Lực hấp dẫn là gì?

Điều gì có thể quen thuộc hơn lực hấp dẫn? Thả một cái gì đó và trọng lực kéo nó xuống sàn, phải không? Và ở trường, chúng ta học được rằng lực hấp dẫn là thứ hướng dẫn Mặt trăng quay quanh quỹ đạo Trái đất, và Trái đất trong quỹ đạo của chính nó xung quanh Mặt trời.

Trọng lực giữ chân chúng ta đặt trên sàn . Nó hướng dẫn đường đi của mọi quả ném phạt bóng rổ, cũng như quỹ đạo của mọi tàu vũ trụ mà chúng ta đã từng phóng hoặc sẽ từng làm. Theo nghĩa đen, nó giữ vũ trụ lại với nhau.

Lực hấp dẫn là một trong bốn lực được biết đến trong vật lý. Những thứ khác là điện từ – điều chỉnh điện, từ tính và ánh sáng – và một cặp lực hạt nhân hoạt động trên những khoảng cách cực nhỏ bên trong hạt nhân nguyên tử. Và như nó có vẻ trái ngược với trực giác, lực hấp dẫn cho đến nay là yếu nhất trong số rất nhiều lực tác động. Một nam châm tủ lạnh nhỏ đủ để nâng một chiếc kẹp giấy ra khỏi bàn – mặc dù toàn bộ khối lượng của Trái đất đang kéo nó xuống.

Kiến thức của chúng ta về lực hấp dẫn đã phát triển kể từ thời của Isaac Newton và quả táo của ông ấy – và nó vẫn vậy. Mỗi khi chúng ta khám phá ra điều gì đó mới mẻ về lực hấp dẫn, chúng ta lại nhìn thế giới xung quanh dưới một ánh sáng mới.

Cái nhìn sáng suốt của Newton

Năm 1666, chàng trai 23 tuổi Newton từ Đại học Cambridge trở về nhà ở vùng nông thôn nước Anh. Như anh ấy nói với một người viết tiểu sử nhiều năm sau đó, anh ấy đang trong tâm trạng trầm ngâm vào một buổi chiều lười biếng khi “thỉnh thoảng có quả táo rơi”, suy nghĩ của anh ấy chuyển sang trọng lực . Newton hầu như không phải là người đầu tiên nhận thấy táo rơi từ trên cây. Sự hiểu biết sâu sắc của ông đến khi ông chỉ ra bằng toán học rằng lực kéo quả táo về phía Trái đất phải giống lực kéo mặt trăng trên quỹ đạo của nó.

Trọng tâm của quan niệm của Newton về lực hấp dẫn – bây giờ được gọi là định luật vạn vật hấp dẫn – là mọi thứ trong vũ trụ liên tục kéo theo mọi thứ khác. Và sức mạnh của lực đó tỷ lệ thuận với khối lượng của nó – nói cách khác, một vật thể càng lớn thì lực hấp dẫn của nó càng mạnh.

Ấn tượng của nghệ sĩ về Newton trong vườn cây ăn quả ở Woolsthorpe khi một quả táo rơi xuống và khiến ông suy nghĩ về lực hấp dẫn.Hình ảnh UniversalImagesGroup / Getty

Lực hấp dẫn cũng giảm dần theo khoảng cách ngăn cách các vật thể. Như các nhà vật lý đã nói, lực tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Điều đó chỉ có nghĩa là nếu bạn tăng gấp đôi khoảng cách giữa hai vật thể, lực hấp dẫn mà chúng tác dụng lên nhau chỉ mạnh bằng 1/4.

Đây là cách Newton mô tả lực hấp dẫn: mọi thứ kéo theo mọi thứ khác, bất kể chúng ở đâu hoặc khoảng cách nào ngăn cách chúng. Nhưng có điều gì đó về quan niệm về lực hấp dẫn này khiến anh ta bận tâm. Chính xác thì một lực lượng đã hoạt động như thế nào trên không gian trống?

Richard Panek, tác giả của Gravity: Solving the Mystery Beneath Our Feet (2019) , cho biết: “Ý tưởng rằng sẽ có ‘sự hấp dẫn ở khoảng cách xa’ này không có ý nghĩa gì đối với anh ấy . “Đến cuối đời, Newton đã nói” Có thể một ngày nào đó, chúng ta sẽ tìm ra thứ này là gì, có tác dụng này. “

Cuộc cách mạng của Einstein

Bí ẩn về cách thức hoạt động của lực hấp dẫn trong không gian trống rỗng đã được giải thích hơn 200 năm sau bởi Albert Einstein, người mà thuyết tương đối rộng đã mô tả lực hấp dẫn theo một cách mới. Trong khi Newton coi trọng lực như một lực, Einstein coi nó như một sự cong vênh của chính không gian. Như Panek đã nói, “Newton đã miêu tả lực hấp dẫn như một hành động xảy ra trong không gian, nhưng Einstein lại coi đó là sự tương tác của vật chất với không gian”.

Albert Einstein bên bảng đen ở Mt. Đài thiên văn Wilson, bên ngoài Los Angeles, vào tháng 1 năm 1931. Các nhà thiên văn gần đây đã sử dụng kính thiên văn tại Mt. Wilson để chứng tỏ rằng vũ trụ đang giãn nở.Ảnh AP

Sự cong vênh của không gian, phải thừa nhận là rất khó hình dung. Một phép tương tự hữu ích là cách một quả bóng bowling đặt trên một tấm cao su làm biến dạng bề mặt của tấm đó. Bây giờ hãy hình dung một viên bi lăn dọc theo tấm giấy. Do bề mặt bị cong vênh nên viên bi lăn theo đường cong. Viên bi hoạt động giống như quả bóng bowling đang tác dụng một lực lên nó.

Liệu quan niệm của Einstein về lực hấp dẫn có nghĩa là của Newton đã sai? Không hẳn vậy. Chỉ là của Einstein là chính xác và toàn diện hơn. Nếu bạn đang tính toán khi nào một quả bóng chày đang ném sẽ rơi xuống đất hoặc tính toán khi nào nguyệt thực tiếp theo sẽ xảy ra, thì định luật hấp dẫn của Newton là tốt. Nhưng trong những trường hợp cực đoan – ví dụ như khi có các vật thể rất lớn – bạn sẽ cần các phương trình chính xác hơn của Einstein. Và chỉ nhờ thuyết tương đối rộng của Einstein, chúng ta mới hiểu được hoạt động của các vật thể kỳ lạ như lỗ đen và các hiện tượng như sóng hấp dẫn .

Đối với hầu hết các mục đích, các nhà khoa học tiếp tục nghĩ về lực hấp dẫn như một lực, như Newton đã làm. Ngay cả các phi hành gia cũng có xu hướng nghĩ về lực hấp dẫn theo thuật ngữ Newton. Khi tàu vũ trụ Apollo 8 quay trở lại mặt trăng vào tháng 12 năm 1968, phi hành gia Bill Anders đã châm biếm: “Tôi nghĩ Isaac Newton đang thực hiện phần lớn công việc lái xe ngay bây giờ.”

Tương lai của trọng lực

Thành công như lý thuyết của Einstein trong việc giúp các nhà vật lý giải quyết nhiều vấn đề trong vật lý thiên văn và vũ trụ học, nó có thể không phải là lời cuối cùng về lực hấp dẫn. Đó là bởi vì chưa ai tìm ra cách dung hòa thuyết tương đối rộng với lý thuyết vật lý vĩ đại khác, cơ học lượng tử, mô tả hoạt động bên trong của cõi hạ nguyên tử. Panek nói: “Vấn đề là thuyết tương đối rộng không phù hợp với cơ học lượng tử. “Lực hấp dẫn là lực duy nhất trong bốn lực không có lời giải thích về lượng tử.”

Các nhà vật lý hy vọng rằng một ngày nào đó một lý thuyết hoàn chỉnh hơn có thể kết hợp thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử. Nếu và khi điều đó xảy ra, chúng ta có thể một lần nữa nhìn thấy lực hấp dẫn trong một ánh sáng mới.

Nguồn tham khảo:

• https://www.nbcnews.com/mach/science/what-gravity-ncna1004506