Liệu Mặt Trăng Có Thể Tựa Về Trái Đất Thực Sự Không?

Có một đoạn trailer cho một bộ phim khoa học viễn tưởng mới có tên là Moonfall, sẽ được phát hành vào đầu năm 2022, trong đó Mặt Trăng sắp đâm vào Trái Đất. Nó có một số hình ảnh về một Mặt Trăng màu đỏ đậm lơ lửng cực kỳ gần hành tinh, nát ra trong khi hút đến nó các đại dương, những mảnh vụn bay vào tàu vũ trụ và núi. Thực tế không hiển thị một va chạm—bạn biết đấy, chỉ là một đoạn trailer và họ không muốn làm hỏng hết mọi thứ.

Đây không phải là bộ phim đầu tiên vượt quá giới hạn của vật lý có thể tin được. (Nhớ Sharknado không?) Nhưng chỉ vì đó là khoa học viễn tưởng không có nghĩa là nó hoàn toàn sai. Đó là lý do tôi ở đây: tôi sẽ đi qua vật lý thực tế sẽ áp dụng nếu Mặt Trăng bao giờ đến gần chúng ta quá nhiều.

Theo thông tin chính thức từ IMDB của bộ phim, “một lực lượng bí ẩn đẩy Mặt Trăng ra khỏi quỹ đạo,” làm cho nó lao xuống Trái Đất. Đó không phải là nhiều để dựa vào. Liệu có thực sự có cách nào để thực hiện điều đó không?

Hãy bắt đầu với một mô hình cơ bản về cách hành tinh và vệ tinh của nó tác động lẫn nhau. Một lực hấp dẫn kéo Trái Đất và Mặt Trăng về phía nhau. Lực này phụ thuộc vào khối lượng của cả hai vật thể và có độ lớn nghịch đảo tỉ lệ với bình phương của khoảng cách giữa trung tâm của hai cơ thể.

Dưới đây là một biểu thức chỉ về độ lớn của lực này. (Thực sự, nó là một vector.)

Trong biểu thức này, G là hằng số hấp dẫn toàn cầu. Khối lượng của Mặt Trăng và Trái Đất là m_m và m_E. Khoảng cách giữa chúng là r.

Bạn có thể nghĩ rằng lực hấp dẫn này sẽ là tất cả những gì bạn cần để Mặt Trăng đâm vào hành tinh—và đó là đúng nếu Mặt Trăng không quay quanh Trái Đất. Tuy nhiên, vì Mặt Trăng đang di chuyển theo một hướng vuông góc với lực hấp dẫn, lực này khiến cho quỹ đạo của nó cong về một hướng, vòng quanh hành tinh thay vì lao vào nó.

Lực tạo ra sự thay đổi về động lượng, trong đó động lượng là tích của khối lượng và vận tốc của một vật thể (được biểu thị bằng ký hiệu p). Chúng ta gọi điều này là nguyên lý động lượng, và nó trông như thế này:

Vì vận tốc là một vector, giá trị của động lượng phụ thuộc vào hướng mà đối tượng đang di chuyển. Nếu một lực kéo một đối tượng theo một hướng vuông góc với động lượng của nó, đối tượng đó sẽ di chuyển theo một vòng tròn với lực trỏ về trung tâm. Vì vậy, Mặt Trăng di chuyển theo quỹ đạo tròn vì có một lực "đẩy ngang" đang kéo nó do tương tác hấp dẫn với Trái Đất.

Nhưng đợi chút! Nếu Trái Đất kéo Mặt Trăng để nó di chuyển theo một vòng tròn, liệu Mặt Trăng có kéo lui và làm cho Trái Đất cũng di chuyển theo một vòng tròn không? Đúng vậy! Cả hai cơ thể đều tương tác và cả hai vật thể đều quay quanh một trung tâm khối lượng chung. Bạn có thể tưởng tượng trung tâm khối lượng như một “điểm cân bằng” cho các đối tượng hàng ngày. Đối với hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng, trung tâm khối lượng này sẽ gần hơn rất nhiều Trái Đất vì khối lượng của nó lớn hơn rất nhiều so với Mặt Trăng.

Tất nhiên, chuyển động của Trái Đất nhỏ hơn nhiều so với Mặt Trăng, nhưng đây là lý do tại sao điều đó xảy ra. Chỉ có một tương tác hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng—do đó độ lớn của lực mà Mặt Trăng tác động lên Trái Đất giống như độ lớn của lực mà Trái Đất tác động lên Mặt Trăng. Cả hai đều phải có sự thay đổi đồng nhất về động lượng, vì chúng có cùng một lực.

Tuy nhiên, vì khối lượng của Trái Đất lớn hơn 81 lần so với khối lượng của Mặt Trăng, nó sẽ có sự thay đổi về vận tốc nhỏ hơn. Điều đó có nghĩa là kích thước quỹ đạo tròn của nó sẽ nhỏ hơn nhiều. Bán kính quỹ đạo của Trái Đất thực sự nhỏ hơn cả Trái Đất, điều này có nghĩa là trung tâm khối lượng của hành tinh di chuyển theo một vòng tròn—nhưng vòng tròn đó nhỏ hơn hành tinh. Cuối cùng, điều này chỉ trông giống như một sự lắc lư nhẹ.

Bây giờ tôi sẽ sử dụng giới thiệu rất cơ bản này về cơ học quỹ đạo để xây dựng một mô hình của hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng trong Python để chúng ta có thể xem điều gì sẽ xảy ra khi một lực bí ẩn đẩy vào Mặt Trăng. Nếu bạn muốn biết tất cả chi tiết về cách xây dựng mô hình này, đây là một video:

Với điều đó, tôi có được đoạn hoạt hình dưới đây:

Nếu bạn nghĩ rằng điều này trông kỳ lạ, đó là vì đây là tỷ lệ khoảng cách chính xác giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Nhiều hình minh họa cho thấy cả hai cơ thể đều lớn hơn nhiều để nó trông tốt hơn. Tôi sẽ không làm như vậy vì tôi muốn đối xử với bạn như là con người thực sự và không nói dối cho bạn.

Tôi hy vọng bạn nhận ra rằng đây không phải là tốc độ chính xác. Nếu tôi làm điều đó, sẽ mất 28 ngày để Mặt Trăng quay một vòng và đó là quá chán để xem. Chú ý rằng Trái Đất thực sự di chuyển theo một vòng tròn. Nếu bạn không tin tôi, đây là mã mà tôi đã sử dụng để tạo ra đoạn hoạt hình này—bạn có thể kiểm tra nó cho chính mình.

Bây giờ chúng ta đã sẵn sàng làm một số điều nghịch ngợm. Hãy bắt đầu bằng cách đẩy Mặt Trăng về phía Trái Đất. Tôi sẽ sử dụng một lực mạnh hơn 50 lần so với lực hấp dẫn từ Trái Đất, áp dụng trong 1 giờ. Chúng ta cần một lực với độ lớn đủ lớn để chúng ta có thể thấy một số hiệu ứng—nhưng thời gian cần phải ngắn đến nỗi chúng ta không cần phải lo lắng về việc thay đổi hướng của lực khi Mặt Trăng di chuyển.

Dưới đây là cái nhìn về nó. (Tôi đặt một mũi tên lớn để đại diện cho hướng của “lực bí ẩn.”)

Mô phỏng này chạy khoảng 8 tháng sau đẩy ban đầu một giờ đó. Chú ý rằng ngay cả sau thời gian đó, Mặt Trăng vẫn chưa đâm vào hành tinh. Sự đẩy chỉ làm cho nó chuyển sang một quỹ đạo hình elip.

Vì đẩy bí ẩn được hướng thông qua trung tâm khối lượng của hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng, nó không làm thay đổi động lượng góc của hệ thống. Động lượng góc là một đo lường về chuyển động quay, phụ thuộc vào khối lượng, vận tốc và vị trí. Động lượng góc của Mặt Trăng là hằng số, vì vậy khi nó gần Trái Đất, nó phải tăng tốc chuyển động quỹ đạo của nó. Tuy nhiên, vì nó đang di chuyển nhanh hơn theo hướng vuông góc (chuyển động quỹ đạo), sự tăng này khiến nó chỉ đơn giản là vượt qua Trái Đất và tránh xa nó.

Ngoài ra, hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng bây giờ đang di chuyển sang bên trái. Điều này là do đẩy tạo ra một lực ngoại vi trên toàn bộ hệ thống sao cho động lượng tổng bây giờ hướng về bên trái. Điều này sẽ khiến Trái Đất thay đổi quỹ đạo của nó liên quan đến Mặt Trời, nhưng sự thay đổi sẽ khá nhỏ, nên đừng lo lắng về điều đó. Hãy lo lắng về cái Mặt Trăng đó.

Thực tế, hãy thử một đẩy khác. Chúng ta sẽ sử dụng cùng một lực trong cùng một khoảng thời gian một giờ, nhưng thay vì đẩy về phía Trái Đất, lần này đẩy theo hướng ngược lại với chuyển động của Mặt Trăng. Dưới đây là những gì xảy ra:

Với một đẩy theo hướng ngược lại, động lượng góc giảm đi. Điều này có nghĩa là tỷ lệ quay tổng thể giảm đi. Mặt Trăng không hoàn toàn ngừng quay quanh, nhưng bây giờ nó quay quanh chậm đủ để hành xử giống như một tảng đá đang rơi về phía Trái Đất và gần như va vào nó.

(Đúng, trong minh họa nó trông như họ va chạm—nhưng nhớ rằng tôi làm cho Trái Đất và Mặt Trăng lớn hơn so với những gì nên là để bạn có thể nhìn thấy chúng. Trong thực tế, nó sẽ là một cú sốc gần.)

Cách tốt nhất để khiến Trái Đất và Mặt Trăng va chạm là đóng băng hoàn toàn quỹ đạo của nó, hoặc theo thuật ngữ vật lý, giảm vận tốc của Mặt Trăng xuống không (liên quan đến Trái Đất). Khi Mặt Trăng ngừng quay quanh, nó sẽ rơi thẳng vào hành tinh, vì lực hấp dẫn từ Trái Đất sẽ kéo nó và làm cho nó tăng tốc khi hướng về phía hành tinh. Điều này về cơ bản giống như việc thả một tảng đá trên Trái Đất, ngoại trừ việc nó lớn hơn nhiều, đủ lớn để bạn có thể làm một bộ phim về nó.

Để đạt được điều này, bạn sẽ cần một lực “bí ẩn” lớn hơn hoặc một đẩy trong thời gian dài hơn. (Nếu có bất kỳ người ngoài hành tinh nào đọc điều này, làm ơn đừng sử dụng nó như một bản thiết kế để phá hủy Trái Đất.)

Nhưng va chạm không phải là cách duy nhất Mặt Trăng có thể phá hủy chúng ta. Tại một điểm nào đó trong trailer, có vẻ như Mặt Trăng đến gần đến nỗi lực hấp dẫn của nó kéo đại dương khỏi bề mặt hành tinh. Điều đó có thể xảy ra thực sự không?

Hãy bắt đầu với trường hợp đơn giản nhất, nơi Mặt Trăng và Trái Đất đứng yên và gần như chạm nhau. Nó sẽ trông như thế này:

Giả sử tôi đặt một quả cầu nước có khối lượng 1 kilogram trên bề mặt hành tinh. Vì nước đó có khối lượng, nó có một tương tác hấp dẫn với Trái Đất, kéo nước về phía trung tâm của Trái Đất. Nhưng cũng có một lực hấp dẫn từ Mặt Trăng đang kéo theo hướng ngược lại. Lực nào lớn hơn?

Chúng ta có thể tính cả hai bằng cách sử dụng cùng một lực hấp dẫn vô cùng cho quỹ đạo của Mặt Trăng. Đối với tương tác với Trái Đất, chúng ta sẽ sử dụng khối lượng của Trái Đất và khối lượng của nước. (Tôi chọn 1 kg để làm đơn giản.) Khoảng cách (r) sẽ từ trung tâm của Trái Đất đến bề mặt—đó chỉ là bán kính của Trái Đất. Đối với tương tác với Mặt Trăng, tôi sẽ sử dụng khối lượng của Mặt Trăng và bán kính của Mặt Trăng (cộng thêm một chút vì chúng không chạm nhau hoàn toàn).

