nó trở thành mô hình chuẩn cho vũ trụ

1.2.2 Lí thuyết BIG BANG

Lí thuyết BIG BANG được đề ra bởi George Gamov vào năm 1948

Ðây là một lí thuyết về một Vũ trụ đặc và nóng,

có điểm khởi đầu Lí thuyết này cho biết Vũ trụ đã khởi

đầu bằng một vụ nổ lớn (Big Bang) diễn ra cách đây

chừng 15 tỷ năm Hiện nay không có một ngôn ngữ nào

giúp chúng ta diễn tả về thời điểm này vì thứ nhất nói

một cách đơn giản là có ai biết về lúc đó đâu mà nói và

chính xác hơn là nó thuộc phạm vi ngoài những cái ta

biết về không gian và thời gian

Tạm thời ta có thể vẽ lại bức tranh tiến hoá của

Vũ trụ như sau:

Hình 1 2 George Gamov

Hình 1 3 Vụ nổ Big Bang

+ t = 0 : Vũ trụ ra đời bằng Big Bang, tại điểm này các định luật vật lí đã biết và

thuyết tương đối rộng không áp dụng được

+ t = 10-43s : Thời điểm này gọi là thời điểm Plank, kích thước vũ trụ là 10-35 m, nhiệt độ là 1032K và khối lượng riêng là 1091kg/cm3, gọi là các trị số Plank Từ thời điểm này vũ trụ bắt đầu dãn nở rất nhanh

+ t = 10-34s : Giai đoạn lạm phát vũ trụ xảy ra Kích thước vũ trụ tăng nhanh chóng, tăng thêm 1050 so với thời điểm Planck Nhiệt độ 1027 K

+ t = 10-6s : Đây là thời điểm các hạt tạo thành vật chất, quark và lepton hình thành cùng với các phản hạt của chúng, nhiều cặp phản hạt gặp nhau tự hủy giải phóng năng lượng dưới dạng photon

+ t = 10-3s : Các lepton chiếm ưu thế trong vũ trụ và ở trạng thái cân bằng với các photon Vũ trụ hết sức đậm đặc và các photon không thể vượt qua một lượng lớn các electron, proton và neutron tràn ngập vũ trụ, thời kì này chấm dứt khi các phản vật chất bị hủy diệt gần như toàn bộ

+ t = 1s : Thời kì bức xạ Vũ trụ tràn ngập bởi các hạt lepton, boson, nuclon và meson, nhiệt độ vũ trụ giảm còn 1010 K

+ t = 3 phút : Các neutron và proton không còn đủ năng lượng phá vỡ liên kết giữa chúng để thoát khỏi hạt nhân nữa Các hạt nhân H và He hình thành liên tiếp và chiếm ưu thế trong Vũ trụ

+ t = 300.000 năm : Các electron kết hợp với hạt nhân tạo thành nguyên tử, vật chất bắt đầu được định hình như ngày nay

+ t = 1 tỷ năm : Các Thiên hà đầu tiên ra đời cùng các ngôi sao

+ t = 15 tỷ năm : Hiện nay, nhiệt độ T

Lí thuyết Big Bang này ngày nay đã được công nhận gần như tuyệt đối do nó có

cơ sở dựa trên lí thuyết tương đối rộng, nguyên lí về “Vũ trụ đồng nhất và đẳng

hướng” và sự dời xa của các Thiên hà theo quan sát của Hubble

Như vậy theo thuyết Big Bang nói trên, tất cả chúng ta (vũ trụ) đã ra đời cách đây 15 tỷ năm bởi một vụ nổ Ta không thể nói gì về nó vì ngoài phạm vi của Big Bang thì không tồn tại vật chất và bức xạ, do đó không tồn tại khái niệm không gian và thời gian, từ duy nhất ta có thể dùng để chỉ nó là “không gì cả” Chúng ta không thể có khái niệm không gian và thời gian vào trước khi Big Bang xảy ra Vì sao lại như vậy? Như trên đã nói, toàn bộ vật chất (các hạt) chỉ được tạo thành bởi vụ nổ lớn (Big Bang) Vậy có nghĩa là trước Big Bang không hề có sự tồn tại của các hạt mà chúng ta

đã biết Như vậy là không có một sự khác biệt nào để phân biệt hai điểm, tức là không

