Trong số bốn lực cơ bản chi phối toàn bộ vũ trụ, lực hấp dẫn (hay trọng lực) là yếu tố mà con người có thể cảm nhận trực tiếp và liên tục nhất. Chính lực hấp dẫn là sợi dây vô hình giữ chân chúng ta trên mặt đất và duy trì quỹ đạo của Trái Đất xung quanh Mặt Trời.
Tuy nhiên, một nghịch lý lớn đang tồn tại trong nền vật lý hiện đại: các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định chính xác cường độ tuyệt đối của lực này. Nhiều phép đo quy mô lớn đã được thực hiện nhưng vô số các kết quả được công bố lại mâu thuẫn trực tiếp và phủ quyết lẫn nhau.
Nguyên nhân cốt lõi khiến việc xác định cường độ lực hấp dẫn trở nên cực kỳ gian nan nằm ở bản chất vật lý của nó: đây là lực yếu nhất trong vũ trụ.
Chúng ta chỉ cảm thấy lực hấp dẫn mạnh mẽ vì đang chịu lực hút tổng hợp từ toàn bộ khối lượng khổng lồ của Trái Đất. Ngược lại, lực hấp dẫn tĩnh giữa hai vật thể thông thường trong cuộc sống hàng ngày lại vô cùng nhỏ bé và dễ bị nhiễu loạn.
Tiến sĩ Stephan Schlamminger, nhà vật lý thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), giải thích: "Lực hấp dẫn rất yếu. Thách thức lớn là bạn buộc phải tiến hành đo đạc nó ngay trong bối cảnh trường hấp dẫn của Trái Đất đang bao trùm. Về cơ bản, bạn phải đưa hai khối lượng được kiểm soát cực kỳ nghiêm ngặt lại gần nhau và tìm cách đo lực hút siêu nhỏ phát sinh giữa chúng".
Để minh chứng, nhóm của Tiến sĩ Schlamminger đã phải sử dụng tới 13 tấn thủy ngân lỏng để tạo ra trường hấp dẫn lớn nhất có thể trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, sự thay đổi trường hấp dẫn thu được vẫn chỉ bằng một phần triệu so với Trái Đất.
Nhận định về độ khó, Tiến sĩ Christian Rothleitner (Viện Đo lường Quốc gia Đức - PTB) chia sẻ: "Lực tác động siêu nhỏ này phải được xác định chính xác đến sáu chữ số thập phân trở lên. Về mặt trực quan, điều này tương đương với việc bạn đang cố gắng đo chính xác trọng lượng của chỉ 7 tế bào con người".
Các phòng thí nghiệm thường công bố kết quả với biên độ sai số rất nhỏ, chứng tỏ họ rất tự tin. Thế nhưng, các khoảng sai số giữa các thí nghiệm lại hoàn toàn tách biệt. Tiến sĩ Schlamminger đã đúc kết hiện tượng này thành công thức "PEP": Vật lý (Physics), Kỹ thuật (Engineering) và Tâm lý học (Psychology).
Mặc dù việc tìm kiếm một con số tuyệt đối cho hằng số hấp dẫn G đang bế tắc, giới khoa học thừa nhận điều này không gây ảnh hưởng lớn đến đời sống hay các ngành kỹ thuật ứng dụng.
Trong thực tế, các nhà khoa học vũ trụ chỉ cần sử dụng tích số của hằng số hấp dẫn G nhân với khối lượng Trái Đất - một đại lượng được đo đạc chính xác hơn rất nhiều - là đã đủ để tính toán quỹ đạo phóng tên lửa, vận hành vệ tinh hay thám hiểm không gian.
Tiến sĩ Rothleitner khẳng định: "Giá trị của hằng số hấp dẫn Newton hiện tại phần lớn chỉ mang ý nghĩa lý thuyết thuần túy. Nếu nó thực sự gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến công nghệ thực tế, các quốc gia chắc chắn đã đổ thêm nhiều nguồn lực tài chính để ép buộc phải xác định nó chính xác hơn".
Tuy nhiên, đối với những bộ óc đam mê khoa học, rào cản này lại là một chương đầy hấp dẫn. Lực hấp dẫn chính là minh chứng cho thấy: ngay cả trong những định luật căn bản nhất của vũ trụ, vẫn còn những vùng đất hoang sơ đang chờ đợi con người khám phá.
Nguồn bài viết: Tổng hợp thông tin vật lý lượng tử và khoa học vũ trụ hiện đại.
Tuy nhiên, một nghịch lý lớn đang tồn tại trong nền vật lý hiện đại: các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định chính xác cường độ tuyệt đối của lực này. Nhiều phép đo quy mô lớn đã được thực hiện nhưng vô số các kết quả được công bố lại mâu thuẫn trực tiếp và phủ quyết lẫn nhau.
Nghịch lý từ một lực cơ bản nhưng quá yếu ớt
Nguyên nhân cốt lõi khiến việc xác định cường độ lực hấp dẫn trở nên cực kỳ gian nan nằm ở bản chất vật lý của nó: đây là lực yếu nhất trong vũ trụ.
