Tại sao khi trái táo rụng, nó lại rơi xuống đất mà không phải là bay vút lên không trung? Hay vì sao các hành tinh có thể quay quanh các ngôi sao mà không phải bay tứ tán mỗi nơi mỗi hướng?... Và, lực hấp dẫn là gì mà nó có khả năng khiến cho các vật có khối lượng hoặc năng lượng bị hút vào nhau?
Làm thế nào chúng ta có thể cảm nhận được lực kéo hay sự tồn tại của trọng lực?
Đối với nam châm, bạn có thể dễ dàng nhìn thấy lực hút của chúng đối với các loại kim loại, đồng thời lực đẩy khi chúng cùng chiều với các nam châm khác. Nhưng trong không gian, làm thế nào chúng ta có thể cảm nhận được lực kéo hay sự tồn tại của trọng lực?
Vào năm 1915, Albert Einstein đã tìm ra câu trả lời cho câu hỏi: "vì sao trọng lực có thể kéo chúng ta xuống?" Câu trả lời mà ông đưa ra chính là lực hấp dẫn, nó đã kéo chúng ta và tất cả các vật chất có khối lượng về phía mặt đất. Thực chất, lực hấp dẫn đã bẻ cong và uốn cong cấu trúc của vũ trụ, cái mà chúng ta có thể gọi là cấu trúc không gian – thời gian. Độ cong đó là những cái mà chúng ta có thể cảm thấy như là lực hấp dẫn.
Để có thể hiểu rõ hơn về lực hấp dẫn, trước tiên chúng ta cần biết thế nào là cấu trúc không gian – thời gian. không gian – thời gian là một cấu trúc 4 chiều bao gồm: chiều dài, chiều rộng và chiều cao - kết hợp với chiều thời gian. Bằng cách sử dụng một phép toán, Einstein là người đầu tiên nhận ra quy luật vật lý hoạt động trong vũ trụ, nơi không gian và thời gian hòa nhập với nhau.
Điều này có nghĩa là không gian và thời gian kết nối với nhau một cách chặt chẽ. Ví dụ: nếu bạn di chuyển nhanh trong không gian, thời gian của bạn sẽ ngắn hơn so với một người khác đang đi chậm hơn. Đó là lý do tại sao các phi hành gia - những người di chuyển với tốc độ cực nhanh trong không gian – họ sẽ già đi chậm hơn so với những người trên Trái đất.
Ngoài ra, lực hấp dẫn cho rằng: các vật thể trong vũ trụ bị hút vào nhau là do không gian - thời gian bị bẻ cong. Đồng thời, Einstein cũng chỉ ra rằng tất cả mọi vật chất trong vũ trụ đều có thể bẻ cong không gian - thời gian. Theo thuật ngữ vật lý thì các vật chất đó chính là khối lượng và năng lượng.
Một ví dụ về thế giới trong không gian 4 chiều như sau: hãy hình dung bề mặt của tấm bạt lò xo. Nếu không có vật thể nào trên đó, nó sẽ là một mặt phẳng. Nhưng nếu bạn đứng trên tấm bạt lò xo, nó sẽ ngay lập tức bị lún xuống ngay vị trí chân của bạn đồng thời tạo thành một độ dốc nhất định. Nếu có một quả bóng trên tấm bạt lò xo, nó sẽ bị đổ dồn và lăn về phía chân bạn. Khối lượng của bạn kéo căng tấm bạt lò xo và tạo ra một cái gọi là giếng trọng lực, nơi mà quả bóng lăn vào. Điều này rất giống với cách mà lực hấp dẫn của Trái đất kéo tất cả chúng ta về phía nó.
Nếu, trọng lượng của bạn càng lớn, hai bên tấm bạt lò xo càng dốc và càng trũng xuống. Đó là lý do tại sao những thứ khổng lồ trong vũ trụ - như Mặt trời hay lỗ đen - có lực hấp dẫn mạnh hơn Trái đất.
Vẫn là ví dụ về tấm bạt lò xo, hãy tưởng tượng nếu có ai đó đi dưới tấm bạt và đẩy lên. Đầu tiên, quả bóng sẽ lăn đi trước! Đó được gọi là đồi trọng lực, nó ngược lại so với giếng trọng lực. Các nhà khoa học cho biết, tất cả các vật chất trong vũ trụ luôn tạo ra những giếng trọng lực, vì thế mà chúng luôn bị hút xuống chứ không thể bị đẩy ra xa. Cho đến nay, chưa ai có thể tìm ra thứ gì có thể khiến trọng lực đẩy bạn ra khỏi Trái đất.