Hình 1 4 Hình ảnh mô tả Vũ trụ

gian không hề tồn tại Mặt khác ta lại biết rằng thời gian chỉ là một đại luợng biểu diễn các quá trình Vậy ở đây ta sẽ sử dụng thời gian để làm gì khi không có sự biến đổi, sự chuyển động của các hạt Vậy ta có thể đi đến kết luận thời gian cũng không tồn tại ngoài phạm vi của Big Bang Như thế thì chúng ta lại có một lưu ý nhỏ là không bao giờ được phép nói rằng Big Bang đã bùng phát tại “một điểm” vì đơn giản là điểm thì phải được xác định trong một không gian hình học nào đó trong khi ở đây ta không có không gian

CHƯƠNG II: CÁC GIẢ THUYẾT VỀ VŨ TRỤ

[4], [5], [7], [8], [10], [12]

2.1 Những ý tưởng đầu tiên về vũ trụ duy vật – Giả thuyết Aristotle

2.1.1 Khái quát về những ý tưởng ban đầu

Khoảng thế kỉ VI trước công nguyên, nhiều nhà triết học, toán học (chủ yếu là

Hy Lạp) đã tỏ ra nghi ngờ sự can thiệp của thánh thần vào Trái Đất và vũ trụ Với mục đích giải thích sự tồn tại của vũ trụ và phản bác các tư tưởng về thần thánh và chúa Trời, nhiều ý tưởng được đưa ra

Thế kỉ VI trước Công nguyên, Tallette đã tính được rằng chu kì thời tiết là 365 ngày, dự đoán được từng ngày có nhật thực, nguyệt thực Theo Tallette, mọi thứ trong

tự nhiên đều tạo thành từ nước và sớm muộn cũng lại về là nước

Cũng thế kỉ thứ VI trước Công Nguyên, một nhà triết học khác là Animandre (610 - 547 trước CN) đã đưa ra một mô hình vũ trụ đầu tiên trong đó Trái Đất là một hình trụ ngắn như một cái đĩa ở trung tâm, quay xung quanh là 3 vành bánh xe có các hành tinh, Mặt Trời và Mặt Trăng

Những người theo trường phái Pytagor vào khoảng thế kỉ thứ V trước Công Nguyên cho rằng Trái Đất có dạng cầu quay quanh một ngọn lửa trung tâm cùng với các thiên thể theo thứ tự từ trong ra ngoài: Đối Trái Đất, Trái Đất, Mặt Trăng, Mặt Trời và 5 hành tinh (Mercury, Venus, Mars, Jupiter, Saturn)

Tiếp theo, Aristotle cho rằng thế giới tự nhiên được tạo thành từ 4 yếu tố cơ bản là: đất, nước, không khí và lửa

Một nhà triết học khác là Democrite đưa ra ý tưởng rằng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ, tuy nhiên ngoài Trái đất, Mặt Trời và Mặt Trăng còn có vô số các thiên thể khác hợp lại thành Ngân Hà Ông cũng đã nói rằng mọi dạng vật chất đều chỉ là sự kết hợp các nguyên tố mà thành

Thế kỉ III trước Công Nguyên, có sự xuất hiện của Aristarchus, một nhà thiên văn Hi Lạp cổ Ông là người đầu tiên nêu ra thuyết nhật tâm và tính được khoảng cách

từ Trái Đất đến Mặt Trời và Mặt Trăng (chưa chính xác) Tuy nhiên lí thuyết nhật tâm này không được ai quan tâm mà phải đợi đến gần 2000 năm sau nó mới lại xuất hiện (Copernic)

Khoảng năm 140 trước Công Nguyên đã xuất hiện văn bản đầu tiên có liệt kê danh sách các ngôi sao Danh mục này gồm khoảng 850 sao quan sát được ở bầu trời Bắc Người lập ra danh mục này là nhà thiên văn Hy Lạp Hipparchus

2.1.2 Giả thuyết Aristotle

Aristotle (384 – 322 TCN), một học trò của

Plato, và là thầy học của Alecxanđrơ đại đế khi còn

trẻ Ông là một nhà bác học uyên thâm, những

nghiên cứu của ông để lại được coi như bộ bách

khoa toàn thư đầy đủ về mọi tri thức khoa học thời

bấy giờ

Aristotle là một nhà triết học vĩ đại thời cổ

Những tư tưởng của ông có ảnh hưởng sâu sắc đến

nhiều thế hệ Mặc dù ở thời ông người ta không sử

dụng toán học và tiến hành thí nghiệm nhưng ông

vẫn được coi là cha đẻ của vật lý học với tác phẩm

“Vật lý học”

