Bản chất của lực hấp dẫn

Khái niệm về trọng lực

Trọng lực là sự tương tác giữa hai hạt và là lực đẩy khiến hai khối lượng tiến về phía nhau. Nó bắt nguồn từ đặc tính chất lượng của vật liệu.

Lịch sử hiểu biết về lực hấp dẫn

Khái niệm về lực hấp dẫn vũ trụ lần đầu tiên được Newton đề xuất, người tin rằng lực hấp dẫn vũ trụ là lực giữa hai hạt. Bất kỳ vật thể nào có khối lượng đều có lực hấp dẫn lẫn nhau, cụ thể là lực hấp dẫn của vũ trụ. Nó được biểu thị bằng công thức: F=GMm/R², trong đó R là khoảng cách giữa tâm khối lượng của hai vật thể và tác động của trọng lực là tác động siêu khoảng cách. Lực hấp dẫn giữa các vật thể có khối lượng không chỉ là lực tồn tại giữa tất cả các vật thể mà sự truyền lực hấp dẫn này cũng diễn ra tức thời. Sau đó, Cavendish đã sử dụng cân xoắn Cavendish để đo hằng số hấp dẫn G và chứng minh định luật vạn vật hấp dẫn. Tuy nhiên, cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học, khái niệm về lực hấp dẫn của Newton đã xuất hiện những mâu thuẫn như nguyên nhân tác động từ xa, giới hạn trên của tốc độ ánh sáng, sự tiến động của Sao Thủy, v.v.

Để làm cho lý thuyết này hoàn thiện hơn, Einstein đã cải tiến thêm khái niệm về lực hấp dẫn vũ trụ dưới dạng lý thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối rộng cho rằng lực hấp dẫn chỉ là một tính chất hình học của không-thời gian bốn chiều và là biểu hiện của độ cong của không-thời gian do khối lượng vật chất. Nói cách khác, lực hấp dẫn đề cập đến tác động hình học của vật chất lên độ cong của không-thời gian. Mối quan hệ hấp dẫn giữa vật chất và không gian-thời gian là phương trình trường Einstein: Rμυ - gμυR/2＝8πGTμυ/c^4. Phương trình này tương đối phức tạp. Một cách hiểu đơn giản về nó là mối quan hệ giữa sự phân bố vật chất và trạng thái chuyển động của nó cũng như độ cong của không gian. Mối quan hệ này cho chúng ta biết rằng các tính chất hình học trên khiến không gian bị uốn cong do các vật thể, và các vật thể di chuyển dọc theo đường trắc địa do độ cong của không gian.

Đồng thời, cộng đồng khoa học đề xuất rằng graviton là các hạt truyền lực hấp dẫn, và lực hấp dẫn giữa hai vật thể chính là trường hấp dẫn truyền lực hấp dẫn thông qua sóng hấp dẫn. Nói cách khác, trọng lực là hạt graviton truyền lực hấp dẫn giữa hai vật thể thông qua sóng. Tuy nhiên, một mặt, graviton vẫn chưa được tìm thấy; Mặt khác, mặc dù thuyết tương đối hấp dẫn hoàn hảo hơn khái niệm hấp dẫn của Newton, nhưng nó cũng có một số khía cạnh chưa thỏa đáng, chẳng hạn như vấn đề kỳ dị, vấn đề hấp dẫn lượng tử, vấn đề năng lượng tối, v.v. Để hiểu rõ hơn về vũ trụ và mọi thứ trên thế giới, những lý thuyết hoàn hảo hơn có thể xuất hiện và tích cực vươn lên đỉnh cao của tòa nhà khoa học. Tuy nhiên, thuyết tương đối vẫn có tính khoa học cao trong một phạm vi đáng kể.

Hiểu biết mới về trọng lực

Thuyết tương đối tổng quát đã sửa chữa được những khiếm khuyết về lực hấp dẫn của Newton, nhưng nó lại tương đối hàm ý trong cách giải thích cơ chế hoạt động của lực hấp dẫn. Năng Tử Nguyên muốn bày tỏ điều này ở đây dựa trên những gì ông đã học được. Bài viết hời hợt và chỉ nêu ngắn gọn quan điểm cá nhân.

