Những nghiên cứu khoa học cho thấy định luật vạn vật hấp dẫn của Newton có thể không tồn tại

Định luật vạn vật hấp dẫn là định luật do nhà vật lý học Isaac Newton khám phá ra. Định luật này khẳng định mọi vật trong vũ trụ đều hút nhau với một lực gọi là lực hấp dẫn. Theo đó, lực hấp dẫn giữa hai chất điểm bất kì tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Định luật vạn vật hấp dẫn là một trong những định luật phổ biến nhất, nổi tiếng nhất. Ngay cả với những người không quan tâm tới vật lý hoặc không có kiến thức vật lý học cũng có thể biết đến định luật này. Chính vì sự phổ biến của nó mà rất nhiều người coi định luật này hiển nhiên là chân lý.

Tuy nhiên, như mọi người đã biết, Isaac Newton sinh năm 1643, mất năm 1727. Khi ấy, Châu Âu vẫn thuộc thời đại trung cổ, những thí nghiệm khoa học chịu rất nhiều hạn chế do thiếu phương tiện khoa học thực nghiệm, cũng như những kiến thức cần thiết.

Ngày nay, trình độ khoa học công nghệ so với thời Isaac Newton đã phát triển hơn rất nhiều. Chúng ta có thể xem xét các định luật, quy luật, định nghĩa, khái niệm một cách khách quan hơn. Qua những nghiên cứu, các nhà khoa học đã nhận thấy thuyết vạn vật hấp dẫn của Isaac Newton tuy rằng có thể giải thích được khá nhiều hiện tượng tự nhiên nhưng không phải là không có sơ hở. Dưới đây là một số thí nghiệm mà định luật này không giải quyết được.

Thí nghiệm rơi tự do

Đây là thí nghiệm rất nổi tiếng của Galileo Galilei, với thí nghiệm này Galileo đã làm sụp đổ một định luật của triết gia vĩ đại: Aristote, cũng như thay đổi quan niệm thông thường của người thời đó.

“Hai vật thể rơi tự nhiên từ cùng một độ cao có tốc độ rơi tỉ lệ thuận với trọng lượng của mỗi vật”. Nói cách khác thì trong các vật rơi từ cùng một độ cao, vật nào nặng hơn sẽ rơi nhanh hơn. Kết luận này đã được triết gia lớn thời cổ Hy Lạp là Aristote nêu ra, và trong một thời gian rất dài, điều này đã được tất cả mọi người coi là chân lí, không có một ai đặt nghi vấn. Tuy nhiên đến giữa thế kỉ XVI (năm 1589), chàng thanh niên mới 20 tuổi người Italia là Galileo đã đặt nghi vấn về vấn đề này.

Ông suy luận: dựa theo kết luận của Aristote, thì nếu chúng ta đem hai vật một nặng và một nhẹ buộc vào nhau, rồi cho rơi xuống từ một điểm cao thì có thể sản sinh ra hai kết quả tự mâu thuẫn với nhau. Một là hai vật thể được buộc vào nhau thì trọng lượng sẽ tăng lên, vì thế tốc độ rơi sẽ nhanh hơn tốc độ của vật nặng đơn nhất, hai là vì tốc độ rơi của vật nhẹ đơn nhất chậm, sẽ làm mất tác dụng một phần tốc độ của vật nặng đơn nhất. Như vậy tốc độ rơi của hai vật thể buộc vào nhau phải chậm hơn tốc độ của vật nặng đơn nhất”. Điều này thì hiển nhiên là không phù hợp với logic.

Galile còn làm thêm một thí nghiệm nữa trong chân không: ông thả rơi đồng thời một mảnh sắt và một cái lông vũ và phát hiện thấy tốc độ rơi của chúng bằng nhau.

Vậy là Galileo dũng cảm tuyên chiến với Aristote. Ông làm thí nghiệm trước công chúng trên cây tháp nghiêng ở thành phố Pixa của nước Italia. Ông lấy hai quả cầu bằng sắt to bằng nhau, nhưng một quả thì đặc, còn một quả thì rỗng, rồi từ trên tháp, hai tay ông đồng thời cho hai quả cầu ấy rơi xuống. Những người đến xem cuộc thí nghiệm đã kinh ngạc phát hiện thấy rằng hai quả cầu bằng sắt đã rơi xuống đất cùng một lúc. Bằng cách đó, Galileo đã tuyên bố với thế giới phát hiện quan trọng của ông: “Định luật rơi tự do”.

Việc Galileo phát hiện ra định luật rơi tự do đã bắt đầu nảy sinh từ chỗ ông hoài nghi lí luận có tính chất quyền uy của Aristote. Kinh nghiệm thành công của ông nói với chúng ta rằng: hoài nghi chính là khởi điểm của phát minh khoa học, chỉ khi nào dám mạnh dạn hoài nghi, nêu vấn đề thì mới có thể có tìm tòi mới, phát. hiện mới và sáng tạo mới.

