ngominhquynh

Vật chất thật sự nhỏ bé

Virus cúm là một con virus đẹp điển hình. Nó chỉ là một đoạn ARN bọc trong một chút protein, đo bề ngang chừng 120 nano mét (nm), và nó to hơn khoảng 1000 lần so với một nguyên tử.

Các nguyên tử là những đơn vị cơ bản của vật chất. Chúng giống như những viên gạch xây dựng mà mọi thứ đều được cấu thành, từ những ngôi sao cho đến sắt thép và từ oxygen cho đến những con bò. Chúng thật nhỏ bé. Nhưng còn nhỏ bé hơn cả nguyên tử là các proton, neutron và electron tạo nên chúng. Một nguyên tử hydrogen to hơn 100.000 lần so với một proton nằm tại chính giữa của nó! Đó cũng là sự chênh lệch kích thước giữa bạn và một trong những tế bào của bạn. Vì thế, các proton thật nhỏ bé, và các electron và neutron cũng vậy.

Nhưng còn đầu kia của thang quy mô thì sao?

Vật chất nhỏ bé

Cơ thể của chúng ta cấu tạo từ những tế bào, và so với chúng ta thì chúng thật nhỏ bé. Tế bào người trung bình khoảng chừng 10-15 micromet (µm), nghĩa là chúng ta to hơn các tế bào của mình 100.000 lần. Nếu các tế bào của cơ thể bạn có kích cỡ bằng một đồng xu 5 cent (Australia), thì bạn sẽ cao tới 2 km.

Không phải mọi tế bào đều nhỏ bé. Tế bào trứng người khoảng chừng 130 µm, nghĩa là rộng hơn một sợi tóc người (100 µm) và rộng hơn 30 lần so với đầu của con t.inh tr.ùng khỏe mạnh nhất. Các tế bào thần kinh trong dây thần kinh hông của bạn dài khoảng 1 mét – chúng chạy liền mạch từ xương sống của bạn xuống đến bàn chân.

Vi khuẩn cũng là những tế bào, nhưng chúng có kích cỡ chỉ bằng một phần mười các tế bào của chúng ta. Và virus lại còn nhỏ hơn nữa – chúng khoảng bằng một phần trăm kích thước tế bào của chúng ta.

Cho nên, chúng ta to hơn 100.000 lần so với những tế bào của mình, to hơn một triệu lần so với vi khuẩn, và to hơn 10 triệu lần so với một con virus trung bình trong cơ thể bạn!

Nếu một con virus có kích cỡ của một đồng 5 cent, thì một con vi khuẩn sẽ bằng một cái đĩa trên bàn ăn, và bạn sẽ cao đến 200 km!

Virus thật nhỏ bé so với mọi sinh vật sống khác, nhưng chúng là khổng lồ so với các nguyên tử và phân tử.

Vi mô và vĩ mô

Để trở thành người, toàn bộ sự tiến hóa cần thiết cho tổ tiên của chúng ta là khả năng chạy nhanh hơn hoặc khôn ngoan hơn bất cứ thứ gì có thể giết chết họ trước khi họ sản sinh ra thế hệ baby tiếp theo. Lấy thí dụ loài voi ma mút, chúng không còn có mặt trên hành tinh chúng ta vì chúng không đáp ứng danh sách gồm kĩ năng cao cần thiết.

Nhờ có đồng tiền, hay cái chúng ta có thể mua với nó, đa số chúng ta có thể hình dung ra những thứ xung quanh với kích thước tương đối một nghìn, một trăm nghìn, và một triệu. Nhưng một khi chúng ta vượt qua ngưỡng vài triệu, thì mọi thứ bắt đầu khó hình dung hơn. Điều tương tự cũng đúng đối với vật chất nhỏ bé – chúng ta biết virus và vi khuẩn là nhỏ, và các nguyên tử còn nhỏ hơn nữa, nhưng nhỏ đến mức nào thì khó mà hiểu thấu đáo cũng như cán cân ngân hàng Rupert Murdoch vậy.

Nhưng có một cách đơn giản để hình dung một cái gì đó to lớn hay nhỏ bé đến mức nào: bạn chỉ việc so sánh kích thước của nó với kích thước của những vật mà chúng ta đã quen thuộc, thí dụ như bản thân chúng ta.

Trên quy mô của những cái nhỏ nhất đến những cái lớn nhất, chúng ta có thể thấy ở trong hệ mặt trời, chúng ta nằm ở khoảng kích cỡ hết sức trung bình. Hay như Danny DeVito đã làm – với chiều cao 1,5 mét, ông to hơn một nguyên tử 10 tỉ lần và nhỏ hơn đường kính của mặt trời một tỉ lần.


Các vi khuẩn khoảng bằng một phần kích thước tế bào của chúng ta, nhưng chúng to hơn virus 10 lần. (Ảnh: CDC/ Dr. Ray Butler)

Khám phá ra các thiên hà

Khi Einstein nói về vũ trụ hay vạn vật vào năm 1917, quan điểm của ông về nó rất khác với quan điểm hiện đại. Ngoài các vì sao và hành tinh ra, các kính thiên văn còn hé lộ rằng vũ trụ gồm một số vật thể mờ nhạt gọi là các tinh vân xoắn ốc. Ngày nay, chúng ta biết chúng là những thiên hà chứa nhiều triệu hay nhiều tỉ ngôi sao, nhưng khi đó chúng vẫn là những vật kì dị chờ được khám phá.

