CÂU CHUYỆN KHOA HỌC 74

(ĐC sưutầm trên NET)

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?

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, mình 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.

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:
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 10^24 kg, 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:
với g là gia tốc trọng trường. Gia tốc là một hằng số phụ thuộc vào gravity của Trái đất, khoảng 9,8 m/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.
Nguồn: HowStuffWorks

Các nhà thiên văn học phát hiện ra hiện tượng đi ngược lại với những gì Newton và Einstein đã vẽ ra

Một hiện tượng lượng tử diễn ra với quy mô khổng lồ của cả một ngôi sao vũ trụ.

Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà thiên văn học phát hiện và quan sát được một hiện tượng lượng tử diễn ra trong tự nhiên. Đó là khi một sao neutron bị bao quanh bởi một từ trường mạnh tới mức nó tạo ra cả một vùng kì dị trên vũ trụ, một vùng mà trong đó các vật chất liên tục tồn tại rồi lại biến mất một cách tự nhiên.
Được gọi là lưỡng chiết chân không (lưỡng chiết là là hiện tượng xảy ra khi tia sáng khi đi qua một số loại tinh thể bị tách ra thành hai tia sáng: tia thường và tia khác thường – tia thượng đẳng), hiện tượng kì lạ này được dự đoán lần đầu tiên vào khoảng thời gian những năm 1930, nhưng mới chỉ được quan sát ở quy mô nguyên tử. Bây giờ, các nhà khoa học đã lần đầu tiên chứng kiến hiện tượng này diễn ra trong tự nhiên và kì lạ hơn, nó đi ngược lại với mọi thứ mà Newton và Einstein đã vẽ ra.
“Đây là một sự kiện xảy ra rất rõ ràng thuộc lĩnh vực lượng tử, một sự kiện mang tầm vĩ mô”, anh Jeremy Heyl tới từ Đại học Bristish Columbia, người không thuộc dự án nghiên cứu này nói. “Mức độ rõ ràng của nó mang tầm cỡ của cả một ngôi sao neutron”.
Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế, dẫn dắt bởi giáo sư Roberto Mignani từ Ý đã phát hiện ra hiện tượng này, khi họ tiến hành quan sát sao neutron mang tên RX J1856.5-3754, cách Trái Đất chúng ta 400 năm ánh sáng.
Sao neutron là những lõi bị nghiền nát từ một ngôi sao khổng lồ bị “sập” xuống bởi chính sức nặng của nó, hiện tượng “sập” xảy ra khi ngôi sao ấy hết năng lượng và phát nổ dưới dạng một siêu tân tinh. Cho dù sự hình thành và tính chất của nó khá giống với hố đen, nhưng nó vẫn thiếu độ lớn để có thể trở thành “tử thần” của vũ trụ.
Chúng được cấu tạo nên từ một trong những vật liệu đặc nhất Vũ trụ. Chỉ một thìa vật chất này cũng có cân nặng tới 1 tỷ tấn khi đặt trên Trái Đất, lớp ngoài của nó cứng hơn thép 10 tỷ lần.
Chưa hết, sao neutron cũng sở hữu một trong những từ trường mạnh nhất Vũ trụ. Các nhà thiên văn học dự đoán rằng sao neutron có từ trường mạnh nhất sẽ lớn hơn Trái Đất hoảng 100 nghìn tỷ lần.
Những từ trường ấy mạnh đến mức nực cười, và chúng có thể tự gây ảnh hưởng tới những vùng không gian trống xung quanh một ngôi sao neutron.
Trong vật lý cơ bản ta học được từ Newton và Einstein, khoảng không vũ trụ hoàn toàn trống rỗng, nhưng thuyết cơ học lượng tử lại không cho rằng như vậy.
Theo như động lực điện lượng tử QED – một lý thuyết lượng tử lý giải cách thức ánh sáng và vật chất tiếp xúc với nhau – dự đoán, thì vũ trụ có đầy những hạt ảo liên tục tồn tại và biến mất, gây ảnh hưởng tới hoạt động của các hạt ánh sáng photon khi các hạt photon này di chuyển xuyên qua vũ trụ.
Những hạt ảo này không giống như những hạt vật lý thông thường (như các electron, photon) mà ta vẫn biết. Chúng là những điểm bất thường trong lĩnh vực vật lý lượng tử nhưng vẫn có tính chất giống các hạt thường. Điểm khác biệt lớn nhất của các hạt ảo này là chúng không thực sự tồn tại, chúng có thể xuất hiện và biến mất ở bất kì thời điểm nào trong thời gian và không gian.
Trong không gian vũ trụ thông thường, các photon sẽ không bị ảnh hưởng bởi những hạt ảo này, chúng sẽ di chuyển mà không gặp trở ngại gì. Nhưng trong khoảng không vũ trụ bị ảnh hưởng bởi từ trường cực mạnh từ sao neutron kia, những hạt ảo kia sẽ bị kích thích và chúng gây ảnh hưởng rất lớn tới những photon ánh sáng đi qua đó.
“Theo như động lực điện lượng tử, khoảng không bị ảnh hưởng bởi từ trường có hoạt động như một lăng kính với ánh sáng truyền tới, chính hiện tượng đó được gọi là lưỡng chiết chân không”, Mignani giải thích trong một buổi họp báo công bố hiện tượng này.
“Hiệu ứng này chỉ có thể được quan sát trong một từ trường cực kì mạnh, ví dụ như là một từ trường bao quan các sao neutron”, thành viên nhóm nghiên cứu, giáo sư Roberto Turolla từ Đại học Padua, Ý bổ sung.
Những nhà nghiên cứu đã sử dụng kính viễn vọng mặt đất tiên tiến nhất thế giới, Kính viễn vọng Cực lớn VLT của Đài quan sát Nam Châu Âu để quan sát sau neutron nêu trên. Ở đó, họ đã phát hiện ra hiện tượng phân cực của ánh sáng trong khoảng không vũ trụ xung quanh ngôi sao neutron.
“Điều này rất kì lạ, bởi lẽ thuyết tương đối cho rằng ánh sáng sẽ được phép di chuyển tự do xuyên qua khoảng không mà không bị ảnh hưởng gì”, một trong số csc nhà nghiên cứu nói.
“Hiện tượng phân cực này (con số góc bẻ chính xác là 16 độ) là lời lý giải duy nhất cho các thuyết về động lực điện lượng tử và sự ảnh hưởng của các hạt ảo”.
Bước tiếp theo của nghiên cứu này là quan sát và phân tích rõ xem, đây có thực sự là sự kiện lưỡng chiết chân không xảy ra với quy mô của cả một ngôi sao hay không. Nếu đúng như vậy, ta sẽ có cả một hiện tượng lạ mới để nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học lượng tử.

