Khi bạn thả một quả bóng, nó sẽ rơi xuống. Khi bạn nhảy, bạn sẽ rơi trở lại. Chúng ta gọi hiệu ứng quen thuộc này là "trọng lực", nhưng bạn đã bao giờ tự hỏi trọng lực thực sự là gì chưa? Liệu nó có thực sự là một "lực" giống như lực mà chúng ta cảm nhận khi đẩy hoặc kéo vật gì đó không?

Hãy cùng khám phá sự thay đổi trong hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn theo thời gian và lý do tại sao vật lý hiện đại có thể khiến bạn ngạc nhiên với cách nhìn hoàn toàn mới về lực hấp dẫn.

Newton nghĩ gì về lực hấp dẫn

Trở lại những năm 1600, Isaac Newton đã mô tả lực hấp dẫn là một lực kéo các vật thể lại với nhau. Theo định luật nổi tiếng của ông, mọi vật thể trong vũ trụ đều hút mọi vật thể khác. Vật thể càng lớn, lực hút càng mạnh.

Ý tưởng này đã thành công. Nó giải thích tại sao táo rơi từ trên cây xuống, tại sao Mặt Trăng quay quanh Trái Đất, và thậm chí tại sao các hành tinh quay quanh Mặt Trời. Lý thuyết của Newton đã tồn tại vững chắc trong hơn 200 năm.

Nhưng có một vấn đề—Newton không thể giải thích lực này hoạt động như thế nào trong không gian trống rỗng. Làm thế nào Mặt Trời có thể hút Trái Đất mà không có bất kỳ mối liên hệ hữu hình nào giữa chúng?

Hãy đến với Ý tưởng Thay đổi Cuộc chơi của Einstein

Đầu những năm 1900, Albert Einstein đã đưa ra một ý tưởng mới mang tính đột phá trong thuyết tương đối rộng của mình. Ông nói: Lực hấp dẫn không thực sự là một lực. Nó là kết quả của cách các vật thể có khối lượng lớn uốn cong cấu trúc của không gian và thời gian.

Hãy tưởng tượng không gian và thời gian như một tấm cao su co giãn. Nếu bạn đặt một quả bóng bowling nặng (như Mặt Trời) lên tấm vật liệu đó, nó sẽ tạo ra một vết lõm. Một quả bóng nhỏ hơn (như Trái Đất) lăn quanh vết lõm đó—không phải vì nó bị kéo, mà vì nó đang di chuyển theo đường cong của tấm vật liệu.

Vì vậy, theo quan điểm của Einstein, lực hấp dẫn không phải là thứ kéo mọi thứ—mà là kết quả của các vật thể chuyển động trong không gian cong. Một vật có khối lượng càng lớn, thì không gian xung quanh nó càng cong.

Lực hấp dẫn là lực hay hình học?

Đây là lúc mọi thứ trở nên thú vị: Trong thế giới của Newton, lực hấp dẫn là lực giữa hai vật thể. Trong thế giới của Einstein, lực hấp dẫn là hình học—một đặc tính của hình dạng của chính không gian.

Điều này có nghĩa là Trái Đất không quay quanh Mặt Trời vì nó bị kéo. Nó đang chuyển động theo một đường thẳng—cái mà các nhà vật lý gọi là đường trắc địa—trong không gian cong được tạo ra bởi khối lượng của Mặt Trời. Giống như một viên bi lăn tròn bên trong một cái bát.

Ngay cả ánh sáng, vốn không có khối lượng, cũng bị bẻ cong xung quanh các vật thể có khối lượng lớn. Điều này đã được chứng minh vào năm 1919, khi các nhà khoa học quan sát thấy ánh sáng từ các ngôi sao bị bẻ cong quanh Mặt Trời trong một lần nhật thực—đúng như Einstein đã dự đoán.

Còn Lỗ Đen thì sao?

Lỗ đen là ví dụ cực đoan về lực hấp dẫn đang hoạt động. Chúng là những nơi không gian bị bẻ cong mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Theo các phương trình của Einstein, điều này xảy ra khi khối lượng bị dồn nén vào một không gian cực kỳ nhỏ.

