Đơn vị thiên văn
Đơn vị ngoài hệ, được phép dùng · đại lượng: chiều dài
Hai nghìn năm các nhà thiên văn biết hình dạng của Hệ Mặt Trời mà không biết kích thước của nó. Kepler rút ra định luật thứ ba vào năm 1619: bình phương chu kỳ tỉ lệ như lập phương bán trục lớn. Từ quan sát suy ra ngay rằng Mộc Tinh xa Mặt Trời gấp 5,2 lần Trái Đất. Gấp bao nhiêu lần thì biết. Chừng ấy là bao nhiêu dặm thì không. Tấm bản đồ đã được vạch ra mà không có thước tỉ lệ.
Thước tỉ lệ ấy hóa ra là khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời. Không thể đo thẳng: tới gần Mặt Trời thì không được, mà góc giữa hai mép của nó lại không đủ. Bởi vậy suốt ba thế kỷ người ta đo không phải Mặt Trời mà các láng giềng: Hỏa Tinh, rồi Kim Tinh, rồi tiếng vọng của một xung vô tuyến. Lần nào cũng ra cùng một đại lượng, chính xác hơn một bậc.
Năm 2012 việc đo đạc chấm dứt. Hiệp hội Thiên văn Quốc tế tuyên bố đơn vị thiên văn là một số mét chính xác và khép lại câu chuyện: 149 597 870 700, không có độ bất định. Lý do không nằm ở độ chính xác, mà ở chỗ định nghĩa cũ đã tự nó bắt đầu trôi đi.
01 · Định nghĩa
Đơn vị thiên văn đúng bằng 149 597 870 700 mét. Con số ấy gần với khoảng cách trung bình từ Trái Đất tới Mặt Trời, nhưng định nghĩa không còn nhắc tới Trái Đất, cũng chẳng nhắc tới Mặt Trời. Đơn vị này giờ chỉ là một con số.
Trước năm 2012 định nghĩa là một thứ khác, và tinh ranh hơn nhiều. Đơn vị thiên văn được đặt qua hằng số hấp dẫn Gauss: đó là khoảng cách mà ở đấy một vật thử có khối lượng không đáng kể đi hết một vòng quanh Mặt Trời trong 365,2568983 ngày. Đại lượng này không đo bằng thước, nó được rút ra từ chuyển động của các hành tinh.
Định nghĩa ấy có hai chỗ hỏng. Thứ nhất: nó treo vào khối lượng Mặt Trời, mà Mặt Trời thì đang mất khối lượng — chừng 10¹⁷ ki-lô-gam mỗi năm ra đi dưới dạng bức xạ và gió Mặt Trời. Đơn vị thiên văn vì thế lớn lên chầm chậm, vài xăng-ti-mét mỗi thế kỷ. Thứ hai: đó là định nghĩa kiểu Newton, và trong cách xử lý tương đối tính, đơn vị lại ra khác nhau ở các hệ quy chiếu khác nhau.
Nghị quyết B2 dẹp cả hai nỗi phiền ấy bằng một nước đi: ấn định một con số. Au không còn là đại lượng đo được nữa, mà là thừa số chuyển đổi giữa mét và một thang tiện cho các nhà thiên văn. Hằng số hấp dẫn của Mặt Trời từ đó được công bố riêng, như một đại lượng đo được.
Một thang lôgarit từ Thủy Tinh tới mép vành Kuiper. Con trượt đặt dấu ở khoảng cách bất kỳ, còn phiếu thì tính ra ánh sáng mất bao lâu, thông lượng từ Mặt Trời tới đó còn bao nhiêu, và một thiên thể không khí quyển sẽ có nhiệt độ nào.
Trong nửa năm Trái Đất dịch đi hai đơn vị thiên văn, và một ngôi sao ở gần vẽ trên nền các sao xa một hình bầu dục tí xíu. Khoảng cách mà từ đó bán kính quỹ đạo Trái Đất trông vừa bằng một giây cung được gọi là parsec — đó là 206 265 au. Ở ngôi sao gần nhất góc ấy chỉ có 0,77 giây, và không ngôi sao nào có thị sai trọn một giây.
