Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng đi ngược về quá khứ để tìm hiểu nền thiên văn Hy Lạp, đầu tàu của văn minh thế giới cổ đại. Hầu hết văn minh phương Tây cách này cách khác đều bắt nguồn từ những ý tưởng của Hy Lạp và La Mã cổ đại, trong đó có thiên văn học. Tuy nhiên, nhiều nền văn hóa cổ đại cũng phát triển những hệ thống tinh vi để quan sát và lý giải bầu trời.
Thiên văn học trong các nền văn minh cổ đại
Các nhà thiên văn Babylon, Assyrian, và Ai Cập tính toán khá chính xác thời gian một năm. 3000 năm trước, người Ai Cập cổ đại đã có thể làm lịch với 1 năm dài 365 ngày. Họ cẩn thận theo dõi thời gian mọc và lặn của sao Sirius trên bầu trời trước lúc bình minh. Chu kỳ hằng năm của ngôi sao này tương ứng với chu kỳ dâng lũ của sông Nile. Người Trung Quốc sớm cũng đã có lịch. Họ xác định thời gian một năm cũng tương đương với người Ai Cập. Trung Quốc còn ghi chép về sao chổi, sao băng, các đốm đen trên Mặt Trời. Về sau, thiên văn Trung Quốc cẩn thận ghi chép và các “vì sao lạ” – những ngôi sao bình thường rất mờ nhạt bỗng nhiên tỏa sáng rực rỡ trên bầu trời trong một vài tuần hoặc vài tháng. Ngày nay chúng ta vẫn sử dụng các ghi chép ấy để nghiên cứu các ngôi sao đã phát nổ rất lâu về trước.
Văn minh Maya vùng Mexico và Nam Mỹ phát triển một bộ lịch phức tạp dựa trên sao Kim. Họ có những đài quan sát chuyên dụng từ ngàn năm trước. Người Polynesians quan sát các vì sao để định hướng trên biển, một kỹ thuật cho phép họ xâm chiếm nhiều hòn đảo cách đất nước họ rất xa.
Tại Anh, trước khi chữ viết ra đời, người cổ đại đã dùng đá để theo dõi chuyển động của Mặt Trời và Mặt Trăng. Ngày nay vẫn còn đó những vòng tròn đá khổng lồ được xây dựng cho mục đích này, có niên đại từ tận 2800TCN, nổi tiếng nhất là Stonehenge.
Nền thiên văn Hy Lạp và La Mã cổ đại
Quan niệm của chúng ta về vũ trụ – tức là cấu trúc và nguồn gốc của nó – được gọi là vũ trụ học (cosmology), một từ có gốc Hy Lạp. Trước khi phát minh ra kính viễn vọng, con người chỉ sử dụng các giác quan để quan sát và đoán định bức tranh vũ trụ. Người cổ đại phát triển những mô hình vũ trụ học kết hợp giữa các quan sát trực của họ về những thiên thể trên bầu trời với những hệ thống tôn giáo và triết học trong tư duy.
Khoảng 2000 năm trước Columbus, những trí thức vùng Mediterranean đã biết rằng Trái Đất tròn. Niềm tin này có lẽ bắt nguồn từ thời Pythagoras, một triết gia và nhà toán học sống từ 2500 trước. Ông tin rằng hình tròn và hình cầu là những “dạng hoàn hảo” và vì thế Trái Đất phải là hình cầu. Vì tin rằng thần thánh thích hình cầu, nên người Hy Lạp cũng mặc nhiên chấp nhận Mặt Trăng hình cầu.
Các tác phẩm của Aristole (384-322), giảng sư của vua Alexander Đại Đế, tóm tắt nhiều ý tưởng thời ông. Các tài liệu ấy mô tả tiến trình của các kỳ trăng, tức sự thay đổi hình dạng của Mặt Trăng trong tháng. Aristole cũng biết rằng Mặt Trời cách xa Trái Đất hơn rất nhiều so với Mặt Trăng vì mỗi khi xảy ra Nhật Thực ta thấy Mặt Trăng che khuất Mặt Trời.
