Lý thuyết về địa tâm

Trong thiên văn học, mô hình địa tâm là lý thuyết cho rằng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ và Mặt Trời cùng các thiên thể khác quay quanh nó.

Được xem là mô hình chuẩn trong thời cổ Hy Lạp, được cả Aristotle và Ptolemaeus, cũng như đa số triết gia Hy Lạp đồng thuận rằng Mặt Trời, Mặt Trăng, các ngôi sao và các hành tinh quay quanh Trái Đất. Các ý tưởng tương tự đã xuất hiện từ thời cổ đại Trung Quốc. Aristarchus xứ Samos đã đề xuất một mô hình nhật tâm về hệ Mặt Trời, nhưng rõ ràng ông là một trong số ít tin rằng Trái Đất không nằm ở trung tâm.

Triết học Hy Lạp cổ đại và các nhà triết học thời Trung Cổ thường mô tả vũ trụ như một hình cầu, không giống với mô hình Trái Đất phẳng trong một số truyền thuyết. Người Hy Lạp cổ đại cũng tin rằng các hành tinh di chuyển theo quỹ đạo tròn chứ không phải là hình elip. Quan điểm này đã chiếm ưu thế trong văn hoá phương Tây cho đến trước thế kỷ 17.

Mô hình địa tâm từng thống trị trong thời kỳ Cận đại; từ cuối thế kỷ 16 trở đi, nó dần bị thay thế bởi thuyết nhật tâm của Nicolaus Copernicus, Galileo Galilei và Johannes Kepler.

Triết học Hy Lạp cổ đại

Mô hình địa tâm bắt đầu xuất hiện trong triết học và thiên văn học Hy Lạp từ rất sớm. Có thể thấy những dấu vết của nó trong triết học tiền Socrat. Vào thế kỷ thứ 6 TCN, Anaximander đã mô tả vũ trụ với Trái Đất như một mặt cắt của một cột trụ (một hình trụ), được giữ ở trung tâm mọi thứ. Mặt trời, Mặt Trăng và các hành tinh được đặt trong những bánh xe vô hình quay quanh Trái Đất; qua chúng, con người có thể nhìn thấy ngọn lửa thần bí. Cùng thời gian đó, các môn đồ Pythagoras cho rằng Trái Đất là một hình cầu, nhưng không nằm ở trung tâm; họ tin rằng nó xoay quanh một ngọn lửa thần bí. Sau này, các quan điểm này đã được hòa trộn với nhau, vì vậy hầu hết các học giả Hy Lạp từ thế kỷ thứ 4 TCN đều cho rằng Trái Đất là một hình cầu tại trung tâm vũ trụ.

Trong thế kỷ thứ 4 TCN, hai nhà triết học Hy Lạp có sự ảnh hưởng lớn đã viết các tác phẩm dựa trên mô hình địa tâm. Đó là Plato và học trò của ông, Aristotle. Theo Plato, Trái Đất là một hình cầu, nằm ở trung tâm vũ trụ. Các ngôi sao và các hành tinh được gắn trên các mặt cầu quay quanh Trái Đất, theo thứ tự (từ trong ra ngoài): Mặt Trăng, Mặt trời, Sao Kim, Sao Thủy, Sao Hoả, Sao Mộc, Sao Thổ và các ngôi sao cố định. Trong 'Thần thoại Trái Đất' (myth of Er), một phần của cuốn Cộng hoà, Plato miêu tả vũ trụ như một con suốt của sự tất yếu (spindle of necessity), được chăm sóc bởi các Mỹ nhân ngư và được quay bởi ba Thần mệnh. Eudoxus xứ Cnidus, người đã làm việc cùng Plato, đã phát triển một cách giải thích ít tín ngưỡng và khoa học hơn về sự chuyển động của các hành tinh, dựa trên lời tuyên bố của Plato rằng tất cả các hiện tượng trên bầu trời có thể được giải thích bằng một chuyển động tròn duy nhất. Aristotle đã bổ sung thêm chi tiết vào hệ thống của Eudoxus. Trong hệ thống phát triển hoàn chỉnh của Aristotle, Trái Đất là một hình cầu nằm ở trung tâm vũ trụ. Tất cả các vật thể trên bầu trời đều được gắn với 56 mặt cầu đồng tâm quay quanh Trái Đất. (Số lượng lớn này là vì mỗi hành tinh cần nhiều mặt cầu để giải thích sự di chuyển của chúng). Mặt Trăng nằm trên mặt cầu gần trung tâm nhất. Vì vậy, nó thuộc về địa hạt của Trái Đất, khiến nó cũng không hoàn hảo, gây ra các chấm đen và phải trải qua các tuần trăng. Nó không sáng tỏ như các vật thể khác trên bầu trời, mà phải dựa vào ánh sáng của các vật thể khác để chiếu sáng.