Năm 2014, nhà vật lý học Brian Cox đã thực hiện lại thí nghiệm kinh điển này tại Phòng giả lập môi trường không gian của NASA ở Ohio, Mỹ. Căn phòng này rộng 30.5 mét, cao 37.2 mét, thể tích là 22,653 mét khối, đây là căn phòng chân không rộng nhất thế giới, để bơm không khí ra ngoài, hệ thống bơm phải hoạt động cật lực hơn 2 giờ đồng hồ.

Video thí nghiệm: 

Qua video ta có thể nhận trong môi trường chân không, không có lực cản của không khí, quả bóng bowling và chiếc lông vũ rơi cùng vận tốc với nhau.

Với thí nghiệm trên Galile không chỉ làm sụp đổ định luật của triết gia Aristote mà còn khiến thuyết vạn vật hấp dẫn của Isaac Newton bị chao đảo.

Nếu căn cứ theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, lực hấp dẫn giữa hai chất điểm bất kì tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Theo thí nghiệm trên, khoảng cách từ quả tạ, chiếc lông ngỗng đến điểm đích là ngang nhau, nhưng quả tạ nặng hơn, như vậy, căn cứ theo định luật vạn vật hấp dẫn, quả tạ với trái đất sẽ sinh ra một lực hấp dẫn lớn hơn. Và điều gì sẽ xảy ra? Theo lý thuyết vạn vật hấp dẫn thì quả tạ sẽ phải rơi nhanh hơn chiếc lông ngỗng. Nhưng thực tế là chúng rơi xuống điểm đích cùng một thời điểm.

Phải chăng trong trường hợp này định luật vạn vật hấp dẫn của Newton là không chính xác?

Sự vận hành của vũ trụ, thiên hà, hành tinh không tuân theo định luật vạn vật hấp dẫn

Theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, vạn vật trong vũ trụ, bao gồm các thiên hà và các hành tinh, vận hành nhờ lực hấp dẫn. Nhưng có một điểm yếu “chết người” ở đây là: khối lượng của các vật chất trong vũ trụ là không đủ “lực hấp dẫn” để duy trì sự ổn định của vũ trụ, nói cách khác, căn cứ theo định luật vạn vật hấp dẫn thì vũ trụ sẽ lập tức bị giải thể.

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, khối lượng vật chất trong vũ trụ chỉ đạt khoảng 5% khối lượng cần có để duy trì sự vận hành ổn định, vậy 95% khối lượng vật chất còn lại thì ở đâu? Các nhà khoa học đặt giả thiết rằng vật chất đó chính là “vật chất tối”, là vật chất mà con người chưa phát hiện ra.

Vật chất tối bắt đầu có tên trong tự điển thiên văn thế giới vào năm 1933, bởi nhà thiên văn Thụy Sĩ Fritz Zwicky.

Sau đó giới khoa học đã đầu tư nguồn lực đáng kể để xác định vật chât tối: trên không gian, mặt đất và tại CERN (Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu),… nhưng tất cả đều không thành công. 

Bất chấp những nguồn lực khổng lồ đã được chi ra cho những nghiên cứu, chưa từng có lý thuyết hay quan sát nào có thể định nghĩa được loại “vật chất tối” là gì. Cho đến hiện nay vật chất tối vẫn là bí ẩn thách thức giới khoa học.

Như vậy thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton có thể là một luận điểm rất chông chênh, bởi nó không đứng trên một căn cứ khoa học nào để lý giải cho sự vận hành ổn định của thiên hà và các tinh hệ bên trong nó.

Giả sử “vật chất tối” là có tồn tại thì thuyết vạn vật hấp dẫn cũng rất khó đứng vững. Bởi nếu thiên hà và các hành tinh được duy trì bởi những “lực hấp dẫn” ngẫu nhiên, thì các vật chất bên trong nó rất khó tạo một cân bằng động ổn định qua hàng tỉ năm như hiện nay, bất kỳ một sự di chuyển hay thay đổi nào cũng kéo theo những phản ứng dây chuyền khiến các hành tinh trở nên hỗn loạn. Chẳng hạn một hành tinh bị nổ tung, thì tất cả các hành tinh xung quanh nó phải điều chỉnh lại vị trí để cho phù hợp với “lực hấp dẫn” khi không còn lực hấp dẫn của hành tinh kia nữa, cứ như vậy dẫn đến tất cả các hành tinh trong hệ thiên hà phải điều chỉnh lại. Trong thực tế, điều này không xảy ra khi một hành tinh bị giải thể.

Các nhà vật lý tính toán rằng để sự sống có thể tồn tại, trọng lực và các định luật vật lý khác chi phối vũ trụ của chúng ta cần phải được điều chỉnh một cách vô cùng chính xác nếu không vũ trụ của chúng ta không thể tồn tại. Nếu tốc độ nở ra của vũ trụ chỉ cần yếu hơn một chút, trọng lực sẽ kéo tất cả các vật chất trở thành một “Vụ Co Lớn” (Big Crunch – là một giả thuyết về sự quy tụ của vũ trụ trở lại một điểm sau khi nó ngừng nở ra sau Vụ Nổ Lớn). Stephen Hawking viết:

“Nếu tốc độ nở ra một giây sau vụ nổ Big Bang mà nhỏ hơn kể cả một phần một trăm ngàn triệu triệu, vũ trụ sẽ tái sụp đổ trước khi nó có thể đạt tới kích thước hiện tại của nó ”.

