Trọng lực là lực yếu nhất trong thế giới hàng ngày nhưng lại là lực mạnh nhất trong Vũ trụ. Nó là lực lượng đầu tiên được công nhận và mô tả, nhưng lại là lực lượng ít được hiểu nhất.
Đó là một lực giữ chân bạn trên mặt đất, nhưng không có lực nào như vậy thực sự tồn tại.
Trọng lực, mượn lời của Winston Churchill, là “một câu đố, được bọc trong một bí ẩn, bên trong một bí ẩn”.
Bất cứ cách nào bạn nhìn vào nó, lực hấp dẫn dường như điên rồ – đây có phải là những điều kỳ quặc nhất của nó không?
Mọi người đều biết câu chuyện về Newton và quả táo rơi. Cái nhìn sâu sắc quan trọng của ông là quả táo và Mặt trăng đều rơi dưới tác dụng của lực hấp dẫn (Mặt trăng, do vận tốc đi ngang của nó, không bao giờ tiến lại gần hơn được nữa).
Bằng cách so sánh tốc độ rơi của chúng, ông đã suy ra định luật nghịch đảo bình phương – rằng lực giữa các vật sẽ yếu gấp bốn lần khi chúng cách xa nhau gấp đôi, v.v.
Nhưng lần đầu tiên Newton kể câu chuyện về quả táo là cho người viết tiểu sử của ông, William Stukeley, bốn thập kỷ sau khi khám phá ra định luật hấp dẫn.
Có lẽ, với những ngày sáng tạo phía sau, anh ấy đang tạo ra huyền thoại của riêng mình.
Chắc chắn, câu chuyện mô tả Newton như một thiên tài đơn độc chợt lóe lên trong một nguồn cảm hứng.
Mặc dù Newton tưởng tượng lực hấp dẫn giữa Mặt trời và Trái đất giống như một miếng đàn hồi vô hình kết nối các vật thể, nhưng Einstein phát hiện ra sự thật thì khác.
Một khối giống như Mặt trời làm cong không thời gian xung quanh nó, tạo ra một thung lũng.
Chúng ta không thể nhìn thấy thung lũng vì không thời gian là một thứ bốn chiều và chúng ta là những sinh vật ba chiều.
Nhưng Trái đất quay quanh thung lũng giống như một quả bóng quanh bánh xe roulette. Nó không chịu ‘lực’ mà di chuyển dọc theo con đường ngắn nhất xuyên qua không thời gian bị cong vênh.
Tương tự như vậy, bạn có xu hướng rơi xuống đáy thung lũng không thời gian quanh Trái đất.
Tuy nhiên, bề mặt cản trở. Khi đẩy lùi, nó tạo ra ‘cảm giác’ về trọng lực.
Quay quanh quỹ đạo ở độ cao chỉ 400 km so với Trái đất, Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) rất gần với hành tinh của chúng ta nên lực hấp dẫn hầu như không khác với lực hấp dẫn trên mặt đất.
Các phi hành gia không có trọng lượng vì lý do tương tự như một người nào đó không may ở trong thang máy sau khi dây cáp của nó bị đứt – bởi vì, ngay khi họ rơi xuống sàn thang máy, sàn thang máy sẽ rơi ra xa họ.
Không rõ ràng là ISS đang rơi. Đó là bởi vì nó có chuyển động ngang.
Điều này có nghĩa là, khi lực hấp dẫn cong đường đi của nó xuống bề mặt Trái đất, thì bề mặt Trái đất sẽ cong ra khỏi nó.
Do đó, ISS rơi mãi mãi trong một vòng tròn, không bao giờ chạm tới mặt đất.
Nhà triết học Hy Lạp Poseidonios, sống vào khoảng năm 135 đến 51 trước Công nguyên, đã phát hiện ra hiệu ứng này.
Ông nhận thấy rằng, khi một con suối ở đền thờ Heracleium ở Cadiz ngày nay thuộc Tây Ban Nha xuống thấp, thì thủy triều ở Đại Tây Dương gần đó lại dâng cao và ngược lại.
Lời giải thích là lực hấp dẫn của Mặt trăng, nguyên nhân chính của thủy triều, không chỉ làm cho đại dương phình lên mà còn làm như vậy với đá.