Tất nhiên, tôi đã sử dụng Python, đó là máy tính tốt nhất. (Dưới đây là mã nếu bạn muốn thay đổi gì đó.) Điều đó đưa ra kết quả sau:

Bạn có thể thấy rằng lực hấp dẫn từ Trái Đất lớn hơn nhiều so với lực từ Mặt Trăng. Nếu đây là một "cuộc kéo co nước," hành tinh sẽ chiến thắng. Đại dương sẽ không rời đi.

Nhưng nếu hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng không đứng yên, mà ở trong một quỹ đạo rất gần, cả hai đều di chuyển trên một đường tròn quanh một trung tâm khối lượng chung, thì sao?

Nếu các cơ thể đang di chuyển, điều đó có nghĩa là nước cũng đang di chuyển, vì hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng sẽ di chuyển theo một đường tròn. Để nước ở lại trên Trái Đất, lực tổng (tổng của lực hấp dẫn từ Trái Đất và Mặt Trăng) phải bằng với lực cần thiết để di chuyển nước đó theo một đường tròn.

Thay vì làm cho nước di chuyển theo một đường tròn, tôi có thể sử dụng khung tham chiếu của Trái Đất và thêm một lực ly tâm. Đây là một lực bạn cần thêm vào một khung tham chiếu đang tăng tốc để các quy tắc vật lý bình thường hoạt động—đây là một giải thích chi tiết hơn.

Vậy nếu Mặt Trăng rất gần Trái Đất và chúng đang ở trong quỹ đạo tròn quanh một trung tâm khối lượng chung, thì chúng sẽ hoàn thành một vòng quay chỉ trong 2.3 giờ (thay vì 28 ngày). Điều này có nghĩa là khối nước ở trên bề mặt Trái Đất hướng về Mặt Trăng sẽ có một lực ly tâm là 3.55 Newtons kéo nó về phía Mặt Trăng. Tuy nhiên, bạn vẫn có lực hấp dẫn từ cả Trái Đất và Mặt Trăng kéo nó trở lại về phía Trái Đất với một lực tổng là 5.48 Newtons. Điều này có nghĩa là ngay cả trong tình huống quỹ đạo kỳ lạ này, nước vẫn sẽ bị kéo về phía Trái Đất hơn là Mặt Trăng.

Nói chung, điều này chỉ là một phiên bản cực kỳ mạnh mẽ của thủy triều. Thủy triều được tạo ra bởi sự kết hợp của ba lực: lực hấp dẫn từ Trái Đất, lực từ Mặt Trăng và lực ly tâm do chuyển động của Trái Đất khi Mặt Trăng tác động lên nó. Tuy nhiên, các phần khác nhau của bề mặt hành tinh ở các khoảng cách khác nhau từ Mặt Trăng, và các lực tạo ra hiện tượng nước nổi ở hai nơi—một ở phía bên gần Mặt Trăng và một ở phía xa.

Cuối cùng, nói về mặt khoa học, việc có Mặt Trăng ở gần như vậy sẽ là rất xấu. Không chỉ những lực thủy triều cực kỳ mạnh mẽ tác động lên đại dương, mà còn tác động lên núi và tòa nhà, có thể gây sụp đổ chúng. Đúng, nó sẽ trông tuyệt vời, nhưng nó có thể giết chúng ta tất cả. Hãy để nó cho các bộ phim.

• 📩 Những thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Nhiệm vụ viết lại lịch sử của Nazi trên Wikipedia
• Thế giới hoang dã của Red Dead Redemption là nơi trú ẩn
• 6 điều bạn cần làm để tránh bị hack
• Làm thế nào để chuyển đổi ứng dụng web yêu thích của bạn thành ứng dụng desktop
• Ở Kenya, những người ảnh hưởng được thuê để lan truyền thông tin sai lệch
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 MYTOUR Games: Nhận các mẹo, đánh giá và nhiều hơn nữa
• ✨ Tối ưu hóa cuộc sống gia đình của bạn với những lựa chọn tốt nhất từ đội ngũ Gear của chúng tôi, từ robot hút bụi đến đệm giá cả phải chăng đến loa thông minh