Sau những bài viết trước, chúng ta đã biết rằng con người có thể mở rộng địa bàn và trở thành nền văn minh bậc cao bằng cách nào. Nhưng đồng thời ta cũng biết rằng cái kết ở cuối chặng đường là giới hạn về độ giãn nở của vũ trụ. Tốc độ ánh sáng là giới hạn của vạn vật nhưng không gian đang nở ra với tốc độ còn cao hơn thế, cơ hội để loài người có thể thực sự chu du khắp muôn nơi không phải là khả thi nữa.
Nhưng có đúng không nhỉ?

Trọng lực - Ảo ảnh của vũ trụ

Trọng lực là một khái niệm vô cùng quan trọng trong sự tồn tại của vạn vật. Tiếng Việt gọi được thì nó có nghĩa là đúng và được mọi người cùng công nhận. Kết quả là Newton đã đúng, công thức tính trọng lực của ông có thể áp dụng vào mọi thứ và sai số gần như không đáng kể. Công thức trọng lực của Newton đúng tới mức nó còn giúp thế giới phát hiện ra sự tồn tại của Neptune vào năm 1821.
Trí tuệ của Newton là không thể bác bỏ, sự lỗi lạc đó đã giúp thế giới tính toán vũ Trọng Lực với ý niệm như một lực tác động trong vật lý. Nhưng thực tế mà nói, Trọng Lực không phải là Lực, và trong phút chốc nữa các bạn sẽ hiểu vì sao.
Được liệt kê vào danh sách 4 tương tác cơ bản của vũ trụ, được định nghĩa là các tương tác không thể nào tối giản hơn trong vũ trụ, Trọng Lực hay Gravity và các tương tác khác như Điện từ Electromagnetic và cặp đôi Tương tác mạnh và yếu của Hạt Nhân là xương sống cho vũ trụ. Trong đó, Trọng Lực được coi là tương tác yếu nhất nhưng lại có giá trị lớn nhất trong hệ quy chiếu vĩ đại của vũ trụ.
Trọng lực là chất kết dính đưa cả vũ trụ lại với nhau. Nó là thứ giúp các hành tinh lơ lửng quanh các ngôi sao, là thứ giúp chúng xoay, là thứ giúp thủy triều trên Trái Đất tồn tại và ở mức cơ bản nhất, nó là thứ giúp Trái Đất đẩy bạn lên…vâng, bạn không bị Trái Đất hút, bạn bị Trái Đất đẩy.
Nhưng sao lại là đẩy? Chẳng phải Trọng Lực vừa được mô tả là chất keo dính, nghĩa là lực kéo mọi thứ lại với nhau sao? Hmmm, ban đầu ai cũng nghĩ vậy đó. Thậm chí là Newton cũng vậy, nhưng ông có cái nhìn rộng mở hơn rất nhiều về thứ “lực” này.
img_0

“Trọng lực” của Newton

Vào năm 1684, nhà Toán học kiêm Vật Lý học Isaac Newton đã đề xuất một giải thích về chuyển động của các hành tinh. Trong đó Newton đã giải thích trọng lực như một “LỰC” và cụ thể thì đó là lực hấp dẫn giữa 2 vật có trọng lượng dựa trên khoảng cách giữa 2 vật. Dễ hiểu hơn thì điều đó có nghĩa là chỉ cần 2 vật có cân nặng thì nó sẽ hút nhau, và hút mạnh hay nhẹ tùy vào sức nặng của nó và khoảng cách giữa chúng. Ví dụ: Một vật cực kỳ nặng thì sẽ hút mạnh hơn vật cực kỳ nhẹ. Nhưng nếu vật cực kỳ nặng đó đứng xa quá thì cũng hút vừa vừa thôi.
Như mọi lý thuyết khoa học khác, nếu áp dụng vào thực tế và có thể tính toán chính xác trụ rất chính xác trong hơn 200 năm về sau. Nhưng nếu Newton đúng, Trọng lực là một “LỰC” thì chúng ta ở đây để làm gì?
Chuyện là công thức của Newton đúng, rất đúng… cho tới khi nó không đúng nữa. Từ đây, chúng ta đến với bác học thứ 2, Einstein.