Trái lại, nếu tỷ lệ nở ra chỉ cần lớn thêm một phần nhỏ, tất cả các thiên hà, ngôi sao và các hành tinh có thể đã không bao giờ hình thành, và chúng ta sẽ không thể xuất hiện.

Chúng ta hãy đặt câu hỏi, một lực hấp dẫn ngẫu nhiên giữa các hành tinh, thiên hà, liệu có thể đạt đến độ chính xác như vậy không? Nếu liên quan đến sự “ngẫu nhiên” thì nó hẳn là có xác suất. Theo tính toán xác suất để các lực hấp dẫn ngẫu nhiên tạo lên một thiên hà vận hành ổn định là ít hơn một phần một ngàn tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ… để cụ thể hóa tỉ lệ này ta có thể hình dung bằng việc tìm đúng một hạt cát được đánh dấu trong số tất cả các hạt cát tồn tại trên trái đất.

Rất nhiều nhà khoa học hiện này đã nghi ngờ thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton. Các nhà khoa học cho rằng, trong vũ trụ hiện nay chắc chắn tồn tại một nguyên lý để duy trì sự ổn định xảo diệu của vũ trụ, nhưng đó không phải là thuyết vạn vật hấp dẫn. Nói theo cách của vật lý học thì  lực hấp dẫn không phải là một lực tương tác cơ bản như chúng ta vẫn nghĩ hiện nay, thay vào đó có thể là nó được dẫn xuất từ một lực khác cơ bản hơn.

Vậy một lực nào cơ bản hơn lực hấp dẫn để có thể duy trì được sự ổn định của thiên hà?

Tiến sĩ Eric Verlinde, một nhà lý thuyết dây đáng kính và là tiến sĩ vật lý học tại Viện Vật lý Lý thuyết thuộc trường Đại học Amsterdam đã đưa ra một nhận định mới về lực hấp dẫn, cách tiếp cận của Verlinde cho rằng chúng ta không cần vật chất tối trong mọi hoàn cảnh, mà hãy suy nghĩ thêm về lực hấp dẫn.

Ông cho biết, lực hấp dẫn không phải một lực cơ bản của tự nhiên, nó là một hiện tượng – như nhiệt độ là hiện tượng được phát sinh từ sự chuyển động của các hạt vi mô. Nói cách khác, lực hấp dẫn là tác dụng phụ, không phải là nguyên nhân của những gì đang xảy ra trong vũ trụ.

Lý thuyết của Tiến sĩ Verlinde cho rằng lực hấp dẫn thực chất là lực entrôpi. Một vật chuyển động xung quanh các vật thể nhỏ khác sẽ làm thay đổi sự xáo trộn xung quanh các vật thể đó và sẽ cảm thấy như có lực hấp dẫn. 

“Đối với tôi, lực hấp dẫn không hề tồn tại”, tiến sĩ Verlinde cho biết. “Từ lâu chúng tôi đã được biết lực hấp dẫn không tồn tại. Đã đến lúc phải nói lên điều đó.”

Ngoài ra còn một giả thuyết khác nghe có vẻ hợp lý hơn về sức mạnh đã duy trì sự tồn tại ổn định của vũ trụ, đó là tồn tại một Đấng Sáng Thế và vũ trụ chẳng qua là một “bản thiết kế” của Ngài.

Bản thân Newton cũng bày tỏ một cách nghiêm chỉnh: “Từ trật tự kỳ diệu của các thiên hệ, chúng ta không thể không thừa nhận những điều này chắc chắn được tạo nên bởi những sinh mệnh cao cấp toàn trí toàn năng… Vạn vật trong vũ trụ, tất nhiên là có một vị Thần toàn năng đang điều khiển và khống chế hết thảy.”

Các nhà sinh học phân tử khi nghiên cứu về mã hóa phức tạp trong DNA đã phải thừa nhận rằng vũ trụ và sự sống của chính nó dường như là một phần của một thiết kế lớn. 

Các nhà vũ trụ học – những người chuyên nghiên cứu về vũ trụ và nguồn gốc của nó đã sớm nhận ra rằng vụ nổ vũ trụ sẽ giống như một vụ nổ hạt nhân, và không thể mang tới bất kể một sự sống nào trừ khi nó được thiết kế một cách chính xác để làm như vậy. Và điều đó có nghĩa rằng người thiết kế ra nó hẳn phải lên kế hoạch trước đó. Họ bắt đầu sử dụng những từ như “Đấng Tạo Hóa”, “Siêu Trí Tuệ” hay thậm chỉ là “Đấng Tối Cao” để mô tả về người thiết kế này.

Và nếu vũ trụ chỉ là một bản thiết kế của Đấng Sáng Thế thì hẳn ngài sẽ có cách để nó vận hành ổn định.

Nam Minh