Những con số làm nên vũ trụ - Phần 35

Tại sao lực điện và lực hấp dẫn khác biệt đến vậy?

Định luật lực hấp dẫn và định luật lực điện gần như giống hệt nhau khi biểu diễn trên phương diện toán học. Định luật vạn vật hấp dẫn Newton là F = GmM / r², trong đó m và M là hai khối lượng, r là khoảng cách giữa chúng, và G là hằng số hấp dẫn. Định luật Coulomb là F = kqQ / r², trong đó q và Q là hai điện tích, r là khoảng cách giữa chúng và k là hằng số tỉ lệ có ý nghĩa và giá trị chính xác chúng ta sẽ thấy trong vài trang tiếp theo. Có một số khác biệt quan trọng giữa những hiện tượng mà hai công thức này mô tả. Các khối lượng m và M chỉ có thể có giá trị dương, và lực hấp dẫn luôn là lực hút; mỗi khối lượng hút lấy mỗi khối lượng khác. Mặt khác, các giá trị q và Q có thể nhận giá trị dương hoặc âm, và lực điện có khi là lực hút (khi q và Q khác dấu) và có khi là lực đẩy (khi q và Q cùng dấu).

Một kết quả của hai thực tế này là mỗi người chúng ta là một vật hút hấp dẫn, vì mỗi người chúng ta đều có khối lượng dương, nhưng mỗi người chúng ta là trung hòa điện, cho nên chúng ta không hút cũng không đẩy lên các vật nhiễm điện (trừ trường hợp vào một ngày lạnh chúng ta đi trên thảm và thu lấy điện tích tĩnh điện) – bởi vì điện tích trung bình của các hạt trong cơ thể chúng ta là bằng không. Tuy nhiên, lí thuyết hấp dẫn và lí thuyết lực điện tiên đoán những hành trạng khác nhau cho những vật có tích hấp dẫn tổng hợp (tức là khối lượng, đó là vạn vật trong vũ trụ) và điện tích tổng hợp. Các tích hấp dẫn hút lẫn nhau, và như Newton trình bày, mọi vật đều có một trọng tâm và lực hấp dẫn phát ra từ vật đó có thể xem là phát ra từ trọng tâm của nó. Ngoài ra, các khối lượng hút lẫn nhau, điều đó giải thích tại sao nhân sắt nóng chảy của Trái đất nằm tại lõi của Trái đất chứ nếu không thì sự sống trên Trái đất làm sao là có thể khi mà toàn bộ hành tinh phủ đầy một đại dương sắt lỏng.

Tuy nhiên, Coulomb trình bày rằng vì các điện tích cùng dấu đẩy lẫn nhau, cho nên mọi điện tích toàn phần mà một vật có tốt nhất là đi càng xa những điện tích khác trên vật đó càng tốt. Hệ quả là điện tích tổng hợp tự phân bố chúng trên bề mặt vật. Mặc dù Coulomb đã lưu ý điều này trong các thí nghiệm của ông, nhưng ông đã chứng minh nó thành một định lí trong quyển Hồi kí Thứ tư của ông. Đối với những ai không tin rằng những định lí toán học có những ứng dụng thực tế, dưới đây là một lời khuyên có khi cứu mạng người là một hệ quả của định lí Coulomb: nếu bạn bị mắc lại trên đường trong cơn mưa giông có sét, thì hãy ở yên trong xe của bạn! Cho dù xe của bạn có bị sét đánh trúng, do đó có một điện tích tổng hợp, nhưng điện tích đó sẽ tự phân bố ở phía ngoài của xe, và miễn là bạn ở bên trong xe và không chạm với bất kì vật nào dẫn điện nối với bên ngoài xe, thì bạn vẫn an toàn. Định lí này được chứng minh một cách ấn tượng bởi Nicola Tesla, ông ngồi bên trong một “lồng sét” trầm tĩnh đọc sách trong khi những cú sét nhân tạo khủng khiếp xuyên ngang dọc xung quanh ông.