1. Bản chất của trọng lực

Mặc dù thuyết hấp dẫn của Newton có một số sai sót, nhưng độ lớn của lực hấp dẫn có liên quan đến khối lượng của các vật thể và khoảng cách giữa chúng, điều này là không thể tránh khỏi. Cho dù nhỏ như một hạt hay lớn như một lỗ đen, khối lượng càng lớn và khoảng cách càng nhỏ thì lực hấp dẫn giữa các vật thể càng lớn. Điều này là không thể chối cãi. Mặc dù thuyết tương đối tổng quát của Einstein cũng có những khiếm khuyết, nhưng thực tế là khối lượng gây ra độ cong của không-thời gian và độ cong của không-thời gian khiến các vật thể chuyển động dọc theo các đường trắc địa. Mặc dù graviton vẫn chưa được tìm thấy và lý thuyết hiện tại có thể có những điểm bất cập trong các giả định về tính chất của graviton, và cơ chế truyền năng lượng của lý thuyết này cũng có thể cần phải được sửa đổi; nhưng tôi tin rằng sự tồn tại của graviton cũng là một sự kiện tất yếu trong lực hấp dẫn. Kết hợp các yếu tố này, lực hấp dẫn có thể được diễn đạt như sau: khối lượng vật chất gây ra độ cong của không-thời gian, dẫn đến xu hướng vật chất tiến lại gần nhau. Khối lượng của xu hướng tiếp cận cho phép các vật thể thu được lực hấp dẫn và buộc chúng phải tăng tốc. Đây chính là bản chất của trọng lực.

Lực hấp dẫn là sự tương tác giữa tất cả các khối lượng và biểu hiện dưới dạng lực hấp dẫn. Cho dù nó được gây ra bởi độ cong của không-thời gian hay được tăng tốc bởi sự bắt giữ của các hạt graviton, nó đều bắt nguồn từ khối lượng và là một tính chất của chính khối lượng. Chỉ là tính chất này có một số tác dụng và đóng vai trò là lực, do đó nó vừa là tính chất của khối lượng vừa là lực giữa các vật thể. Khi chúng ta nói rằng đó là một thuộc tính, chúng ta đang ám chỉ đến chính đối tượng đó; khi chúng ta nói đó là một lực, chúng ta đang nói đến mối quan hệ giữa một vật thể với một vật thể khác. Bởi vì Newton đã nói rằng lực là sự tương tác giữa các vật thể. Trọng lực là sự tương tác giữa các vật thể có khối lượng, bất kể khối lượng đó tồn tại ở dạng nào; bất kể tương tác đó là hiệu ứng hình học, liên quan đến các hạt hay do các yếu tố khác gây ra, thì thực chất đó là tương tác giữa hai vật thể, do đó lực hấp dẫn là lực hấp dẫn.

2. Cơ chế hấp dẫn

Vì trọng lực là lực giữa các vật thể có khối lượng, vậy nó hoạt động như thế nào, tức là cơ chế của trọng lực là gì?

Đầu tiên, hiệu ứng không gian-thời gian

Vào thời điểm vũ trụ mới hình thành, vật chất chỉ tồn tại dưới dạng năng lượng, và trong không gian và thời gian của vũ trụ chỉ có năng lượng. Cùng với sự phát triển và mở rộng không ngừng của không gian và thời gian trong vũ trụ, hình thái khối lượng đã xuất hiện trong vũ trụ, tức là vật chất xuất hiện trong không gian và thời gian của vũ trụ dưới dạng khối lượng. Vật chất xuất hiện trong vũ trụ dưới dạng khối lượng và phân bố ở nhiều nơi khác nhau trong không-thời gian của vũ trụ dưới dạng các vật thể khác nhau, khiến không-thời gian của vũ trụ bị uốn cong ở các mức độ khác nhau. Khối lượng của vật càng lớn thì độ cong của không gian vật chất càng lớn. Mặt khác, vật thể di chuyển một khoảng cách ngắn giữa hai điểm trong không gian. Trong hình học Euclid, đoạn thẳng nối hai điểm trên cùng một mặt phẳng là đoạn thẳng ngắn nhất, tức là đoạn thẳng đó là đường trắc địa, do đó vật chuyển động tự do phải đi dọc theo chiều dài của đoạn thẳng đó. Không gian-thời gian bị khối lượng làm cong là hình học phi Euclid, trong đó các mặt phẳng bị cong và các đường tầm ngắn cũng bị nén thành các đường cong. Nói cách khác, không gian-thời gian có khối lượng là một không gian-thời gian cong, trong đó không có mặt phẳng nào được đề cập đến. Do đó, đường thẳng tầm ngắn mà một vật thể di chuyển trong không-thời gian cong là một đường trắc địa cong. Do đó, thuyết tương đối rộng cho rằng lực hấp dẫn là một hiệu ứng hình học không gian-thời gian.