Năm 1914, nhà thiên văn học người Mĩ Vesto Slipher (1875–1969) đang quan sát các tinh vân xoắn ốc tại Đài thiên văn Lowell ở Flagstaff, Arizona. Kính thiên văn của ông được trang bị một quang phổ kế, cho phép ông phân tích ánh sáng sao để nhận dạng các thành phần trong những ngôi sao. Là một vật thể rất nóng, ngôi sao phát ra một quang phổ liên tục giống như quang phổ đã đưa Max Planck đến khám phá lượng tử. Tuy nhiên, những lớp bên ngoài của ngôi sao chứa chất khí nguội hơn những vùng phát ra đa phần ánh sáng. Những chất khí nguội hơn này hấp thụ những bước sóng ánh sáng đó nên bản thân chúng sẽ phát ra quang phổ vạch. Điều đó tạo ra một quang phổ hấp thụ, các vạch tối trên nền sáng, giống như phim âm bản của phổ phát xạ của chất khí. Từ quang phổ hấp thụ đó, Slipher có thể xác định ra các nguyên tố hóa học có mặt trong những lớp ngoài cùng của những ngôi sao đó.

Khi ông so sánh phổ vạch của các tinh vân xoắn ốc với phổ của các nguyên tố đã biết, ông tìm thấy một sự khác biệt bất ngờ. Khoảng cách của các vạch phổ phù hợp với phổ của các nguyên tố trông đợi, nhưng các vạch bị dịch về những bước sóng hơi khác. Phổ của tinh vân lớn nhất là Andromeda (tinh vân Tiên Nữ), ngày nay chúng ta biết đây là thiên hà gần nhất với Dải Ngân hà của chúng ta, hơi bị dịch về phía đầu xanh. Đa phần những quang phổ khác thì dịch về đầu đỏ.

Slipher nhận ra rằng sự dịch chuyển là do hiệu ứng Doppler, hiện tượng quen thuộc với đa số mọi người, xảy ra với âm thanh. Khi xe cứu thương lao đến và vút qua một người với tiếng còi báo động, thì độ cao của tiếng còi giảm đi. Độ cao tương ứng với bước sóng hay tần số của sóng âm truyền đến tai của người nghe. Các đoàn sóng nén lại với nhau khi chiếc xe đang tiến lại gần, mang lại độ cao lớn hơn. Khi chiếc xe chạy ra xa, các đoàn sóng trải rộng ra, và độ cao giảm đi.

Slipher nhận ra rằng sự dịch về phía xanh trong quang phổ của tinh vân Andromeda có nghĩa là nó đang chuyển động nhanh theo hướng của chúng ta, trong khi sự dịch về đầu đỏ cho thấy những tinh vân khác đang chuyển động ra xa, cũng ở tốc độ rất cao. Khi Arthur Eddington nghe nói về những kết quả của Slipher, ông nhận ra rằng những vật thể ấy có khả năng nằm cách Trái đất những khoảng cách khổng lồ và đề xuất rằng chúng là những thiên hà, những hệ sao khổng lồ. Điều đó ngụ ý rằng vũ trụ lớn hơn nhiều so với trước đấy người ta xem xét. Hầu như toàn bộ những ngọn đèn trên bầu trời đêm của chúng ta là những ngôi sao trong thiên hà của chúng ta, một trong nhiều thiên hà của một vũ trụ mênh mông.



Victor Hess sau chuyến bay khí cầu năm 1912 của ông, trong chuyến bay đó ông đã phát hiện ra tia vũ trụ đến từ không gian. (Ảnh: Đài thiên văn Pierre Auger, National Geographic)

Tia vũ trụ

Nhà khoa học người Áo Victor Hess (1883–1964) thì khám phá vũ trụ theo một cách khác trong thập niên 1910. Ông dựa trên đề xuất của Theodore Wulf thực hiện những phép đo trên cao của các hạt dường như đang tuôn chảy qua bầu khí quyển của Trái đất từ phía trên. Mười lần vào năm 1911 và 1912, ông đã tự đưa mình và các máy dò bức xạ vào các khí cầu mang ông lên những cao độ trên 16.400 feet (5.000 m) trên mực nước biển.

Đây là công việc khá liều lĩnh, nhưng các thiết bị đòi hỏi có con người điều khiển, cho nên ông đã xông pha. Ở trên 3.300 feet (1.000 m), ông đã phát hiện ra sự tăng đáng kể bức xạ so với tại mặt đất. Càng lên cao, ông nhận thấy càng có nhiều bức xạ. Ở 16.400 feet (5.000 m), ông phát hiện bức xạ cao gấp ba đến năm lần so với tại mực nước biển.

Hess kết luận rằng các dòng bức xạ mạnh, tia vũ trụ, đổ xuống Trái đất từ không gian bên ngoài. Việc nhận dạng ra bức xạ này sẽ mất nhiều năm, nhưng cuối cùng nó sẽ đưa đến những quan niệm mới nổi bật về thế giới hạ nguyên tử. Hess nhận giải Nobel Vật lí năm 1936

Mãi đến thế kỉ 20 thì các nhà thiên văn mới biết được rằng Ngân hà chỉ là một trong rất nhiều thiên hà trên bầu trời. Kết luận này đến sau vài ba bước phát triển: tiến hành các quan sát “tinh vân xoắn ốc” ở xa cho thấy tốc độ của chúng đang lùi ra xa nhanh hơn vận tốc thoát của thiên hà của chúng ta (Vesto Slipher, 1912); các quan sát rằng một “sao mới” trong thiên hà Tiên Nữ mờ nhạt hơn thiên hà của chúng ta (Herber Curtis, 1917); và nổi tiếng nhất, các quan sát thiên hà của Edwin Hubble cho thấy chúng thật sự ở rất xa Trái đất (thập niên 1920).

