NộI Dung
- Sơ lược về lịch sử của trọng lực
- Lý thuyết về trọng lực
- Lý thuyết tổng quát của Einsteins
- Trọng lực của trái đất và xa hơn
Hầu hết mọi người, theo định hướng khoa học hay nói cách khác, ít nhất có một ý tưởng mơ hồ rằng một số lượng hoặc khái niệm gọi là "trọng lực" là thứ giữ cho các vật thể, bao gồm cả chính chúng, buộc vào Trái đất. Họ hiểu rằng đây là một phước lành nói chung, nhưng ít hơn trong một số trường hợp nhất định - giả sử, khi ngồi trên cành cây và một chút không chắc chắn làm thế nào để quay trở lại mặt đất vô tình, hoặc khi cố gắng thiết lập một kỷ lục cá nhân mới trong một sự kiện như nhảy cao hoặc hầm cực.
Có lẽ rất khó để đánh giá cao khái niệm trọng lực cho đến khi nhìn thấy những gì xảy ra khi ảnh hưởng của nó bị giảm đi hoặc bị xóa sạch, chẳng hạn như khi xem các cảnh quay của các phi hành gia trên một trạm không gian quay quanh hành tinh cách xa bề mặt Trái đất. Và trong thực tế, các nhà vật lý có rất ít ý tưởng về những gì cuối cùng "gây ra" lực hấp dẫn, bất kỳ điều gì nhiều hơn họ có thể nói với bất kỳ ai trong chúng ta tại sao vũ trụ tồn tại ở nơi đầu tiên. Tuy nhiên, các nhà vật lý đã tạo ra các phương trình mô tả lực hấp dẫn nào đặc biệt tốt, không chỉ trên Trái đất mà trên khắp vũ trụ.
Sơ lược về lịch sử của trọng lực
Hơn 2.000 năm trước, các nhà tư tưởng Hy Lạp cổ đại đã đưa ra rất nhiều ý tưởng mà phần lớn đã chịu được thử thách của thời gian và tồn tại đến hiện đại. Họ nhận thấy rằng các vật thể ở xa như các hành tinh và các ngôi sao (khoảng cách thực sự với Trái đất, tất nhiên, các nhà quan sát không có cách nào biết được), thực tế, bị ràng buộc về mặt vật lý với nhau mặc dù có lẽ không có gì giống như dây cáp hoặc dây thừng nối với chúng cùng với nhau. Không có các lý thuyết khác, người Hy Lạp đề xuất rằng các chuyển động của mặt trời, mặt trăng, các ngôi sao và các hành tinh được quyết định bởi ý thích bất chợt của các vị thần. (Trên thực tế, tất cả các hành tinh đều biết trong những ngày đó được đặt theo tên của các vị thần.) Trong khi lý thuyết này gọn gàng và quyết đoán, nó không thể kiểm chứng được, và do đó không hơn gì một lời giải thích cho sự giải thích khoa học và nghiêm ngặt hơn.
Mãi đến khoảng 300 đến 400 năm trước, các nhà thiên văn học như Tycho Brahe và Galileo Galilei mới nhận ra rằng, trái với những lời dạy trong Kinh Thánh sau đó gần 15 thế kỷ, Trái đất và các hành tinh xoay quanh mặt trời, thay vì Trái đất đang ở trung tâm vũ trụ. Điều này đã mở đường cho việc khám phá lực hấp dẫn như hiện tại được hiểu.
Lý thuyết về trọng lực
Một cách để nghĩ về lực hấp dẫn giữa các vật thể, được thể hiện bởi nhà vật lý lý thuyết quá cố Jacob Bekenstein trong một bài tiểu luận về CalTech, là "các lực lượng dài mà các cơ thể trung hòa điện tác động lên nhau vì nội dung vật chất của chúng." Đó là, trong khi các vật thể có thể trải qua một lực do sự khác biệt về điện tích tĩnh điện, thì trọng lực thay vào đó dẫn đến một lực do khối lượng tuyệt đối. Về mặt kỹ thuật, bạn và máy tính, điện thoại hoặc máy tính bảng bạn đang đọc điều này trên các lực hấp dẫn tác động lên nhau, nhưng bạn và thiết bị hỗ trợ Internet của bạn quá nhỏ đến mức lực này hầu như không thể phát hiện được. Rõ ràng, đối với các vật thể ở quy mô của các hành tinh, ngôi sao, toàn bộ thiên hà và thậm chí là các cụm thiên hà, đó là một câu chuyện khác.
Isaac Newton (1642-1727), được cho là một trong những người có đầu óc toán học xuất sắc nhất trong lịch sử và là một trong những người đồng phát minh ra lĩnh vực tính toán, đã đề xuất rằng lực hấp dẫn giữa hai vật thể tỷ lệ thuận với sản phẩm của họ khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Điều này có dạng của phương trình:
ĐỤgrav = (G × m1 × m2) / r2
trong đó Fgrav là lực hấp dẫn ở newton, m1 và M2 là khối lượng của các vật thể tính bằng kilogam, r là khoảng cách ngăn cách các vật thể bằng mét và giá trị của hằng số tỷ lệ G là 6,67 × 10-11 (N m2)/Kilôgam2.