Nguồn: Livescience
Câu chuyện Newton bị một quả táo rơi trúng đầu và từ đó khám phá ra lực hấp dẫn chỉ là giai thoại. Ảnh: Occultum.
Trong giới khoa học từ lâu lan truyền câu chuyện rằng nhà bác họcIsaac Newton khám phá ra lực hấp dẫn sau khi bịmột quả táo rơi trúng đầu trong lúc ngồi dưới gốc cây táo trong vườn nhà ởtrang viên Woolsthorpe tại Lincolnshire,Anh vào năm 1666, theoHow Stuff Works.
Câu chuyện quả táo rơi vào đầu Newton trở thành một trong những giai thoại phổ biến và lâu dài trong lịch sử khoa học, thậm chí còn được đưa vào nội dung sách giáo khoa. Nhưng trên thực tế, Newton không bị quả táo nào rơi vào đầu khi khám phá ra lực hấp dẫn.
Đúng là Newton đã trở vềngôi nhà thời thơ ấu ởWoolsthorpe để chạy trốn nạn dịch hạch đang hoành hành ở London và ông cũng thường xuyên đi dạo trong khu vườn, nơi có ít nhất một cây táo. Nhưng khám phá của Newton về trọng lực là kết quả của nhiều lần nghiên cứu và suy nghĩ chứ không phải chỉ nhờ khoảnh khắc quả táo rơi trúng đầu.
Dù Newton không ghi lại chính xác thời điểm ông phát hiện ra lực hấp dẫn, ông từng trao đổi với đồng nghiệp về vấn đề này. William Stukeley, người viết một trong những tiểu sử sớm nhất về Newton, nhớ lại một cuộc thảo luận với Newton về khái niệm trọng lực khi đang đi bộ với Newton trong khu vườn gia đình và uống trà dưới bóng cây táo.
Newton chỉ vào một quả táo trên cành cây làm ví dụ. Ông tự hỏi tại sao quả táo luôn rơi xuống mặt đất khi rụng khỏi cành cây, thay vì rơi ngang hoặc bay ngược lên. Newton nói rằng Trái Đất hút quả táo bằng một lực chưa được biết đến.
Bản thân Newton rất thích giai thoại về quả táo rơi trúng đầu mình vào những năm sau đó. Các nhà sử học cho rằng Newton đưa ra các tình tiết về câu chuyện "táo rơi trúng đầu" để minh họa ngắn gọn khám phá của ông về lực hấp dẫn, giúp người nghe dễ hiểu hơn.
Lê Hùng
Mặt trăng không rơi xuống Trái đất vì nó nằm trong một quỹ đạo.
Một trong những điều khó khăn nhất để học về vật lý là khái niệm lực. Chỉ bởi vì có một lực tác động lên vật gì đó không có nghĩa là nó sẽ chuyển động theo hướng của lực. Thay vào đó, lực ảnh hưởng đến chuyển động theo hướng của lực nhiều hơn một chút so với trước đây.
Ví dụ: nếu bạn lăn một quả bóng bowling thẳng xuống một làn đường, sau đó chạy lên bên cạnh nó và đá nó về phía rãnh nước, bạn tác dụng một lực về phía rãnh nước, nhưng quả bóng không đi thẳng vào rãnh nước. Thay vào đó, nó tiếp tục đi xuống làn đường, nhưng cũng bắt kịp một chút chuyển động theo đường chéo.
Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ở rìa của một vách đá cao 100m. Nếu bạn thả một tảng đá ra, nó sẽ rơi thẳng xuống vì nó không có vận tốc đầu, vì vậy vận tốc duy nhất mà nó nâng lên là hướng xuống từ lực hướng xuống.
Nếu bạn ném tảng đá ra theo chiều ngang, nó sẽ vẫn rơi, nhưng nó sẽ tiếp tục di chuyển theo chiều ngang và rơi theo một góc. [Góc không đổi - hình dạng là một đường cong được gọi là parabol, nhưng điều đó tương đối không quan trọng ở đây.] Lực hướng thẳng xuống, nhưng lực đó không ngăn đá chuyển động theo phương ngang.
Nếu bạn ném đá mạnh hơn, nó sẽ đi xa hơn và rơi ở một góc nông hơn. Lực tác dụng lên nó từ trọng lực là như nhau, nhưng vận tốc ban đầu lớn hơn nhiều và do đó độ lệch ít hơn.