Thứ hai, chất lượng của nguồn

Lực hấp dẫn là một hiệu ứng hình học của không gian-thời gian. Khi hai vật thể có khối lượng lớn tiến lại gần nhau trong không gian-thời gian cong, cả hai đều tăng tốc trong quá trình này. Khối lượng của hai thiên thể càng lớn thì không gian-thời gian xung quanh chúng càng cong; nếu hai thiên thể ở gần nhau hơn thì hiệu ứng kết hợp của độ cong trong không gian hệ thống sẽ càng đáng kể. Theo cách này, lực hấp dẫn của vũ trụ sẽ tự nhiên trở nên rõ ràng hơn và suy biến thành lý thuyết của Newton, nó là hiện thân hoàn hảo của biểu thức F=GMm/R². Do đó, khối lượng của hai hạt càng lớn thì khoảng cách giữa chúng càng nhỏ và lực hấp dẫn càng lớn. Mặc dù biểu thức này có sai sót trong khuôn khổ của thuyết tương đối, nhưng trong cùng điều kiện môi trường bên ngoài, khối lượng của hai vật càng lớn và khoảng cách giữa chúng càng nhỏ thì lực hấp dẫn của chúng càng lớn. Kết luận này là một tuyên bố không thể chối cãi.

Mặc dù lực hấp dẫn có tác động hình học, nhưng tác động hình học này xuất phát từ khối lượng và độ lớn của lực hấp dẫn liên quan đến khối lượng, do đó nó xuất phát từ khối lượng; và vì quá trình hấp dẫn liên quan đến trao đổi năng lượng nên nó không chỉ giới hạn ở các hiệu ứng hình học mà về cơ bản là một tính chất của khối lượng. Có sự trao đổi năng lượng trong lực hấp dẫn, trong đó cũng bao gồm sự trao đổi hoặc truyền các hạt. Chúng ta hãy cùng suy nghĩ về điều đó. Dưới tác dụng của trọng lực, cả hai vật đều đang chuyển động nhanh dần đều; nếu theo thuyết tương đối thì khối lượng của chúng cũng đang tăng lên. Cho dù tốc độ tăng hay khối lượng tăng thì tổng năng lượng của vật chất đều tăng. Năng lượng này đến từ đâu và như thế nào? Hai vấn đề này chắc chắn liên quan đến sự chuyển đổi năng lượng và chuyển động của các hạt.

Thứ ba, cơ chế hạt

Dưới tác động của lực hấp dẫn, năng lượng của hai thiên thể này liên tục tăng lên. Năng lượng này phải được truyền từ nơi khác, nếu không định luật bảo toàn năng lượng sẽ không còn đúng trong lực hấp dẫn. Để đơn giản hóa vấn đề nghiên cứu, chúng ta ghi lại hai thiên thể này lần lượt là A và B, sau đó hoàn toàn cô lập hệ thống chứa chúng khỏi phần còn lại của không gian-thời gian trong vũ trụ. Theo cách này, A, B và không gian-thời gian mà chúng tồn tại trở thành một hệ thống biệt lập không có mối quan hệ nào với thế giới bên ngoài. Có ba loại chất trong hệ thống cô lập này, cụ thể là các hành tinh A và B, trường hấp dẫn của AB và trường năng lượng không gian-thời gian nơi AB tọa lạc. Dưới tác dụng của trọng lực, năng lượng của A và B đều tăng. Theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng tăng lên có thể đến từ trường hấp dẫn AB, hoặc từ trường năng lượng không gian-thời gian AB, hoặc từ trường kết hợp của cả hai. Một điều cần làm rõ ở đây là trường hấp dẫn là trường năng lượng do AB gây ra; trong khi trường năng lượng không gian-thời gian là trường năng lượng của chính không gian-thời gian vật chất. Ngay cả khi không có AB, trường này vẫn tồn tại, nhưng có thể có một số thay đổi và trường năng lượng không gian-thời gian thường tồn tại sớm hơn các thiên thể và hành tinh.