Aristole cũng đưa ra những luận điểm rất thuyết phục chứng minh trái đất hình tròn. Trước tiên, khi xảy hiện tượng nguyệt thực, ta quan sát thấy bóng của trái đất đổ trên mặt trăng có hình tròn. Chỉ những vật có hình cầu mới có thể tạo ra bóng hình tròn. Nếu trái đất là một chiếc đĩa, tức phẳng, thì bóng của nó in trên mặt trăng phải là một đường thẳng mới đúng.
Luận điểm thứ hai, Aristole giải thích rằng nếu người ta đi về phía nam đủ xa thì có thể nhìn thấy các vì sao mà ở phương bắc không nhìn thấy. Và cao độ của sao Bắc Cực càng đi về phía nam thì càng thấp dần. Nếu Trái Đất phẳng thì dù đứng ở đâu thì các vì sao trên bầu trời cũng không thay đổi. Chỉ có một cách giải thích duy nhất là lữ khách đang di chuyển trên một bề mặt cong, và vì thế góc nhìn sẽ thay đổi dần.
Một nhà tư tưởng Hy Lạp khác là Aristarchus xứ Samos (310-230 TCN) thậm chí còn cho rằng Trái Đất xoay quanh Mặt Trời, nhưng Aristole và hầu hết các học giả Hy Lạp cổ đại phủ nhận ý tưởng này. Một trong những lý do là vì nếu Trái Đất xoay quanh Mặt Trời thì vị trí quan sát của người đứng trên Trái Đất cũng sẽ thay đổi. Vậy thì, khi Trái Đất di chuyển, những vì sao ở gần phải thay đổi vị trí của chúng trên bầu trời so với những vì sao ở xa. Tương tự như vậy, chúng ta cũng phải thấy các vật thể ở gần chuyển động so với khung cảnh ở xa nếu như chúng ta di chuyển. Thử tưởng tượng các bạn đi tàu, cây cối và những thứ ở gần cửa số tàu chuyển động rất nhanh và thay đổi vị trí so với khung cảnh đồi núi phía xa. Và với tư duy cũng như kinh nghiệm hết sức thực tế ấy, các nhà thiên văn cổ đại không thể chấp nhận ý tưởng trái đất đang chuyển động quanh Mặt Trời.
Hiện tượng cảnh vật dường như thay đổi vị trí khi người quan sát di chuyển được gọi là hiệu ứng thị sai (parallax). Chúng ta gọi sự thay đổi vị trí biểu kiến của các vì sao do Trái Đất di chuyển là hiện tượng stellar parallax, tạm dịch là Thị sao bầu trời. Người Hy Lạp dành rất nhiều tâm sức để quan sát hiện tượng thị sai bầu trời này, thậm chí họ còn nhờ những người lính Hy Lạp có thị lực tốt nhất giúp đỡ, nhưng vô ích. Các vì sao càng sáng (và vì thế được cho là ở gần hơn) dương như không thay đổi vị trí khi người Hy Lạp quan sát chúng vào mùa xuân (khi Trái Đất nằm bên này Mặt Trời), rồi quan sát lại vào mùa thu (khi Trái Đất nằm ở phía bên kia Mặt Trời).
Điều này khiến họ kết luận một trong hai trường hợp, hoặc Trái Đất không hề di chuyển, hoặc các vì sao phải ở cách rất xa đến nỗi hiện tượng thị sai trở nên quá nhỏ không thể nhận ra. Một vũ trụ rộng lớn tới như vậy là nằm ngoài sức tưởng tượng của các hiền triết Hy Lạp cổ đại, cho nên họ tin chắc rằng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ. Và niềm tin ấy thống trị tư tưởng phương tây tận 2000 năm.
Eratosthenes đo kích thước Trái Đất
Người Hy Lạp không chỉ biết rằng Trái Đất hình tròn, mà còn có thể đo kích thước Trái Đất. Đáp án khá chính xác đầu tiên về đường kính trái đất thuộc về Erastosthenes (276-194 TCN), một người Hy Lạp sống tại Alexandria, Ai Cập. Ông đo bằng phương pháp hình học, dựa vào các quan sát Mặt Trời.
