Tại sao khi chúng ta buông một quả táo, nó lại rơi xuống mặt đất với gia tốc 9.8 m/s² ?
Tại sao vạn vật lại hấp dẫn lẫn nhau?
Tại sao các phi hành gia trên trạm vũ trụ quốc tế ISS cảm thấy không trọng lượng
khi quay quanh Trái Đất?
Giả sử có một cặp tình nhân là Alex và Bob cùng nhau đi thẳng lên phía trước và đi thẳng nhất có thể.
cho dù họ đi trông bao lâu hoặc là đi xa cỡ nào, hai đường thẳng vẫn mãi là song song và không bao giờ hội tụ,
trong lúc di chuyển hai người bạn tình liên tục đo khoảng cách giữa nhau,
và nhận ra rằng nó không bao giờ thay đổi.
Alex rất yêu Bob nhưng chẳng bao giờ có thể tiếp cận được Bob,
ta gọi hai đường thẳng song song là vô nghiệm, và không hội tụ hay chia ly.
Trong trường hợp này câu chuyện của Bob và Alex là một câu chuyện tình rất buồn!
Bây giờ giả sử một cặp tình nhân khác là Jack và Victoria đi trên một bề mặt cong, ví dụ mặt cầu của trái đất.
tại đây ta dùng tọa độ kinh tuyến/vĩ tuyến.
Jack và Victoria xuất phát tại đường xích đạo cách nhau 1000 kilomet và cùng nhau đi thẳng đến cực bắc,
và họ cố đi thẳng song song để tránh gặp nhau, nhưng không hiểu sao khi họ càng tiến thẳng,khoảng cách giữa hai người cứ rút ngắn lại, đến một lúc nào đó, Jack và Victoria gặp nhau tại cùng vị trí, đó là bắc cực.
|
Trên bề mặt cầu, các vector di chuyển song song được phép hội tụ. |
Cả Jack và Victoria đều cố gắng hết sức không rẽ dù chỉ một milimet nào, nhưng cuối cùng cái kết của họ
vẫn là gặp nhau tại một điểm, cứ như thể là định mệnh vậy!
PHẢI CHĂNG có lực bí ẩn nào đó hút hai người họ lại với nhau?
KHÔNG!
CÂU TRẢ LỜI CHO HIỆN TƯỢNG NÀY LÀ (CURVATURE), (ĐỘ CONG) DO HÌNH HỌC CỦA MẶT CẦU GÂY RA.
Lý do Jack và Victoria gặp nhau là bởi vì mặt cầu là một bề mặt cong, và nếu trên một bề mặt cong có
giá trị dương, hai đường thẳng song song sẽ hội tụ.
Thuyết Tương Đối Rộng cho biết, không-thời gian 4 chiều có thể bị bẻ cong khi có sự hiện diện của vật chất, mà thành phần toán học chủ đạo là Năng Lượng & Khối Lượng.
vì vậy trong không-thời gian, chúng ta không có Jack và Victoria hay kinh tuyến và vĩ tuyến, mà chúng ta có các vật thể trong 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian.
khi bạn buông một quả táo trong vùng không gian quanh trái đất, tọa độ nó di chuyển qua chính là chiều thời gian,
vì quả táo đang trải nghiệm thời gian, và độ cong của không-thời gian đã thay đổi hướng của vector 4 chiều, khiến cho nó giảm tốc trong tọa độ thời gian và tăng tốc trong tọa độ không gian và kết thúc chặng đường bằng cách chạm vào mặt đất.
|
Một Quả Táo đang di chuyển trên Đường Trắc Địa qua Không-Thời Gian |
điều này khá tương tự với việc khi ta đi thẳng trên mặt cầu, tọa độ kinh tuyến và vĩ tuyến có thể thay đổi.
khi ta đi thẳng sang tọa độ thời gian, tọa độ không gian cũng thay đổi.
đây chính là hiện tượng hấp dẫn trong khuôn khổ Thuyết Tương Đối Rộng của Einstein.
Trong Thuyết Tương Đối Rộng, lực hấp dẫn không phải là một loại lực, mà chỉ đơn thuần là hệ quả của hình học.
Giống như Victoria và Jack,các đối tượng mang năng lượng và khối lượng biến dạng cấu trúc hình học trong không-thời gian, khiến cho các [đường thẳng trên mặt cong] gọi là đường trắc địa (tiếng anh geodesic) hội tụ lại với nhau, và các thành phần tọa độ của không gian và thời gian trộn lẫn vào nhau khi các vật thể du hành thời gian.