Einstein & Thuyết tương đối

Công thức tính trọng lực của Newton đúng với hầu hết mọi thứ trong phạm vi Trái Đất, nhưng khi đưa lên vũ trụ và tính đến tương tác giữa các hành tinh, các ngôi sao, một chút sai số bắt đầu xuất hiện.
Khi các nhà thiên văn học nhìn vào quỹ đạo của Thủy Tinh, họ thấy có sự dịch chuyển bất thường. Trong khi các hành tinh đều có quỹ đạo hình Elip quanh Mặt Trời, Thủy Tinh có quỹ đạo hình Elip, nhưng quỹ đạo đó lại xoay dần theo từng thế kỷ.
Các nhà khoa học tranh cãi nhau suốt cả thập kỷ để tìm câu trả lời nhưng không thể có được lời giải đáp hoàn thiện nhất. Sau đó, Einstein bắt đầu suy nghĩ.
Năm 1905, Einstein đề xuất một giả thuyết mới về tương tác trong vũ trụ và giả thuyết đó có tên là Thuyết Tương Đối, có thể hiểu là giả thuyết về tương tác giữa các vật có trọng lượng trong vũ trụ.
Tại thời điểm đó, Einstein vẫn chỉ là một nhà khoa học vô danh tiểu tốt, nhưng như cách công thức của Newton được đưa vào thử thách và áp dụng, lý thuyết của Einstein cũng thế. Và dần dần, đại đa số các nhà khoa học đều phải công nhận rằng, Einstein đã đúng và Thuyết Tương Đối còn có giá trị cao hơn hẳn so với động lực học trong vũ trụ.
Vậy là Einstein đúng và Newton sai sao?
Không hẳn. Công thức của Einstein có thể coi là phần mở rộng của Newton và cũng là câu trả lời mà Newton đau đáu tìm kiếm trong suốt đời của ông.
Chuyện là khi tạo ra công thức tương tác trọng lực, Newton vẫn chưa có cách để giải thích cặn kẽ nguồn gốc của thứ “LỰC” mà ông vừa khám phá ra. Theo ông thì mọi thứ có trọng lượng đều hấp dẫn nhau. Nhưng tại sao nó lại hấp dẫn nhau? Câu trả lời nằm trong thuyết tương đối của Einstein.