Bây giờ, hãy tưởng tượng ném hòn đá thật mạnh để nó đi một km theo phương ngang trước khi chạm đất. Nếu bạn làm điều đó, một cái gì đó hơi mới sẽ xảy ra. Tảng đá vẫn rơi nhưng phải hơn 100m mới rơi xuống đất. Lý do là Trái đất bị cong, và khi tảng đá di chuyển ra ngoài hàng km đó, Trái đất thực sự bị cong bên dưới nó. Trong một km, nó cho thấy Trái đất cong đi khoảng 10 cm - một sự khác biệt nhỏ, nhưng là một sự thật.
Khi bạn ném tảng đá thậm chí còn mạnh hơn thế, sự uốn cong của Trái đất bên dưới càng trở nên đáng kể. Nếu bạn có thể ném tảng đá đi 10 km, Trái đất sẽ cong đi 10 mét, và trong 100 km ném trái đất cong đi cả km. Bây giờ hòn đá phải rơi xuống một đoạn rất dài so với vách đá 100m mà nó đã rơi xuống.
Hãy xem hình vẽ sau. Nó được tạo ra bởi Isaac Newton, người đầu tiên hiểu được quỹ đạo. IMHO, đó là một trong những biểu đồ vĩ đại nhất từng được tạo ra.
Điều nó cho thấy rằng nếu bạn có thể ném đá đủ mạnh, Trái đất sẽ cong ra khỏi bên dưới đá nhiều đến mức tảng đá thực sự không bao giờ tiến gần đến mặt đất hơn. Nó đi hết một vòng trong vòng tròn và có thể đập vào đầu bạn!
Đây là quỹ đạo. Đó là những gì vệ tinh và mặt trăng đang làm. Chúng tôi thực sự không thể làm điều đó ở đây gần bề mặt Trái đất do sức cản của gió, nhưng trên bề mặt của mặt trăng, nơi không có khí quyển, bạn thực sự có thể có quỹ đạo rất thấp.
Đây là cơ chế mà mọi thứ "ở lại" trong không gian.
Lực hấp dẫn sẽ yếu đi khi bạn ra xa hơn. Lực hấp dẫn của Trái đất ở mặt trăng yếu hơn nhiều so với ở vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp. Vì lực hấp dẫn ở mặt trăng yếu hơn rất nhiều nên mặt trăng quay quanh quỹ đạo chậm hơn nhiều so với Trạm vũ trụ quốc tế. Mặt trăng mất một tháng để đi một vòng. ISS mất vài giờ. Một hệ quả thú vị là nếu bạn đi ra ngoài với khoảng cách vừa phải, khoảng sáu bán kính Trái đất, bạn sẽ đạt đến điểm mà lực hấp dẫn bị suy yếu đủ để một quỹ đạo quay quanh Trái đất mất 24 giờ. Ở đó, bạn có thể có "quỹ đạo không đồng bộ địa lý", một vệ tinh quay xung quanh sao cho nó ở trên cùng một điểm trên đường xích đạo của Trái đất khi Trái đất quay.
Mặc dù lực hấp dẫn sẽ yếu đi khi bạn ra xa hơn, nhưng không có khoảng cách nào là giới hạn. Về lý thuyết, lực hấp dẫn kéo dài vĩnh viễn. Tuy nhiên, nếu bạn đi về phía mặt trời, cuối cùng lực hấp dẫn của mặt trời sẽ mạnh hơn lực hấp dẫn của Trái đất, và sau đó bạn sẽ không quay trở lại Trái đất nữa, thậm chí còn thiếu tốc độ quay quỹ đạo. Điều đó sẽ xảy ra nếu bạn đã đi khoảng 0,1% khoảng cách tới mặt trời, hoặc khoảng 250.000 km, hoặc 40 bán kính Trái đất. [Khoảng cách này thực sự nhỏ hơn khoảng cách tới mặt trăng, nhưng mặt trăng không rơi vào Mặt trời vì nó quay quanh mặt trời, giống như chính Trái đất vậy.]
Vì vậy, mặt trăng "rơi" về phía Trái đất do lực hấp dẫn, nhưng không tiến lại gần Trái đất hơn vì chuyển động của nó là một quỹ đạo và động lực của quỹ đạo được xác định bởi cường độ của lực hấp dẫn tại khoảng cách đó và bởi định luật chuyển động của Newton.
lưu ý: phỏng theo câu trả lời tôi đã viết cho một câu hỏi tương tự trên quora