Cách Chứng Minh Rằng Trái Đất Xoay Quanh Mặt Trời

Một trong những lớp học yêu thích của tôi để giảng dạy là Vật Lý cho Giáo viên Tiểu học. Đây là một lớp học vật lý được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của những giáo viên tiểu học tương lai—từ lớp 1 đến lớp 6 chẳng hạn. Để hướng dẫn lớp học, tôi đã sử dụng một phiên bản của Next Gen Physical Science and Everyday Thinking từ lâu, có lẽ là khoảng 13 năm, và nó thực sự tuyệt vời.

Một trong những mục tiêu chính trong khóa học này là giúp sinh viên hiểu về bản chất của khoa học—đặc biệt là ý tưởng rằng khoa học hoàn toàn xoay quanh việc xây dựng và kiểm tra các mô hình. Trong suốt khóa học, sinh viên thu thập dữ liệu và xây dựng mô hình của họ, nhưng họ cũng học về các mô hình khoa học hiện tại, như mô hình mặt trời ở trung tâm của hệ Mặt Trời.

Nhưng có một vấn đề khi chỉ đơn giản là cho rằng Trái Đất xoay quanh mặt trời. Trong một thời gian dài, con người tin vào một mô hình khác của hệ Mặt Trời: mô hình trung tâm trái đất, hoặc mô hình xoay quanh Trái Đất. Làm thế nào chúng ta biết hôm nay mô hình nào là chính xác—hoặc quan trọng, làm cách nào bạn có thể biết đó là mô hình tốt nhất? Liệu chúng ta chỉ có thể dựa vào những gì sách giáo trình nói cho chúng ta không?

Câu trả lời là không. Tôi sẽ đi qua ba điều bạn có thể quan sát (sử dụng công cụ đơn giản) để ủng hộ ý tưởng về mô hình hệ Mặt Trời theo hệ thống heliocentric. Ai cần phải phụ thuộc vào những cuốn sách giáo trình ngớ ngẩn đó khi bạn có thể tự mình tìm hiểu được mọi thứ?

Đối với quan sát này, bạn sẽ cần một cặp kính thiên văn và một chút thời gian. Bước một là tìm hiểu khi nào Sao Kim (hành tinh) có thể nhìn thấy từ vị trí của bạn. Một cuộc tìm kiếm nhanh trên Google sẽ cho bạn câu trả lời. Nếu nó không hiện lên trên bầu trời ngay bây giờ, chỉ cần đợi một vài tuần và bạn sẽ có thể nhìn thấy nó lại (mà không cần phải thức dậy lúc 4 giờ sáng).

Khi bạn nhìn vào Sao Kim với kính thiên văn, bạn nên chú ý điều gì đó. Thứ nhất, nó rõ ràng không phải là một ngôi sao. Thứ hai, nó thậm chí không phải là hình tròn. Hình dạng của Sao Kim nên giống với các pha của mặt trăng—đó là bởi vì Sao Kim có các pha. Vâng, bạn có thể thấy một hình dạng nhìn giống như "lưỡi bán nguyệt" cho Sao Kim.

Nhưng điều này có nghĩa gì về các mô hình trung tâm trái đất và trung tâm mặt trời của hệ Mặt Trời? Trước hết, hãy nhớ lại nguyên nhân gây ra các pha của mặt trăng—đây là một bài giảng nhắc nhở. Ngắn gọn, một nửa của mặt trăng được chiếu sáng bởi mặt trời. Vì chúng ta nhìn vào mặt trăng từ các góc độ khác nhau, chúng ta chỉ thấy một phần của nửa được chiếu sáng của mặt trăng và điều này gây ra các pha. Chính xác như vậy đối với Sao Kim.

Vậy nếu Sao Kim có các pha hình bán nguyệt, có nghĩa là chúng ta đang nhìn vào "mặt sau" của Sao Kim. Nếu Sao Kim có một pha đầy đủ, chúng ta đang nhìn vào "mặt trước." Cách duy nhất để điều này xảy ra là nếu Sao Kim quay quanh mặt trời. Nhưng chờ đã! Điều đó không có nghĩa là hệ Mặt Trời phải theo hệ thống heliocentric. Vẫn có khả năng rằng Trái Đất ở giữa và mặt trời quay quanh Trái Đất nhưng Sao Kim quay quanh mặt trời. Điều đó sẽ lạ lẫm—nhưng đó là có thể.