Ảnh chụp Hubble trong vùng ánh sáng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại. Ảnh: NASA, ESA, H. Teplitz và M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Đại học Arizona), và Z. Levay (STScI)

Thật ra, số lượng thiên hà nhiều hơn con số chúng ta có thể tưởng tượng ra cách đây một thế kỉ trước. Sử dụng Kính thiên văn vũ trụ Hubble, các nhà thiên văn tuần tự nhau khai thác đài thiên văn hùng mạnh này để quan trắc từng mảng nhỏ xíu của bầu trời.

Hubble đã cung cấp một số ảnh chụp “trường sâu” của các thiên hà ở xa hàng tỉ năm ánh sáng. Thật khó ước tính có bao nhiêu thiên hà “ở ngoài kia”, nhưng các ước tính có vẻ cho biết có ít nhất 100 tỉ thiên hà. Con số đó sẽ khiến các nhà thiên văn học bận rộn suốt.

Cảnh quan tuyệt đẹp của thiên hà của chúng ta. Nếu có những nền văn minh ngoài hành tinh ở ngoài kia, thì liệu chúng ta có thể tìm thấy họ không? Ảnh: ESO/S. Guisard

Một quan sát quan trọng từ sớm, như sách vở ghi chép, là từ nhà thiên văn học lỗi lạc Galileo Galilei. (Ông nổi tiếng với việc khám phá bốn vệ tinh của Mộc tinh – Io, Europa, Callisto và Ganymede – ông nhìn thấy chúng qua kính thiên văn.) Trong tác phẩm Sidereus Nuncius hồi năm 1610, Galileo phát biểu rằng các quan sát của ông cho thấy Ngân hà không phải là một dải đồng đều, mà có những gói nhất định chứa mật độ sao dày đặc hơn.

Nhưng bản chất đích thực của thiên hà còn né tránh chúng ta một thời gian nữa. Những quan sát sớm khác xảy ra sau đó: các ngôi sao đó là một bộ phận của Hệ Mặt trời của chúng ta (Thomas Wainwright, 1750 – một khẳng định sau này được chứng minh là sai lầm) và các ngôi sao ở bên này Ngân hà dày đặc hơn phía bên kia (William và John Herschel, cuối thế kỉ 18).

Từ trường của Ngân hà do vệ tinh Planck của ESA lập. Ảnh: ESA

Tên gọi của thiên hà của chúng ta thật ra bắt nguồn bởi diện mạo như dòng sữa khi nó vắt qua bầu trời đêm. Trong khi việc lần theo các cánh tay của thiên hà là một thách thức khi nhìn từ những trung tâm đô thị ô nhiễm ánh sáng hiện nay của chúng ta, nhưng nếu bạn chịu khó đi về vùng sâu vùng xa thì Ngân hà thật sự bắt đầu chiếm ngự cả bầu trời. Người La Mã xưa gọi thiên hà của chúng ta là Via Lactea, theo nghĩa đen là “Con đường Sữa”.

Và theo trang web Ảnh đẹp Thiên văn Mỗi ngày, thì từ nguyên Hi Lạp cho “galaxy” (thiên hà) cũng có xuất xứ từ “milk” (sữa). Khó nói được rằng đó có phải do trùng hợp ngẫu nhiên không, bởi vì nguồn gốc của tên gọi Milky Way lẫn từ nguyên Hi Lạp cho thiên hà đều bị mất dấu tích từ lâu hồi thời tiền sử, mặc dù một số nguồn thông tin nói rằng tên gọi có nguồn gốc từ diện mạo của Ngân hà.

Mất hàng nghìn năm trời chúng ta mới hiểu được bản chất của cái chúng ta đang nhìn ngắm. Trở lại thời Aristotle, theo Thư viện Quốc hội Mĩ, Ngân hà được tin là nơi “tại đó các thiên cầu tiếp xúc với các địa cầu”. Không có kính thiên văn, thật khó nói gì nhiều hơn thế, nhưng điều đó đã bắt đầu thay đổi vào đầu thế kỉ 17.

Vì sao thiên hà của chúng ta có tên gọi Milky Way?


Chúng ta có rất nhiều tên gọi không chính thức cho các cảnh quan vũ trụ. Thỉnh thoảng chúng được đặt tên theo hình dạng mà ta nhìn thấy, ví dụ Tinh vân Đầu Ngựa. Thỉnh thoảng chúng có tên được “vay mượn” từ chòm sao của chúng, ví dụ Thiên hà Tiên Nữ (Andromeda). Nhưng còn thiên hà của chúng ta, tức Ngân hà (Milky Way), thì sao? Vì sao dải sao vắt ngang bầu trời đêm Trái đất này lại có tên dính dáng tới thức uống?

Hình minh họa cấu trúc của Ngân hà. Ảnh: NASA

Trước tiên, hãy nói một chút về Ngân hà. Các nhà thiên văn học tin rằng nó là một thiên hà xoắn ốc có sọc – một thiên hà với hình dạng xoắn ốc có một hàng thẳng sao băng qua chính giữa nó, như bạn có thể thấy trong bức ảnh trên. Nếu bạn bay qua Ngân hà ở tốc độ ánh sáng, thì bạn sẽ mất khoảng 100.000 năm.