Thuyết trung tâm đang nhận được sự tin tưởng rộng rãi vì nó phù hợp với các quan sát thông thường. Đầu tiên, nếu Trái Đất thực sự xoay quanh, thì người ta sẽ thấy các ngôi sao cố định di chuyển vị trí do sai lệch thị. Tóm lại, hình dạng các chòm sao phải thay đổi theo quan sát trong năm. Thực tế, các ngôi sao ở quá xa so với Mặt Trời và chuyển động của chúng (nếu có) không thể quan sát thấy cho đến thế kỷ 19. Vì không thể quan sát thấy thị sai, bất kỳ thuyết nào khác ngoài mô hình trung tâm địa cũng bị bác bỏ.

Một quan sát có ảnh hưởng lớn khác là Sao Kim luôn có độ sáng ổn định trong mọi khoảng thời gian 'và vì vậy nó luôn ở cùng một khoảng cách so với Trái Đất'. Thực tế, điều này xảy ra vì mất ánh sáng trong quá trình quay của nó bù đắp cho sự thay đổi kích thước biểu kiến theo khoảng cách giữa Sao Kim và Trái Đất. Những sự phản đối khác bao gồm ý tưởng từ Aristotle rằng các vật lớn như Trái Đất, theo trạng thái tự nhiên, phải đứng yên và rằng để chúng chuyển động cần phải có lực lượng. Một số người cũng tin rằng nếu Trái Đất quay quanh trục của mình, không khí và các vật thể trên Trái Đất (như chim hay mây) sẽ bị bỏ lại phía sau.

Một sai lầm lớn của các mô hình Eudoxus và 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.

Claudius Ptolemaeus

Mặc dù các nguyên lý cơ bản của thuyết trung tâm Hy Lạp được hình thành từ thời của Aristotle, các chi tiết về hệ thống của ông không phải là tiêu chuẩn. Vinh dự này thuộc về Hệ Ptolemaeus, được nhà thiên văn học Hy Lạp-Rôma Claudius Ptolemaeus (hay Ptolemaeus) đưa ra vào thế kỷ 2 sau Công nguyên. Cuốn sách thiên văn học quan trọng của ông Almagest là thành tựu cao nhất của công việc kéo dài hàng thế kỷ của các nhà thiên văn Hy Lạp; nó đã được chấp nhận trong hơn một nghìn năm sau đó, được những người châu Âu và các nhà thiên văn Hồi giáo coi là mô hình vũ trụ chính xác. Vì ảnh hưởng của nó, hệ Ptolemaeus đôi khi được coi là tương tự với mô hình trung tâm địa.

Hệ Ptolemaeus

Trong hệ Ptolemaeus, mỗi hành tinh di chuyển trên hai hoặc nhiều mặt cầu: một mặt cầu chính (deferent) với tâm là Trái Đất, và các mặt cầu phụ gọi là ngoại luân nằm trên mặt cầu chính. Hành tinh di chuyển trên các mặt cầu và ngoại luân này. 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 Sao Kim và Sao Thủy luôn có tâm trên một đường thẳng nối Trái Đất với Mặt Trời (Sao Thủy gần Trái Đất hơn), điều này giải thích tại sao chúng luôn gần nhau trên bầu trời. Thứ tự các hành tinh từ Trái Đất trở ra theo hệ Ptolemaeus như sau:

1. Mặt Trăng
2. Sao Thủy
3. Sao Kim
4. Mặt Trời
5. Sao Hoả
6. Sao Mộc
7. Sao Thổ
8. Các hành tinh cung

Mô hình mặt cầu chính và các ngoại luân đã từng được các nhà thiên văn Hy Lạp sử dụng trong nhiều thế kỷ, cũng như ý tưởng lệch tâm (mặt cầu chính có tâm hơi lệch khỏi tâm Trái Đất). Trong hình minh hoạ, tâm của mặt cầu chính không phải là tâm Trái Đất mà là điểm X, khiến nó bị lệch tâm (trong tiếng Latinh ex- hay e- có nghĩa 'từ,' và centrum có nghĩa 'trung tâm'). Thật không may, hệ thống này ở thời Ptolemaeus không được chấp nhận rộng rãi trong các quan sát, thậm chí sau khi đã được cải tiến nhiều so với hệ thống của Aristotle. Đôi khi, kích thước của các hành tinh đang thụt lùi (trường hợp dễ nhìn nhất là Sao Hoả) nhỏ lại và đôi khi lại lớn hơn. Điều này khiến ông phải đưa ra ý tưởng về một đẳng thứoc (equant). Điểm đẳng thứoc là một điểm gần trung tâm của quỹ đạo của một hành tinh mà, nếu bạn đứng tại đó để quan sát, trung tâm ngoại luân của hành tinh sẽ luôn di chuyển với cùng một tốc độ. Vì vậy, hành tinh thực tế đang di chuyển với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào điểm mà ngoại luân đặt trên mặt cầu chính. Khi sử dụng đẳng thứoc, Ptolemaeus mong muốn duy trì sự đồng nhất và hình tròn trong chuyển động, nhưng nhiều người không thích nó vì cho rằng nó không chính xác với tuyên bố của Plato về 'chuyển động tròn đồng nhất'. Hệ thống cuối cùng được nhiều người chấp nhận ở phương Tây là một hệ thống rất phức tạp khi quan sát theo quan điểm hiện đại; mỗi hành tinh cần một ngoại luân quay quanh mặt cầu chính, được điều chỉnh bằng một tâm sai khác nhau tùy thuộc vào hành tinh. Tuy nhiên, hệ thống này lại dự đoán chuyển động của nhiều thiên thể, bao gồm cả sự khởi đầu và kết thúc của chuyển động lùi, khá chính xác trong thời điểm đó.

Hệ địa tâm và các hệ thống đối nghịch khác

Không phải tất cả người Hy Lạp đều tán thành với mô hình địa tâm. Hệ thống của Pythagoras đã được nhắc đến; một số người theo trường phái Pythagoras tin rằng Trái Đất là một trong nhiều hành tinh quay quanh một ngọn lửa thần bí. Hicetas và Ecphantus, hai học trò của Pythagoras ở thế kỷ thứ 5 TCN, và Heraclides Ponticus ở thế kỷ thứ 4 TCN, cho rằng Trái Đất quay quanh trục của nó nhưng vẫn là trung tâm của vũ trụ. Một hệ thống như vậy vẫn được coi là hệ địa tâm. Trong thời Trung cổ, hệ thống này đã được Jean Buridan sửa đổi lại. Heraclides Ponticus cũng đôi khi được cho là đã đưa ra ý tưởng rằng cả Sao Kim và Sao Thủy đều quay quanh Mặt trời chứ không phải Trái Đất, nhưng bằng chứng cho ý tưởng đó không rõ ràng. Martianus Capella đã rõ ràng đặt Sao Thủy và Sao Kim trên các ngoại luân quanh Mặt trời.

Aristarchus xứ Samos là người có tư tưởng tiến bộ nhất. Ông đã viết một tác phẩm, hiện không còn, về hệ nhật tâm, cho rằng Mặt trời nằm ở trung tâm vũ trụ, trong khi Trái Đất và các hành tinh khác quay quanh nó. Lý thuyết của ông không phổ biến, và chỉ có một người duy nhất được biết đến đã ủng hộ lý thuyết của ông, Seleukos xứ Seleucia.

Hệ thống Copernicus

Năm 1543, hệ địa tâm đối diện với một thách thức nghiêm trọng khi Copernicus công bố cuốn sách Về chuyển động xoay vòng của các hành tinh (De revolutionibus orbium coelestium), khẳng định rằng Trái Đất và các hành tinh khác xoay quanh Mặt trời. Tuy hệ Copernicus đã xuất hiện, nhưng trong một thời gian dài vẫn còn nhiều tranh cãi, vì lúc đó chưa có các dự đoán chính xác hơn về vị trí của các hành tinh so với hệ địa tâm, điều này đặt ra nhiều vấn đề cho cả khoa học tự nhiên và Kinh Thánh.

Với việc phát minh kính viễn vọng vào năm 1609, các quan sát đầu tiên của Galileo (như việc phát hiện Mặt Trăng của Sao Thổ) đã đặt ra nhiều câu hỏi về các giả thuyết của hệ thuyết địa tâm, nhưng không đe dọa nghiêm trọng đến sự thống trị của nó.

