Bên trái một ngôi sao đang sáng, và từ nó từng làn sóng màu lần lượt lan ra — hồng, xanh ngọc, tím —, mỗi làn có độ trễ riêng, nên các vòng tròn không bao giờ trùng nhau. Phía trên, hai tinh vân âm ỉ cháy, chậm rãi đổi hình, và xung quanh các ngôi sao nhấp nháy với chu kỳ được chọn không có ước chung. Trên thang chia phía dưới, một dấu xanh ngọc chạy từ ngôi sao tới đúng vạch một năm ánh sáng, nơi một vạch hồng đang đợi: đó chính là phép đo — quãng đường ánh sáng đi trong một năm, đặt lên cây thước. Các chữ cái ở giữa giống nhau trong mọi ngôn ngữ; tên theo từng ngôn ngữ ghi dưới tấm hình.
Đơn vị ngoài SI · thiên văn học · độ dài
Năm ánh sáng, ly
Cây thước mà ánh sáng khắc vạch
Đơn vị độ dài · quãng đường ánh sáng đi trong chân không trong một năm Julius · 9 460 730 472 580 800 m
Từ này không do các nhà thiên văn nghĩ ra mà do những người phổ biến khoa học, và giới chuyên môn lúc đầu còn nhăn mặt: họ thấy thật vô lý khi đo khoảng cách bằng thời gian, lại còn bằng năm, thứ mà mỗi loại lịch tính một kiểu. Vậy mà sự dễ hình dung đã thắng, bởi câu «ánh sáng mất bốn năm để tới ngôi sao gần nhất» thì ai từng đợi thư cũng hiểu, còn một con số tính bằng triệu triệu kilômét chẳng nói gì với trí tưởng tượng.
Cái lợi của đơn vị này là cùng với khoảng cách, nó còn cho biết tuổi của hình ảnh. Nhìn sao Proxima, ta thấy nó như cách đây bốn năm và một phần tư, còn nhìn tinh vân Tiên Nữ — ta thấy nó như khi trên Trái Đất chưa có lấy một người thuộc loài người hiện đại. Theo nghĩa này, kính thiên văn không hẳn là kính lúp mà là một cỗ máy cho thấy quá khứ, và nó cho thấy các vùng trời khác nhau ở những thời đại khác nhau cùng một lúc.
Giá trị chính xác của đơn vị không đến từ phép đo mà từ hai quy ước: tốc độ ánh sáng trong chân không được ấn định là một số mét trên giây chính xác, còn năm dùng cho việc này là năm Julius, đúng ba mươi mốt triệu năm trăm năm mươi bảy nghìn sáu trăm giây. Nhân cái này với cái kia, bạn sẽ có độ dài năm ánh sáng tới chữ số cuối cùng, không có chút bất định nào. Sự bất định chỉ xuất hiện sau đó, khi người ta áp cây thước này vào bầu trời thật.
Ký hiệu quốc tế là hai chữ Latinh thường ly, không dấu chấm và không khoảng trắng ở giữa; tiếng Việt viết «năm ánh sáng», nhưng trong bảng và chú thích biểu đồ người ta dùng chính ly, vì như thế ai ở nước nào cũng đọc được. Bội số được tạo bằng các tiền tố thông thường: kly, Mly, Gly — nghìn, triệu và tỷ năm ánh sáng.
Năm ánh sáng là khoảng cách, và việc có chữ «năm» trong tên không thay đổi điều đó: nói «chúng tôi đã bay suốt mười hai năm ánh sáng» cũng vô lý như nói «chúng tôi đã đi bộ suốt mười hai kilômét một giờ». Cũng không nên nhầm nó với parsec, dài hơn ba năm ánh sáng và một phần tư một chút, hay với năm như một khoảng thời gian: định nghĩa dùng năm Julius dài đúng ba trăm sáu mươi lăm ngày và một phần tư, không phải năm chí tuyến hay năm lịch.
01 · Định nghĩa
quãng đường ánh sáng đi trong một năm · tuổi của hình ảnh · thời gian du hành của một con tàuNăm ánh sáng là quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong một năm Julius, tức là trong ba trăm sáu mươi lăm ngày và một phần tư, mỗi ngày tám mươi sáu nghìn bốn trăm giây. Định nghĩa chứa hai đại lượng, cả hai đều được ấn định chính xác, nên tích của chúng cũng chính xác: ở đây không có mẫu chuẩn, không có phép đo, không có hiệu chỉnh — chỉ có phép nhân hai con số được chấp nhận theo quy ước.
