Lực bí ẩn nhất trong vật lý: Bản chất và nguồn gốc của lực hấp dẫn

Trọng lực – lực hấp dẫn là hiện tượng vật lý quen thuộc nhất với chúng ta. Ngày nào chúng ta cũng trải nghiệm và cảm nhận nó. Nó giữ cho chúng ta đứng trên Trái Đất mà không trôi đi. Nó giúp Mặt Trăng quay quanh Trái Đất và giữ cho Hệ Mặt Trời ổn định.

Lực hấp dẫn có vẻ đơn giản và tự nhiên, nhưng lại là một trong những lực khó hiểu và khó mô tả nhất. Các nhà vật lý đã đưa ra nhiều lý thuyết khác nhau để giải thích bản chất và nguồn gốc của lực hấp dẫn, nhưng vẫn chưa có câu trả lời hoàn hảo.

Bạn đang xem: Lực bí ẩn nhất trong vật lý: Bản chất và nguồn gốc của lực hấp dẫn

Chúng ta biết rằng lực hấp dẫn có hai đặc tính chính. Đầu tiên, nó áp dụng rộng rãi, nghĩa là mọi vật có khối lượng đều trở thành tác nhân và chịu tác động của lực hấp dẫn. Thứ hai, lực hấp dẫn cực kỳ yếu, ít mạnh hơn so với các lực cơ bản khác.

Vì sao lại như vậy? Đó là một trong những bí ẩn lớn nhất trong lĩnh vực vật lý, được gọi là bài toán chuỗi. Bài toán này đề cập đến lý do tại sao có sự khác biệt lớn về sức mạnh giữa bốn lực tương tác cơ bản. Ví dụ, lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn khoảng 10^36 lần, lực tương tác mạnh mạnh hơn trọng lực khoảng 10^38 lần, và lực tương tác yếu mạnh hơn trọng lực khoảng 10^25 lần.

Con số này khiến chúng ta khó có thể tưởng tượng được lực hấp dẫn nhỏ đến vậy. Liệu có điều gì đó đặc biệt hoặc tiềm ẩn trong lực hấp dẫn? Hay có một sai sót nào đó trong hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn?

Người đầu tiên đề xuất khái niệm về lực hấp dẫn là Newton, nhà vật lý và toán học người Anh thế kỷ 17. Qua quan sát quả táo rơi từ trên cây xuống, ông đã đưa ra một giả thuyết táo bạo: Có một lực tác dụng giữa Trái Đất và quả táo khiến quả táo chuyển động lại gần Trái Đất hơn. Và, có lẽ lực này không chỉ tồn tại giữa Trái Đất và quả táo, mà còn giữa hai vật thể có khối lượng. Đây là định luật vạn vật hấp dẫn do Newton đề xuất.

Định luật vạn vật hấp dẫn cho chúng ta biết rằng lực hấp dẫn tỉ lệ thuận với khối lượng của hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Nghĩa là, nếu khối lượng của hai vật tăng thì lực hấp dẫn giữa chúng cũng tăng; nếu khoảng cách giữa hai vật tăng thì lực hấp dẫn giữa chúng giảm. Định luật vạn vật hấp dẫn có thể giải thích rõ ràng các hiện tượng thiên văn, như chuyển động của hành tinh và hiện tượng thủy triều. Nó cũng có thể được sử dụng để tính toán quỹ đạo và tốc độ của các tàu vũ trụ, như vệ tinh nhân tạo và tên lửa.

Xem thêm : Bài Văn Khấn Thần Tài Đêm Giao Thừa Năm Giáp Thìn 2024 Chuẩn Nhất

Định luật vạn vật hấp dẫn đã đánh thức nhận thức của con người về sự tồn tại của một lực phổ quát trong tự nhiên. Nó cũng đã khơi dậy sự sáng tạo trong việc sử dụng ngôn ngữ toán học để mô tả và dự đoán các quy luật của tự nhiên.

Tuy nhiên, định luật vạn vật hấp dẫn cũng có những hạn chế. Nó không thể giải thích những hiện tượng như sự lệch ánh sáng trong trường hấp dẫn mạnh hay sự tiến động của điểm cận nhật của Sao Thủy. Đồng thời, định luật này cũng không đưa ra câu trả lời về bản chất và lý do tồn tại của lực hấp dẫn.

Để giải quyết những hiện tượng không thể giải thích bằng lý thuyết của Newton và khám phá những nguyên lý sâu xa hơn đằng sau lực hấp dẫn, vào đầu thế kỷ 20, một nhà vật lý và toán học vĩ đại khác, Einstein, đã đề xuất một lý thuyết mới và mang tính cách mạng: lý thuyết tương đối đặc biệt.

Lý thuyết tương đối đặc biệt có thể giải thích một số hiện tượng điện từ và hiện tượng nguyên tử, nhưng không thể hoà hợp với định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Bởi vì định luật của Newton cho rằng lực hấp dẫn lan truyền tức thời, đây vi phạm nguyên lý tốc độ không đổi của ánh sáng.