Ở hình bên dưới ta có thể thấy các vector đi trên đường kinh tuyến đều hội tụ tại cực bắc, và phương trình dùng để tính
sự thay đổi thành phần của vector khi nó đi trên đường trắc địa gọi là phương trình trắc địa, tiếng anh Geodesic Equation, chính là phương trình sử dụng nhiều nhất trong Thuyết Tương Đối Rộng để dự đoán đường đi của những tia sáng bị bẻ cong khi nó đi ngang qua một hố đen.
 | | Phương Trình Trắc Địa |
|
|
Đạo hàm đầu tiên cho biết gia tốc của tọa độ β muốn tính và hai đạo hàm còn lại chính là tốc độ di chuyển trên tọa độ ρ và ν.
ký hiệu "Γ" gọi là Christoffel symbol, đây là một đại lượng hình học cho biết vector cơ sở của tọa độ thay đổi như thế nào.
Chi tiết về Phương Trình Trắc Địa mình sẽ làm trong các bài post trong tương lai, nhưng hiện tại cứ hiểu nó là phương trình giúp tính gia tốc trọng trường khi vật di chuyển trên đường trắc địa.
Như vậy ta nhận thấy vạn vật không hút nhau và không hấp dẫn với nhau, nhưng năng lượng của
các vật thể này làm biến dạng và thay đổi hình học cục bộ của không-thời gian,
khiến cho các đường trắc địa hội tụ về nhau, từ đó tạo nên ảo ảnh về LỰC trong không gian 3 chiều, mà Isaac Newton tin là một loại lực.
Đối với trường hợp của một hố đen vũ trụ, điểm mà toán học của Thuyết Tương Đối Rộng cho biết
tất cả các đường trắc địa đều hội tụ lại cùng một vị trí gọi là điểm kỳ dị, (tiếng anh Singularity).
Đây chính là lõi của một hố đen, tại chính xác điểm này, toán học của Thuyết Tương Đối Rộng
cho biết độ cong của không-thời gian là vô hạn, và mật độ vật chất là vô hạn với thể tích = 0.
Trên thực tế, điểm kỳ dị không phải là một thực thể vật lý, mà là kết quả của toán học,
nó cho biết Thuyết Tương Đối Rộng đã bị hỏng tại chính xác điều kiện này, và để biết được
chuyện gì xảy ra ở đây cần một lý thuyết cao cấp hơn gọi là Thuyết Hấp Dẫn Lượng Tử (Quantum Gravity).
Tuy nhiên cũng nên chú ý rằng, toán học của Thuyết Tương Đối Rộng hoàn toàn dự đoán
được hành vi của không-thời gian bên ngoài điểm kỳ dị, tức là ta vẫn có thể tin tưởng Thuyết Tương Đối Rộng và áp dụng nó để tính toán chuyện gì xảy ra xung quanh hố đen, miễn là đừng quá gần điểm kỳ dị hoặc tại điểm kỳ dị.
Mặc khác, trên mạng diện rộng, không-thời gian được miêu tả bởi phương trình Friedmann và Metric FLRW, và trên lý thuyết, nếu mật độ vật chất và năng lượng trong vũ trụ đủ dày đặc, không-thời gian trên mạng diện rộng có thể đủ cong để tự đóng chính nó lại.
Nghĩa là bạn sẽ có một vũ trụ hữu hạn, và nếu bạn di chuyển trên một đường thẳng trong không gian đến vô tận, trên lý thuyết, bạn có thể quay về điểm xuất phát nếu vũ trụ không giãn nở.
Tuy nhiên các bằng chứng thực nghiệm hiện có của khoa học cho rằng vũ trụ của chúng ta là phẳng và vô hạn.
Trên thực tế nếu vũ trụ của chúng ta là Vũ Trụ Đóng và hữu hạn, thì ít nhất nó cũng lớn gấp 500 lần vũ trụ quan sát được tính theo bán kính, và một vũ trụ hữu hạn vẫn được phép giãn nở, do đó việc di chuyển đến vô tận và trở về nơi xuất phát như ví dụ trên vẫn bất khả thi, vì ở một khoảng cách đủ xa, tốc độ di chuyển giữa hai điểm sẽ nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không, và bởi vì không có gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng trong chân không, ta không thể đi hết một vòng quanh vũ trụ kể cả khi nó hữu hạn.
Bài viết được viết bởi Quach Minh Dang
Comments
Post a Comment