Biết rằng việc tìm ra sóng hấp dẫn là một sự kiện lịch sử, nhưng rốt cục sóng hấp dẫn là gì?

Vừa qua, giới khoa học đã chính thức công bố về việc phát hiện ra sóng hấp dẫn phát ra từ một vụ va chạm "kinh thiên động địa" giữa hai hố đen vũ trụ khổng lồ.
Nhưng sóng hấp dẫn và hố đen vũ trụ là những khái niệm chỉ có những người đam mê vật lý mới có thể am tường. Vậy còn người bình thường, chúng ta sẽ phải hiểu hai khái niệm này như thế nào?
1. Hố đen Vũ trụ
Hố đen là nơi có trọng lực vô cùng lớn trong vũ trụ, có thể hút tất cả mọi thứ xung quanh bao gồm cả ánh sáng.
Tại sao hố đen lại có lực hút mạnh đến vậy? Trước tiên, cần biết rằng hố đen được hình thành sau khi một ngôi sao có khối lượng cực lớn sụp đổ.
Một ngôi sao sẽ có các giai đoạn sau đây: hình thành, trương nở thành sao khổng lồ đỏ, và rồi khi đến "cuối đời" sẽ phát ra vụ nổ siêu tân tinh (supernova). Vụ nổ sẽ khiến khối vật chất trong ngôi sao sụp đổ, nén vào trong một không gian rất hẹp, và đây là lúc hố đen được hình thành.
Để đơn giản hơn, hãy thử tưởng tượng bạn cầm...Trái đất trong lòng bàn tay rồi bóp vặn, nhồi nhét vào trong một chiếc hộp có kích cỡ chỉ bằng một hạt cát. Để làm được điều đó sẽ cần một lực nén vô cùng lớn, đủ sức nghiền nát mọi dạng vật chất lọt vào.
Trong khi đó, điều kiện để hình thành hố đen là ngôi sao đó phải có khối lượng lớn gấp 10 lần Mặt trời. Việc "nhồi" một khối lượng vật chất khổng lồ như vậy vào không gian quá hẹp là lý do vì sao hố đen lại có lực hút vô cùng khủng khiếp.
2. Sóng hấp dẫn
Tiếp theo, chúng ta sẽ cùng đến với sóng hấp dẫn. Đây là một khái niệm trong Thuyết tương đối được Einstein đưa ra vào năm 1915, trong đó Einstein cho rằng vũ trụ là một khoảng không-thời gian không hề cố định, và có tính chất giống như... bể bơi vậy.
Khi ta chạm tay vào nước và di chuyển, ta sẽ thấy từng đợt sóng dao động lan tỏa đi khắp mặt nước. Vũ trụ cũng vậy. Theo Einstein, hiện tượng tương tự sẽ xảy ra khi một vật thể có khối lượng lớn di chuyển trong vũ trụ. Sự di chuyển đó sẽ phát ra các năng lượng dưới dạng sóng, và chúng ta gọi đó là sóng hấp dẫn.
Về lý thuyết, các vật thể có khối lượng lớn di chuyển trong vũ trụ như Trái đất và các tinh cầu đều tạo ra sóng hấp dẫn. Tuy nhiên, cũng giống như khi ta chạm nhẹ đầu ngón tay xuống mặt nước: năng lượng phát ra là quá nhỏ và không thể quan sát.
Chỉ đến khi sự kiện hai hố đen vũ trụ "hợp thể" xảy ra, tạo thành một nguồn năng lượng gấp 50 lần tổng năng lượng của tất cả ngôi sao trong vũ trụ này, nhân loại mới có thể xác nhận được sự tồn tại của hiện tượng này.
Với việc xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn, chúng ta cũng chính thức xác nhận luôn một điều: không-thời gian có thể bị bẻ cong. Giờ hãy tưởng tượng đơn giản bạn ở Việt Nam và muốn sang Mỹ chơi. Thông thường, khoảng cách ngắn nhất là đường chim bay thẳng cánh. Nhưng với lý thuyết bẻ cong được không gian, ta có thể "gập" bản đồ thế giới, đưa Mỹ và Việt Nam sát lại. Đó cũng chính là lời giải cho ước mơ du hành vũ trụ của con người.
Nguồn: Nasa

Người Giới Thiệu: Lê Tuấn Vũ

NHỮNG BÀI GIỚI THIỆU CỦA THÀNH VIÊN KHÁC