Lực hấp dẫn (Gravity)

Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton mô tả lực hấp dẫn thông qua phát biểu: Mọi vật trong vũ trụ đều hút mọi vật khác với một lực tỷ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các tâm của chúng.

Công thức toán học biểu diễn định luật này là:

$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$

Trong đó:

• $F$ là độ lớn của lực hấp dẫn giữa hai vật.
• $G$ là hằng số hấp dẫn, một hằng số tự nhiên có giá trị xấp xỉ $6.674 \times 10^{-11} \, Nm^2/kg^2$.
• $m_1$ và $m_2$ là khối lượng của hai vật.
• $r$ là khoảng cách giữa tâm của hai vật.

Định luật này đã thành công trong việc giải thích nhiều hiện tượng vật lý, từ chuyển động của các hành tinh quanh Mặt Trời đến sự rơi của các vật trên Trái Đất. Tuy nhiên, định luật của Newton không giải thích được một số hiện tượng như sự bẻ cong của ánh sáng khi đi qua gần các vật có khối lượng lớn. Những hiện tượng này sau đó đã được lý giải bởi Thuyết Tương Đối Tổng Quát của Einstein.

Đặc điểm của lực hấp dẫn

Lực hấp dẫn có những đặc điểm sau:

• Luôn là lực hút: Lực hấp dẫn luôn hướng về phía vật còn lại, nghĩa là nó luôn có xu hướng kéo hai vật lại gần nhau.
• Tác dụng từ xa: Lực hấp dẫn tác dụng giữa các vật ngay cả khi chúng không tiếp xúc trực tiếp với nhau.
• Phụ thuộc vào khối lượng: Lực hấp dẫn càng mạnh khi khối lượng của các vật càng lớn.
• Phụ thuộc vào khoảng cách: Lực hấp dẫn giảm nhanh chóng khi khoảng cách giữa các vật tăng lên. Cụ thể, nó tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
• Là lực trường: Lực hấp dẫn được mô tả như một trường lực, nghĩa là mỗi vật có khối lượng đều tạo ra một trường hấp dẫn xung quanh nó.

Vai trò của lực hấp dẫn

Lực hấp dẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều hiện tượng tự nhiên, bao gồm:

• Giữ cho các hành tinh quay quanh Mặt Trời: Lực hấp dẫn của Mặt Trời giữ cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời quay theo quỹ đạo ổn định.
• Tạo ra thủy triều: Lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời tác động lên Trái Đất gây ra hiện tượng thủy triều.
• Hình thành các ngôi sao và thiên hà: Lực hấp dẫn là động lực chính cho sự hình thành các ngôi sao và thiên hà từ các đám mây khí và bụi.
• Duy trì hình dạng của các thiên thể: Lực hấp dẫn giữ cho các hành tinh, ngôi sao và các thiên thể khác có hình dạng cầu hoặc gần cầu.

Thuyết Tương Đối Rộng của Einstein

Thuyết Tương Đối Rộng của Albert Einstein là một lý thuyết hiện đại hơn về lực hấp dẫn so với định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Theo thuyết Tương Đối Rộng, lực hấp dẫn không phải là một lực thực sự, mà là kết quả của sự cong vênh của không-thời gian do sự hiện diện của khối lượng và năng lượng. Thuyết này giải thích được một số hiện tượng mà định luật Newton không giải thích được, chẳng hạn như sự bẻ cong của ánh sáng khi đi qua gần một vật thể có khối lượng lớn. Thuyết Tương đối rộng cũng tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn, những gợn sóng lan truyền trong không-thời gian khi các vật thể khối lượng lớn gia tốc. Sóng hấp dẫn đã được chứng minh là có thật thông qua các quan sát thực nghiệm.

Trường Hấp Dẫn

Khái niệm trường hấp dẫn giúp mô tả ảnh hưởng của một vật có khối lượng lên không gian xung quanh nó. Mỗi vật có khối lượng đều tạo ra một trường hấp dẫn, và bất kỳ vật nào khác nằm trong trường này đều chịu tác dụng của lực hấp dẫn. Cường độ trường hấp dẫn ($g$) tại một điểm được định nghĩa là lực hấp dẫn tác dụng lên một đơn vị khối lượng đặt tại điểm đó.

Công thức tính cường độ trường hấp dẫn do một vật có khối lượng $M$ tạo ra tại khoảng cách $r$ từ tâm của vật là:

$g = \frac{GM}{r^2}$

Đơn vị của cường độ trường hấp dẫn là $N/kg$ hoặc $m/s^2$.

Thế Năng Hấp Dẫn

Thế năng hấp dẫn là năng lượng mà một vật có được do vị trí của nó trong trường hấp dẫn. Nói cách khác, nó là công cần thiết để di chuyển một vật từ vô cực đến một điểm trong trường hấp dẫn.

Công thức tính thế năng hấp dẫn của hai vật có khối lượng $m_1$ và $m_2$ cách nhau một khoảng $r$ là:

$U = -G \frac{m_1 m_2}{r}$

Lưu ý dấu trừ trong công thức. Điều này có nghĩa là thế năng hấp dẫn luôn âm và bằng 0 khi hai vật ở vô cùng xa nhau.