02 · Quy đổi
Nhập một khoảng cách, phiếu sẽ đưa nó qua các thang
Tiền tố không dùng với đơn vị thiên văn: chẳng có ki-lô-đơn-vị thiên văn nào cả. Bên trong Hệ Mặt Trời người ta đếm bằng au và ki-lô-mét, ra ngoài thì chuyển sang parsec, còn với các con tàu liên hành tinh thì khoảng cách được cho bằng số giây tín hiệu đi — như thế tiện hơn cho người dưới đất.
Họ thứ ba trong bảng nói về tín hiệu. Một lệnh vô tuyến tới con tàu trong cùng thời gian như ánh sáng, còn hồi đáp thì mất gấp đôi để quay về. Từ đó mà có quy tắc: tàu thăm dò càng xa thì càng ít được lái bằng tay.
Năm 1961 đơn vị thiên văn lần đầu được đo bằng ra-đa: một xung đi tới Kim Tinh và tiếng vọng trở về sau vài phút. Khoảng cách ra thẳng từ thời gian tín hiệu đi, chẳng cần hình học nào, cũng chẳng cần giả thiết gì về khối lượng. Độ chính xác nhảy lên ba bậc trong một lần, và cùng với nó là cả thước đo của hệ.
| Ghi chú | |||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Bậc độ lớn
từ bán kính Trái Đất đến tâm Ngân Hà04 · Dụng cụ đo
Thước đo của hệ được đo bằng gì
Năm 1672 Cassini ở Paris và Richer ở Cayenne cùng lúc đo vị trí của Hỏa Tinh trên nền sao. Hiệu của hai góc, với đường đáy 7000 ki-lô-mét, cho khoảng cách trung thực đầu tiên tới Mặt Trời: chừng 140 triệu ki-lô-mét, chỉ thiếu 7 %.
Halley nghĩ ra mẹo ấy năm 1716: khi Kim Tinh đi qua đĩa Mặt Trời, những người quan sát ở các vĩ độ khác nhau thấy nó đi theo những dây cung khác nhau. Hiệu thời gian của lần đi qua cho ra thị sai. Hai lần đi qua năm 1761 và 1769 đã đưa hàng chục đoàn khảo sát ra khắp thế giới — Lomonosov nhìn từ Petersburg và nhân đó nhận ra khí quyển của Kim Tinh.
Xung đi tới Kim Tinh và trở về sau hơn năm phút. Khoảng cách theo thẳng từ thời gian và tốc độ ánh sáng: không hình học, không giả thiết về khối lượng. Những phiên đầu tiên năm 1961 cho ngay đơn vị này với sai số vài trăm ki-lô-mét.
Độ chính xác hôm nay đến từ các con tàu liên hành tinh. Ăng-ten dưới đất bắt lấy độ dịch tần của tín hiệu, và từ đó biết vận tốc của tàu tới từng phần nhỏ của mi-li-mét mỗi giây. Từ hàng nghìn phép đo như vậy người ta dựng nên lịch thiên văn, và cũng từ nguồn ấy mà có hằng số hấp dẫn của Mặt Trời.
05 · Quy tắc viết
au chữ thường, không chấm và không tiền tố
Từ năm 2012 ký hiệu chuẩn là au chữ thường, không chấm. Các lối cũ AU, a.u. và ua không dùng trong văn bản mới, tuy vẫn gặp trong bài báo cũ. Tiền tố SI không áp cho đơn vị này: khoảng cách hàng nghìn au phải viết đủ.
Còn một chỗ tinh tế nữa là cách nói «khoảng cách trung bình tới Mặt Trời». Không được nói thế: bán trục lớn của quỹ đạo Trái Đất là 1,00000102 au, và chênh một trăm năm mươi ki-lô-mét thì trong tính toán chính xác là có sức nặng. Đơn vị thiên văn gần với khoảng cách ấy, nhưng theo định nghĩa thì không bằng nó.