Mặt Trời cách xa chúng ta đến nỗi tia sáng của nó chiếu tới chúng ta như những đường thẳng song song. Để hiểu điều đó nghĩa là gì, hãy xem hình dưới. Giả sử ta có một nguồn sáng A nằm gần Trái Đất, thì tia sáng của nguồn A sẽ chiếu vào Trái Đất theo các đường rẽ, hội tụ ở điểm A. Tiến xa hơn tới nguồn sáng B, hoặc nguồn C thì góc hợp bởi các tia sáng chiếu vào hai phần đối diện của Trái Đất nhỏ dần lại. Cứ thế ta đẩy nguồn sáng ra xa dần, càng xa thì góc chiếu càng nhỏ, và ở khoảng cách vô cực thì các tia sáng gần như song song nhau.
Tất nhiên, Mặt Trời không phải cách xa vô cực, nhưng khoảng cách của nó tới chúng ta, 150 triệu km, đủ xa để các tia sáng chiếu vào trái đất gần như theo các đường thẳng song song. Mắt thường không thể quan sát thấy góc phân tách của nguồn sáng này. Hay lấy một ví dụ minh họa khác, nếu tất cả mọi người trên mặt đất đều chỉ ngón tay về phía Mặt Trời, thì các ngón tay của họ gần như nằm song song với nhau.
Chuyện kể rằng vào ngày lập hạ (ngày đầu tiên của mùa hè) tại Syene, Ai Cập (gần Aswan ngày nay), ánh sáng mặt trời vào lúc giữa trưa sẽ chiếu thẳng vào đáy giếng (Học tiếng Anh: cách mô tả một ngày bằng tiếng Anh). Điều này tức là Mặt Trời nằm ngay trên đỉnh đầu người quan sát, hay nói cách khác, Syene nằm trên đường thẳng nối từ tâm Trái Đất đến Mặt Trời. Cũng vào thời điểm giữa trưa, đúng ngày lập hạ, nhưng tại Alexandria, Eratosthenes quan sát thấy cây cột đổ bóng trên mặt đất, như thế nghĩa là Mặt Trời không nằm chính giữa đỉnh đầu, mà hơi lệch về phía nam. Và tia sáng của nó mới tạo thành một góc tương đương 1/50 đường tròn (7 độ). Rõ ràng các tia sáng Mặt Trời chiếu xuống hai thành phố song song với nhau, vậy tại sao chúng lại không cùng tạo ra một góc giống nhau trên mặt đất? Eratosthenes lý luận rằng lý do khiến cho tia sáng Mặt Trời không “thẳng đứng” giống nhau ở hai thành phố là vì độ cong của bề mặt Trái Đất. Khi thực hiện đo góc tại Alexandria, ông nhận ra rằng mình có thể tính toán được kích thước của Trái Đất. Như nói ở trên, ánh Mặt Trời vào giữa trưa chiếu xuống một cây cột đặt tại Alexandria sẽ đổ bóng một góc tương đương 1/50 đường tròn, vậy thì khoảng cách từ Alexandria tới Syene sẽ bằng 1/50 chu vi của Trái Đất. Alaxandria cách Syene 5000 stadia về phía bắc, vậy nên chu vi của Trái Đất sẽ là 50 x 5000 = 250.000 stadia.
Từ stadia là đơn vị đo của Hy Lạp cổ đại, và rắc rối là ngày nay người ta vẫn chưa thống nhất được đơn vị này tương đương bao nhiêu mét của chúng ta. Theo một cách lý giải thì 1 stadia bằng ~ 1/6km, nếu thế thì đáp án của Eratosthenes sẽ là 40,000km, sai số chỉ 1% so với chu vi chính xác của Trái Đất. Bất kể 1 stadia dài ngắn thế nào thì phương pháp đo chu vi của ông cũng rất tuyệt vời và chính xác, minh chứng cho sức mạnh trí tuệ vô song của con người trong lịch sử.
Bài viết được tổng hợp và biên dịch bởi nhóm dịch thuật Lightway. Nhóm chuyên nhận dịch thuật tóm tắt luận án, luận văn tiến sĩ với giá rẻ nhất, chỉ 27.000/trang.
Hipparchus và sự tiến động (Precession)
Có lẽ Hipparchus là nhà thiên văn vĩ đại nhất của Hy Lạp cổ đại. Ông sinh tại Nicaea, ở nơi ngày nay là Thổ Nhĩ Kỳ. Ông dựng đài chiêm tinh trên đào Rhodes khoảng năm 150 TCN, khi mà Cộng Hòa La Mã đang bành trướng thế lực trên toàn vùng Địa Trung Hải. Ở đó ông đã đo đạc chính xác hết mức có thể vị trí của các thiên thể, và biên soạn một tập star catalog với hơn 850 đầu mục. Ông định tọa độ cho từng ngôi sao, xác định vị trí của chúng trên bầu trời, theo cách mà chúng ta dùng xác định một điểm trên Trái Đất hiện nay, dùng kinh độ và vĩ độ.
Ông cũng phân chia các vì sao theo độ sáng biểu kiến của chúng. Ông gọi những ngôi sao sáng nhất là sao có độ sáng cấp một, tiếp theo là sao có độ sáng cấp hai, và cứ thế. Hệ thống phân loại theo cảm tính này của ông đến nay vẫn còn sử dụng tới ngày nay, được điều chỉnh để chính xác hơn (Tuy đối với các nhà thiên văn chuyên nghiệp thì nó ngày càng ít quan trọng.)
Bằng cách quan sát và so sánh dữ liệu các vì sao với những quan sát của tiền nhân, Hippachus đã có một trong những khám phát nổi bật nhất: vị trí của sao bắc cực đã thay đổi so với 150 năm trước đó. Hipparchus kết luận chính xác rằng điều này đúng với mọi thời: hướng xoay chuyển của bầu trời thay đổi tuy chậm nhưng tiệm tiến. Trong bài trước, Dịch thuật Lightway đã giới thiệu với các bạn về bầu trời xoay vòng và đường xích đạo của thiên cầu, trong đó ta biết rằng cực bắc của thiên cầu nằm trên một đường thẳng với cực bắc của Trái Đất. Nếu cực bắc của thiên cầu xoay chuyển thì là vì chính Trái Đất đã xoay chuyển. Ngày nay, ta đã khám phá ra rằng hướng của trục Trái Đất thay đổi một cách tiệm tiến, hiện tượng này được gọi là sự tiến động (precession). Nếu có chơi cù và nhìn nó xoay chuyển thì bạn sẽ hiểu sự tiến động nghĩa là gì. Con cù khi xoay tròn thường không đứng yên mà lắc lư qua lại, nhất là lúc lúc tốc độ xoay của nó giảm xuống. Đầu con cù khi lắc lư sẽ vạch ra một đường tròn. Trục Trái Đất cục lắc lư kiểu vậy, rất chậm, thay đổi rất nhỏ, nhưng từ từ, và qua một thời gian dài thì hướng của trục Trái Đất sẽ thay đổi.
Hiện tượng tiến động xảy ra là do Trái Đất không tròn một cách lý tưởng, mà lồi lõm, và hơi phình ra ở chỗ đường xích đạo. Tác động trọng lực của Mặt Trời và Mặt Trăng đã khiến Trái Đất lắc lư. Mất khoảng 26,000 năm để trục Trái Đất tiến động hết một đường tròn. Và hệ quả là, cứ sau một khoảng thời gian đủ dài thì hướng của trục Trái Đất chỉ lên bầu trời sẽ thay đổi đủ để ta nhận ra, như Hipparchus đã nhận ra. Ngày nay, sao Bắc Cực nằm gần nhất với cực của thiên cầu (đến năm 2100 thì sẽ gần như trùng với bắc cực của thiên cầu), nhưng sau 14,000 năm nữa thì vị trí bắc cực sẽ là sao Vega trong chòm Lyra.
