Trọng lực, lực hấp dẫn và những điều chúng ta vẫn lầm tưởng

Chúng ta vẫn biết rằng, gravity là lực hấp dẫn, nó giúp cho mọi thứ gắn chặt với mặt đất. Tuy nhiên, đó chỉ là một lý thuyết. Còn các cách giải thích khác thì sao?

Trọng lực là gì?

Trọng lực là lực hút của trái đất tác dụng lên một vật, có phương thẳng đứng và có chiều hướng về phía trái đất. Trọng lực được xác định bằng tích khối lượng của vật với gia tốc rơi tự do tại nơi đặt vật đó. P là trọng lực N m khối lượng của vật kg g gia tốc rơi tự do m/s2.

Lực hấp dẫn là gì?

Gravity thông thường được hiểu là lực hấp dẫn. Tuy nhiên, theo lý thuyết của Einstein, gravity không phải là lực, mà chỉ là một thứ gì đó kéo các vật lại với nhau. Do đó trong bài dịch này sẽ giữ nguyên từ gravity mà không dịch ra cụ thể.

Mỗi khi bạn nhảy lên, gravity lại kéo bạn xuống mặt đất. Nếu không có gravity, khi bạn nhảy lên, bạn sẽ bay vòng vèo trong không khí cùng với tất cả mọi thứ trên Trái đất này.

Sự thật về lực hấp dẫn

Bạn có thể thấy gravity ở mọi nơi, khi bạn làm rơi một cuốn sách, khi bạn bước lên cầu thang, hay khi bạn ném một quả bóng ra xa. Nó hiện diện mọi lúc mọi nơi trong cuộc sống. Đã có rất nhiều lý thuyết được đưa ra, để giải thích xem tại sao quyển sách lại rơi xuống đất, nhưng tất cả vẫn chỉ là lý thuyết. Bí ẩn về gravity vẫn còn nguyên vẹn đó.

Vậy chúng ta đã biết gì về gravity rồi? Chúng ta biết rằng, gravity khiến cho mọi vật trong vũ trụ tiến lại gần nhau. Chúng ta biết rằng gravity góp phần hình thành nên vũ trụ, nó giữ cho Mặt trăng luôn quay quanh Trái đất, và nó còn được ứng dụng trong một số công cụ như động cơ gravity hoặc đèn gravity.

Về mặt khoa học, như chúng ta đã biết, Isaac Newton đã định nghĩa gravity là một lực – nó hút tất cả các vật về phía nhau. Và chúng ta cũng biết rằng, theo Albert Einstein, gravity là kết quả của sự biến dạng giữa không gian và thời gian. Hai lý thuyết này được nhiều người biết đến nhất, và thường được dùng để giải thích cho gravity.

Chúng ta hãy cùng nhau mổ xẻ xem lý thuyết của Newton và Einstein là như thế nào, và hãy cùng có một cái nhìn cụ thể hơn về gravity.

Mặc dù trước đây, có rất nhiều người đã lờ mờ nhận ra sự có mặt của gravity, nhưng Newton là người đầu tiên đưa ra cách giải thích cụ thể nhất. Chúng ta hãy cùng bắt đầu với nó.

Newton’s Gravity

Nhà vật lý học, nhà toán học người Anh Isaac Newton ngồi dưới gốc cây táo để đọc sách – sử sách đã kể lại như vậy đấy. Rồi đột nhiên, một quả táo rơi trúng đầu ông. Và ông nghĩ, tại sao quả táo lại rơi xuống đất nhỉ.

Newton công bố lý thuyết về lực vạn vật hấp dẫn – Theory of Universal Gravitation vào những năm 1680. Về cơ bản, nó gồm có 4 ý, chỉ ra rằng gravity là một lực có thể tính toán được, nó tác động lên mọi vật trong vũ trụ, và được tính bằng công thức liên quan tới khoảng cách và khối lượng. Theo lý thuyết này, thì mọi loại hạt trong vũ trụ đều có lực hút kéo các hạt khác về phía mình (để dễ hình dung, bạn tưởng tượng, một hạt là Trái đất, còn một hạt là bạn chẳng hạn) với một lực tỉ lệ thuận với khối lượng các hạt và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Vậy nên, hai hạt càng xa nhau, hoặc trọng lượng của chúng càng nhỏ, thì lực hút giữa chúng cũng nhỏ đi theo.