06 · Các đơn vị lân cận
Ba đơn vị khoảng cách đứng trong thiên văn như một bậc thang: au cho Hệ Mặt Trời, parsec cho các sao, năm ánh sáng cho sách phổ thông. Trong bài báo khoa học hầu như không có năm ánh sáng — ở đó đâu đâu cũng là parsec.
1,496·10¹¹ m
63 241 au
206 265 au
Parsec tiện chính ở chỗ ấy: khoảng cách ra được bằng cách lấy đơn vị chia cho góc đã đo. Nhà thiên văn không đổi gì hết — đọc thẳng kết quả quan sát. Proxima có thị sai 0,7687 giây, vậy nó cách 1,301 parsec, tức 268 400 đơn vị thiên văn.
07 · Phần lịch sử
Người ta đã tìm thước đo ra sao
Aristarchus chờ đúng lúc Mặt Trăng sáng vừa một nửa, rồi đo góc giữa nó và Mặt Trời. Mẹo ấy là đúng: từ góc suy ra tỉ số các khoảng cách. Chỉ có điều ông nhận được 87° thay vì 89,85° thật, và Mặt Trời hóa ra chỉ xa hơn Mặt Trăng 19 lần — gần hơn thực tế gần hai mươi lần.
Richer đi Guyane, Cassini ở lại Paris, và cả hai xác định vị trí Hỏa Tinh trong một và cùng một đêm. Đường đáy bảy nghìn ki-lô-mét cho ra thị sai, và từ đó là 140 triệu ki-lô-mét tới Mặt Trời. Lần đầu tiên kích thước của hệ được biết với sai số vài phần trăm.
Cho hai lần Kim Tinh đi qua, hơn một trăm đoàn khảo sát đã được trang bị: Cook giong buồm đi Tahiti, Le Gentil bỏ ra mười một năm trên đường mà cả hai lần đều chẳng thấy gì vì mây. Kết quả được gom về 153 triệu ki-lô-mét — thừa 2 %.
Ra-đa chiếu lên Kim Tinh khép lại chuyện độ chính xác: từ đó khoảng cách được lấy từ thời gian tín hiệu đi. Nửa thế kỷ sau mới rõ rằng chính định nghĩa mới là chỗ vướng, và Hiệp hội ấn định cho đơn vị này một số mét chính xác. Chẳng còn gì để đo nữa.
Một đơn vị người ta thôi không đo nữa
Ba trăm năm đơn vị thiên văn là đại lượng đo được chủ chốt của thiên văn. Mọi thứ treo vào độ chính xác của nó: khoảng cách tới các hành tinh, khối lượng, độ sáng của sao, kích thước Ngân Hà. Mỗi lần làm chính xác thêm là sách tra cứu lại phải viết lại toàn bộ.
Năm 2012 người ta đưa nó ra khỏi các đại lượng đo được. Lý do là trung thực: một đại lượng định nghĩa qua khối lượng Mặt Trời thì buộc phải đổi, bởi Mặt Trời cháy sáng và gầy đi. Một đơn vị chiều dài thì không được thở. Bởi vậy Hiệp hội làm với au đúng điều trước kia đã làm với mét: ấn định một con số rồi khép chuyện lại.
Phần đo được không vì thế mà biến mất, nó chỉ dọn nhà. Giờ người ta đo hằng số hấp dẫn của Mặt Trời và bán trục lớn của quỹ đạo Trái Đất — 1,00000102 au. Khoảng cách tới Mặt Trời vẫn được làm chính xác thêm mỗi năm; chỉ có điều kết quả không còn viết trong định nghĩa của đơn vị, mà viết bên cạnh nó.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng và những đại lượng ngoài hệ mà cả khoa học lẫn đời sống thường ngày đều không thể thiếu. Mỗi đơn vị có trang riêng: định nghĩa, quy đổi, dụng cụ, quy tắc viết, lịch sử. Bằng 36 thứ tiếng.