Lực bí ẩn nhất trong vật lý: Bản chất và nguồn gốc của lực hấp dẫn

Trọng lực là hiện tượng vật lý quen thuộc nhất với chúng ta và nó cũng là lực mà chúng ta có thể cảm nhận được hàng ngày, nó giữ cho chúng ta đứng trên Trái Đất mà không trôi đi, nó cho phép Mặt Trăng quay quanh Trái Đất và nó giữ cho Hệ Mặt Trời ổn định.

Lực hấp dẫn tưởng chừng như đơn giản và tự nhiên nhưng lại là một trong những lực khó hiểu và khó mô tả nhất. Các nhà vật lý đã đề xuất những 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 nghĩa là vật nào có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực; đồng thời nó cũng cực kỳ yếu nghĩa là nó yếu hơn các lực cơ bản còn lại -  Mô hình chuẩn của vật lý hiện công nhận 4 lực tương tác cơ bản: trọng lực, lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu.

Vì sao lại như thế? Đây là một trong những bí ẩn lớn nhất chưa được giải quyết trong vật lý, còn được gọi là bài toán chuỗi. Vấn đề thứ bậc đề cập đến lý do tại sao lại có sự khác biệt lớn về sức mạnh giữa bốn lực lượng cơ bản. Ví dụ, lực điện từ mạnh hơn trọng lực khoảng 10^36 lần, lực tương tác mạnh mạnh hơn trọng lực khoảng 10^38 lần và lực tương tác yếu mạnh hơn trọng lực khoảng 10^25 lần. 

Điều này có nghĩa là nếu hai electron cách nhau 1 mét thì lực đẩy điện từ giữa chúng lớn hơn lực hấp dẫn khoảng 10^36 lần. Những con số này khiến chúng ta khó có thể tưởng tượng tại sao trọng lực lại nhỏ đến vậy. Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn có một số tính chất đặc biệt hoặc tiềm ẩn nào đó? Hay nó có nghĩa là có điều gì đó sai về cơ bản trong hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn?

Để trả lời những câu hỏi này, chúng ta phải nhìn lại lịch sử của lực hấp dẫn. Người đầu tiên đề xuất khái niệm lực hấp dẫn là Newton, nhà vật lý và toán học người Anh ở thế kỷ 17. Trong khi quan sát quả táo rơi từ trên cây xuống, ông đã đưa ra một giả thuyết táo bạo: Có thể có một lực tác dụng giữa Trái Đất và quả táo khiến quả táo chuyển động lại gần Trái Đất hơn. Và, có lẽ lực này không chỉ tồn tại giữa Trái Đất và quả táo, mà còn giữa hai vật thể có khối lượng. Đây là định luật vạn vật hấp dẫn do Newton đề xuất. 

Định luật vạn vật hấp dẫn cho chúng ta biết rằng lực hấp dẫn tỉ lệ thuận với khối lượng của hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Nghĩa là, nếu khối lượng của hai vật tăng thì lực hấp dẫn giữa chúng sẽ tăng; nếu khoảng cách giữa hai vật tăng thì lực hấp dẫn giữa chúng sẽ giảm. Định luật vạn vật hấp dẫn có thể giải thích rõ ràng các hiện tượng thiên văn như chuyển động của hành tinh và hiện tượng thủy triều, đồng thời cũng có thể được sử dụng để tính toán quỹ đạo và tốc độ của các tàu vũ trụ như vệ tinh nhân tạo và tên lửa. 

Định luật vạn vật hấp dẫn khiến loài người lần đầu tiên nhận ra rằng trong tự nhiên có một lực phổ quát và giúp loài người lần đầu tiên sử dụng ngôn ngữ toán học để mô tả và dự đoán các quy luật của tự nhiên.

Tuy nhiên, định luật vạn vật hấp dẫn cũng có những hạn chế, nó không thể giải thích được những 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 đưa ra câu trả lời về lực hấp dẫn là gì hoặc tại sao nó tồn tại. 