Ngân hà là một bộ phận của một tập hợp thiên hà gọi là Nhóm Địa phương. Chúng ta đang trên hành trình va chạm với thành viên lớn nhất và đồ sộ nhất của tập hợp đó, tức thiên hà Tiên Nữ (còn gọi là M31). Ngân hà là thiên hà lớn thứ hai, và Thiên hà Triangulum (M33) lớn thứ ba. Được biết, nhóm này có chừng 30 thành viên.

Để hình dung kích cỡ khổng lồ của nó, bạn nên vui khi nghe nói rằng Trái đất không nằm ở đâu đó gần tâm Ngân hà và lỗ đen siêu khối cực kì bạo lực của nó. NASA cho biết chúng ta ở cách lỗ đen đó chừng 165 triệu tỉ dặm, nó nằm ở hướng của chòm sao Nhân Mã (Sagittarius).

NGUYỆT THỰC

Khi sự che khuất của Mặt trăng xảy ra, thì Mặt trời, Trái đất và Mặt trăng phải sắp thẳng hàng lúc trăng tròn. Nguyệt thực xảy ra khi Mặt trăng đi vào vùng bóng của Trái đất. Chúng có thể được nhìn thấy từ bất kì nơi nào có Mặt trăng mọc lên trước lúc bị che khuất.


COLUMBUS LỢI DỤNG NGUYỆT THỰC

Trong quá khứ, nhật thực bị xem là điềm xấu hoặc khiến người ta sợ hãi. Vào năm 1504, nhà thám hiểm người Tây Ban Nha Christopher Columbus cùng đoàn thủy thủ của ông mắc cạn ở Jamaica. Ông biết rằng sẽ xảy ra sự che khuất hoàn toàn của Mặt trăng vào ngày 29 tháng 2 và đã sử dụng điều này để dọa những người Arawak bản địa. Ông nói rằng Mặt trăng đã bị lấy mất và sẽ được trả lại nếu như họ chịu giúp ông. Trò lùa đó đã có tác dụng, và sau đó Columbus cùng đoàn thủy thủ của ông đã được giải cứu.

NHẬT THỰC

Nhật thực xuất hiện khi Mặt trăng đi qua phía trước Mặt trời và đổ bóng lên một phần bề mặt Trái đất. Sự che khuất hoàn toàn của Mặt trời chỉ xảy ra trong một khu vực hẹp, do cái bóng của Mặt trăng khi đổ lên Trái đất là nhỏ.Người quan sát đứng bên ngoài khu vực toàn phần này chỉ trông thấy nhật thực một phần.

MẶT TRĂNG BỊ CHE KHUẤT

Nguyệt thực chỉ xảy ra lúc trăng tròn. Trong một kì nguyệt thực toàn phần, Trái đất từ từ di chuyển giữa Mặt trăng và Mặt trời. Cái bóng của Trái đất quét qua bề mặt chị Hằng. Ngay cả khi nguyệt thực toàn phần, Mặt trăng vẫn hơi mờ mờ ánh sáng đỏ, đó là ánh sáng mặt trời đi tới Mặt trăng sau khi bị bẻ cong và tán xạ qua lớp rìa khí quyển của Trái đất. Thời gian nguyệt thực toàn phần có thể kéo dài đến 1 giờ 47 phút.

Nhật thực và nguyệt thực :p

Trong hiện tượng thiên nhiên ngoạn mục này, Mặt trăng chặn mất ánh sáng của Mặt trời. Thỉnh thoảng, bản thân Mặt trăng bị che khuất, mang lại một màu đồng bí ẩn. Mặt trăng, Mặt trời và Trái đất không sắp thẳng hàng để tạo ra nhật nguyệt thực hàng tháng. Ít nhất có hai kì nhật thực xảy ra trong một năm, tuy nhiên đa phần là nhật thực một phần. Có thể đến bảy lần nhật thực và nguyệt thực cùng rơi vào một năm. Cảnh nhật thực lặp lại với chu kì 6585,32 ngày (khoảng 18 năm).

Trái đất

Thành phần và cấu trúc

Khí quyển

Khí quyển Trái đất gồm khoảng 78% nitrogen, 21% oxygen, cùng với các vi lượng nước, argon, carbon dioxide và các chất khí khác. Không ở đâu khác trong hệ mặt trời người ta có thể tìm thấy một bầu khí quyển có chứa oxygen tự do, cái hết sức thiết yếu cho một trong những đặc điểm độc nhất vô nhị của Trái đất – tức là có loài người.

Không khí bao xung quanh Trái đất và càng ra xa mặt đất thì càng loãng. Cách mặt đất khoảng 160 km, không khí mỏng đến mức các vệ tinh có thể lướt vèo vèo mà chịu rất ít cản trở. Tuy nhiên, vết tích của khí quyển có thể tìm thấy ở cách mặt đất tới 600 km.

Lớp thấp nhất của khí quyển được gọi là tầng đối lưu, lớp này luôn chuyển động, gây ra thời tiết. Ánh sáng mặt trời làm nóng bề mặt hành tinh, làm không khí ấm bốc lên cao. Không khí này cuối cùng dãn nở và nguội đi khi áp suất không khí giảm, và vì phần không khí lạnh này đặc hơn xung quanh nó, nên nó chìm xuống, rồi chỉ ấm lên trở lại do nhiệt từ mặt đất.