Einstein nhận ra rằng ông phải thay đổi khái niệm về lực hấp dẫn để tạo ra một lý thuyết hoàn chỉnh và nhất quán hơn. Sau 10 năm nghiên cứu, vào năm 1915, ông đã hoàn thành lý thuyết tương đối tổng quát. Ông đã đưa ra một giả thuyết đáng ngạc nhiên và tuyệt vời trong lý thuyết này: lực hấp dẫn không phải là một lực mà là độ cong của không-thời gian.

Theo Einstein, vật chất làm bẻ cong không-thời gian và không-thời gian ảnh hưởng đến chuyển động của vật chất. Lý thuyết tương đối tổng quát có thể giải thích những hiện tượng mà lý thuyết của Newton không thể giải thích, như sự lệch ánh sáng trong trường hấp dẫn mạnh hay sự tiến động của điểm cận nhật của Sao Thủy.

Hơn nữa, lý thuyết tương đối tổng quát còn dự đoán một số hiện tượng kỳ thú và đáng kinh ngạc, chẳng hạn như lỗ đen, sóng hấp dẫn, điểm kỳ dị không-thời gian, thấu kính hấp dẫn, dịch chuyển đỏ hấp dẫn, v.v. Những hiện tượng này đã được xác nhận hoặc chứng minh bằng các thí nghiệm hoặc quan sát, từ đó chứng minh tính chính xác của lý thuyết tương đối tổng quát.

Xem thêm : Top 10 chiếc bồn cầu đặc biệt nhất thế giới

Tuy nhiên, lý thuyết tương đối tổng quát cũng có những hạn chế. Nó không thể hoà hợp với cơ học lượng tử và không thể mô tả lực hấp dẫn trong các điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như các điểm kỳ dị hoặc các hạt cực nhỏ. Lý thuyết này cũng không đưa ra câu trả lời về bản chất và lý do tồn tại của lực hấp dẫn.

Để giải quyết những hiện tượng không thể giải thích bằng lý thuyết tương đối tổng quát và khám phá hành vi của lực hấp dẫn ở quy mô vi mô, vào đầu thế kỷ 20, một nhóm các nhà vật lý và toán học xuất sắc đã phát triển một lý thuyết mới và mang tính cách mạng: cơ học lượng tử.

Cơ học lượng tử là một lý thuyết mô tả hành vi và tương tác của các hạt vi mô. Nó cho rằng các hạt có cả tính chất sóng và có một nguyên lý bất định. Cơ học lượng tử có thể giải thích rõ ràng lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu, bằng cách xem chúng như sự trao đổi giữa các loại hạt khác nhau.

Ví dụ, lực điện từ được tạo ra do sự trao đổi photon, lực tương tác mạnh được tạo ra do sự trao đổi của gluon và lực tương tác yếu được tạo ra do sự trao đổi của boson W và Z. Vậy lực hấp dẫn thì sao? Cơ học lượng tử cho rằng lực hấp dẫn cũng phải có một hạt tương ứng để truyền nó, và hạt này được gọi là graviton.

Graviton là một hạt giả thuyết, được coi là boson, có khối lượng bằng 0 và spin 2. Nó có thể truyền lực hấp dẫn giữa bất kỳ vật thể nào có khối lượng, tương tự như photon có thể truyền lực điện từ giữa các vật thể tích điện. Nếu graviton tồn tại, chúng ta có thể sử dụng lý thuyết trường lượng tử để mô tả sự thống nhất giữa lực hấp dẫn và ba lực cơ bản còn lại. Đây chính là lý thuyết hấp dẫn lượng tử mà các nhà vật lý đang mong đợi.

Tuy nhiên, lý thuyết hấp dẫn lượng tử vẫn chưa hoàn thiện và hiện thực hóa, vì hiện tại chưa có quan sát thực nghiệm nào về sự tồn tại của graviton, cũng như chưa có lý thuyết hoàn chỉnh nào mô tả sự tương tác giữa graviton và các hạt khác.

Vậy liệu có thể thống nhất thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử? Đây là lý thuyết thống nhất vĩ đại mà các nhà vật lý ao ước. Hiện đã có một số lý thuyết ứng cử viên đang cố gắng đạt được mục tiêu này, như lý thuyết siêu dây, lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng, lý thuyết thêm chiều xoắn, v.v. Mỗi lý thuyết này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng chưa có lý thuyết nào được xác minh hoặc bác bỏ bằng thực nghiệm.

Với sự phát triển của vật lý đến thời điểm này, cả thuyết tương đối rộng lẫn cơ học lượng tử đều đối mặt với thách thức lớn để đưa nhân loại tiếp tục vươn lên một kỷ nguyên mới.

Nguồn: Giaidapviet.com
Danh mục: Khám Phá