Cụm «trong chân không» trong định nghĩa không phải để trang trí. Trong không khí, trong thủy tinh và trong khí giữa các vì sao, ánh sáng đi chậm hơn, và nếu định nghĩa đơn vị bằng một tia sáng thật thì độ dài của nó sẽ phụ thuộc vào việc tia sáng đi qua vùng trời nào. Chân không thiên văn gần như hoàn hảo, nhưng hiệu chỉnh do vật chất vẫn còn đáng kể với sóng vô tuyến, vì thế định nghĩa ghi rõ chính tốc độ trong chân không.
Chi tiết thứ hai là lấy năm nào. Năm chí tuyến ngắn hơn năm Julius chừng mười một phút, năm lịch thỉnh thoảng lại đổi độ dài, còn năm thiên văn thì dài hơn; rốt cuộc chênh lệch ở mức phần triệu, điều không hề nhỏ với thiên văn học. Hiệp hội Thiên văn Quốc tế chọn năm Julius chính vì tính cố định của nó: nó không gắn với sự tự quay của Trái Đất cũng không gắn với vòng quay quanh Mặt Trời, nên không thay đổi theo thời gian.
Cuối cùng, đại lượng này có một tính chất mà cả mét lẫn parsec đều không có: nó cho biết ngay ta đã đến muộn bao lâu. Khoảng cách tính bằng năm ánh sáng chính là tuổi của hình ảnh, và mỗi tấm bản đồ bầu trời hóa ra là bản đồ của nhiều thời đại khác nhau được khâu lại thành một hình. Giới chuyên môn chịu đựng đơn vị này vì chính tính chất ấy, dù trong bài báo họ ưa parsec hơn: parsec được suy ra trực tiếp từ một góc đo được chứ không từ thời gian.
Ta thấy ai và tới được ai
Ở nửa trên của cảnh, một thiên thể đang sáng và từ nó một làn sóng tiến về phía ta: chừng nào sóng còn trên đường, ta không thấy ngôi sao mà thấy quá khứ của nó, và dòng chú thích cạnh thị kính cho biết năm ánh sáng khởi hành. Thanh trượt khoảng cách dời thiên thể từ rìa Hệ Mặt Trời tới các thiên hà lân cận, và thời đại ta quan sát cũng đổi theo. Ở nửa dưới, một con tàu bay tới cùng thiên thể ấy và mang hai chiếc đồng hồ: chiếc tím ở lại Trái Đất, chiếc hồng chạy trên tàu. Thanh trượt thứ hai tăng tốc con tàu, và nó càng gần tốc độ ánh sáng thì số chỉ của hai đồng hồ càng tách xa — cho tới khi quãng đường mà nhìn từ Trái Đất mất nhiều thế kỷ co lại chỉ còn vài năm với phi hành đoàn. Hãy để ý rằng với bất kỳ cách chỉnh nào, con tàu cũng không vượt được ánh sáng: dấu hồng luôn ở sau dấu xanh ngọc.
02 · Quy đổi
khoảng cách · ánh sáng trên đường · bay gần tốc độ ánh sángMột khoảng cách, sáu hình thái
Thẻ đầu tiên quy đổi khoảng cách bạn nhập sang các đơn vị khác — từ parsec và đơn vị thiên văn tới ngày ánh sáng và kilômét thông thường. Thẻ thứ hai cho biết ánh sáng của những thời đại nào đến với ta từ các thiên thể quen thuộc. Thẻ thứ ba tính một chuyến bay: ở các tốc độ khác nhau thì mất bao nhiêu năm theo đồng hồ Trái Đất và bao nhiêu năm theo đồng hồ con tàu.
Quy tắc dễ nhớ: một parsec hơn ba năm ánh sáng một chút, một năm ánh sáng hơn sáu mươi ba nghìn đơn vị thiên văn một chút, và ánh sáng Mặt Trời tới ta mất hơn tám phút.