Phía trên tầng đối lưu, cách mặt đất khoảng 48 km, là tầng bình lưu. Không khí tĩnh lặng của tầng bình lưu chứa lớp ozone, nó được tạo ra khi ánh sáng tử ngoại làm cho các bộ ba nguyên tử oxygen kết hợp lại thành các phân tử ozone. Ozone chặn phần lớn bức xạ tử ngoại nguy hiểm của mặt trời không đi tới mặt đất.

Hơi nước, carbon dioxide và các chất khí khác trong khí quyển bắt giữ nhiệt từ mặt trời đến, làm Trái đất ấm lên. Không có cái gọi là “hiệu ứng nhà kính” này, Trái đất có khả năng sẽ quá lạnh để sự sống tồn tại, mặc dù một hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát dẫn tới những điều kiện thời tiết như địa ngục mà người ta thấy trên Kim tinh.

Các vệ tinh quay xung quanh Trái đất đã chứng minh rằng lớp khí quyển phía trên thật sự dãn nở vào ban ngày và co lại vào ban đêm do sự nóng lên và nguội đi.

Từ trường

Từ trường Trái đất được tạo ra bởi những dòng điện chảy trong nhân ngoài của Trái đất. Hai cực từ luôn luôn di chuyển, với Cực Nam từ hiện đang dịch chuyển về hướng bắc mỗi năm 40 km, có khả năng ra khỏi Bắc Mĩ và đi tới Siberia trong vài ba thập niên tới.

Từ trường Trái đất cũng đang biến đổi theo những cách khác – trên toàn cầu, từ trường đã yếu đi 10% kể từ thế kỉ 19, theo NASA. Những biến đổi này chẳng là gì so với những biến đổi của từ trường Trái đất trong quá khứ – thỉnh thoảng từ trường đảo cực hoàn toàn, với cực bắc và cực nam đổi chỗ cho nhau.

Khi các hạt tích điện từ mặt trời đến bị bắt giữ trong từ trường Trái đất, chúng va chạm với các phân tử không khí phía trên hai cực từ, làm cho chúng phát sáng, một hiện tượng được gọi là cực quang, hay còn gọi là ánh sáng phương bắc và ánh sáng phương nam.



Ánh sáng phương bắc có tên gọi chính thức là cực quang, và được tạo ra bởi các tương tác giữa gió mặt trời và từ trường Trái đất. Ảnh: Space.com

Thành phần hóa học

Oxygen là nguyên tố dồi dào nhất trong đá thuộc vỏ Trái đất, chiếm khoảng 47% trọng lượng đá. Nguyên tố dồi dào thứ hai là silicon, chiếm 27%, sau đó là nhôm 8%, sắt 5%, calcium 4%, và sodium, potassium, và magnesium, mỗi nguyên tố chừng 2%.

Nhân Trái đất gồm chủ yếu sắt và nickel và có khả năng còn có những lượng ít hơn của các nguyên tố nhẹ như lưu huỳnh và oxygen. Lớp bao cấu tạo bởi sắt và đá silicate giàu magnesium. (Hợp chất của silicon và oxygen được gọi là silica, và các khoáng chất chứa silica được gọi là khoáng chất silicate.)

Cấu trúc bên trong

Nhân Trái đất có đường kính khoảng 7100 km, hơi lớn hơn một nửa đường kính Trái đất và chừng bằng kích cỡ Hỏa tinh. Lớp 2250 km ngoài cùng của nhân ở dạng lỏng, còn nhân trong – to bằng bốn phần năm kích cỡ mặt trăng, đường kính chừng 2600 km – ở dạng rắn.

Phía trên nhân là lớp bao của Trái đất, dày khoảng 2900 km. Lớp bao không hoàn toàn rắn, mà có thể chảy từ từ. Vỏ Trái đất trôi nổi trên lớp bao giống như gỗ nổi trên nước, và chuyển động chậm của đá trong lớp bao làm các lục địa trôi giạt và gây ra động đất, núi lửa, và hình thành núi.

Phía trên lớp bao, Trái đất có hai loại vỏ. Đất liền khô ráo của các lục địa gồm chủ yếu là granite và các khoáng chất silicate nhẹ khác, còn thềm đại dương được cấu tạo chủ yếu bởi một loại đá núi lửa màu tối, đặc gọi là đá basalt. Lớp vỏ lục địa dày trung bình khoảng 40 km, mặc dù nó có thể mỏng hơn hoặc dày hơn ở một số nơi. Lớp vỏ đại dương thường chỉ dày khoảng 8 km. Nước chảy trong những vùng thấp của lớp vỏ basalt tạo ra các đại dương của thế giới. Trái đất có vừa đủ lượng nước để chứa đầy hoàn toàn các bồn đại dương, và phần còn lại của nó phân tán trên các bờ rìa lục địa, những khu vực được gọi là thềm lục địa.

Trái đất ấm dần về phía nhân của nó. Tại đáy của lớp vỏ lục địa, nhiệt độ đạt tới khoảng 1000 độ C, tăng khoảng 1 độ C/km bên dưới lớp vỏ. Các nhà địa chất cho rằng nhiệt độ của nhân ngoài của Trái đất là khoảng 3700 đến 4300 độ C, và nhân trong có thể đạt tới 7000 độ C, nóng hơn cả bề mặt mặt trời. Chỉ có áp suất cực lớn tại nhân trong siêu nóng mới giữ cho nó ở dạng rắn.