Sự khác biệt giữa Trọng lượng và Khối lượng

Khối lượng là một đại lượng đo lường lượng chất chứa trong một vật, trong khi trọng lượng là lực hấp dẫn tác dụng lên vật đó. Khối lượng là một đại lượng vô hướng và không thay đổi theo vị trí, trong khi trọng lượng là một đại lượng vectơ và thay đổi theo vị trí do sự thay đổi của cường độ trường hấp dẫn. Trọng lượng ($P$) của một vật có khối lượng $m$ được tính bằng:

$P = mg$

trong đó $g$ là gia tốc trọng trường tại vị trí của vật.

Các hiện tượng liên quan đến lực hấp dẫn

• Thấu kính hấp dẫn: Ánh sáng bị bẻ cong khi đi qua gần một vật thể có khối lượng lớn, tạo ra hiệu ứng như một thấu kính. Hiện tượng này được Thuyết Tương Đối Tổng Quát của Einstein dự đoán và đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm.
• Sóng hấp dẫn: Là những gợn sóng trong không-thời gian được tạo ra bởi các sự kiện vũ trụ cực đoan, chẳng hạn như sự va chạm của các lỗ đen. Sóng hấp dẫn mang năng lượng và lan truyền với tốc độ ánh sáng.
• Lỗ đen: Là một vùng không-thời gian có trường hấp dẫn mạnh đến mức không gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi nó. Lỗ đen được hình thành khi một ngôi sao có khối lượng rất lớn sụp đổ dưới tác dụng của chính trọng lực của nó.

• University Physics with Modern Physics, Young and Freedman, Pearson Education.
• Fundamentals of Physics, Halliday, Resnick, and Walker, John Wiley & Sons.
• A Brief History of Time, Stephen Hawking, Bantam Books.
• Cosmos, Carl Sagan, Random House.

Câu hỏi và Giải đáp

Nếu định luật vạn vật hấp dẫn của Newton phụ thuộc vào khoảng cách giữa tâm của hai vật, thì điều gì xảy ra khi hai vật chồng lên nhau, tức là r = 0?

Trả lời: Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton được xây dựng trên mô hình các vật là chất điểm. Trong thực tế, các vật thể có kích thước hữu hạn. Khi hai vật chồng lên nhau, chúng ta không thể coi chúng là chất điểm nữa. Lúc này, cần phải tính toán lực hấp dẫn bằng cách tích phân lực hấp dẫn giữa từng phần tử nhỏ của hai vật. Trong trường hợp hai vật hình cầu đồng chất chồng lên nhau, tâm khối lượng của phần vật chất nằm bên trong hình cầu nhỏ hơn sẽ trùng với tâm của hình cầu đó.

Thế nào là nguyên lý tương đương trong thuyết tương đối rộng và nó liên quan đến lực hấp dẫn như thế nào?

Trả lời: Nguyên lý tương đương phát biểu rằng không thể phân biệt được giữa một trường hấp dẫn đều và một hệ quy chiếu gia tốc đều. Nói cách khác, hiệu ứng của gia tốc và trọng lực là tương đương. Nguyên lý này là nền tảng cho thuyết tương đối rộng, cho rằng lực hấp dẫn không phải là một lực thực sự, mà là kết quả của sự cong vênh của không-thời gian do sự hiện diện của khối lượng và năng lượng.

Tại sao lực hấp dẫn lại yếu hơn rất nhiều so với các lực cơ bản khác?

Trả lời: Đây là một trong những câu hỏi lớn chưa được giải đáp đầy đủ trong vật lý hiện đại. Có nhiều giả thuyết được đề xuất, bao gồm sự tồn tại của các chiều không gian thêm mà lực hấp dẫn có thể “rò rỉ” vào đó, hoặc sự tồn tại của các hạt trung gian chưa được phát hiện (graviton) tương tác rất yếu.

Nếu Trái Đất quay nhanh hơn, trọng lượng của chúng ta sẽ thay đổi như thế nào?

Trả lời: Nếu Trái Đất quay nhanh hơn, lực hướng tâm tác dụng lên chúng ta sẽ tăng lên. Lực hướng tâm này hướng ra ngoài, ngược chiều với lực hấp dẫn. Do đó, trọng lượng biểu kiến của chúng ta sẽ giảm. Nếu Trái Đất quay đủ nhanh, chúng ta thậm chí có thể bị văng ra khỏi bề mặt Trái Đất.

Làm thế nào các nhà khoa học có thể đo được hằng số hấp dẫn G?

Trả lời: Hằng số hấp dẫn G được đo bằng các thí nghiệm rất tinh vi, thường sử dụng cân xoắn. Cân xoắn đo lực hấp dẫn rất nhỏ giữa các khối lượng thử nghiệm. Bằng cách biết khối lượng của các vật và khoảng cách giữa chúng, cùng với lực hấp dẫn đo được, ta có thể tính toán giá trị của G.