Tảng đá ngập nước trong giếng giống như một miếng bọt biển ướt.
Nó hút nước ra khỏi giếng khi miếng bọt biển được căng lên (thủy triều lên) và ép nước trở lại giếng khi miếng bọt biển được thả ra (thủy triều xuống).
Trẻ em ở trường vẫn được dạy rằng trọng lực là một lực hấp dẫn.
Tuy nhiên, vào năm 1998, các nhà thiên văn học vô cùng ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng sự giãn nở của Vũ trụ đang tăng tốc, và họ cho rằng điều này là do lực hấp dẫn đẩy của ‘năng lượng tối’ bí ẩn, thứ vô hình lấp đầy không gian.
Năng lượng tối chiếm hơn 2/3 khối lượng-năng lượng của Vũ trụ.
Không ai biết nó là gì. Trên thực tế, lý thuyết tốt nhất của chúng ta (lý thuyết lượng tử) dự đoán một năng lượng cho khoảng trống của không gian (năng lượng tối) – đó là một năng lượng theo sau bởi 120 số 0 lớn hơn những gì quan sát được.
Đây là sự khác biệt lớn nhất giữa một dự đoán và một quan sát trong lịch sử khoa học. Có cái gì đó không đúng!
Vào ngày 8 tháng 3 năm 1979, tàu thăm dò không gian Voyager 1 của NASA, đã lướt qua hệ thống Sao Mộc nhanh hơn cả một viên đạn siêu tốc, đã quay camera của nó trở lại con đường mà nó đã đến.
Kỹ sư hàng hải Linda Morabito trở thành người đầu tiên nhìn thấy, in bóng trên nền đen của không gian, siêu núi lửa (nói đúng ra là mạch nước phun) của mặt trăng Io.
Cơ thể hoạt động địa chất mạnh nhất trong Hệ Mặt trời được làm nóng bởi các mặt trăng lân cận Europa và Ganymede và Sao Mộc.
Các mặt trăng kéo quỹ đạo của nó thành một hình elip kéo dài. Khi nó di chuyển đến gần và ra xa Sao Mộc, hiệu ứng kéo giãn hấp dẫn của hành tinh khổng lồ này thay đổi.
Io được làm nóng chính xác là lý do khiến quả bóng bí đao nóng lên khi bạn bóp liên tục trong tay.
Chiều của thời gian gắn liền với sự thay đổi trật tự thành hỗn loạn – chiều mà lâu đài sụp đổ, trứng vỡ, v.v.
Do đó, cuối cùng, ‘mũi tên thời gian’ phải là do Vụ nổ lớn ở trạng thái có trật tự cao, điều này rất khó xảy ra.
Trên thực tế, từ rất sớm, khi vật chất từ quả cầu lửa Big Bang được bôi trơn khắp không gian, Vũ trụ đã bị xáo trộn.
Tuy nhiên, khi Vũ trụ được 380.000 năm tuổi, lần đầu tiên lực hấp dẫn có thể tập hợp vật chất lại với nhau.
Trong một hệ thống hấp dẫn, vón cục là trạng thái có thể xảy ra nhất.
Do đó, Vũ trụ bị bôi nhọ đột nhiên bị ném vào một trạng thái rất khó xảy ra – chính xác là yêu cầu để tạo ra hướng thời gian chuyển tiếp của chúng ta.
Ở một thiên hà rất xa, vào thời điểm Trái đất tự hào không có gì phức tạp hơn một con vi khuẩn, hai lỗ đen quái vật đã bị nhốt trong một vòng xoáy tử thần.
Một cái có khối lượng gấp 29 lần Mặt trời, cái còn lại có khối lượng gấp 36 lần Mặt trời.
Mỗi người di chuyển với một nửa tốc độ ánh sáng, họ quay cuồng về nhau lần cuối.
Khi chúng kết hợp lại, toàn bộ ba khối lượng mặt trời đã bị phá hủy và biến thành sóng hấp dẫn.
Hãy nhớ rằng một quả bom nguyên tử chỉ chuyển đổi khoảng một kilôgam năng lượng khối thành các dạng khác.
Nếu cơn sóng thần của không-thời gian bị tra tấn tràn ra bên ngoài dưới dạng ánh sáng, thì nó sẽ sáng hơn hàng chục lần so với Vũ trụ của các vì sao.
Các vệ tinh của Hệ thống Định vị Toàn cầu, mà điện thoại thông minh và định vị vệ tinh dựa vào đó để xác định vị trí, di chuyển theo các quỹ đạo hình elip rất dài xung quanh Trái đất.
Khi mỗi chiếc dao động đến điểm gần hành tinh nhất, nó sẽ chịu lực hấp dẫn mạnh hơn và đồng hồ trên tàu của nó chạy chậm lại; khi nó lùi về điểm xa hành tinh nhất, đồng hồ sẽ tăng tốc.
Đây là theo thuyết tương đối rộng của Einstein. Tuy nhiên, một ảnh hưởng của thuyết tương đối hẹp của Einstein khiến đồng hồ chạy chậm lại khi chúng đang chuyển động nhanh nhất.
Cả hai hiệu ứng này phải được xem xét bởi phần mềm mà bạn không hề hay biết, sẽ tính toán vị trí chính xác của bạn trên bề mặt Trái đất.
Năm 1992, các nhà vật lý làm việc trên Máy Va chạm Electron-Positron Lớn (LEP) gần Geneva, nơi có vòng đường hầm dưới lòng đất hiện chứa Máy Va chạm Hadron Lớn, đã nhận thấy một điều kỳ lạ.
Hai lần một ngày, họ phải tăng năng lượng của các electron và positron đang lưu thông (đối tác ‘phản vật chất’ của các electron) để giữ chúng trong vòng.
Sau khi vò đầu bứt tai, họ nhận ra rằng thủy triều xảy ra hai lần một ngày.
Điều đang xảy ra là lực hấp dẫn của Mặt trăng đã khiến đá của Dãy núi Jura, nơi LEP đang khoan vào, phình lên trên.
Điều này làm tăng chiều dài của nó để các nam châm không còn đủ cường độ để giữ chùm tia bên trong đường hầm.
Chắc chắn là có một trong những hiệu ứng bí truyền nhất của thủy triều!
Theo thuyết hấp dẫn của Einstein, thuyết tương đối rộng, thời gian trôi chậm hơn trong lực hấp dẫn mạnh hơn.
Ở tầng trên cùng của tòa nhà, bạn ở xa khối lượng Trái đất hơn so với ở tầng dưới, do đó lực hấp dẫn yếu hơn một chút và bạn già đi nhanh hơn – vậy nếu muốn sống lâu hơn, bạn có nên tìm cho mình một ngôi nhà gỗ không?
Đó là một hiệu ứng cực kỳ nhỏ và bạn sẽ cần những chiếc đồng hồ nguyên tử nhạy cảm nhất để hiển thị nó.
Tuy nhiên, đáng chú ý là vào năm 2010, các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Tiêu chuẩn Quốc gia ở Hoa Kỳ, với sự trợ giúp của hai đồng hồ nguyên tử, đã chứng minh rằng một người đứng trên một bậc của cầu thang già đi chậm hơn so với người đứng ở bậc trên.
Hai trụ cột của vật lý hiện đại là thuyết hấp dẫn của Einstein, mô tả các thiên hà và Vũ trụ, và thuyết lượng tử, mô tả các nguyên tử và thành phần của chúng.
Nó đã cho chúng ta tia laser, máy tính và lò phản ứng hạt nhân; nó giải thích tại sao Mặt trời chiếu sáng và tại sao mặt đất rắn chắc.
Lý thuyết của Einstein (mô tả cái lớn) và lý thuyết lượng tử (mô tả cái nhỏ) ngự trị tối cao trong các lĩnh vực riêng của chúng nhưng đã chống lại sự hợp nhất.
Đây sẽ không phải là một vấn đề; tuy nhiên, đã có một thời – trong vụ nổ Big Bang – Vũ trụ rất nhỏ.
Để hiểu làm thế nào Vũ trụ xuất hiện từ điều này, giống như một con thỏ từ một chiếc mũ, do đó, chúng ta phải hợp nhất lý thuyết của Einstein với lý thuyết lượng tử: để tạo ra một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn.
Marcus Chown là một nhà văn, phát thanh viên từng đoạt giải thưởng và là tác giả của The Ascent of Gravity . Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 6 năm 2017 của Tạp chí BBC Sky at Night .