Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 7)

SỰ HẤP DẪN

Quả táo và mặt trăng

Theo truyền thuyết, Isaac Newton đang ngồi dưới một cây táo, thì một quả táo rơi trúng đầu ông, và ông đã khám phá ra định luật hấp dẫn – hàm ý rằng có lẽ một cú hích vào đầu đã kích thích một ánh lóe tư duy. (Quả táo rơi – bịch – ánh sáng lóe lên trong đầu và, hừm, dường như mặt đất đang tác dụng một lực lên quả táo hút nó xuống) Tất nhiên, vấn đề không đơn giản vậy. Newton chẳng phải là người đầu tiên để ý thấy các vật rơi xuống! Kiến thức của ông sâu sắc hơn thế nhiều.

Có lẽ câu chuyện quả táo rơi chỉ là truyền thuyết, nhưng theo lời Newton, chính sự chứng kiến một quả táo rơi trong vườn nhà mẹ ông (cùng với những vấn đề khác như tại sao Mặt trăng chuyển động xung quanh Trái đất) đã dẫn ông đến định luật vạn vật hấp dẫn nổi tiếng của mình. Vậy thì Newton có thể nhìn thấy cái gì từ câu chuyện quả táo rơi mà trước đó ông không nhìn thấy? Nói cho đơn giản thì ông đã nhìn thấy vượt ngoài cái hiển nhiên – rằng mọi vật có xu hướng muốn chuyển động về phía Trái đất – và ông nhận ra rằng có một lực hút giữa quả táo và Trái đất không những làm cho quả táo rơi xuống phía Trái đất mà còn làm cho Trái đất rơi lên phía quả táo. Thật vậy, tốt hơn ta không nên nghĩ tới những vật rơi mà hãy nghĩ Trái đất và quả táo bị hút về phía nhau.

Cởi mở, thân thiện, hòa đồng, một con người thuộc về gia đình. Tất cả những đặc điểm này là khá xa lạ với Isaac Newton. Sinh ra tại Woolsthorpe ở Lincolnshire, nước Anh, vào ngày Giáng sinh năm 1642¹, ông là một người cô độc chưa bao giờ kết hôn và không có mấy bạn bè. Về cuối đời mình, ông còn dấn thân vào những cuộc tranh cãi lôi thôi, chua chát với những nhà khoa học khác xem ai đã khám phá ra những thứ nhất định trước. Tuy nhiên, bất chấp hình ảnh nhà khoa học tiêu cực như thế, nói chung trên các phương tiện truyền thông hiện nay, đa số giới trẻ không biết đến những chi tiết ấy, và Newton vẫn là một nhà khoa học tiêu biểu. Cái ông thiếu sót là những kĩ năng xã hội mà, theo quan điểm của nhiều người, những nhà khoa học lớn nên có. Ông đã có quá nhiều đóng góp cho quá nhiều lĩnh vực nên phần lớn vật lí học được giảng dạy ở nhà trường ngày nay được gọi là vật lí học Newton. Gọi như vậy để phân biệt nó với vật lí hiện đại của thế kỉ 20 sẽ được trình bày trong cuốn sách này. Newton còn phát minh ra kĩ thuật toán học giải tích là công cụ chuẩn trong nghiên cứu phần lớn vật lí học ngày nay. Tuy nhiên, vấn đề khám phá ra giải tích là nguyên nhân của một cuộc tranh cãi kéo dài. Tranh luận xoay quanh vấn đề Newton hay nhà toán học người Đức Gottfried Leibnitz có thể đã thiết lập ra nó trước. Trong vòng xoáy khoa học của thời kì ấy, cuộc tranh cãi, trong đó người Anh và người Đức mỗi bên khẳng định đối phương đã ăn cắp ý tưởng của mình, na ná như sự kình địch ngày nay của hai đội tuyển quốc gia trên sân cỏ. Tuy nhiên, không giống như trên sân cỏ, nơi những quả phạt đền có thể giải quyết được vấn đề, trong trận chiến giải tích không có bên nào chiến thắng cả. Dường như mỗi bên đã phát triển kĩ thuật một cách độc lập. Dẫu sao, phần lớn kiến thức nền tảng đã được thiết lập nửa thế kỉ trước đó bởi nhà toán học vĩ đại người Pháp, Fermat.

[¹Ngày tháng này là tính theo lịch Julian dùng ở Anh lúc ấy. Theo lịch Gregory, loại lịch dùng ở những châu Âu khác khi ấy và sử dụng rộng rãi trên thế giới ngày nay, ngày sinh của Newton là ngày 4 tháng 1 năm 1643.]

