Khối lượng hấp dẫn
Điều này mang lại cho chúng ta mảnh ghép cuối cùng của câu đố.
Khi chúng ta nghĩ ở phần trước về cách đo khối lượng của vật gì đó, có lẽ bạn đã có ý tưởng khác với phương pháp khẩu súng Nerf chính xác của chúng tôi: chỉ mỗi việc dùng cân là xong! Cái cân đo trọng lượng của một vật, nghĩa là lực hút hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên nó. Đó là thứ liên hệ rất gần với khối lượng, bởi vì vật có khối lượng càng lớn thì Trái Đất hút nó càng mạnh. Lực Trái Đất tác dụng lên một con voi lớn hơn lực Trái Đất tác dụng lên một miếng vải lụa.
Trong trường hợp một hạt, bạn có thể nghĩ về khối lượng hấp dẫn là điện tích hấp dẫn. Khi hai hạt có điện tích, chúng chịu lực điện tác dụng lên nhau, và lực điện tỉ lệ với các điện tích đó. Theo kiểu y hệt, khi hai hạt có khối lượng, chúng chịu lực hút hấp dẫn tỉ lệ với khối lượng của chúng.
Lạ thay, bạn không thể có khối lượng âm, thành ra không bao giờ có lực đẩy hấp dẫn, mà chỉ có lực hút.37 Lực hấp dẫn khác với những lực kia ở chỗ đó, chúng ta sẽ bàn về điều đó chi tiết hơn trong chương sau.
Phải chăng có hai loại khối lượng cùng lúc?
Khối lượng hấp dẫn có giống với khối lượng quán tính mà chúng ta nói tới ở vài trang trước hay không? Có… và không.
Không, bởi vì khối lượng này chúng ta gọi là “khối lượng hấp dẫn”, nó xác định lực hấp dẫn tác dụng lên một vật, và chúng ta đo nó bằng một kĩ thuật khác (cân) với phương pháp chúng ta làm với khối lượng quán tính.38
Và, có, vì chúng ta có thể đo khối lượng bằng cả hai cách, và cho đến nay chúng ta chưa từng quan sát thấy một chút khác biệt nào giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính của một vật.
Nghĩ xem điều đó lạ như thế nào. Chẳng có lí do trực giác thật sự nào cho biết hai khối lượng phải bằng nhau. Một trong số chúng (khối lượng quán tính) là mức cản trở chuyển động của một vật, và một kia (khối lượng hấp dẫn) là nó muốn được dịch chuyển bao nhiêu bởi lực hấp dẫn.
Bạn có thể làm một thí nghiệm đơn giản để xác nhận điều này. Thả rơi hai vật có khối lượng khác nhau (ví dụ một con mèo và một con lạc đà) trong chân không (vì thế chẳng có lực cản của không khí) và bạn sẽ thấy chúng rơi ở cùng một tốc độ. Tại sao điều đó xảy ra? Nếu khối lượng hấp dẫn của con lạc đà lớn hơn, thì nó bị Trái Đất hút một lực lớn hơn; song vì con lạc đà cũng có khối lượng quán tính lớn hơn, nên nó cần lực lớn hơn để chuyển động. Hai tác dụng triệt tiêu nhau hoàn hảo, thế là con mèo và con lạc đà rơi ở cùng một tốc độ.
Trong hình thức vật lí học hiện nay của chúng ta, chúng ta chẳng biết vì sao lại như thế. Chúng ta chỉ giả định rằng nó bằng nhau. Và sự bằng nhau theo giả định này ngự tại trung tâm của thuyết tương đối rộng Einstein, lí thuyết xem xét lực hấp dẫn theo một cách rất khác. Thay vì nghĩ nó là một lực tác dụng lên một tích tùy ý gắn với các hạt và năng lượng liên kết chúng, nó mô tả lực hấp dẫn là sự bẻ cong hay biến dạng của không gian xung quanh khối lượng lẫn năng lượng. Vì thế trong lí thuyết Einstein kết nối ấy trông tự nhiên hơn nhiều, nhưng nó vẫn không cho chúng ta biết tại sao lại như vậy. Phải chăng có hai tham số tùy ý (khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn), hay là chúng có kết nối với nhau? Liệu hai khối lượng có thể khác nhau mà không phá vỡ các định luật vật lí không?
Ngoài thuyết tương đối, các lí thuyết vật lí hạt của chúng ta xem khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính là những khái niệm khác nhau, song trên thực nghiệm chúng ta xem chúng là cùng một thứ. Đó là một đề xuất rất đanh thép rằng chúng có kết nối sâu sắc với nhau.
Những câu hỏi nặng kí
Tóm lại, đây là những mặt trong đó khối lượng trông thật lạ:
Nó lạ bởi vì khối lượng của cái gì đó không phải là khối lượng của chất liệu bên trong nó. Khối lượng còn bao gồm năng lượng liên kết chất liệu ấy với nhau. Và chúng ta không biết vì sao như vậy.
Nó lạ bởi vì khối lượng thật ra giống như một nhãn mác hay điện tích (nó không phải “chất liệu” thật sự), và chúng ta không biết vì sao một số hạt có nó (hoặc chịu tác dụng của trường Higgs) còn một số hạt khác thì không.
Và nó lạ bởi vì khối lượng chính xác bằng nhau dù bạn đo nó thông qua quán tính hay lực hấp dẫn. Và chúng ta cũng chẳng biết tại sao như vậy!
Điều thú vị là, với tất cả những bí ẩn của nó, khối lượng đã thật sự giúp chúng ta đạt tiến bộ trong việc tìm hiểu phần còn lại của vũ trụ. Hãy nhớ rằng chính chuyển động quay của các thiên hà và vấn đề khối lượng mất tích đã đem lại cho chúng ta manh mối rằng có một loại khối lượng mới và vô hình trong vũ trụ: vật chất tối. Thật vậy, chỉ có đúng một điều chúng ta biết về vật chất tối là nó có khối lượng: chính xác là khối lượng hấp dẫn.
Thật ngạc nhiên khi nghĩ rằng thứ cơ bản như thế cho sự tồn tại của chúng ta vẫn có thể là một bí ẩn. Chúng ta chi trả bao nhiêu cho các nhà vật lí để làm gì, nếu nó không giúp chúng ta ngủ ngon giấc hơn vào mỗi đêm thì quan tâm những thứ như thế để làm gì? Nhưng, không, bạn càng thăm dò nhiều và nêu càng nhiều câu hỏi về nó, thì bạn càng nhận rõ vẫn có những thứ về khối lượng thật khó hiểu.
Cái rõ ràng (và hào hứng) là khối lượng là một tính chất cơ bản của cách vũ trụ vận hành và rõ ràng nó kết nối với rất nhiều mảnh động của nó (chẳng hạn năng lượng, quán tính, và lực hấp dẫn). Việc làm rõ những kết nối đó chính xác là gì sẽ đưa chúng ta tiến thêm một bước gần hơn đến chỗ hiểu được vũ trụ to lớn và tuyệt vời mà chúng ta đang sinh sống này. Và điều đó sẽ vô cùng tuyệt diệu.
Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)
