Có ngày và đêm không nếu Trái Đất không tự quay?

Trái Đất quay quanh trục sinh ra ngày và đêm là điều mà giờ đây có lẽ đa số trẻ em học tới hết tiểu học là đều biết. Lý do của việc này là vì ánh sáng ban ngày của chúng ta có được nhờ Mặt Trời, mà Mặt Trời thì chỉ có thể chiếu sáng được một nửa bề mặt Trái Đất.

Nhờ sự tự quay mà khu vực được chiếu sáng của Trái Đất liên tục có sự luân chuyển, khi khu vực này là ban ngày thì khu vực khác là đêm và ngược lại. Chu kỳ ngày-đêm này trên Trái Đất có độ dài là 24 giờ, trong thiên văn học gọi là "ngày Mặt Trời" (Solar day).

Trên thực tế, phát biểu về ngày và đêm của Trái Đất như trên cần hiểu đầy đủ là: Trái Đất quay quanh trục sinh ra chu kỳ 24 giờ ngày-đêm.

Vậy Trái Đất không tự quay thì có ngày và đêm không?

Ngày và đêm đối với một thiên thể được hiểu là sự luân phiên giữa thời gian được chiếu sáng và thời gian không được chiếu sáng (khác với ngày Mặt Trời hay ngày sao (sidereal day) trong quy ước thiên văn chỉ đơn giản là độ dài của khoảng thời gian hoàn thành một chu kỳ tự quay).

Nếu Trái Đất không có bất cứ chuyển động nào khác ngoài chuyển động tự quay thì khi đó việc Trái Đất được chiếu sáng sẽ giống như một quả địa cầu làm mô hình trong một căn phòng tối được chiếu sáng bởi một chiếc đèn pin (hình dưới). Chỉ khi quả địa cầu quay thì những khu vực khác nhau trên mặt cầu mới lần lượt nhận được ánh sáng. Còn khi nó không quay thì hiển nhiên sẽ có một nửa mặt cầu không bao giờ nhận được ánh sáng.

Vấn đề là, Trái Đất còn chuyển động quanh Mặt Trời. Nhiều người sai lầm khi cho rằng Trái Đất luôn hướng cùng một phía về Mặt Trời cho dù nó không còn sự tự quay. Quan niệm này có thể tạm chấp nhận ở phạm vi hình học nhất định, nếu lấy Mặt Trời làm gốc toạ độ và đường nối Trái Đất - Mặt Trời là trục chính của hệ toạ độ. Trong trường hợp đó thì thậm chí chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời cũng coi như không còn tồn tại nữa, vì trong hệ quy chiếu đó thì Trái Đất vẫn bất động so với Mặt Trời. Rất tiếc, vật lý thì không chấp nhận kiểu đặt hệ quy chiếu đó vì phân bố vật chất của Mặt Trời, Trái Đất cũng như quỹ đạo của Trái Đất đều không hoàn hảo, và hơn thế nữa chúng ta còn chịu sự ảnh hưởng của các thiên thể khác.

Trong vật lý thiên văn, hệ quy chiếu chuẩn nhất khi xét chuyển động của Trái Đất và các hành tinh là dựa trên nền trời sao ở xa (thực tế chúng có thay đổi nhưng cực kỳ chậm, nếu chỉ xét vài năm hay thậm chí vài thế kỷ thì có thể coi là không có thay đổi nào). Xét trên hệ quy chiếu đó thì nếu như Trái Đất luôn hướng cùng một mặt về phía Mặt Trời có nghĩa là nó tự quay được một vòng cùng lúc với hoàn thành được một vòng quỹ đạo.

Hiện tượng như vậy gọi là "khoá triều" (hay khoá thuỷ triều - tidal locking). Mặt Trăng là ví dụ điển hình, nó bị khoá triều với Trái Đất và luôn hướng cùng một mặt về phía Trái Đất - nhưng không có bất cứ nhà thiên văn nào cho rằng như thế là không tự quay.

Trong căn phòng có một quả địa cầu được một bóng đèn chiếu sáng, hãy giữ nguyên không cho địa cầu quay nhưng di chuyển nó quanh bóng đèn (một bóng đèn tròn là lý tưởng vì với đèn pin thì bạn sẽ phải xoay đèn pin theo). Khi đó lần lượt những khu vực khác nhau trên quả địa cầu sẽ được chiếu sáng. Khi bạn hoàn thành hết một chu kỳ quỹ đạo, tức là địa cầu trở về vị trí ban đầu sau khi đi một vòng quanh bóng đèn, bất cứ điểm nào trên bề mặt của nó đã có một nửa chu kỳ được chiếu sáng liên tục và nửa còn lại là tối liên tục.

Việc tương tự như vậy xảy ra với Trái Đất. Có nghĩa là nếu như Trái Đất không tự quay, vẫn sẽ có sự thay đổi tuần hoàn về thời gian chiếu sáng. Điểm khác biệt so với thực tại của chúng ta là trong điều kiện đó chúng ta sẽ có 6 tháng được chiếu sáng liên tiếp và 6 tháng hoàn toàn là đêm tối.

Nhiệt độ khi bị chiếu sáng liên tiếp sẽ nóng khủng khiếp, nhất là ở những khu vực gần xích đạo. Ngược lại, khi bị ngừng chiếu sáng liên tiếp trong 6 tháng, nhiệt độ sẽ thoát vào không gian và vùng bề mặt không được chiếu sáng sẽ cực kỳ lạnh. Không một sinh vật nào có thể tồn tại trong môi trường khắc nghiệt và có sự thay đổi với biên độ nhiệt độ lớn như thế. Có lẽ, những sinh vật may ra có thể tồn tại được ở môi trường đó sẽ phải di cư liên tục để luôn sống ở gần vùng giao giữa phần chiếu sáng và phần không được chiếu sáng.

Có thể xem hình ảnh so sánh giữa hiện tượng khoá triều và việc Trái Đất thực sự không tự quay dưới đây.

Hình ảnh người quan sát được sử dụng để cho thấy rõ sự quay của Trái Đất trong tình huống thứ nhất và ngược lại trong tình huống thứ hai.

Tính thực tế của bài toán: Mọi thiên thể lớn trong vũ trụ gồm các hành tinh, sao, thiên hà, ... đều có sự tự quay do chênh lệch hấp dẫn trong bản thân chúng, đồng thời nhận momen từ giai đoạn hình thành ban đầu. Do đó tình huống được đưa ra trong bài toán này chỉ có tính lý thuyết, không thể xảy ra trong thực tế, ngay cả ở những nơi khác trong vũ trụ.