2.1.2.1 Khái quát về giả thuyết

Aristotle chủ trương rằng thế giới do bốn nguyên tố tạo thành: đất, nước, không khí và lửa Bốn nguyên tố đó mang tính chất nguyên thủy là khô, ẩm, nóng, lạnh, phân

bố như sau: đất thì khô và lạnh, nước thì lạnh và ẩm, không khí thì ẩm và nóng, lửa thì nóng và khô Bốn tính chất nguyên thủy luôn luôn đấu tranh với nhau, tạo ra sự chuyển hóa các nguyên tố và mọi biến đổi trong thiên nhiên Trong nước, nếu nóng thắng lạnh thì nước biến thành hơi nước (do nguyên tố không khí tạo thành), nếu khô thắng ẩm thì nước biến thành nước đá (do nguyên tố đất tạo thành)

Mỗi nguyên tố đều có vị trí tự nhiên trong vũ trụ Vị trí tự nhiên của đất là Trái Đất, trung tâm bất động của vũ trụ Vị trí tự nhiên của nước là phần khối cầu bao bọc ngoài địa cầu Vị trí tự nhiên của không khí và lửa là hai phần khối cầu bọc ngoài Mặt cầu ngoài cùng là giới hạn vị trí của lửa, có gắn các sao bất động, đó là giới hạn của vũ trụ Bên ngoài nó là “động cơ thứ nhất”, không phải là vật chất và không phải là chân không, điều khiển mọi chuyển động của vật chất Mỗi nguyên tố khi bị cưỡng bức rời khỏi vị trí tự nhiên đều có xu hướng trở về vị trí tự nhiên Đó là nguyên nhân gây ra

Hình 2 1 Aristotle

chuyển động tự nhiên Hòn đá rơi từ trên cao xuống, hay ngọn lửa bốc lên cao là những chuyển động tự nhiên đưa chúng về vị trí tự nhiên Một hòn đá bị ném lên cao nhưng cuối cùng nó cũng tìm về chuyển động tự nhiên để rơi xuống đất Thế giới từ Mặt Trăng trở lên là thế giới của Trời, thế giới thiêng liêng Chuyển động tự nhiên của các thiên thể ở đây là chuyển động tròn, vì đường tròn là hoàn thiện nhất, với tốc độ không đổi Thế giới dưới Mặt trăng là thế giới trần tục nên chuyển động là đường thẳng, một đường không hoàn thiện

Mặt trăng nằm trên mặt cầu gần tâm nhất Vì thế nó thuộc địa hạt Trái Đất, khiến nó cũng không hoàn hảo, gây nên các chấm đen và phải trải qua các tuần trăng

Nó không hoàn hảo như những vật

thể khác trên trời, vốn tự toả sáng

Dựa trên học thuyết của

Aristotle, thuyết địa tâm đưa ra và

được đa số các nhà thiên văn công

nhận Nội dung của thuyết: Trái Đất

hình cầu đứng yên tại trung tâm vũ

trụ, bao quanh trung tâm Trái Đất có

7 mặt cầu pha lê trong suốt, gắn trên

Hình 2 2 Mô hình Aristotle

2.1.2.2 Ƣu và nhƣợc điểm của thuyết Aristotle

Thuyết Aristotle nêu lên những ý tưởng ban đầu về bầu trời cũng có Mặt Trời, Trái Đất và các sao Đưa ra mô hình sơ khai về hệ Mặt Trời, mô hình phù hợp với các quan sát thông thường

Đầu tiên, nếu Trái Đất thực sự chuyển động, thì một người trên đó phải quan sát thấy các ngôi sao cố định dời chỗ vì hiện thượng thị sai Nói gọn, những hình dạng của các chòm sao phải thay đổi ở mức quan sát thấy trong năm Trên thực tế, các ngôi sao

ở quá xa so với Mặt trời và các hành tinh tới mức chuyển động của chúng (thực sự có tồn tại) không thể quan sát thấy cho đến tận thế kỷ XIX Vì không thể quan sát thấy thị sai nên bất cứ một thuyết nào khác ngoài mô hình địa tâm đều bị bác bỏ

