Vì sao lực hấp dẫn khác với những lực kia? (Phần 1)

Đó là một câu hỏi lớn về lực hấp dẫn bé bỏng

Bạn biết lực hấp dẫn là gì. Nó chi phối chuyển động của các sao, tạo ra các lỗ đen và làm cho quả táo rơi lên đầu các nhà vật lí nổi tiếng nhưng thiếu manh mối. Song bạn có thật sự hiểu lực hấp dẫn không?

Bạn thấy nó vận hành xung quanh mình, nhưng khi chúng ta so sánh cách nó vận hành với khuôn mẫu được thiết lập bởi các lực cơ bản khác, ta lập tức nhận thấy nó không khớp cho lắm. Nó yếu đến lạ kì, nó gần như luôn luôn hút chứ không đẩy, và nó không chơi đẹp với thế giới quan lượng tử.

Và sự không ăn khớp đó rất bí ẩn và bực bội vì việc tìm kiếm các khuôn mẫu là cách chúng ta tìm hiểu vũ trụ. Nhìn ra xung quanh bạn, bạn có thể bị áp đảo bởi sự đa dạng và phức tạp của vũ trụ đẹp đẽ của chúng ta, song hãy tìm kiếm các khuôn mẫu để bạn có thể bắt đầu nhận thức về nó. Ví dụ, hãy nghĩ xem bạn có thể hiểu được bao nhiêu về một người nào đó nếu bạn khảo sát các khuôn mẫu trong lịch sử duyệt Internet của họ. Lại một lần nữa, có lẽ đó là một bộ phận của vũ trụ mà bạn không muốn hiểu.

Thế nhưng mong muốn lắp khớp các thứ vào khuôn mẫu để hiểu được chúng là lí do khiến các nhà vật lí thèm chảy dãi trước ý tưởng thống nhất toàn bộ vật lí học thành một lí thuyết duy nhất.³⁹ Và chuyện lực hấp dẫn không lắp khớp vào khuôn mẫu của tất cả những lực kia là một chướng ngại lớn nếu muốn đạt tới điều đó. Trong chương này, chúng ta sẽ khảo sát nguyên nhân chính xác vì sao lực hấp dẫn dị biệt như thế và vì sao nó hút mọi thứ chứ không riêng gì quả đu đủ của bạn hay con lạc đà xuống đất. Có những bí ẩn sâu sắc về lực hấp dẫn, vì thế chúng ta hãy bắt đầu rơi cùng chúng. Thậm chí chúng ta có thể húc đầu vào một số giải đáp.

Sự yếu ớt của lực hấp dẫn

Có lúc nào đó mọi người tự hỏi: Vì sao tôi ở đây trên Trái Đất này? Chúng ta có câu trả lời rồi: lực hấp dẫn. Không có lực hấp dẫn, chúng ta sẽ trôi nổi bồng bềnh trong không gian và vũ trụ sẽ là một đám mây bụi và chất khí tăm tối, mênh mông, không hình không dạng. Sẽ chẳng có các hành tinh, các sao, các loại hoa quả nhiệt đới nhắc mà thèm, các thiên hà, hay các bạn xinh trai xinh gái bỏ tiền mua những quyển sách nhuốm màu hài hước về vật lí học. Lực hấp dẫn thật khủng khiếp. Song nó cũng thật yếu ớt.

Lực hấp dẫn yếu cỡ nào? Vâng, nói đại khái, lực hấp dẫn yếu hơn ba lực kia khoảng 10³⁶ lần. Đó là một phân số bằng 1/1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

Làm sao chúng ta hiểu được một con số như thế? Hãy vay mượn một cách hiểu mà chúng ta đã học về các phân số thời tiểu học. Giả sử bạn có một quả đu đủ và cắt nó làm bốn miếng, mỗi miếng sẽ bằng một phần tư của quả đu đủ. Dễ ẹc. Giả sử bạn có một quả đu đủ và cắt nó thành 10³⁶ miếng, mỗi miếng sẽ… nhỏ hơn một phân tử đu đủ nữa.⁴⁰ Thật vậy, bạn cần phải cắt chừng hai triệu quả đu đủ thì một phân số bằng 1/10³⁶ của nó mới xấp xỉ bằng một phân tử đu đủ.

Một cách hay để nhìn thấy sự yếu ớt của lực hấp dẫn là làm một thí nghiệm nho nhỏ cho nó chống lại những lực khác. Bạn không cần đến một máy gia tốc hạt trong tầng hầm nhà bạn cho thí nghiệm này đâu. Cứ việc lấy một cái nam châm trong nhà bếp và dùng nó nhấc một cái đinh ghim nhỏ bằng kim loại. Trong thí nghiệm của bạn, cái đinh ghim đó đang bị hút xuống bởi lực hấp dẫn của toàn bộ hành tinh (Trái Đất), thế nhưng lực từ do một cái nam châm bé xíu tác dụng là đủ để giữ cái đinh ghim không rơi xuống. Một cái nam châm bé xíu qua mặt của một hành tinh bởi vì lực từ mạnh hơn lực hấp dẫn rất nhiều lần.