Dưới đây là một điều khác bạn có thể nhìn thấy với một cặp kính thiên văn. Nhìn vào Sao Mộc (khi nó xuất hiện trên bầu trời). Nếu bạn chưa từng thử nghiệm điều này—bạn cần thử. Tin tôi đi. Nó thực sự tuyệt vời. Bạn có thể không thực sự nhận biết chi tiết về hành tinh Sao Mộc, nhưng bạn có thể nhìn thấy bốn mặt trăng lớn. Vâng, bạn có thể nhìn thấy các mặt trăng của Sao Mộc bằng kính thiên văn.

Nhưng những mặt trăng Sao Mộc này nói gì về mô hình hệ Mặt Trời? Giống như các pha của Sao Kim, điều này không chứng minh rằng mô hình trung tâm trái đất là sai. Tuy nhiên, rõ ràng là những mặt trăng này đang quay quanh Sao Mộc và không phải Trái Đất. Vì vậy, Trái Đất không phải là trung tâm của mọi thứ.

Đây là một cổ điển—và bạn thậm chí không cần một kính viễn vọng hoặc bất cứ thứ gì khác. Bạn chỉ cần kiên nhẫn một chút. Đây là những gì bạn làm. Ra ngoài vào ban đêm và chú ý đến vị trí của Sao Hỏa so với các ngôi sao nền. Làm lại điều này vào đêm tiếp theo và bạn sẽ nhận thấy nó ở một vị trí khác nhau (so với các ngôi sao nền). Trên thực tế, tất cả các hành tinh đều làm điều này—đó là cách chúng ta biết chúng không phải là các ngôi sao.

Nhưng nếu bạn tiếp tục theo dõi chuyển động của Sao Hỏa, bạn sẽ nhận thấy rằng nó di chuyển về phía đông—ngoại trừ một số khoảnh khắc đặc biệt. Đôi khi Sao Hỏa sẽ di chuyển về phía tây trong một thời gian ngắn trước khi lại di chuyển về phía đông. Điều này được gọi là chuyển động nghịch chiều.

Bây giờ, hãy xem xét mô hình trung tâm trái đất với Sao Hỏa quay quanh Trái Đất. Mỗi đêm nó sẽ di chuyển xa hơn về phía đông. Điều đó có ý nghĩa. Nhưng làm thế nào bạn giải thích những thời điểm nó di chuyển về phía tây? Điều đó quá kỳ lạ.

OK, chỉ vì vui thôi, tôi sẽ tạo ra một mô hình về chuyển động nghịch chiều của Sao Hỏa. Nếu bạn vẽ đồ thị vị trí của hành tinh mỗi ngày, nó sẽ trông giống như thế này. Lưu ý: Đây không phải là các con số thực, đó chỉ là một ví dụ.

Vị trí góc của Sao Hỏa (Sao Hỏa giả mạo) tiếp tục tăng từ -90 độ đến 90 độ (và sau đó quay lại -90). Điều này diễn ra cho đến khoảng thời gian giả định là 10 đơn vị thời gian giả định. Lưu ý rằng trong một khoảng thời gian ngắn, Sao Hỏa di chuyển trở lại theo chiều ngược lại—voilà. Đó là chuyển động nghịch chiều.

Dưới đây là chuyển động của các hành tinh sẽ tạo ra đồ thị này. Nếu bạn cần chạy lại mô hình này (bằng python), chỉ cần nhấp vào nút "chạy."

Trong mô hình này, cả Trái Đất và Sao Hỏa đều quay quanh một mặt trời—hãy nhận ra rằng mô hình này không tỷ lệ. Thực sự, không có gì đúng ngoại trừ sức mạnh tạo ra quỹ đạo là một lực nghịch bình phương (giống như trọng lực thực sự). Điều này có nghĩa là tốc độ góc của các hành tinh giảm với khoảng cách quỹ đạo. Trái Đất quay quanh "nhanh hơn" Sao Hỏa. Chính trong khu vực này, nơi Trái Đất vượt qua Sao Hỏa, chúng ta có được chuyển động nghịch chiều.

