Tương tác hấp dẫn (Gravitational interaction)

Định luật Vạn vật Hấp dẫn của Newton

Isaac Newton đã mô tả tương tác hấp dẫn với định luật vạn vật hấp dẫn của ông, phát biểu rằng lực hấp dẫn giữa hai vật điểm tỉ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Công thức toán học cho định luật này là:

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

Trong đó:

• $F$ là lực hấp dẫn giữa hai vật.
• $G$ là hằng số hấp dẫn, một hằng số vật lý cơ bản 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 chính xác cho hầu hết các ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày và trong hệ Mặt Trời. Tuy nhiên, nó có những hạn chế và không thể giải thích được một số hiện tượng hấp dẫn phức tạp hơn, chẳng hạn như sự bẻ cong của ánh sáng xung quanh các vật thể có khối lượng lớn hoặc quỹ đạo của Sao Thủy.

Đặc điểm của Tương tác Hấp dẫn

• Luôn hút: Khác với tương tác điện từ có thể hút hoặc đẩy, tương tác hấp dẫn luôn là lực hút.
• Tác dụng ở khoảng cách xa: Mặc dù lực hấp dẫn yếu đi theo bình phương khoảng cách, nó vẫn tác dụng ở khoảng cách rất xa. Ví dụ, Mặt Trời tác dụng lực hấp dẫn lên Trái Đất mặc dù khoảng cách giữa chúng rất lớn.
• Phổ quát: Tương tác hấp dẫn tác dụng lên tất cả các vật thể có khối lượng hoặc năng lượng.
• Yếu nhất trong bốn tương tác cơ bản: So với ba tương tác cơ bản còn lại, tương tác hấp dẫn là yếu nhất. Điều này giải thích tại sao chúng ta dễ dàng nhấc một vật lên khỏi mặt đất mặc dù toàn bộ Trái Đất đang hút nó xuống.
• Liên quan đến độ cong của không-thời gian (theo Thuyết Tương đối rộng): Albert Einstein đã cách mạng hóa sự hiểu biết về tương tác hấp dẫn với Thuyết Tương đối rộng. Theo thuyết này, khối lượng và năng lượng làm cong không-thời gian xung quanh chúng, và lực hấp dẫn thực chất là biểu hiện của sự cong này. Vật thể chuyển động theo đường cong ngắn nhất trong không-thời gian bị cong này, tạo ra hiện tượng mà chúng ta quan sát là lực hấp dẫn.

Vai trò của Tương tác Hấp dẫn

Tương tác hấp dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và tiến hóa của vũ trụ:

• Hình thành các cấu trúc vũ trụ: Lực hấp dẫn là nguyên nhân chính dẫn đến sự hình thành của các ngôi sao, hành tinh, thiên hà và các cụm thiên hà.
• Quỹ đạo của các thiên thể: Lực hấp dẫn giữ các hành tinh quay quanh Mặt Trời, Mặt Trăng quay quanh Trái Đất, và các ngôi sao quay quanh tâm thiên hà.
• Thủy triều: Lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời gây ra thủy triều trên Trái Đất.
• Sự giãn nở của vũ trụ: Tương tác hấp dẫn cũng ảnh hưởng đến tốc độ giãn nở của vũ trụ.

Nghiên cứu Hiện tại

Các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về bản chất của tương tác hấp dẫn, bao gồm việc tìm kiếm các hạt truyền tương tác hấp dẫn (graviton) và tìm cách thống nhất tương tác hấp dẫn với ba tương tác cơ bản còn lại trong một lý thuyết thống nhất.

Vấn đề Ba Vật Thể

Bài toán ba vật thể là một bài toán cổ điển trong cơ học thiên thể, xem xét chuyển động của ba vật thể chịu tác động của lực hấp dẫn lẫn nhau. Ngay cả trong trường hợp đơn giản hóa với ba vật điểm, bài toán này nói chung không có nghiệm giải tích tổng quát. Tuy nhiên, có một số trường hợp đặc biệt có thể giải được, ví dụ như bài toán hạn chế ba vật thể, trong đó một vật thể có khối lượng rất nhỏ so với hai vật thể còn lại.

Lỗ Đen

Lỗ đen là một vùng không-thời gian có trường hấp dẫn mạnh đến mức không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi nó. Lỗ đen được hình thành khi một ngôi sao có khối lượng lớn sụp đổ dưới tác dụng của lực hấp dẫn của chính nó. Bán kính Schwarzschild, $R_s$, được dùng để mô tả kích thước của một lỗ đen:

$R_s = \frac{2GM}{c^2}$

Trong đó:

• $G$ là hằng số hấp dẫn.
• $M$ là khối lượng của lỗ đen.
• $c$ là tốc độ ánh sáng.

Sóng Hấp dẫn

Sóng hấp dẫn là những gợn sóng trong không-thời gian được tạo ra bởi sự gia tốc của các vật thể có khối lượng lớn, chẳng hạn như các hệ sao đôi neutron hoặc lỗ đen. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn đã được Albert Einstein dự đoán trong Thuyết Tương đối rộng và được phát hiện trực tiếp lần đầu tiên vào năm 2015.