Những khảo sát hành tinh ngoại (hành tinh ngoài hệ mặt trời) trong thời gian gần đây, ví dụ sứ mệnh Kepler của NASA, cho biết các hành tinh cỡ Trái đất là phổ biến trong Dải Ngân hà. Gần một phần tư các ngôi sao giống mặt trời mà vệ tinh Kepler quan sát có khả năng có chứa các hành tinh ở được cỡ Trái đất.

Mặt trăng

Mặt trăng của Trái đất to cỡ 3474 km, khoảng bằng một phần tư đường kính của Trái đất. trái đất có một mặt trăng, còn Thủy tinh và Kim tinh không có mặt trăng và tất cả các hành tinh còn lại trong hệ mặt trời đều có hai hoặc nhiều mặt trăng.

Lời giải thích được nhiều người chấp nhận hiện nay cho sự hình thành mặt trăng là một vụ va chạm khủng khiếp đã làm văng các thành phần thô cho mặt trăng từ Trái đất nguyên thủy đang còn nóng chảy và đưa vào quỹ đạo. Các nhà khoa học đề xuất rằng vật va chạm đó chừng bằng 10% khối lượng Trái đất, tức khoảng bằng kích cỡ Hỏa tinh.

Tổng quan về các loài

Trái đất là hành tinh duy nhất trong vũ trụ được biết có sự sống. Có vài triệu loài sinh vật sống đã biết, từ đáy đại dương sâu thẳm nhất cho đến vài dặm phía trên mặt đất, và các nhà khoa học cho rằng còn nhiều loài chưa được khám phá hết. Các nhà khoa học ước lượng có từ 5 đến 100 triệu loài trên Trái đất, nhưng khoa học chỉ mới nhận dạng khoảng 2 triệu loài trong số chúng.

Trái đất là vật thể duy nhất trong hệ mặt trời được biết có dung dưỡng sự sống, mặc dù các nhà học nghi ngờ rằng những ứng cử viên khác – ví dụ vệ tinh Titan của Thổ tinh hoặc vệ tinh Europa của Mộc tinh – có khả năng có chứa các sinh vật sống nguyên thủy. Các nhà khoa học chưa xác định được chính xác làm thế nào sự sống phức tạp tiến hóa nhanh trên Trái đất từ những tổ tiên nguyên thủy hơn. Một giải thích cho rằng sự sống ban đầu tiến hóa trên láng giềng Hỏa tinh, nơi từng là một hành tinh ở được, sau đó được chuyển sang Trái đất bởi những thiên thạch đến từ Hành tinh Đỏ.

Trái đất

Trái đất, quê hương của loài người, là hành tinh thứ ba tính từ mặt trời ra. Nó là hành tinh duy nhất được biết có một bầu khí quyển chứa oxygen tự do, các đại dương nước lỏng trên bề mặt, và, tất nhiên, là hành tinh có sự sống.

Trái đất là hành tinh lớn thứ năm trong hệ mặt trời – nhỏ hơn bốn hành tinh khí khổng lồ, (Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh) nhưng lớn hơn ba hành tinh đá còn lại (Thủy tinh, Hỏa tinh, và Kim tinh).

Trái đất có đường kính khoảng 13.000 km, và tròn trịa vì lực hấp dẫn hút vật chất thành một quả cầu, mặc dù nó không hoàn toàn tròn trịa, mà thay vậy nó có dạng “phỏng cầu dẹt” có chuyển động quay tròn làm cho nó bị nén lại ở hai cực và phình ra tại xích đạo.

Khoảng 71% bề mặt Trái đất được bao phủ bởi nước, phần lớn là trong các đại dương. Khoảng một phần năm bầu khí quyển Trái đất là oxygen, do cây xanh tạo ra. Trong khi các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu hành tinh của chúng ta trong hàng thế kỉ, nhưng phần nhiều tiến bộ có được là trong những thập niên gần đây với việc nghiên cứu các ảnh chụp của Trái đất từ vũ trụ.


Ảnh: NASA

Các đặc trưng quỹ đạo

Trái đất tự quay xung quanh một đường thẳng tưởng tượng gọi là trục quay chạy từ Cực Bắc xuống Cực Nam, đồng thời quay xung quanh mặt trời. Trái đất quay quanh trục của nó mỗi vòng mất 23,934 giờ và mỗi vòng quanh mặt trời mất chừng 365,26 ngày.

Trục quay của Trái đất nghiêng so với mặt phẳng hoàng đạo, một bề mặt tưởng tượng đi chứa quỹ đạo của Trái đất xung quanh mặt trời. Điều này có nghĩa là các bán cầu bắc và nam thỉnh thoảng sẽ hướng về phía hoặc hướng ra xa mặt trời tùy thuộc vào thời điểm trong năm, làm biến thiên lượng ánh sáng mà chúng nhận được và gây ra các mùa.

Quỹ đạo của Trái đất không hoàn toàn tròn, mà có dạng oval, giống như quỹ đạo của tất cả những hành tinh khác. Trái đất hơi gần mặt trời hơn vào đầu tháng giêng và ở xa mặt trời nhất vào tháng bảy, mặc dù sự biến thiên này có ít ảnh hưởng hơn nhiều so với sự ấm và lạnh gây ra bởi trục nghiêng của Trái đất. Trái đất may mắn nằm trong cái gọi là “vùng Goldilocks” xung quanh ngôi sao của nó, nơi nhiệt độ vừa đủ thích hợp để duy trì nước lỏng trên bề mặt của nó.