Bản thân Newton cũng thừa nhận rằng ông không biết lực hấp dẫn được tạo ra và lan truyền như thế nào; ông chỉ mô tả tác dụng của nó. Để giải quyết những hiện tượng không thể giải thích bằng lý thuyết của Newton và khám phá những nguyên lý sâu xa hơn đằng sau lực hấp dẫn, vào đầu thế kỷ 20, một nhà vật lý và toán học vĩ đại khác là Einstein đã đề xuất một lý thuyết mới và mang tính cách mạng: lý thuyết tương đối đặc biệt. 

Thuyết tương đối đặc biệt có thể giải thích một số hiện tượng điện từ và hiện tượng nguyên tử, nhưng nó không thể dung hòa được với định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Bởi vì định luật vạn vật hấp dẫn của Newton cho rằng lực hấp dẫn lan truyền tức thời, vi phạm nguyên lý tốc độ không đổi của ánh sáng. 

Einstein nhận ra rằng ông phải suy nghĩ lại về bản chất của lực hấp dẫn để tạo ra một lý thuyết hoàn chỉnh và nhất quán hơn. Einstein đã dành 10 năm để khám phá và phát triển lý thuyết mới của mình và cuối cùng ông đã hoàn thành lý thuyết tương đối tổng quát vào năm 1915. Ông đã đưa ra một giả thuyết đáng ngạc nhiên và tuyệt vời trong lý thuyết này: lực hấp dẫn không phải là một lực mà là độ cong của không-thời gian.

Ông tin rằng vật chất sẽ bẻ cong không-thời gian và không-thời gian sẽ ảnh hưởng đến chuyển động của vật chất. Thuyết tương đối rộng có thể giải thích những hiện tượng mà lý thuyết của Newton không thể giải thích được, chẳng hạn như sự lệch hướng của ánh sáng trong trường hấp dẫn mạnh hay sự tiến động của điểm cận nhật của Sao Thủy. 

Hơn nữa, thuyết tương đối rộng còn dự đoán một số hiện tượng kỳ thú và đáng kinh ngạc, chẳng hạn như lỗ đen, sóng hấp dẫn, điểm kỳ dị không-thời gian, thấu kính hấp dẫn, dịch chuyển đỏ hấp dẫn, v.v. Những hiện tượng này đã được xác nhận hoặc chứng minh bằng các thí nghiệm hoặc quan sát, do đó xác minh tính đúng đắn và chính xác của thuyết tương đối rộng. 

Tuy nhiên, thuyết tương đối rộng cũng có những hạn chế, nó không thể dung hòa được với cơ học lượng tử, cũng như không thể mô tả lực hấp dẫn trong những điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như các điểm kỳ dị hoặc các hạt cực nhỏ. Hơn nữa, thuyết tương đối rộng không đưa ra câu trả lời về lực hấp dẫn là gì hoặc tại sao nó tồn tại. 

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

Cơ học lượng tử là một lý thuyết mô tả hành vi và tương tác của các hạt vi mô, nó tin rằng các hạt có cả tính chất sóng và có một 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 quy về sự trao đổi giữa các loại hạt khác nhau. 

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

Graviton là một hạt giả thuyết, được coi là boson có khối lượng bằng 0 và có spin 2. Nó có thể truyền lực hấp dẫn giữa bất kỳ vật thể nào có khối lượng, giống như photon có thể truyền lực điện từ giữa bất kỳ vật thể tích điện nào. Nếu graviton tồn tại thì 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. Đây chính là lý thuyết hấp dẫn lượng tử mà các nhà vật lý hằng mong đợi.

Tuy nhiên, lý thuyết hấp dẫn lượng tử vẫn chưa được hoàn thiện và hiện thực hóa, vì hiện tại chưa có quan sát thực nghiệm nào về sự tồn tại của graviton, cũng như chưa có lý thuyết hoàn chỉnh nào mô tả sự tương tác giữa graviton và các hạt khác. 

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

Với sự phát triển của vật lý đến thời điểm này, cả thuyết tương đối rộng lẫn cơ học lượng tử đều không thể tiếp tục đưa nhân loại bước sang kỷ nguyên tiếp theo.