Trọng lực & Tác động với Thời Không

Cách hiểu dễ nhất về Trọng Lực theo lý thuyết của Einstein thì đó là độ “LÚN” của Thời Không khi chịu tác động của vật có trọng lượng. Các bạn nhớ các thí nghiệm căng một tấm bạt lên rồi để các quả bóng nặng vào giữa chứ? Đó là cách Einstein giải thích cho trọng lực. Nó không phải là Lực, nó là độ cong, độ lún, hoặc độ giãn nở của thời không khi bị vật nặng đè lên.
Ok, nói vậy thôi chứ đó là cách hiểu nôm na chứ không hề chính xác 100%. Nhưng các bạn có thể dùng cách hiểu đó làm nền tảng cho các giải thích sau. Bởi vì khái niệm Thời Không vừa dễ hiểu nhưng lại vừa phức tạp. Và Einstein dùng nó làm nền tảng để lý giải cho trọng lực.
Vậy nên để hiểu trọng lực, chúng ta cần hiểu Thời Không. Và để hiểu Thời Không, chúng ta cần đi vào não của Einstein và chứng kiến cách ông suy nghĩ khi chứng kiến cách thế giới hoạt động.
Hãy đặt mọi thứ chúng ta biết lên mặt bàn đã nhé.
Đầu tiên, theo luật 1 của Newton, mọi thứ có trọng lượng đều muốn giữ vững vị trí cân bằng của nó. Nghĩa là vật đang đứng yên sẽ muốn đứng yên, vật đang di chuyển sẽ muốn giữ vận tốc. Mọi thứ sẽ không di chuyển hoặc thay đổi vận tốc nếu không bị tác động bởi lực bên ngoài. Đây là nền tảng cho quán tính.
Vật càng nặng thì quán tính càng cao và cần nhiều lực để có thể di chuyển. Với Newton, một vật không thể bị chuyển động nếu không có lực bên ngoài tác động. Nhưng với Einstein, điều đó là có thể.
Cầm một vật, để lên cao, nó sẽ có thế năng, và khi thả ra, không có lực nào tác động lên thì nó vẫn cứ rơi. Sự “rơi” này chính là cách một vật tìm lại thế cân bằng của nó theo luật của Newton. Nếu rơi mà không chạm đất, nó sẽ tiếp tục rơi với vận tốc không đổi, vẫn theo luật của Newton. Nhưng vật này rơi là vì ta thả ra.
Vậy các hành tinh thì rơi kiểu gì?
Quay về ví dụ về việc căng bạt và các quả bóng nặng. Khi chúng ta để quả bóng nặng vào giữa, các quả bóng nhẹ khác sẽ bị hút vào đó. Các quả bóng đang nằm yên trên bạt bỗng dưng bị hút vào quả bóng nặng hơn mà không hề có lực tác động. Vậy là vật đứng yên cũng bị di chuyển mà không cần lực. Vậy vật đang di chuyển muốn giữ vững vận tốc thì sao? Nếu lấy một quả bóng và lia trên tấm bạt đã lún, chúng ta có thể thấy nó sẽ đi một đường cong hình ê-líp quanh độ lún ở giữa.
Thông qua tương tác giữa các quả bóng trên tấm bạt, chúng ta có thể hiểu ngay toàn bộ nguyên lý di chuyển của các hành tinh và các vì sao trong vũ trụ. Mọi thứ không bị hút, và nó cũng chẳng hút cái gì khác. Nó thực ra chỉ đang bị “rơi” về phía vật có trọng lượng lớn hơn mà thôi.
Newton không hề sai, chỉ là công thức của ông không có tấm bạt bị căng ra mà thôi. Einstein là người đã nghĩ tới tấm bạt và từ đó mọi thứ đã được giải thích một cách rất cặn kẽ.
Nhưng chả nhẽ chúng ta sẽ dừng lại ở đây? Để kết luận là Newton được Einstein bổ sung và giải thích cho thế giới về trọng lực? Không, chúng ta ở đây để khám phá thời không mà, phải không nào?
Vậy thì tất cả những điều trên về trọng lực thì liên quan gì đến THỜI KHÔNG?
Thực ra, tất cả đều liên quan.