Quỹ đạo và chuyển động quay


Một số thống kê về Trái đất, theo NASA:
Khoảng cách trung bình đến mặt trời: 149.598.262 km
Điểm cận nhật (gần mặt trời nhất): 147.098.291 km
Điểm viễn nhật (xa mặt trời nhất): 152.098.233 km
Độ dài ngày mặt trời (một vòng quay quanh trục): 23,934 giờ
Độ dài năm (một vòng quay quanh mặt trời): 365,26 ngày
Độ nghiêng quỹ đạo: 23,4393 độ

Sự hình thành và tiến hóa của Trái đất

Các nhà khoa học nghĩ rằng Trái đất đã được hình thành cùng lúc với mặt trời và các hành tinh khác, cách nay khoảng 4,6 tỉ năm về trước, khi hệ mặt trời kết tụ từ một đám mây khí và bụi khổng lồ, đang quay tít mù gọi là tinh vân mặt trời. Khi tinh vân mặt trời suy sụp do lực hấp dẫn, nó quay càng nhanh hơn và dẹt thành một cái đĩa. Phần lớn vật chất bị hút về phía tâm để tạo thành mặt trời.

Những hạt vật chất khác bên trong đĩa bồi tụ va chạm và dính vào nhau tạo ra những vật thể ngày càng lớn, trong đó có Trái đất. Gió mặt trời thổi từ mặt trời mạnh đến mức nó quét sạch phần lớn các nguyên tố nhẹ, ví dụ hydrogen và helium, ra khỏi các hành tinh phía trong, để lại Trái đất và anh chị em của nó thành những hành tinh đá, cỡ nhỏ.

Các nhà khoa học nghĩ rằng Trái đất lúc ra đời là một khối đá không có nước. Vật chất phóng xạ có trong đá và áp suất tăng dần ở sâu bên trong Trái đất tạo ra đủ nhiệt để làm tan chảy phần lõi của Tráid đất, làm cho một số hóa chất dâng lên bề mặt và tạo ra nước, còn những chất khác thì trở thành các chất khí của khí quyển. Bằng chứng mới đây cho thấy lớp vỏ Trái đất và các đại dương có thể đã được hình thành trong khoảng thời gian 200 triệu năm sau khi hành tinh định hình.

Lịch sử Trái đất phân chia thành bốn đại – theo thứ tự là Hadean, Archean, Proterozoic và Phanerozoic. Ba đại đầu tiên, kéo dài tổng cộng gần 4 tỉ năm, được gọi là là đại Tiền Cambri. Bằng chứng cho sự sống đã được tìm thấy trong đại Archaean hồi khoảng 3,8 tỉ năm trước, nhưng sự sống chưa thật sự phong phú cho đến đại Phanerozoic.

Đại Phanerozoic chia thành ba kỉ – theo thứ tự là Paleozoic, Mesozoic, và Cenozoic. Kỉ Paleozoic đã chứng kiến sự phát triển của nhiều loại động vật và thực vật trong biển và trên đất liền, Kỉ Mesozoic là thời đại khủng long, và Kỉ Cenozoic mà chúng ta đang sống là thời đại của muông thú.

Phần lớn hóa thạch tìm thấy trong đá đá Kỉ Paleozoic là động vật không xương sống, ví dụ san hô, thân mềm và bọ ba thùy. Cá được tìm thấy sớm nhất khoảng 450 triệu năm trước, còn lưỡng cư thì khoảng 380 triệu năm trước. Cách nay 300 triệu năm, những cánh rừng và đầm lầy quy mô lớn bao phủ đất liền, và những hóa thạch sớm nhất của loài bò sát cũng được tìm thấy trong thời kì này.

Kỉ Mesozoic đã chứng kiến sự thịnh trị của khủng long, mặc dù loài thú cũng đã có tài liệu hóa thạch cách nay khoảng 200 triệu năm. Trong thời kì này, thực vật có hoa trở nên lấn át giới thực vật và tiếp tục như thế cho đến ngày nay.

Kỉ Cenozoic bắt đầu hồi khoảng 65 triệu năm trước với sự diệt vong của khủng long, cái nhiều nhà khoa học cho rằng là do một vụ va chạm thiên thạch. Những loài thú sống sót trở thành chủ nhân mới thống lĩnh đất liền Trái đất ngày nay.

Lực nâng con ếch – Vâng, chúng tôi nói lực nâng con ếch

Sự siêu dẫn là một trong những hiện tượng kì lạ mà một mình vật lí cổ điển không thể nào giải thích trọn vẹn. Một số chất liệu, khi làm lạnh đến nhiệt độ gần không độ tuyệt đối, thì đạt tới điện trở bằng không. Do đó, một dòng điện có thể tồn tại vĩnh viễn.

Các nhà khoa học sử dụng các chất liệu siêu dẫn trong những cỗ máy va chạm hạt như LHC, nhưng bạn chẳng việc gì phải đến châu Âu để tận mắt nhìn những thủ thuật thú vị đối với chúng. Dòng điện vĩnh cửu là một chất siêu dẫn có thể nâng các chất liệu, vì dòng điện liên tục đẩy từ trường của đối tượng đang được nâng lên, kể cả một đối tượng sống. Ở đây, các nhà khoa học Hà Lan nâng một con ếch lên trong một từ trường 16 Telsa.

Từ trường của ITER sẽ kích ngòi cho sức mạnh nhiệt hạch

Năng lượng nhiệt hạch có điều khiển, tự duy trì, vẫn còn là một giấc mơ, nhưng lí do giấc mơ đó có lẽ đáng theo đuổi là vì từ trường. Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER) là một chương trình hợp tác đa quốc gia thể hiện một trong những nỗ lực lớn nhất thế giới nhằm hợp nhân deuterium và tritium, hai đồng vị nặng của hydrogen.