Bản thân đơn vị thì chính xác, nhưng các khoảng cách biểu thị bằng nó còn lâu mới luôn chính xác: tới các ngôi sao lân cận ta biết chúng tới phần nhỏ của phần trăm, tới các sao siêu khổng lồ sáng thì sai lệch hàng chục phần trăm, còn với các thiên hà xa, khoảng cách còn tùy vào mô hình giãn nở được chọn. Con số năm ánh sáng trong sách tra cứu hầu như luôn mang theo một độ bất định mà các chú thích phổ thông bỏ qua.
| Đại lượng | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Dụng cụ đo
đo xa bằng laser · vệ tinh đo sao · sao Cepheid · siêu tân tinhChiếc thang mà mỗi bậc đứng trên bậc trước
Trường hợp duy nhất cây thước trung thực
Người ta vẫn bắn xung laser vào các gương phản xạ góc để lại trên Mặt Trăng và bắt các photon quay về, cứ vài phát mới có một hạt trở lại. Khoảng cách suy ra trực tiếp từ thời gian bay, tức là đo đúng nghĩa đen bằng giây ánh sáng, và độ chính xác đạt tới centimét. Phương pháp này dùng được trong Hệ Mặt Trời — xa hơn không còn ai đặt gương phản xạ, và cây thước nhường chỗ cho một chuỗi phương pháp gián tiếp.
Đung đưa thay cho cây thước
Các ngôi sao gần nhất được đo bằng hình học: trong nửa năm, người quan sát cùng Trái Đất dịch đi gấp đôi khoảng cách tới Mặt Trời, và ngôi sao gần lệch đi đôi chút so với các sao xa. Góc lệch ấy chỉ là một phần của giây cung, và nghịch đảo của nó cho ngay khoảng cách tính bằng parsec, sau đó đổi sang năm ánh sáng. Một vệ tinh đo sao hiện đại đã đo theo cách này hơn một tỷ ngôi sao, đẩy chân trời của phương pháp trực tiếp ra tới vài nghìn năm ánh sáng.
Ngôi sao tự khai độ sáng của mình
Các sao biến quang Cepheid co giãn nhịp nhàng, và chu kỳ co giãn gắn chặt với độ trưng thật của chúng: biết chu kỳ nhờ đồng hồ bấm giờ, nhà thiên văn biết ngôi sao thực sự sáng tới đâu, và so với việc nó trông mờ ra sao thì có được khoảng cách. Chính bằng cách này, vào thập niên 1920, người ta phát hiện tinh vân Tiên Nữ nằm xa ngoài Ngân Hà, và kích thước thế giới lớn lên gấp nhiều lần chỉ sau một đêm.
Nơi năm ánh sáng thôi tiện dụng
Ở khoảng cách lớn, người ta dùng các vụ nổ siêu tân tinh thuộc một loại nhất định, có độ trưng gần như nhau, cùng độ dịch đỏ của các vạch quang phổ. Nhưng ở đây đơn vị bắt đầu gặp rắc rối: trong lúc ánh sáng đi, không gian giãn nở, và «khoảng cách» tách thành nhiều đại lượng khác nhau — ánh sáng đã bay bao lâu, và thiên thể bây giờ cách bao xa. Vì thế vũ trụ học thích nói về độ dịch đỏ hơn, và để năm ánh sáng lại cho các chú thích phổ thông.
05 · Quy tắc viết
ly không dấu chấm · tiền tố bội số · đây là độ dàiTên có chữ năm, bản chất là mét
Hầu như mọi lỗi với đơn vị này đều xuất phát từ tên gọi của nó: chữ «năm» kéo theo thời gian, và trong văn bản len vào những lối nói đo khoảng cách bằng giờ, đo tốc độ bằng kilômét.
Cách viết thứ nhất đặt một khoảng thời gian vào chỗ của khoảng cách nên vô nghĩa, giống như «mười hai kilôgam đường». Cách thứ hai và thứ tư sai hình thức của ký hiệu: hai chữ thường, không dấu chấm và không khoảng trắng. Cách thứ ba dùng năm lịch thay cho năm Julius và vì thế làm đổi giá trị đơn vị ở chữ số thứ sáu. Cách thứ năm lẫn khoảng cách với tuổi: ánh sáng đi bốn năm, còn ngôi sao đã tồn tại hàng tỷ năm. Cách thứ sáu chính là lỗi gốc mà mọi lỗi khác mọc ra từ đó, và tiếc là vẫn gặp ngay cả trong chú thích của những hình minh họa khá nghiêm túc.
06 · Các đơn vị lân cận
parsec · đơn vị thiên văn · giây ánh sángBa đơn vị kề nhau chia nhau cùng một dải khoảng cách, và khác nhau ở chỗ thước đo lấy từ đâu: với parsec là một góc, với đơn vị thiên văn là quỹ đạo Trái Đất, với năm ánh sáng và giây ánh sáng là thời gian đi đường.
