Bí ẩn lớn nhất trong lĩnh vực vật lý: Lực hấp dẫn - Bản chất và nguồn gốc

Trong lịch sử vật lý, có rất nhiều bí ẩn và vấn đề khó giải đáp, trong số đó, lực hấp dẫn được coi là bí ẩn lớn nhất.

Trọng lực là hiện tượng vật lý phổ biến nhất và là sức mạnh mà chúng ta có thể cảm nhận hàng ngày, nó giữ chúng ta ở trên Trái Đất, giúp Mặt Trăng quay quanh Trái Đất, và duy trì sự ổn định của Hệ Mặt Trời.

Mặc dù lực hấp dẫn có vẻ đơn giản và tự nhiên, nhưng lại là một trong những lực lượng khó hiểu và khó mô tả nhất. Có nhiều lý thuyết khác nhau để giải thích bản chất và nguồn gốc của lực hấp dẫn, nhưng vẫn chưa có câu trả lời hoàn hảo.

Chúng ta biết rằng lực hấp dẫn có hai đặc tính: thứ nhất là nó có tính phổ quát, tức là tác động lên mọi vật chất có khối lượng; và thứ hai là nó rất yếu so với các lực lượng cơ bản khác - Mô hình chuẩn của vật lý công nhận 4 lực tương tác cơ bản: trọng lực, lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu.

Tại sao lại như vậy? Điều này là một trong những bí ẩn lớn nhất chưa được giải quyết trong vật lý, được gọi là bài toán chuỗi. Vấn đề thứ hai là vì sao có sự chênh lệch lớn về sức mạnh giữa bốn lực lượng cơ bản. Ví dụ, lực điện từ mạnh gấp khoảng 10^36 lần lực trọng lượng, lực tương tác mạnh mạnh hơn lực trọng lượng khoảng 10^38 lần và lực tương tác yếu mạnh hơn lực trọng lượng khoảng 10^25 lần.

Nếu hai electron cách nhau 1 mét, lực đẩy điện sẽ lớn hơn lực hấp dẫn khoảng 10^36 lần. Những con số này làm chúng ta khó có thể hiểu tại sao trọng lực lại nhỏ đến vậy. Liệu có những tính chất hay khía cạnh tiềm ẩn của lực hấp dẫn? Hay có điều gì đó sai về hiểu biết cơ bản của chúng ta về lực hấp dẫn?

Để giải đáp những thắc mắc này, chúng ta cần nhìn lại lịch sử của lực hấp dẫn. Newton, một nhà vật lý và toán học người Anh, là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về lực hấp dẫn trong thế kỷ 17. Trong quá trình quan sát quả táo rơi từ trên cây, ông đưa ra giả thuyết rằng có một lực tác động giữa Trái Đất và quả táo, đẩy quả táo di chuyển về phía Trái Đất. Ông tin rằng lực này không chỉ tồn tại giữa Trái Đất và quả táo mà còn giữa hai vật thể có khối lượng. Đây là nền tảng của định luật vạn vật hấp dẫn mà Newton đề xuất.

Theo định luật vạn vật hấp dẫn, lực hấp dẫn tỉ lệ thuận với khối lượng của hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách giữa chúng. Điều này có nghĩa là khi khối lượng của hai vật tăng lên, lực hấp dẫn giữa chúng cũng tăng lên; ngược lại, khi khoảng cách giữa hai vật tăng lên, lực hấp dẫn giữa chúng giảm đi. Định luật vạn vật hấp dẫn giải thích được nhiều hiện tượng thiên văn như chuyển động của hành tinh và hiện tượng thủy triều, cũng như có thể dùng để tính toán quỹ đạo và vận tốc của các vật thể như vệ tinh nhân tạo và tên lửa.

Định luật vạn vật hấp dẫn giúp con người nhận ra rằng tồn tại một lực tác động phổ quát trong tự nhiên và khuyến khích việc sử dụng ngôn ngữ toán học để mô tả và dự đoán các luật lệ của vũ trụ.

Tuy nhiên, định luật vạn vật hấp dẫn cũng có nhược điểm. Nó không thể giải thích các hiệu ứng như sự lệch ánh sáng trong trường hấp dẫn mạnh hay sự tiến động của điểm cận nhật của Sao Thủy. Hơn nữa, định luật vạn vật hấp dẫn của Newton không cung cấp giải đáp cho việc lực hấp dẫn là gì hoặc tại sao nó tồn tại.

Newton thừa nhận rằng ông không hiểu lực hấp dẫn được hình thành và lan truyền ra sao; ông chỉ mô tả tác động của nó. Để khám phá và hiểu sâu hơn về lực hấp dẫn, vào đầu thế kỷ 20, Einstein đề xuất một lý thuyết mới và đột phá: thuyết tương đối đặc biệt.

