Lực hấp dẫn của Einstein
Định luật hấp dẫn của Newton dường như mô tả một lực vô hình, gần như thần kì, tác dụng giữa mọi vật cho dù chúng ở xa nhau bao nhiêu (mặc dù nó thật sự yếu đi nhiều theo khoảng cách) và cho dù nằm giữa chúng là cái gì đi nữa, thậm chí là không gian trống rỗng. Vì thế, chúng ta nói lực hấp dẫn không cần “môi trường” (hay “chất liệu”) để truyền tác dụng. Einstein đưa ra một lời giải thích sâu sắc hơn quan điểm này. Ông khẳng định lực hấp dẫn không tác dụng trực tiếp lên vật mà lên bản thân không gian, làm cho nó bị cong. Sự cong này của không gian khi đó làm cho các vật bên trong nó hành xử theo kiểu khác với kiểu chúng hành xử nếu như không gian không bị cong. Khó hiểu ư? Ta hãy lùi lại một bước và xem Einstein đã đi tới cách lí giải thâm thúy dường như không cần thiết này như thế nào.
Bạn có lần nào ngồi vào trò chơi mô phỏng chuyển động ở công viên giải trí chưa? Bạn ngồi cùng với một vài hành khách khác bên trong một khoang đóng kín và xem một đoạn phim ngắn về một cảnh săn đuổi ngoạn mục. Khoang ngồi có cảm giác thật sự như đang tăng tốc, hãm phanh, lượn vòng qua những chỗ cua gắt, leo lên chỗ nhô lên, trèo lên và rơi xuống. Thật vậy, việc đánh lừa sự hoài nghi của bạn dễ đến bất ngờ. Nguyên lí sử dụng trong những trò chơi này được gọi là nguyên lí tương đương Einstein và nó đơn giản đến mức có thể nói ngắn gọn trong một từ: lực g (hay là hai từ nhỉ?) Einstein nhận ra rằng lực mà bạn cảm nhận khi đang gia tốc (có lẽ rõ ràng nhất là khi trên một chiếc máy bay đang tăng tốc trên đường băng ngay trước khi cất cánh) và lực hấp dẫn là tương đương với nhau. Thật vậy, ta nói gia tốc của chiếc máy bay đẩy chúng ta về phía ghế ngồi đang cung cấp một lực g. Chữ “g” là kí hiệu cho lực hấp dẫn, và trên thực tế, là một đại lượng có đơn vị của gia tốc chứ không phải lực. Vì thế một gia tốc một “g” sẽ bằng với gia tốc mà một vật chịu khi đang rơi.
Thoạt đầu, điều này nghe có vẻ gượng gạo. Rốt cuộc lực đang đẩy bạn lên chỗ ngồi là cái xảy ra với chuyển động và sự gia tốc trong khi lực hấp dẫn tác dụng ngay cả khi bạn đang đứng (với việc giữ bạn dính trên mặt đất). Nhưng hãy nghĩ một chút xem buồng mô phỏng chuyển động hoạt động như thế nào. Làm thế nào bạn có cảm giác gia tốc ngay cả khi bạn không thèm nhìn vào những hình ảnh ấn tượng trên màn hình? Nói chung, buồng mô phỏng không chuyển động đi đâu hết, nó chỉ lật đảo xung quanh chỗ của nó thôi. Tất cả những cái nó cần làm để gây ra ấn tượng của sự gia tốc về phía trước, ví dụ là một “g”, là lật ra phía sau để bạn và ghế ngồi của bạn quay mặt lên trên. Chúng ta đã quen thuộc với cảm giác ngả lưng trên gường hàng đêm nên chúng ta quên mất sức hút của lực hấp dẫn của Trái đất kéo đầu chúng ta xuống dưới gối. Thật ra, lực này chúng ta thường biết là tương đương với lực đẩy chúng ta ra phía sau chỗ ngồi nếu chúng ta đang ngồi trong một chiếc xe đang tăng tốc từ trạng thái nghỉ lên 60 dặm/giờ chỉ trong vòng chừng hai phút rưỡi!
Đây là nguyên do tại sao dễ đánh lừa não nghĩ rằng lực hấp dẫn mà chúng ta đang cảm nhận thật sự trong buồng mô phỏng là một lực gia tốc. Theo kiểu tương tự như vậy, khi buồng mô phỏng chuyển động của chúng ta dừng lại đột ngột đến mức chúng ta cảm thấy bản thân mình bị ném về phía trước, thì tất cả những cái đang diễn ra là buồng mô phỏng đang ngả chúng ta về phía trước và để cho lực hấp dẫn làm công việc còn lại.