Công thức chuẩn của lực hấp dẫn giữa hai vật như sau:

Gravitational force = (G * m1 * m2) / (d^2)

Trong đó G là hằng số hấp dẫn, m1 và m2 là khối lượng giữa hai vật, còn d là khoảng cách giữa chúng. G là một hằng số vật lý, theo Tổ chức về dữ liệu khoa học công nghệ (CODATA), trong hệ thống đo lường quốc tế SI, G có giá trị bằng 6,67 x 10^-11 N.m^2/kg^2.

Áp dụng định luật với Trái đất. Với khối lượng khoảng 6 x 10^24kg, Trái đất có một lực hấp dẫn cực mạnh. Đó là lý do khiến cho bạn vẫn còn dính chặt trên mặt đất, thay vì trôi lềnh phềnh trong vũ trụ.

Lực hấp dẫn còn tác động đến các vật thông qua trọng lượng (weight) của vật đó. Khi bạn bước lên cân, số đo của cân chỉ ra rằng gravity đã tác động đến cơ thể bạn như thế nào. Công thức tính trọng lượng như sau:

Trọng lượng = Khối lượng x g

Với g là gia tốc trọng trường. Gia tốc là một hằng số phụ thuộc vào gravity của Trái đất, khoảng 9,8m/s^2, nó không phụ thuộc vào khối lượng (mass) của vật. Đó là lý do tại sao, bạn thấy, một quyển sách, chiếc bút hay chiếc lông rơi từ cùng một độ cao, chúng chạm đất tại cùng một thời điểm.

Trong hàng trăm năm, lý thuyết của Newton có chỗ đứng vững chãi trong cộng đồng khoa học. Nhưng điều này đã thay đổi trong những năm của thế kỉ 20.

Einstein’s Gravity

Albert Einstein, nhận giải Nobel về Vật lý năm 1921, đã đưa ra một lý thuyết khác về gravity. Đây là một phần của Thuyết Tương Đối, và nó cho thấy một cách giải thích hoàn toàn khác so với định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Einstein không cho rằng gravity là một lực, ông cho rằng đây là một sự bóp méo về không gian và thời gian, nói cách khác, chính là chiều không gian thứ 4.

Với vật lý cổ điển, một vật sẽ luôn đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều nếu không có lực nào tác động vào nó. Nếu như vậy, khi không có ngoại lực tác động, hai vật đang chuyển động song song với vận tốc bằng nhau, sẽ giữ nguyên chuyển động của mình suốt quãng đường, và chúng sẽ không bao giờ gặp được nhau.

Nhưng thực tế thì, chúng sẽ chạm vào nhau. Các hạt xuất phát và chuyển động trên các đường thẳng song song rồi cũng sẽ gặp nhau. Lý thuyết của Newton nói rằng, điều này sẽ xảy ra do gravity, một lực hút giữa các vật với nhau. Einstein cũng nói rằng nó xảy ra do gravity, tuy nhiên, gravity lại không phải là một lực. Nó là một đường cong không gian – thời gian.

Theo Einstein, những vật này vẫn đi theo đường thẳng, tuy nhiên, do sự biến dạng của không gian – thời gian, mà các đường thẳng thực tế lại đi theo một hình cầu. Và như vậy, các vật đang di chuyển trên một mặt phẳng, thực tế lại đang đi “thẳng” trên hình cầu, và chúng sẽ gặp nhau tại một điểm nào đó.

Ngoài ra, những lý thuyết gần đây về gravity lại diễn giải nó theo hiện tượng sóng và hạt. Một mặt, tồn tại các hạt có tên gọi gravitons khiến cho các vật bị hút bởi những vật khác, gravitons không bao giờ có thể quan sát được. Và bên cạnh đó, là gravitational waves, đôi lúc được gọi là gravitational radiation, cho là được sinh ra khi một vật tăng tốc độ do tác động của ngoại lực...

Dù có gravitons hay không có gravitons, chúng ta vẫn biết chắc rằng, một vật bay lên sẽ phải rơi xuống. Mong rằng một ngày nào đó, sẽ có một lý thuyết hợp lý để giải thích tất cả. Còn hiện tại, chỉ cần biết rằng, Trái đất sẽ không bị nuốt chửng bởi Mặt trời đâu, vì có gravity giữ Trái đất yên ổn trên quỹ đạo của nó.