Bây giờ hãy giả sử rằng năng lượng tăng của AB được chuyển đổi từ năng lượng giảm của trường hấp dẫn AB và quá trình chuyển đổi này cần có một hạt lan truyền để hoàn tất, và hạt này được gọi là graviton. Ngược lại, khi có lực hấp dẫn, năng lượng ở một nơi sẽ di chuyển đến nơi khác một cách tự nhiên và được biến đổi mà không cần bất kỳ hạt lan truyền nào; nhưng điều này sẽ không xảy ra khi không có trọng lực. Nếu có năng lượng hấp dẫn, nó sẽ được chuyển đổi và không cần đến hạt graviton để lan truyền. Nếu không có năng lượng hấp dẫn, nó sẽ không được chuyển đổi. Đây là một sự kiện không thể tưởng tượng được. Từ đó ta thấy graviton mang năng lượng của trường hấp dẫn, sau đó truyền đến A hoặc B, rồi chuyển thành vận tốc (động năng) hoặc khối lượng của A hoặc B. Theo cách này, dưới tác dụng của trọng lực, năng lượng của AB tăng lên, thế năng của hệ AB giảm xuống, thế năng giảm đúng bằng năng lượng tăng lên (tổng của động năng và khối lượng năng lượng). Những điều nêu trên chỉ là một giả định, vì năng lượng tăng lên cũng có thể được chuyển hóa từ năng lượng của trường năng lượng không gian-thời gian hoặc trường tổng hợp của nó. Nhưng dù trong tình huống nào thì cơ chế chuyển đổi cũng tương tự nhau, các hạt được chuyển có thể được gọi là graviton và thế năng được chuyển thành năng lượng của vật thể trong quá trình hoạt động (thế năng này, cho dù là thế năng hấp dẫn, thế năng không gian-thời gian hay thế năng trường tổng hợp, đều có thể được gọi đơn giản là thế năng). Theo bản chất của vật chất, mọi vật chất đều có bản chất kép là sóng và hạt, do đó năng lượng được truyền bởi các hạt graviton trong trường hệ thống giống như sóng và quá trình truyền tải cũng phụ thuộc vào thời gian. Các lý thuyết khoa học hiện đại cho thấy lực hấp dẫn được truyền đi với tốc độ ánh sáng. Tính kịp thời của sự truyền lực hấp dẫn có liên quan trực tiếp đến hiệu suất của graviton. Khi chúng ta tìm ra hiệu suất của hạt graviton, chúng ta sẽ tự nhiên tìm ra bản chất của sự truyền tốc độ hấp dẫn. Chúng tôi đưa hệ thống AB trở lại không gian-thời gian rộng lớn của vật chất vũ trụ. Mặc dù không gian-thời gian rộng lớn được kết nối với hệ thống nhỏ (trao đổi vật chất và năng lượng), cơ chế hấp dẫn sẽ không bị phá vỡ do sự trở lại của vật chất.

Tóm lại, bản chất của lực hấp dẫn vũ trụ có thể được diễn đạt như sau: lực hấp dẫn là hiệu ứng khối lượng-năng lượng của vật chất và không-thời gian. Nó có nguồn gốc từ khối lượng, được hình thành trong độ cong của không-thời gian và hoàn thành quá trình truyền năng lượng thông qua các hạt graviton. Hiệu ứng của nó là hai khối lượng sẽ tăng tốc lại gần nhau hơn hoặc thậm chí hợp nhất thành một, hoặc một thiên thể có khối lượng lớn sẽ tiếp tục sụp đổ.

Mọi quyền được bảo lưu bởi Nengziyuan. Những người vi phạm sẽ bị truy tố!