Một ví dụ khác chứng minh nguyên lí tương đương đang hoạt động là mặt ngược lại của ví dụ buồng mô phỏng, đó là sử dụng gia tốc để mô phỏng lực hấp dẫn. Đây là ví dụ được sử dụng phổ biến nhất khi giảng dạy nguyên lí trên. Hãy tưởng tượng bạn bị giữ ngồi tại chỗ trên một tên lửa thật sự đang chờ đếm ngược đến giờ rời bệ phóng. Chỗ ngồi của bạn bố trí sao cho bạn quay mặt lên trên về phía đầu (phía trước) của tên lửa. Tiếp tục, hãy tưởng tượng bạn đang thư giãn và nghỉ ngợi về chuyến hành trình nên bạn ngủ quên mất – trên thực tế, khó mà dám ngủ quên như vậy, tôi biết chứ. Khi bạn thức dậy, và trước khi có cơ hội nhìn ra ngoài cửa sổ, thì nguyên lí tương đương sẽ phát biểu rằng bạn sẽ không có khả năng phân biệt cảm giác bạn cảm thấy nếu tên lửa vẫn nằm trên bệ phóng với lực hấp dẫn đang hút bạn xuống phía dưới ghế ngồi, và cảm giác bạn sẽ cảm thấy nếu tên lửa đã rời Trái đất từ lâu và hiện tại ở trong không gian đang gia tốc với độ lớn một “g”. Thật vậy, nếu bạn tiếp tục tạm thời không nhìn qua cửa sổ để kiểm tra xem bóng tối mù mịt của không gian trống rỗng hay quang cảnh quen thuộc của trạm phóng tên lửa đang nhìn vào phía sau bạn, thì bạn sẽ không tìm thấy bất kì thí nghiệm nào mà bạn có khả năng thực hiện bên trong tên lửa sẽ cho phép bạn dự đoán bạn đang ở đâu2. Những thí nghiệm mà tôi nói là bất cứ cái gì từ những quan sát đơn giản, ví dụ như khảo sát sự đong đưa của một con lắc hay quan sát một quả bóng rơi, đến những phép đo phức tạp sử dụng các chùm laser và gương; về cơ bản là bất kì thí nghiệm nào có thể phân biệt giữa hành trạng của những vật đang chịu gia tốc một “g” và tác dụng của lực hấp dẫn của Trái đất.
2Vâng, trên nguyên tắc, và với thiết bị đủ nhạy, bạn có thể nói ra sự khác biệt đó vì trường hấp dẫn của Trái đất là trường xuyên tâm chứ không phẳng. Điều này có nghĩa là nếu bạn thả rơi hai quả cầu sát bên nhau trên Trái đất, chúng sẽ đều đi theo đường thẳng về phía tâm Trái đất. Hai đường thẳng không song song với nhau hoàn toàn. Trong tên lửa đang gia tốc, chúng sẽ hoàn toàn song song nhau.
Cuối cùng, nghi ngờ quá nhiều nên bạn nhìn ra ngoài xem bạn có thật sự đang gia tốc trong vũ trụ hay không. Tuy nhiên, tất cả những thí nghiệm đó đã làm bạn kiệt sức và bạn lại ngủ thiếp đi. Khi bạn thức dậy, bạn cảm thấy không trọng lượng. Bạn nên nhớ giữ mình lại tại chỗ, nếu không bạn sẽ nổi bồng bềnh và va đầu vào bảng điều khiển mất. Giờ thị bạn gặp một trục trặc nữa nếu bạn không nhìn ra bên ngoài. Bạn thấy, hoặc có thể bạn đang trôi giạt trong vũ trụ ở một vận tốc không đổi với động cơ tên lửa đã ngừng hoạt động, cái đảm bảo giải thích cho cảm giác không trọng lượng, hoặc có thể bạn đang rơi trong bầu khí quyển của Trái đất và có nguy cơ thiệt mạng nếu bạn không nhanh chóng nắm quyền kiểm soát tên lửa. Bạn thấy đó, khi bạn đang rơi tự do trong trường hấp dẫn của Trái đất bạn cảm nhận sự không trọng lượng, cứ như thể lực hút hấp dẫn của Trái đất không còn nữa.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