Sử dụng mô hình heliocentric tạo ra một giải thích đơn giản về chuyển động nghịch chiều của Sao Hỏa. Nhưng lại một lần nữa, điều đó không "chứng minh" mô hình heliocentric. Nhưng nếu bạn kết hợp cả ba thí nghiệm này lại, bạn có hai lựa chọn (OK, bạn có thể tìm thêm nhiều lựa chọn nếu bạn muốn). Lựa chọn A: Trái Đất và Sao Hỏa đều quay quanh mặt trời. Lựa chọn B: Sao Hỏa và mặt trời quay quanh Trái Đất nhưng Sao Hỏa có quỹ đạo không tròn hoặc một loại quỹ đạo kỳ cục nào đó. Ngoài ra, Sao Kim vẫn quay quanh mặt trời. Lựa chọn A có vẻ đơn giản hơn. Hãy chọn mô hình heliocentric của hệ Mặt Trời.

Chỉ để làm rõ. Trước khi bạn thực hiện ba thí nghiệm này (mà tôi chắc chắn bạn đã làm), việc giữ vững mô hình trung tâm trái đất không phải là một ý tưởng điên rồ. Nếu bạn chưa bao giờ nhìn vào sách giáo trình hoặc xem một video trên YouTube, liệu bạn có nghĩ rằng Trái Đất quay quanh mặt trời? Tôi nghĩ không. Dường như Trái Đất không quay quanh trục của mình mỗi ngày cũng như di chuyển với tốc độ 30 kilomet mỗi giây (tốc độ cần thiết để đi xung quanh mặt trời chỉ trong một năm).

Liệu chúng ta có bay ra khỏi Trái Đất đang quay không? Chim có khó khăn khi bay để theo kịp với Trái Đất không? Trên thực tế, nó chỉ làm cho người ta cảm thấy như Trái Đất không di chuyển. Mô hình trung tâm trái đất của hệ Mặt Trời là hoàn toàn hợp lý cho đến khi bạn bắt đầu thu thập dữ liệu tốt hơn. Hoặc, để nói điều này theo quan điểm Văn hóa Khoa học: Một số mô hình khá tốt cho đến khi bạn thu thập thêm dữ liệu chứng minh chúng không tốt. Đó là cách khoa học hoạt động.

Mặc dù có bằng chứng hỗ trợ cho mô hình heliocentric, lịch sử cho thấy vẫn còn một vấn đề rất lớn với nó. Nếu Trái Đất đang di chuyển quanh mặt trời, thì phải có sự thay đổi rõ ràng về vị trí của các ngôi sao. Điều này được gọi là parallax sao. Parallax là điều mà điện thoại của bạn sử dụng để đặt các đối tượng ảo trong tầm nhìn của camera (giống như ARkit trong iOS của Apple). Nhưng thì việc phát hiện parallax sao thực sự rất khó khăn. Các ngôi sao ở rất xa nên sự thay đổi của chúng quá nhỏ để nhận biết bằng kính viễn vọng kém chất lượng. Kính viễn vọng tốt hơn mang lại dữ liệu tốt hơn, từ đó tạo ra một mô hình hệ Mặt Trời tốt hơn.

Một ví dụ khác: con lắc Foucault. Đây về cơ bản là một con lắc dài thay đổi mặt dao động của nó do quay của Trái Đất. Việc thiết lập nó khá khó khăn nên tôi đã bỏ qua nó ở trên. Nhưng nếu bạn dám xây dựng một cái, bạn sẽ có được thêm thậm chí dữ liệu tốt hơn hỗ trợ cho mô hình heliocentric của hệ Mặt Trời.

• Elon Musk có kế hoạch cứu người hâm mộ LA Dodger khỏi giao thông
• Camera cảnh sát có thể bị hack để chỉnh sửa đoạn phim
• Khoi cháy có thể giết người—ngay cả ở những nơi bạn không ngờ đến
• ESSAY ẢNH: Các chuyên gia công nghệ của Savannah Silicon ở Kenya
• Chuyện David và Goliath kỳ lạ về tần số radio
• Nhận thêm nhiều thông tin nội bộ của chúng tôi với bản tin hàng tuần Backchannel của chúng tôi