Mặc dù phương trình này hoạt động tuyệt vời cho các mục đích hàng ngày, giá trị của nó bị giảm đi khi các đối tượng trong câu hỏi là tương đối, nghĩa là, được mô tả bởi số đông và tốc độ vượt ra ngoài trải nghiệm điển hình của con người. Đây là nơi lý thuyết hấp dẫn của Einsteins xuất hiện.
Lý thuyết tổng quát của Einsteins
Năm 1905, Albert Einstein, cái tên có lẽ dễ nhận biết nhất trong lịch sử khoa học và đồng nghĩa nhất với những chiến công ở cấp độ thiên tài, đã công bố lý thuyết tương đối đặc biệt của ông. Trong số các hiệu ứng khác có trên cơ thể kiến thức vật lý hiện có, nó đặt ra câu hỏi về giả định được xây dựng trong khái niệm trọng lực của Newton, đó là lực hấp dẫn có hiệu lực hoạt động tức thời giữa các vật thể bất kể sự tách biệt của chúng. Sau khi tính toán Einsteins xác định rằng tốc độ ánh sáng, 3 × 108 m / s tương đương khoảng 186.000 dặm mỗi giây, đặt một giới hạn trên một cách nhanh chóng như thế nào bất cứ điều gì có thể được truyền qua không gian, Newtons ý tưởng đột nhiên nhìn dễ bị tổn thương, ít nhất là trong những trường hợp nhất định. Nói cách khác, trong khi lý thuyết hấp dẫn của Newton tiếp tục thực hiện đáng kinh ngạc ở hầu hết các nhược điểm có thể tưởng tượng được, thì rõ ràng đó không phải là một mô tả chân thực về lực hấp dẫn.
Einstein đã dành 10 năm tiếp theo để đưa ra một lý thuyết khác, một lý thuyết sẽ dung hòa khung hấp dẫn cơ bản của Newton với giới hạn trên của tốc độ ánh sáng được áp đặt, hoặc dường như áp đặt lên tất cả các quá trình trong vũ trụ. Kết quả, mà Einstein đã giới thiệu vào năm 1915, là lý thuyết tương đối tổng quát. Chiến thắng của lý thuyết này, tạo thành nền tảng của tất cả các lý thuyết hấp dẫn cho đến ngày nay, là nó đóng khung khái niệm trọng lực như một biểu hiện của độ cong của không-thời gian, chứ không phải là một lực lượng. Ý tưởng này không hoàn toàn mới; nhà toán học Georg Bernhard Riemann đã đưa ra những ý tưởng liên quan vào năm 1854. Nhưng Einstein đã biến đổi lý thuyết hấp dẫn từ một thứ hoàn toàn bắt nguồn từ các lực vật lý thành một lý thuyết dựa trên hình học hơn: Nó đã đề xuất một chiều không gian thứ tư, theo thời gian, để đi theo ba chiều không gian đã quen thuộc
Trọng lực của trái đất và xa hơn
Một trong những ý nghĩa của lý thuyết tương đối chung của Einsteins là trọng lực hoạt động độc lập với khối lượng hoặc thành phần vật lý của các vật thể. Điều này có nghĩa là, trong số những thứ khác, một quả đạn đại bác và một viên bi rơi xuống từ đỉnh của một tòa nhà chọc trời sẽ rơi xuống mặt đất với cùng tốc độ, tăng tốc chính xác đến mức tương tự bởi lực hấp dẫn mặc dù một vật nặng hơn nhiều so với cái kia . (Điều quan trọng cần lưu ý là hoàn toàn đúng vì điều này chỉ đúng về mặt kỹ thuật trong chân không, trong đó sức cản không khí không phải là vấn đề. Một chiếc lông rõ ràng rơi chậm hơn so với khi bắn, nhưng trong chân không, điều này sẽ không xảy ra .) Khía cạnh này của ý tưởng Einsteins đã đủ kiểm chứng. Nhưng những gì về tình huống tương đối?
Vào tháng 7 năm 2018, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã kết luận một nghiên cứu về hệ thống ba sao cách Trái đất 4.200 năm ánh sáng. Một năm ánh sáng là khoảng cách ánh sáng di chuyển trong một năm (khoảng sáu nghìn tỉ dặm), điều này có nghĩa rằng các nhà thiên văn học ở đây trên trái đất đã được quan sát hiện tượng ánh sáng tiết lộ rằng thực sự xảy ra trong khoảng 2.200 trước công nguyên Hệ thống bất thường này bao gồm hai ngôi sao nhỏ, dày đặc - một sao "xung" quay trên trục của nó 365 lần mỗi giây và một sao lùn trắng - quay quanh nhau trong khoảng thời gian ngắn đáng kể là 1,6 ngày. Cặp đôi này lần lượt quay quanh một ngôi sao lùn trắng xa hơn cứ sau 327 ngày. Nói tóm lại, mô tả duy nhất về lực hấp dẫn có thể giải thích cho các chuyển động điên cuồng lẫn nhau của ba ngôi sao trong hệ thống rất khác thường này là lý thuyết tương đối tổng quát của Einsteins - và trên thực tế, hoàn toàn phù hợp với tình huống.