Khi (và nếu) ITER được xây dựng, thì nó sẽ hâm nóng các vật liệu nhiệt hạch thành một trạng thái plasma, phát ra 500 megawatt nhiệt lượng. Cỗ máy khi đó sẽ sử dụng từ trường để giam giữ và điều khiển khối plasma quá nhiệt đó.

Cuối cùng… LHC sẽ vén màn những bí ẩn của Vũ trụ

Máy Va chạm Hadron Lớn, LHC, là một cỗ máy khổng lồ chứa những châm cỡ “khủng”, với những cuộn dây dài 14 mét hoặc dài hơn. Các nam châm siêu dẫn, hoạt động ở mức hơn tám tesla, sẽ đẩy các proton chạy vòng trong vành đai 17 dặm trước khi chúng lao vào nhau và tạo ra một đợt thác các hạt hạ nguyên tử.

Tất cả những thí nghiệm này nó sẽ thực hiện thành công. chúng ta hi vọng vậy. LHC chỉ vừa mới đi vào hoạt động hồi tháng 9, 2008, trước khi những mối nối điện tồi tệ trong hệ thống làm lạnh của các nam châm buộc các thí nghiệm phải dừng lại. Sau gần một năm sau sửa chữa và nâng cấp, rốt cuộc siêu cỗ máy va chạm này đã chạy trở lại hồi tháng 11 năm ngoái, và người ta đang trông đợi nó sẽ mang lại những kết quả mới trong lần chạy chính thức dài hạn bắt đầu từ hôm 30 tháng 3, 2010.

Phòng thí nghiệm quốc gia Từ trường cao làm chấn động mặt đất

Trong khi những nam châm nhân tạo không thể giữ nổi ngọn đuốc là những nam châm mạnh nhất trong tự nhiên, thì những nỗ lực tốt nhất của chúng ta không thể xem thường được. Ba địa điểm ở Mĩ – Đại học bang Florida, Đại học Florida, và Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico – đã hợp tác lập ra Phòng thí nghiệm Từ trường quốc gia, ngôi nhà chứa những nam châm nhân tạo lớn nhất thế giới. Chỉ một mình Los Alamos đã chứa tám nam châm có khả năng hoạt động ở mức 50 tesla hoặc cao hơn (mỗi nam châm cách đều nhau tạo ra khỏng 0,01 tesla), trong đó có một nam châm bắn bội 100 tesla mất đến 10 năm để chế tạo.

Cho chạy tất cả những nam châm đó chẳng rẻ tiền gì: Los Alamos sử dụng một máy phát 1,43 gigawatt và năm nguồn cấp điện 64 megawatt. Máy phát đặt trên một bệ đỡ có 60 cái lò xo, chúng có nhiệm vụ khử đi chuyển động rung lắc sinh ra khi nó giảm tốc sau khi cấp điện cho nam châm, tạo ra cơn thịnh nộ làm chấn động cả trái đất.

Nạp mạng cho lỗ đen

Chúng ta biết câu chuyện cuộc đời của những lỗ đen: Những tàn dư sao siêu mới cực kì đậm đặc này tác dụng lực hút hấp dẫn khủng khiếp đến mức chúng hút lấy bất cứ thứ gì trong vùng phụ cận của chúng (bên trong “chân trời sự cố”), liên tục nạp thêm nhiên liệu cho lỗ đen. Nhưng câu chuyện không dừng lại với lực hấp dẫn. Một khi vật chất bị hút về phía trong lỗ đen, nó quay xung quanh vòng rìa ngoài của rỗ đen và giải phóng một phần xung lượng góc của nó trước khi bị nuốt vào.

Đó là chỗ từ trường phát sinh. Khi các chất khí xoay tròn trong một cái đĩa trên rìa của lỗ đen, chúng tạo ra từ trường của riêng chúng, làm bắn vọt một số chất khí tại phần ngoài của đĩa ra xa lỗ đen. Sự bắn vọt vật chất đó lấy đi xung lượng khỏi phần bên trong của đĩa khí ở gần lỗ đen nhất. Chất khí đó sau đó chậm dần đi và rơi vào miệng con quái vật tăm tối.

Sao nam châm: Xóa sạch thông tin thẻ tín dụng của bạn từ khoảng cách 100.000 dặm

Không phải mọi sao neutron đều ra đời giống nhau. Một số, vì những lí do gì đó hoàn toàn không hiểu được, thuộc về nhóm “sao nam châm”, có từ trường khủng khiếp của một sao neutron bình thường nhân thêm lên chừng 1000 lần. Mặc dù ở xa một khoảng cách bằng nửa đường từ Trái đất lên mặt trăng, một sao nam châm vẫn có thể tước mất thông tin khỏi thẻ tín dụng của bạn.

Các nhà khoa học không biết rõ cho lắm vì sao các sao nam châm lại mạnh hơn sao neutron thông thường nhiều như vậy, nhưng theo thời gian, các nhà thiên văn đang tìm thấy chúng ngày càng nhiều. Khi từ trường ngoại hạng đó bắt đầu làm chậm chuyển động quay của ngôi sao, thì nó giải phóng ra những xung năng lượng mạnh trong bước sóng tia X, có thể nhìn thấy đối với những đài thiên văn tia X của NASA.