Năng lượng Hấp dẫn

Năng lượng hấp dẫn là dạng năng lượng tiềm tàng liên quan đến vị trí của một vật thể trong trường hấp dẫn. Ví dụ, một vật ở độ cao cao hơn có năng lượng hấp dẫn lớn hơn so với vật ở độ cao thấp hơn. Công thức tính năng lượng hấp dẫn tiềm năng của một vật gần bề mặt Trái Đất là:

$E_p = mgh$

Trong đó:

• $m$ là khối lượng của vật.
• $g$ là gia tốc trọng trường.
• $h$ là độ cao của vật so với một điểm mốc.

Hằng số Vũ trụ và Năng lượng Tối

Hằng số vũ trụ, được ký hiệu là $\Lambda$, là một hằng số được Einstein đưa vào phương trình trường của Thuyết Tương đối rộng. Nó đại diện cho mật độ năng lượng của chân không và có liên quan đến năng lượng tối, một dạng năng lượng bí ẩn được cho là nguyên nhân gây ra sự giãn nở gia tốc của vũ trụ.

Vật chất Tối

Vật chất tối là một dạng vật chất không phát ra, hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng, do đó không thể quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, sự tồn tại của nó được suy ra từ các hiệu ứng hấp dẫn của nó lên vật chất nhìn thấy được, bức xạ và cấu trúc của vũ trụ.

• Misner, C. W., Thorne, K. S., & Wheeler, J. A. (1973). Gravitation. W. H. Freeman.
• Schutz, B. F. (2009). A first course in general relativity. Cambridge university press.
• Carroll, S. M. (2004). Spacetime and geometry: An introduction to general relativity. Addison Wesley.
• Hartle, J. B. (2003). Gravity: An introduction to Einstein’s general relativity. Addison-Wesley.
• Weinberg, S. (1972). Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Nếu lực hấp dẫn là yếu nhất trong bốn lực cơ bản, tại sao nó lại chi phối cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ?

Trả lời: Mặc dù lực hấp dẫn yếu hơn các lực khác ở mức độ hạt cơ bản, nhưng nó luôn là lực hút và có phạm vi tác dụng vô hạn. Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn của một lượng lớn vật chất có thể cộng lại theo thời gian để tạo ra một lực rất lớn, đủ để hình thành các ngôi sao, thiên hà và các cấu trúc lớn khác trong vũ trụ. Các lực khác, như lực điện từ, có thể hút và đẩy, nên chúng có xu hướng triệt tiêu lẫn nhau ở quy mô lớn.

Làm thế nào mà Thuyết Tương đối rộng giải thích được sự tiến động của điểm cận nhật của sao Thủy, một hiện tượng mà định luật Newton không thể giải thích?

Trả lời: Định luật Newton dự đoán một quỹ đạo elip cố định cho các hành tinh. Tuy nhiên, quỹ đạo của sao Thủy có một sự tiến động nhỏ của điểm cận nhật, tức là điểm gần Mặt Trời nhất của quỹ đạo của nó dịch chuyển theo thời gian. Thuyết Tương đối rộng giải thích điều này bằng cách tính đến sự cong vênh của không-thời gian do khối lượng của Mặt Trời gây ra. Sự cong vênh này ảnh hưởng đến quỹ đạo của sao Thủy, gây ra sự tiến động quan sát được.

Sóng hấp dẫn được tạo ra như thế nào và chúng mang lại thông tin gì cho chúng ta?

Trả lời: Sóng hấp dẫn được tạo ra khi các vật thể có khối lượng lớn gia tốc, chẳng hạn như hệ sao đôi neutron hoặc lỗ đen quay quanh nhau. Những sự kiện này gây ra những gợn sóng trong không-thời gian, lan truyền ra ngoài với tốc độ ánh sáng. Bằng cách phân tích các sóng hấp dẫn, chúng ta có thể tìm hiểu về các nguồn tạo ra chúng, bao gồm khối lượng, spin và khoảng cách của chúng. Điều này cung cấp cho chúng ta một cái nhìn mới về các hiện tượng vũ trụ năng lượng cao mà trước đây chúng ta không thể quan sát được.

Vai trò của hằng số vũ trụ $\Lambda$ trong phương trình trường Einstein là gì và nó liên quan như thế nào đến năng lượng tối?

Trả lời: Hằng số vũ trụ $\Lambda$ được Einstein đưa vào phương trình trường của ông để mô tả một vũ trụ tĩnh. Tuy nhiên, sau khi phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ, ông đã bỏ nó đi. Gần đây, hằng số vũ trụ đã được “hồi sinh” để giải thích cho sự giãn nở gia tốc của vũ trụ, được cho là do năng lượng tối gây ra. Hằng số vũ trụ đại diện cho mật độ năng lượng của chân không và được cho là liên quan đến năng lượng tối, mặc dù bản chất chính xác của mối quan hệ này vẫn chưa được hiểu rõ.

Nếu vật chất tối không tương tác với ánh sáng, làm thế nào chúng ta biết nó tồn tại?

Trả lời: Chúng ta suy ra sự tồn tại của vật chất tối từ các hiệu ứng hấp dẫn của nó lên vật chất nhìn thấy được. Ví dụ, tốc độ quay của các thiên hà cho thấy có nhiều khối lượng hơn những gì chúng ta có thể quan sát được. Sự phân bố của vật chất trong vũ trụ quy mô lớn, được quan sát thông qua thấu kính hấp dẫn và nền vi sóng vũ trụ, cũng cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của vật chất tối. Mặc dù chúng ta chưa quan sát trực tiếp được vật chất tối, nhưng ảnh hưởng hấp dẫn của nó là không thể phủ nhận.