Chúng ta chỉ cảm thấy lực hấp dẫn mạnh mẽ vì đang chịu lực hút tổng hợp từ toàn bộ khối lượng khổng lồ của Trái Đất. Ngược lại, lực hấp dẫn tĩnh giữa hai vật thể thông thường trong cuộc sống hàng ngày lại vô cùng nhỏ bé và dễ bị nhiễu loạn.
Tiến sĩ Stephan Schlamminger, nhà vật lý thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), giải thích: "Lực hấp dẫn rất yếu. Thách thức lớn là bạn buộc phải tiến hành đo đạc nó ngay trong bối cảnh trường hấp dẫn của Trái Đất đang bao trùm. Về cơ bản, bạn phải đưa hai khối lượng được kiểm soát cực kỳ nghiêm ngặt lại gần nhau và tìm cách đo lực hút siêu nhỏ phát sinh giữa chúng".
Để minh chứng, nhóm của Tiến sĩ Schlamminger đã phải sử dụng tới 13 tấn thủy ngân lỏng để tạo ra trường hấp dẫn lớn nhất có thể trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, sự thay đổi trường hấp dẫn thu được vẫn chỉ bằng một phần triệu so với Trái Đất.
Nhận định về độ khó, Tiến sĩ Christian Rothleitner (Viện Đo lường Quốc gia Đức - PTB) chia sẻ: "Lực tác động siêu nhỏ này phải được xác định chính xác đến sáu chữ số thập phân trở lên. Về mặt trực quan, điều này tương đương với việc bạn đang cố gắng đo chính xác trọng lượng của chỉ 7 tế bào con người".
Công thức "PEP": Giải mã những sai lệch trong phòng thí nghiệm
Các phòng thí nghiệm thường công bố kết quả với biên độ sai số rất nhỏ, chứng tỏ họ rất tự tin. Thế nhưng, các khoảng sai số giữa các thí nghiệm lại hoàn toàn tách biệt. Tiến sĩ Schlamminger đã đúc kết hiện tượng này thành công thức "PEP": Vật lý (Physics), Kỹ thuật (Engineering) và Tâm lý học (Psychology).
- Yếu tố Vật lý (Physics): Có thể tồn tại quy luật vật lý mới mà khoa học chưa hiểu hết. Giới vật lý lý thuyết không loại trừ khả năng hằng số hấp dẫn thực chất biến thiên dưới tác động của một trường lực chưa được khám phá.
- Yếu tố Kỹ thuật (Engineering): Mỗi cơ sở áp dụng thiết lập phần cứng khác nhau (cân xoắn, hệ thống con lắc, đo vật thể rơi tự do). Mỗi công nghệ tự sản sinh ra sai số hệ thống riêng biệt, cực kỳ phức tạp để bóc tách. Tiến sĩ Rothleitner cho rằng nguyên nhân chính nằm ở giới hạn tận cùng của công nghệ đo lường hiện tại.
- Yếu tố Tâm lý học (Psychology): Đây được xem là nguyên nhân thực tế nhất. Dưới áp lực của danh tiếng, các nhà nghiên cứu có xu hướng ép biên độ sai số báo cáo xuống mức cực kỳ nhỏ để công trình có giá trị cao hơn. Việc chủ quan đánh giá thấp sai số hệ thống đã khiến kết quả của các bên không thể khớp được với nhau.
Ý nghĩa thực tiễn và vùng đất khoa học chưa được khám phá
Mặc dù việc tìm kiếm một con số tuyệt đối cho hằng số hấp dẫn G đang bế tắc, giới khoa học thừa nhận điều này không gây ảnh hưởng lớn đến đời sống hay các ngành kỹ thuật ứng dụng.
Trong thực tế, các nhà khoa học vũ trụ chỉ cần sử dụng tích số của hằng số hấp dẫn G nhân với khối lượng Trái Đất - một đại lượng được đo đạc chính xác hơn rất nhiều - là đã đủ để tính toán quỹ đạo phóng tên lửa, vận hành vệ tinh hay thám hiểm không gian.
Tiến sĩ Rothleitner khẳng định: "Giá trị của hằng số hấp dẫn Newton hiện tại phần lớn chỉ mang ý nghĩa lý thuyết thuần túy. Nếu nó thực sự gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến công nghệ thực tế, các quốc gia chắc chắn đã đổ thêm nhiều nguồn lực tài chính để ép buộc phải xác định nó chính xác hơn".
Tuy nhiên, đối với những bộ óc đam mê khoa học, rào cản này lại là một chương đầy hấp dẫn. Lực hấp dẫn chính là minh chứng cho thấy: ngay cả trong những định luật căn bản nhất của vũ trụ, vẫn còn những vùng đất hoang sơ đang chờ đợi con người khám phá.
Nguồn bài viết: Tổng hợp thông tin vật lý lượng tử và khoa học vũ trụ hiện đại.