Mô hình hệ Mặt Trời của Ptolemy
Nhà thiên văn vĩ đại cuối cùng của nền thiên văn Hy La cổ đại là Claudius Ptolemy (Ptolemaeus trong tiếng La Tinh), sinh tại Alexandria vào khoảng năm 140. Ông biên soạn một tuyển tập tri thức thiên văn còn truyền lại đến chúng ta ngày nay với nhan đề Almagest (Nghĩa là “Những điều vĩ đại nhất”). Cuốn Almagest không chỉ biên soạn những công trình của Ptolemy, mà còn tổng hợp các thành tựu của thời trước ông, chủ yếu là của Hipparchus. Ngày nay, đây là nguồn tư liệu chính của chúng ta về công trình của Hipparchus và các nhà thiên văn của của Hy Lạp cổ đại.
Đóng góp quan trọng nhất của Ptolemy đó là mô hình hệ Mặt Trời có khả năng dự đoán vị trí của các hành tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Hipparchus, tuy không có đủ dữ liệu trong tay để tự mình giải quyết vấn đề, đã tập hợp tất cả tư liệu quan sát được cho hậu thế sử dụng. Ptolemy bổ sung vào nguồn tư liệu này các quan sát mới, và kiến thiết mô hình vũ trụ được tin dùng trong hơn một ngàn năm, cho tới tận thời Copernicus.
Yếu tố phức tạp trong cách giải thích chuyển động các hành tinh đó là sự di chuyển của chúng mà mắt người nhìn thấy trên bầu trời là do sự kết hợp chuyển động của chính chúng với sự xoay tròn của Trái Đất. Đứng trên mặt đất quan sát các hành tinh cũng giống như quan sát một cuộc đua ngựa mà bản thân bạn cũng là một tay đua. Đôi lúc, ngựa của đối thủ vượt qua bạn, nhưng có lúc bạn vượt qua họ, và khi băng qua họ bạn thấy họ chuyển động lùi lại phía sau.
Thông thường thì, các hành tinh di chuyển từ tây sang đông trên bầu trời qua nhiều tuần hoặc nhiều tháng tùy theo quỹ đạo xoay quanh Mặt Trời của chúng, nhưng tại vị trí B đến vị trí D như trong hình trên, khi Trái Đất vượt qua các hành tinh, thì ta thấy chúng di chuyển giật lùi, từ đông sang tây. Dù trên thực tế chúng vẫn di chuyền từ tây sang động, nhưng vì Trái Đất đi nhanh hơn nên vượt qua chúng, bỏ chúng lại phía sau. Và vì Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo của mình đến vị trí E, chúng ta lại thấy các hành tinh hcuyển động từ tây sang đông bình thường trở lại. Hiện tượng các hành tinh chuyển động từ đông sang tây khi Trái Đất đi vào khoảng giữa chúng và Mặt Trời được gọi là retrograde motion (nghịch hành). Ngày nay chúng ta đã hiểu rõ nguyên nhân của sự nghịch hành này, vì chúng ta biết Trái Đất cũng là một hành tinh xoay quanh Mặt Trời chứ không phải trung tâm của vũ trụ. Nhưng vấn đề này lại vô cùng phức tạp với Ptolemy khi ông muốn giải thích sự chuyển động nghịch hành ấy, mà trong đầu luôn quan niệm rằng trái đất đứng yên.
Hơn thế nữa, vì người Hy Lạp tin rằng các chuyển động trên bầu trời nhất định phải là đường tròn, nên Ptolemy đã kiến tạo mô hình của riêng mình, và sử dụng toàn những đường tròn. Và để có thể giải thích chuyển động của các thiên thể, ông cần vẽ ra rất nhiều đường tròn, đường tròn này xoay quanh đường tròn kia, và cứ thế tạo thành một cấu trúc vô cùng rối rắm. Nhưng xin đừng lấy kiến thức thiên văn hiện đại để dèm pha tài năng của Ptolemy. Vào thời của ông, quan niệm Trái Đất là trung tâm của vũ trụ là rất hợp lý, và toàn mỹ. Tuy nhiên, như vua Alfonso X xứ Castile đã bình phẩm khi quan sát mô hình các hành tinh của Ptolemy: “Nếu Đấng Toàn Năng hỏi ý kiến của ta trước khi tạo dựng, có lẽ ta sẽ đề xuất phương án khác đơn giản hơn.”