Tháng 12 năm 1610, Galileo Galilei đã sử dụng kính viễn vọng của mình để chứng minh rằng Sao Kim có các pha như Mặt Trăng. Đây là một bằng chứng cho sự không chính xác của hệ Ptolemaeus.

Ptolemaeus đặt Sao Kim bên trong mặt cầu của Mặt trời (giữa Mặt trời và Sao Thủy), điều này là không hợp lý; ông chỉ có thể đơn giản thay đổi vị trí của Sao Kim và Sao Thủy rồi đặt chúng ở bên kia Mặt trời, hoặc đặt chúng ở bất cứ vị trí nào, khi chúng luôn nằm trên đường thẳng từ Trái Đất tới Mặt trời. Trong trường hợp này, nếu Mặt trời là nguồn gốc của ánh sáng, theo hệ Ptolemaeus:

Nếu Sao Kim nằm giữa Trái Đất và Mặt trời, pha của Sao Kim luôn là hình lưỡi liềm hoặc hoàn toàn tối.

Nếu Sao Kim ở phía bên kia Mặt trời, pha của Sao Kim luôn là khuyết hoặc hoàn toàn tròn.

Tuy nhiên, Galileo quan sát thấy rằng Sao Kim ban đầu nhỏ và tròn đầy nhưng sau đó lại lớn lên và có hình lưỡi liềm.

Các nhà thiên văn thời kỳ này cho rằng nếu các kết quả được chấp nhận là chính xác, đó sẽ là bằng chứng không thể phủ nhận nổi sự sai lầm của hệ vũ trụ Ptolemaeus. Do đó, nửa cuối thế kỷ 17 chứng kiến cuộc tranh luận giữa các mô hình vũ trụ dựa trên hệ thống của Tycho Brahe (ở đó Trái Đất vẫn là trung tâm và Mặt trời quay quanh nó, còn các hành tinh khác quay quanh Mặt trời theo nhiều hệ ngoại luân), và hệ Copernicus.

Hấp dẫn: Newton và Einstein

Vào năm 1687, Isaac Newton đã đưa ra Định luật Hấp dẫn, cho rằng lực hấp dẫn là lực làm cho Trái Đất và các hành tinh di chuyển trong vũ trụ cũng như giữ chặt không khí không để nó bị bay đi.

Năm 1838, nhà thiên văn học Friedrich Wilhelm Bessel đã thành công trong việc đo thị sai của ngôi sao 61 Cygni, điều này được coi là bằng chứng cuối cùng cho thấy Trái Đất đang di chuyển.

Theo quan điểm khoa học hiện đại, đặc biệt là theo thuyết tương đối rộng của Einstein, không có hệ tham chiếu tuyệt đối, chỉ có những hệ tham chiếu phù hợp hoặc không phù hợp cho một mục đích quan sát. Một hệ tham chiếu có Trái Đất là trung tâm phù hợp cho các hoạt động hàng ngày và hầu hết các thí nghiệm khác, nhưng không phải là sự lựa chọn tối ưu cho cơ học hệ Mặt Trời và du lịch không gian. Trái lại, hệ tham chiếu với Mặt Trời ở trung tâm phù hợp hơn cho những tình huống này, đặc biệt là trong thiên văn học thiên hà và ngoài thiên hà, vì chúng làm cho Mặt Trời không đứng yên mà xoay quanh trung tâm của dải Ngân Hà.

Thuyết địa tâm hiện đại được một số tín đồ chính thống Do Thái, Thiên Chúa giáo và Hồi giáo vẫn giải thích theo sách kinh tôn giáo của họ rằng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ.

Trong ngành thiên văn học, mô hình này được trình bày như sau.

Mô hình thiên văn học vẫn giữ ý tưởng này.

Trong lĩnh vực thiên văn học, mô hình địa tâm của Ptolemaeus vẫn được nhiều người sử dụng để xây dựng mô hình vì lý do kỹ thuật, cấu trúc chuyển động của các hành tinh theo mô hình Ptolemaeus có nhiều ưu điểm hơn so với hệ Copernicus. Các vòng cầu thiên thể, dùng để giảng dạy và đôi khi cho mục đích thẩm mỹ, vẫn dựa trên mô hình địa tâm.