“Tấm bạt” Thời Không

Như chúng ta vừa bàn ở trên, mọi vật có trọng lượng đều tác động lên không gian xung quanh, tạo ra hiệu ứng mà ta gọi là Trọng lực. Điều đó có nghĩa là trong không gian với nhiều vật nặng khổng lồ như các ngôi sao, các hành tinh, không gian sẽ lồi lõm không ngừng nghỉ.
Không chỉ có không gian, thời gian cũng bị “bẻ cong” như vậy.
Chúng ta có quan điểm khá cứng nhắc về thời gian, rằng thời gian là một cái gì đó bất biến. 15 phút là 15 phút, 15’ làm việc tương ứng với 15’ ngồi lướt Tiktok.
Nhưng theo thuyết tương đối của Einstein, thời gian có thể bị kéo dài hoặc rút ngắn lại.
Nhưng tại sao lại như vậy?
Trước tiên, hãy cùng giữ vững quan điểm của Newton, Einstein và một nhà khoa học nữa là James Clerk Maxwell. James Clerk Maxwell cho rằng tốc độ của ánh sáng là hằng số và cho dù bạn có đứng ở đâu, quan sát bằng cách nào thì ánh sáng vẫn không thay đổi vận tốc.
Giờ bạn hãy tưởng tượng tình huống sau, bạn đang đứng trước một đường tàu, trước mặt bạn có con tàu đi qua và có 2 tia sét đánh cùng 1 lúc. Thú vị thay bạn đứng ở chính giữa 2 tia sét.
Ở thời điểm sét đánh xuống, bạn sẽ thấy 2 tia sét đánh cùng một lúc, đúng không nào? Nhưng nếu bạn đứng trên tàu và đi qua 2 tia sét đó, chuyện gì sẽ xảy ra?
Mặc dù là 2 tia sét đánh cùng 1 lúc nhưng vì bạn đang di chuyển tới tia sét gần hơn, vậy nên bạn sẽ thấy tia sét đó trước. Sau đó bạn mới thấy tia sét thứ 2.
Nhưng ánh sáng di chuyển với tốc độ là hằng số C. Vậy thì tại sao có tia sét đánh trước, tia sét đánh sau? Và so sánh 2 trải nghiệm từ 2 góc nhìn. Ở ngoài, bạn thấy 2 tia sét đánh cùng lúc. Ở trên tàu, bạn thấy 2 tia sét đánh lệch nhau. Tại sao cùng một sự kiện lại có 2 kết quả mặc dù cả 2 cùng đúng?
Tốc độ là hằng số, quãng đường giữ nguyên, vậy thì chỉ còn có 1 biến số có thể thay đổi được và đó là thời gian. Vậy là thời gian có thể bị co giãn, thay đổi tùy vào tốc độ di chuyển của các vật trong không gian.
Nhưng cũng với tư duy đó, Einstein phát hiện ra rằng tốc độ sẽ không là gì nếu không có thời gian. Và chúng ta vẫn chưa bao giờ có định nghĩa cụ thể về thời gian. Chả nhẽ ở mọi nơi trong vũ trụ, thời gian đều như nhau sau? 1h ở Trái Đất bằng 1h ở hành tinh nào đó nằm ngoài vũ trụ này? Và thế là Einstein đã kết luận rằng, thời gian ở mỗi điểm trong vũ trụ đều gắn liền với vị trí của nó. Nói cách khác, thời gian và không gian là 1. Và chúng ta gọi nó là Thời Không, Spacetime.
Mọi thứ đều di chuyển trong thời không. Không gian và thời gian không hoạt động tách biệt mà chúng thực chất là 1.
Thời không bị bẻ cong khi bị vật có trọng lượng lớn tác động vào như Trái Đất khối lượng nhỏ sẽ ngày càng tiến về Mặt Trời có khối lượng lớn hơn do sự giãn nở của không - thời gian.
Vậy nên mọi vật khi di chuyển gần vật có trọng lượng lớn đều bị nó hấp dẫn, không phải vì nó muốn lao vào vật ấy mà bởi vì véc tơ chuyển động thẳng của nó đã bị bẻ cong vì khối lượng khổng lồ kia. Và ví dụ rõ nhất là thí nghiệm để quả cầu lên tấm thảm căng mà chúng ta đã nhắc đến.
Trong vũ trụ không cần một lực nào tác động trực tiếp các hành tinh vẫn có thể di chuyển mãi mãi, nhưng chính sự uốn cong của không - thời gian đã tạo ra quỹ đạo của các ngôi sao mà ta quan sát được.
Toàn bộ kiến thức về Thời Không thực sự rất khổng lồ và bài viết ngắn như thế này không thể nói hết một cách cặn kẽ và chi tiết về Thời Không, về Trọng Lực được. Vậy nên các bạn hãy coi như đây là điểm khởi đầu để chúng ta có thêm các cuộc bàn luận về thời không, về thuyết tương đối của Einstein và sự chuyển dịch của vũ trụ.
Nhưng cũng từ đây chúng ta có thể bắt đầu đặt câu hỏi, nếu thời gian và không gian là 1 và chúng ta có thể tiến và lùi trong không gian được… vậy có lẽ nào chúng ta cũng có thể tiến và lùi trong thời gian? Đó sẽ là câu hỏi mà số tiếp theo của Câu chuyện ngoài vũ trụ chúng ta cùng khám phá.
Cảm ơn mọi người đã lắng nghe, và hẹn gặp lại trong tập tiếp theo của hành trình khám phá vũ trụ.
Peace!
How things work Vũ trụ Vật lý