Việc chúng ta có thể phát hiện ra lỗ đen ngày nay—thông qua sóng hấp dẫn và bằng cách chụp ảnh bóng của chúng—đã củng cố quan điểm của Einstein về lực hấp dẫn như một độ cong của không gian.

Chúng ta cảm nhận lực hấp dẫn hàng ngày như thế nào

Bạn có thể đang nghĩ: Tất cả những điều này thật hấp dẫn, nhưng tôi vẫn cảm thấy lực hấp dẫn đang kéo tôi xuống!

Đúng vậy—theo quan điểm của bạn trên Trái Đất, lực hấp dẫn giống như một lực. Nhưng theo Einstein, điều bạn thực sự cảm thấy là cơ thể bạn đang bị ngăn cản chuyển động tự do trong không gian cong.

Hãy giải thích như thế này: Khi rơi tự do (ví dụ như trên tàu lượn siêu tốc hoặc bên trong trạm vũ trụ), bạn không bị kéo—bạn đang di chuyển theo đường cong tự nhiên của không gian. Chính khi bạn đứng trên mặt đất, bàn chân của bạn sẽ đẩy ngược lại đường cong, mà chúng ta hiểu là trọng lượng.

Lực hấp dẫn "thực sự" là một Lực?

Điều này phụ thuộc vào cách bạn định nghĩa "lực". Nếu xét theo định luật Newton, thì đúng vậy—đó là lực kéo mọi vật lại với nhau. Nhưng trong khuôn khổ của Einstein, lực hấp dẫn hoàn toàn không phải là một lực—nó chỉ là kết quả của không gian cong, chỉ dẫn vật chất cách chuyển động.

Hầu hết các nhà vật lý hiện đại ngày nay ưa chuộng quan điểm của Einstein khi làm việc với những vật thể quy mô lớn như hành tinh, ngôi sao hoặc thiên hà. Tuy nhiên, các phương trình của Newton vẫn hữu ích cho các tình huống hàng ngày—như phóng tên lửa hoặc xây cầu—vì chúng đơn giản hơn và đủ chính xác ở quy mô nhỏ.

Tại sao điều này lại quan trọng

Hiểu được bản chất thực sự của lực hấp dẫn không chỉ nằm ở lý thuyết. Nó ảnh hưởng đến những thứ chúng ta sử dụng hàng ngày. Ví dụ, vệ tinh GPS phải điều chỉnh theo thuyết tương đối rộng để cung cấp dữ liệu vị trí chính xác. Thời gian trôi nhanh hơn một chút trên quỹ đạo so với trên Trái Đất do sự khác biệt về cường độ hấp dẫn!

Các nhà vật lý cũng đang cố gắng thống nhất lực hấp dẫn với các lực cơ bản khác (như điện từ). Điều này có thể dẫn đến những đột phá trong việc hiểu biết về vũ trụ—và thậm chí có thể là những công nghệ mới.

Suy nghĩ cuối cùng: Vẫn còn mê mẩn Lực hấp dẫn

Vậy, lực hấp dẫn có thực sự là một "lực"? Câu trả lời phụ thuộc vào mức độ chúng ta khám phá khái niệm này sâu sắc đến đâu. Trong trải nghiệm hàng ngày, lực hấp dẫn dường như là một lực - bất biến, không thể phủ nhận và luôn hiện hữu. Nhưng theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lực hấp dẫn không phải là một lực theo nghĩa truyền thống. Thay vào đó, nó là độ cong của chính không-thời gian, định hình quỹ đạo của các vật thể trong vũ trụ. Theo nghĩa này, những gì chúng ta cảm nhận được như một lực kéo về phía Trái Đất thực chất chỉ là cách tự nhiên mà các vật thể chuyển động trong cấu trúc cong của không gian và thời gian. Dù chúng ta có gọi nó là lực hay không, thì có một điều rõ ràng: tất cả chúng ta vẫn đang mê mẩn lực hấp dẫn.