Thuyết tương đối đặc biệt có thể giải thích một số hiện tượng điện từ và nguyên tử, nhưng không thể hoà hợp với định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Điều này là do theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, lực hấp dẫn lan truyền ngay lập tức, trái với nguyên lý tốc độ không đổi của ánh sáng.

Einstein nhận ra rằng để tạo ra một lý thuyết hoàn chỉnh và nhất quán hơn về lực hấp dẫn, ông phải suy nghĩ lại về bản chất của nó. Sau 10 năm nghiên cứu và phát triển, ông đã hoàn thành lý thuyết tương đối tổng quát vào năm 1915. Trong lý thuyết này, ông đề xuất một giả thuyết đầy ấn tượng: lực hấp dẫn không phải là một lực mà là độ cong của không gian-thời gian.

Einstein tin rằng vật chất có khả năng bẻ cong không gian-thời gian và độ cong của không gian-thời gian sẽ ảnh hưởng đến vật chất. Thuyết tương đối tổng quát có thể giải thích những hiện tượng mà lý thuyết của Newton không thể giải thích, như sự lệch hướng của ánh sáng trong trường hấp dẫn mạnh hay sự tiến triển của điểm cận nhật của Sao Thủy.

Ngoài ra, thuyết tương đối tổng quát còn dự đoán một số hiện tượng kỳ diệu như lỗ đen, sóng hấp dẫn, điểm kỳ dị của không gian-thời gian, thấu kính hấp dẫn, dịch chuyển đỏ hấp dẫn, vv. Những hiện tượng này đã được thực nghiệm hoặc quan sát chứng minh, làm cho thuyết tương đối tổng quát trở nên chính xác và đáng tin cậy.

Tuy nhiên, thuyết tương đối tổng quát cũng có những hạn chế, không thể hòa hợp với cơ học lượng tử và không thể mô tả lực hấp dẫn trong điều kiện khắc nghiệt như các điểm kỳ dị hoặc các hạt cực nhỏ. Hơn nữa, thuyết tương đối tổng quát không giải thích được lực hấp dẫn là gì hoặc tại sao nó tồn tại.

Einstein cũng thừa nhận rằng ông không biết liệu các phương trình mà ông đề xuất có thể thể hiện sự thật sâu xa nhất về tự nhiên hay không. Để giải quyết những hiện tượng mà thuyết tương đối rộng không thể giải thích và khám phá hành vi của lực hấp dẫn ở mức độ vi mô, vào đầu thế kỷ 20, một nhóm các nhà vật lý và toán học nổi tiếng đã phát triển một lý thuyết mới và mang tính cách mạng: cơ học lượng tử.

Cơ học lượng tử là lý thuyết mô tả hành vi và tương tác của các hạt vi mô, cho rằng các hạt có tính chất sóng và tuân theo nguyên lý bất định. Cơ học lượng tử có thể giải thích rõ ràng lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu, tất cả đều có thể giải thích được bằng cách trao đổi giữa các loại hạt khác nhau.

Ví dụ, lực điện từ được tạo ra bởi sự trao đổi photon, lực tương tác mạnh được tạo ra bởi gluon và lực tương tác yếu được tạo ra bởi boson W và Z. Vậy với trọng lực thì sao? Cơ học lượng tử tin rằng lực hấp dẫn cũng phải có một hạt tương ứng để truyền đi, và hạt đó được gọi là graviton.

Graviton là một hạt giả thuyết, được xem như một boson có khối lượng là 0 và spin 2. Nó có khả năng truyền lực hấp dẫn giữa mọi vật thể có khối lượng, giống như photon truyền lực điện từ giữa mọi vật thể mang điện tích. Nếu graviton tồn tại, chúng ta có thể sử dụng lý thuyết trường lượng tử để mô tả sự thống nhất giữa lực hấp dẫn và ba lực cơ bản còn lại.

Tuy nhiên, lý thuyết trường lượng tử về lực hấp dẫn vẫn chưa hoàn thiện và chưa được thực nghiệm chứng minh, vì chúng ta chưa quan sát được sự tồn tại của graviton, cũng như chưa có lý thuyết hoàn chỉnh nào mô tả cách graviton tương tác với các hạt khác.

Liệu có thể hợp nhất thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử? Đó là một lý thuyết thống nhất vĩ đại mà các nhà vật lý mơ ước. Hiện nay đã có một số lý thuyết ứng cử viên đang cố gắng đạt được mục tiêu này, như lý thuyết dây siêu, lý thuyết vòng lượng tử, lý thuyết chiều xoắn thêm, vv. Mỗi lý thuyết này đều có ưu và nhược điểm riêng, nhưng chưa có lý thuyết nào được xác minh hoặc bác bỏ bằng thực nghiệm.

Với sự tiến bộ của vật lý đến thời điểm này, cả thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử đều không thể tiếp tục dẫn dắt nhân loại sang kỷ nguyên mới.