Trở lại với lực hấp dẫn. Từ lâu trước Newton, người ta đã nhận ra rằng nguyên nhân các vật rơi xuống là do Trái đất tác dụng một lực lên mọi vật hút chúng về phía nó. Người ta cũng biết rằng Mặt trăng quay xung quanh Trái đất vì Trái đất tác dụng một lực bí ẩn nào đó lên nó, ngăn không cho nó trôi nổi vào không gian. Newton đã kết nối hai hiện tượng này. Quy cho chuyển động của Mặt trăng và quả táo rơi là một và cùng một lực (lực hấp dẫn) là cú đòn chí mạng của nhà thiên tài. Cho đến khi ấy, người ta vẫn tin rằng những định luật của tự nhiên chi phối hành trạng của vật trên mặt đất (quả táo) và những vật trên trời (Mặt trăng) là hoàn toàn khác nhau.

Định luật hấp dẫn của Newton phát biểu rằng hai vật bất kì trong Vũ trụ sẽ bị hút nhau bởi một lực vô hình. Trái đất và mỗi và mọi vật trên bề mặt của nó, Trái đất và Mặt trăng, Mặt trời và các hành tinh, thậm chí Mặt trời và phần còn lại của thiên hà của chúng ta, đều đang bị hút về phía nhau. Như vậy, không chỉ có Trái đất giữ chúng ta dính trên bề mặt của nó; mà theo một nghĩa nào đó, chúng ta đang giữ Trái đất dính vào chân mình vì chúng ta đang hút Trái đất về phía chúng ta với một lực bằng với lực do nó tác dụng lên chúng ta. Khi tôi nó ở phần trước rằng Trái đất rơi lên phía quả táo đang rơi là tôi muốn nói theo nghĩa đen. Vấn đề là, vì đang dính vào bề mặt Trái đất, nên ta thấy quả táo chuyển động về phía Trái đất. Nhưng quả táo có quyền khẳng định nó không chuyển động gì cả và Trái đất đang chuyển động về phía nó.

Tương tự như vậy, một người đàn ông và một người phụ nữ đang trôi nổi ở gần nhau trong không gian trống rỗng sẽ bị hút vật lí về phía nhau – cho dù họ không bị ‘hút tâm lí’ về phía nhau! – bởi một lực hấp dẫn sẽ làm cho họ từ từ trôi giạt lại gần nhau. Tuy nhiên, lực này sẽ rất yếu (tương đương với lực nhỏ xíu dùng để nhặt một hạt đường cát nếu ban đầu họ cách nhau vài centimet). Lực hấp dẫn là rất yếu khi các khối lượng có liên quan là nhỏ.

Làm thế nào chính lực hấp dẫn làm cho quả táo rơi lại không hút Mặt trăng xuống Trái đất? Sự khác biệt giữa hai trường hợp là, bất chấp khối lượng lớn hơn nhiều của Mặt trăng, nó ở trong quỹ đạo xung quanh Trái đất và tại mỗi thời điểm bất kì, nó đang chuyển động theo một hướng tiếp tuyến với đường quỹ đạo của nó, trong khi quả táo thì đang chuyển động về phía tâm Trái đất. Thật ra, đây là một cách nói không hay. Một định nghĩa tốt hơn của “ở trong quỹ đạo” là nói Mặt trăng đang rơi về phía Trái đất theo một đường cong tạo thành một quỹ đạo tròn xung quanh Trái đất sao cho nó không bao giờ đi đến gần hơn được. Khi Newton lần đầu tiên tính ra kết quả này trong năm dịch bệnh 1666, ông nghĩ ông đã có câu trả lời sai, và chán nản không thèm công bố kết quả của mình. Chỉ nhiều năm sau này, khi thảo luận vấn đề trên với người bạn của ông, Edmund Halley (tên ông là tên một sao chổi nổi tiếng), Newton mới nhận ra tầm quan trọng của khám phá của ông.

Định luật hấp dẫn của Newton cực kì thành công trong ba trăm năm tiếp sau đó. Lưu ý rằng nó được gọi là một định luật của sự hấp dẫn vì các nhà khoa học chắc chắn nó là lời nói cuối cùng về vấn đề trên, chứ không chỉ là một lí thuyết có thể bị bác bỏ nếu và khi xuất hiện cái gì đó tốt hơn. Nhưng chính xác thì điều đó đã xảy ra vào năm 1915. Nhân vật ấy là Einstein. Albert Einstein.

Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian