Tại sao trọng lực kéo chúng ta xuống mà không kéo chúng ta lên?

Trọng lực là nguyên nhân khiến các vật có khối lượng hoặc năng lượng hút nhau. Đây là lý do tại sao táo rơi xuống Trái đất và các hành tinh quay quanh các ngôi sao.

Nam châm thu hút một số loại kim loại, nhưng chúng cũng có thể đẩy những loại khác ra xa. Vậy làm thế nào để bạn cảm nhận được lực hấp dẫn?

Năm 1915, Albert Einstein đã khám phá ra câu trả lời khi ông công bố thuyết tương đối rộng. Lý do tại sao lực hấp dẫn kéo bạn về phía Trái đất là vì tất cả các vật thể có khối lượng, như Trái đất của chúng ta, thực sự uốn cong và uốn cong kết cấu của vũ trụ, gọi là không-thời gian. Chỗ uốn cong này chính là cảm giác của trọng lực.

Không thời gian là gì?

Trước khi bước vào thế giới phức tạp của lực hấp dẫn, bạn cần hiểu không-thời gian.

Không-thời gian đúng như tên gọi của nó: ba chiều của không gian – chiều dài, chiều rộng và chiều cao – kết hợp với chiều thứ tư – thời gian. Sử dụng một số kiến ​​thức toán học xuất sắc, Einstein là người đầu tiên nhận ra rằng các định luật vật lý vận hành trong vũ trụ Không gian và thời gian hòa quyện vào nhau.

Điều này có nghĩa là không gian và thời gian có liên quan với nhau – nếu bạn di chuyển rất nhanh trong không gian, thời gian đối với bạn sẽ chậm lại so với người nào đó chuyển động chậm. Đây là lý do tại sao các phi hành gia – những người di chuyển rất nhanh trong không gian – Họ già đi chậm hơn một chút so với con người trên Trái đất.

Trái Đất bẻ cong không-thời gian để nó rơi về phía Trái Đất chứ không phải rơi ra xa Trái Đất. Nhà cung cấp: Tokamak / Wikimedia Commons, CC BY-SA

Vật chất là thứ tạo nên giếng trọng lực chứ không phải đồi trọng lực

Hãy nhớ rằng, lực hấp dẫn là ý tưởng cho rằng các vật thể trong vũ trụ bị hút vào nhau vì không-thời gian bị cong và cong. Khi Einstein nghĩ ra thuyết tương đối rộng, ông đã chỉ ra rằng mọi vật thể trong vũ trụ đều có thể bẻ cong không thời gian – theo thuật ngữ vật lý, vật thể là khối lượng và năng lượng.

Vì tâm trí bạn thường nghĩ về thế giới theo ba chiều nên thực sự khó nghĩ về bốn chiều của không-thời gian như một ý tưởng duy nhất. Vì vậy, để dễ hình dung hơn, hãy tưởng tượng bề mặt của tấm bạt lò xo. Nếu không có gì trên đó thì nó phẳng. Nhưng nếu bạn đứng trên tấm bạt lò xo, nó sẽ kéo dài quanh chân bạn và tạo thành một thung lũng khi bạn ở giữa. Nếu có một quả bóng trên tấm bạt lò xo, nó sẽ lăn về phía chân bạn.

Trọng lực hoạt động tương tự như cách các vật thể lăn về phía chân bạn nếu bạn đang đứng trên tấm bạt lò xo.

Đây là một ví dụ hai chiều về cách hoạt động của không-thời gian. Khối lượng của bạn làm căng tấm bạt lò xo, tạo ra cái gọi là giếng trọng lực trong đó quả bóng lăn. Điều này rất giống với cách trọng lực của một vật nặng – chẳng hạn như Trái đất – kéo các vật thể như bạn và tôi về phía nó.

Và để khiến mọi thứ trở nên kỳ lạ hơn, vì không gian và thời gian được kết nối với nhau, Thời gian cũng bị kéo dài do vật nặng!

Trong phim Interstellar, các nhân vật tới một hành tinh gần đó Hố đenKhi ở đó, họ già đi chậm hơn những người khác.

Bạn càng nặng thì các cạnh của tấm bạt lò xo sẽ ​​càng dốc. Đó là lý do tại sao những vật thể thực sự nặng trong vũ trụ – như Mặt trời hay lỗ đen – có lực hấp dẫn mạnh hơn Trái đất.

Vậy tại sao trọng lực lại kéo bạn xuống mà không đẩy bạn ra xa?

Hãy tưởng tượng rằng ai đó đi dưới tấm bạt lò xo và đẩy nó lên. Quả bóng sẽ lăn đi! Đây sẽ là một ngọn đồi trọng lực, không phải giếng trọng lực. Theo như những gì các nhà khoa học biết, vật chất – hay vật thể – luôn tạo ra những giếng trọng lực chứ không phải những ngọn đồi trọng lực. Các nhà khoa học có thể tưởng tượng những vật thể làm từ vật chất hoặc năng lượng kỳ lạ có thể gây ra lực đẩy hấp dẫn vào không gian, nhưng cho đến nay, chưa ai tìm thấy thứ gì có thể gây ra lực đẩy hấp dẫn ra khỏi Trái đất.

Viết bởi Mario Boronda, Phó Giáo sư Vật lý, Đại học Bang Oklahoma.

Chuyển thể từ một bài viết ban đầu được xuất bản trong Cuộc hội thoại.