Một sự quan sát có nhiều ảnh hưởng khác là Kim Tinh luôn có độ sáng ổn định trong mọi khoảng thời gian “và vì thế nó luôn ở cùng một khoảng cách so với Trái Đất” Trên thực tế điều đó xảy ra bởi vì phần ánh sáng mất đi trong các tuần của nó bù trừ cho kích thước biểu kiến thay đổi theo khoảng cách của Kim Tinh với Trái Đất Những sự chống đối khác bao gồm ý tưởng do Aristotle đưa ra cho rằng những vật thể

to lớn như Trái Đất theo trạng thái tự nhiên phải đứng yên và cho rằng phải cần có nhiều lực mới có thể làm chúng chuyển động Một số người cũng tin rằng nếu Trái đất quay quanh trục của nó thì không khí và các vật thể trên Trái đất (như chim hay mây)

sẽ bị bỏ lại đằng sau

Một sai lầm lớn của các mô hình Aristotle dựa trên các mặt cầu đồng tâm là họ không thể giải thích được sự thay đổi độ sáng của các hành tinh do sự biến đổi khoảng cách gây ra

Sau một thời gian dài nghiên cứu và tranh luận thì giả thuyết này cũng bị bác

bỏ, do các nhà thiên văn đã phát hiện một số mâu thuẫn quan trọng giữa các kết quả quan sát và lí thuyết của Aristotle Các hành tinh chuyển động không phải với vận tốc không đổi, mà có lúc nhanh hơn lúc chậm hơn, chuyển động giật lùi, rồi lại tiến lên, vẽ thành một cái nút thòng lọng trên quỹ đạo (chuyển động thắt nút)

Để giải quyết các nhược điểm đó theo

tinh thần Aristotle Ptolemy (thế kỉ II TCN) đã

có một giải pháp tài tình với một hệ thống các

nội luân và các ngoại luân

2.2 Giả thuyết Ptolemy

Ptolemy (100 – 170 sau CN), một nhà

toán học và thiên văn học Hy Lạp

Theo Ptolemy, chỉ có Mặt Trời và Mặt

Trăng được gắn trên các thiên cầu Các hành

tinh không được gắn trực tiếp trên các thiên cầu

2.2.1 Đặc điểm của mô hình địa tâm Ptolemy

Trong hệ Ptolemy, mỗi hành tinh chuyển

động trên hai hay nhiều mặt cầu: một mặt cầu chính với tâm là Trái Đất, và các mặt cầu khác được gọi là ngoại luân nằm trên mặt cầu chính Hành tinh chuyển động trên các mặt cầu và ngoại luân đó Mặt cầu chính quay quanh Trái Đất trong khi ngoại luân quay bên trong mặt cầu chính, khiến hành tinh có thể tiến gần hay rời xa Trái đất hơn tùy theo các điểm khác nhau trên quỹ đạo của nó, và thậm chí có thể di chuyển chậm, dừng lại, đi giật lùi (trong chuyển động lùi) Các ngoại luân của Kim Tinh và Thủy Tinh luôn có tâm trên một đường thẳng nối Trái Đất với Mặt Trời (Thủy Tinh gần Trái Đất hơn), điều này giải thích tại sao chúng luôn gần nhau trên bầu trời

Bầu trời quay xung quanh Trái Đất với chu kì 24 giờ

Măt Trời và Mặt Trăng, bên cạnh nhật động còn chuyển động đối với các sao, theo chiều ngược với chiều nhật động, với chu kì tương ứng là 365 ngày và 27 ngày

Các hành tinh cũng chuyển động với các sao theo chiều ngược với chiều nhật động nhưng cũng có những thời kì chúng dịch chuyển theo chiều ngược lại nên chuyển động của nó có dạng nút so với phông tạo bởi các ngôi sao cố định

Hai hành tinh Thủy Tinh và Kim Tinh dao động xung quanh Mặt Trời với biên

độ không quá 28 độ và 48 độ

Bằng trí tưởng tượng Ptolemy đã phác thảo ra mô hình vũ trụ địa tâm:

- Trái Đất nằm yên ở trung tâm vũ trụ

Hình 2 3 Ptolemy