Đơn vị của các bài báo chuyên môn: nó được suy ra trực tiếp từ một góc đo được chứ không từ thời gian, nên không cần đưa vào một quy ước bên ngoài về độ dài của năm.
Thước đo việc nội bộ của Hệ Mặt Trời: khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời, được ấn định là một số mét chính xác. Ra ngoài quỹ đạo Sao Hải Vương thì dùng nó đã bất tiện.
Cô em cùng họ, tiện cho liên lạc: ánh sáng tới Mặt Trăng mất một giây và một phần tư, và trò chuyện với nơi đó không thể thiếu những quãng ngắt rõ rệt.
Trong các hộ chiếu Simetrium, đứng cạnh là parsec, và nền tảng của cả hai đơn vị là cùng một tốc độ ánh sáng, thứ cũng dùng để đo thời gian truyền tín hiệu trong các đường liên lạc trên mặt đất.
07 · Phần lịch sử
lưu trữ · 1676 → 1838 → 1851 → 1984Sự trễ của ánh sáng đã thành cây thước như thế nào
{title}
{text}
Chiều cao các cột cho thấy mỗi thời đại có thể vươn tới khoảng cách bao xa bằng phép đo hình học trực tiếp, và dấu trắng đi hết quãng đường ấy. Hãy để ý rằng mỗi bước nhảy gắn không với một lý thuyết mới mà với một dụng cụ mới: trước là máy đo nhật tâm, rồi kính ảnh, rồi vệ tinh đưa ra ngoài khí quyển.
Một đơn vị chính xác cho những khoảng cách không chính xác
Điều lạ ở đơn vị này là bản thân nó được biết chính xác tuyệt đối, còn mọi thứ đo bằng nó chỉ được biết gần đúng. Độ chính xác đến miễn phí: tốc độ ánh sáng thôi được đo từ lúc mét được định nghĩa qua nó, và năm Julius được quy ước là đúng ba mươi mốt triệu rưỡi giây, mà tích của hai số chính xác thì chỉ có thể là một số chính xác thứ ba.
Sự bất định xuất hiện ở bước kế tiếp, khi cây thước được áp lên bầu trời. Khoảng cách tới những ngôi sao gần nhất được biết tới phần trăm của phần trăm, nhưng với các sao siêu khổng lồ sáng như Betelgeuse, độ phân tán của các ước lượng đã lên tới hàng chục phần trăm, vì bề mặt của những ngôi sao như thế tự nó đã nhòe và thị sai phải được lọc ra từ một hình ảnh run rẩy. Ở khoảng cách thiên hà, một chuỗi phương pháp gián tiếp vào cuộc, và mỗi bậc của nó lại cộng thêm độ bất định riêng vào phần thừa hưởng từ bậc trước.
Từ đó có quy tắc ứng xử tốt: con số năm ánh sáng nên đi kèm độ bất định và phương pháp dùng để có nó, vì «hai nghìn rưỡi năm ánh sáng» từ thị sai và cùng con số ấy từ độ dịch đỏ là những đại lượng khác bản chất. Đơn vị chẳng có lỗi gì ở đây: nó đúng như đã định nghĩa, và mọi bất định không đến từ cây thước mà từ thứ được đo bằng nó.
Danh mục đại lượng
thiên văn học và khoảng cáchĐơn vị cơ bản của SI
làm nổi bật mét và giây — năm ánh sáng được ghép từ hai thứ nàyTa nhìn về đâu và thấy gì
năm ánh sáng khởi hành tính ngược từ năm hiện tại| Thiên thể | Khoảng cách | Theo parsec | Ánh sáng trên đường | Ánh sáng khởi hành | Khi ấy điều gì đang diễn ra |
|---|---|---|---|---|---|
| {name} | {ly} | {pc} | {wait} | {when} | {era} |
Cột cuối là lý lẽ chính ủng hộ đơn vị này: nó biến khoảng cách thành ngày tháng, và nhờ vậy khiến việc quan sát giống như đọc những lá thư gửi từ các thế kỷ khác nhau. Tuy vậy cần nhớ rằng với các thiên thể xa, những ngày tháng ấy chỉ là quy ước: trong lúc ánh sáng đi, không gian đã kịp giãn ra, và «nó bay bao nhiêu năm» không còn trùng với «thiên thể bây giờ cách bao xa».