Ở đây, có lẽ bạn đang tự hỏi: Cứ cho rằng lực hấp dẫn yếu hơn tất cả các lực kia đến ba mươi sáu bậc độ lớn, thì làm sao nó có thể tác oai tác quái như thế trong vũ trụ của chúng ta? Lẽ nào nó không bị thổi văng đi bởi những lực mạnh hơn ở xung quanh nó, tựa như một cái hắt hơi trong cơn lốc xoáy?⁴¹ Làm thế nào nó đang giữ các hành tinh và các sao lại với nhau và làm thế nào nó giữ cho mọi người khỏi bay lơ lửng như Siêu nhân? Nếu các lực kia mạnh như thế, lẽ nào chúng không vượt mặt lực hấp dẫn và hoàn toàn xóa sạch mọi tác dụng của nó trên vũ trụ?

Câu trả lời là rằng lực hấp dẫn rất quan trọng ở những cấp độ cực lớn và khi xử lí những khối lượng vô cùng lớn.⁴² Lực mạnh và lực yếu là lực tầm ngắn, nên chúng chủ yếu chỉ tác dụng ở cấp độ hạ nguyên tử. Và lí do lực điện từ không giữ vai trò lớn trong chuyển động của các sao và các thiên hà, mặc dù chúng là cực lớn so với lực hấp dẫn, là do một thực tế rất thú vị về lực hấp dẫn: nó chủ yếu vận hành theo một chiều.

Lực hấp dẫn tác dụng chỉ để hút các vật lại với nhau, chứ không đẩy các vật ra xa nhau.⁴³ Lí do thật đơn giản: lực hấp dẫn tỉ lệ với khối lượng của các vật chịu lực, và bạn chỉ có thể có một loại khối lượng thôi – nó luôn dương. Trái lại, lực điện từ có hai loại điện tích (dương và âm), còn lực yếu và lực mạnh có các tính chất y hệt điện tích gọi là siêu tích và màu, chúng có thể nhận các giá trị bội.⁴⁴

Lực hấp dẫn thuộc loại na ná, nhưng không giống. Bạn có thể nghĩ khối lượng là “tích hấp dẫn” của một hạt xác định nó chịu lực hấp dẫn bao lớn. Song không có khối lượng “âm”. Lực hấp dẫn không đẩy các hạt có khối lượng.

Điều này quan trọng bởi vì nó có nghĩa là lực hấp dẫn không thể bị triệt tiêu. Đây là cái xảy ra với lực điện từ ở những cấp độ lớn. Giả sử Mặt Trời được làm chủ yếu bằng các điện tích dương, và Trái Đất được làm chủ yếu bằng các điện tích âm, thì lực hút đó sẽ vô cùng lớn và hành tinh của chúng ta đã bị nuốt chửng vào Mặt Trời từ lâu lắm rồi.

Thế nhưng bởi vì Trái Đất được làm chủ yếu bằng lượng điện tích dương và điện tích âm bằng nhau, và Mặt Trời cũng được làm chủ yếu bằng lượng điện tích dương và điện tích âm gần như bằng nhau, nên chúng phớt lờ nhau về mặt điện từ. Mỗi hạt tích điện dương và âm trên Trái Đất đều bị hút và đẩy bởi các điện tích dương và âm trên Mặt Trời (và ngược lại), cho nên toàn bộ các lực điện từ triệt tiêu nhau.

Điều này không phải tình cờ. Lực điện từ mạnh đến mức nó sẽ nuốt các điện tích chạy tới chạy lui cho đến khi mọi sự mất cân bằng tàn dư không còn nữa. Vào thời điểm rất sớm trong quãng đời của vũ trụ (khi nó mới 400.000 năm tuổi trẻ, trong thời kì tiền-đu đủ), hầu như toàn bộ vật chất đã kiến lập thành các nguyên tử trung hòa và lực điện từ tìm thấy sự cân bằng.

Vì không có điện tích toàn phần nào giữa Trái Đất và Mặt Trời, và vì lực yếu và lực mạnh không tác dụng ở cấp độ khoảng cách này, nên lực duy nhất còn lại là lực hấp dẫn. Đây là lí do vì sao lực hấp dẫn thống trị ở cấp độ hành tinh và thiên hà: vì tất cả các lực kia đều cân bằng hết rồi. Mặc dù thu hút như thế, song lực hấp dẫn tựa như kẻ cuối cùng còn lại ở bữa tiệc, tay cầm quả đu đủ, khi mà mọi người khác ai cũng có cặp có đôi về chung rồi. Và vì lực hấp dẫn chỉ hút thôi, nên nó không bao giờ tự hạ nó.

Thế nên có hai tính chất gây tò mò và cho đến nay chưa được giải thích về lực hấp dẫn: thứ nhất, nó thật sự, thật sự yếu so với các lực cơ bản kia. Hãy tưởng tượng ai ai cũng cầm một thanh gươm ánh sáng đi chiến đấu còn lực hấp dẫn chỉ cầm một que tăm. Tính chất gây tò mò còn lại về lực hấp dẫn là nó chỉ hút thôi. Tất cả các lực kia hút hoặc đẩy tùy thuộc vào tích của các hạt chịu lực. Tại sao lực hấp dẫn khác biệt đến thế ở phương diện này? Chúng ta chẳng biết gì hết.

Xem tiếp Phần 3 >>

Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)