Tài liệu: Các lực trong tự nhiên

Một trong những đặc trưng cơ bản trong vật lí học là sự tồn tại của các lực giữ vật chất lại với nhau. Thí dụ, có các lực giữ tế bào lại với nhau hình thành nên cơ thể con người, và có lực hấp dẫn giữ chúng ta trên mặt đất và mặt trăng trên quỹ đạo xung quanh trái đất.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tài liệu: Các lực trong tự nhiên Các lực trong tự nhiên Một trong những đặc trưng cơ bản trong vật lí học là sự tồn tại của các lựcgiữ vật chất lại với nhau. Thí dụ, có các lực giữ tế bào lại với nhau hình thành nêncơ thể con người, và có lực hấp dẫn giữ chúng ta trên mặt đất và mặt trăng trênquỹ đạo xung quanh trái đất. Chúng ta có thể tự mình tác dụng lực khi chúng ta đẩymột cái gì đó và, bằng kĩ thuật, giải phóng một số năng lượng trong dầu mỏ tạo ralực tác dụng lên bánh xe hơi làm cho nó chuyển động. Từ quan điểm vĩ mô, chúngta có thể tưởng tượng ra nhiều loại lực khác nhau, các lực tác dụng tại chỗ tiếp xúc,nhưng cũng có lực tác dụng xuyên khoảng cách như lực hấp dẫn. Dù vậy, trong vậtlí, chúng ta cố gắng hệ thống hóa và tìm càng nhiều khái niệm tổng quát càng tốt.Một sự hệ thống hóa như thế là đi tìm các thành phần tối hậu của vật chất. Một sựhệ thống hóa nữa là tìm ra các lực tác dụng giữa chúng. Trong trường hợp thứ nhất,chúng ta đã có thể phân chia vật chất thành các nguyên tử và phân chia các nguyêntử thành hạt nhân và các electron, và rồi phân chia hạt nhân thành các proton vàneutron. Khi cho va chạm proton với proton hay proton với electron, các nhà vật líhạt đã khám phá ra rằng toàn bộ vật chất có thể cấu thành từ một số quark (mộtkhái niệm do Murray Gell-Mann đưa ra hồi những năm 1960) và lepton (electronvà các neutrino và các chị em nặng hơn của chúng). Cũng trong quá trình này, cácnhà vật lí đã phát hiện ra bốn lực cơ bản tác dụng giữa các hạt vật chất này – lựchấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Chỉ có hai lực đầu làcó thể nhìn thấy trực tiếp trong thế giới vĩ mô, nên chúng ta hãy mô tả chúng trước. Lực hấp dẫn Lí thuyết mang tính định lượng đầu tiên của lực hấp dẫn xây dựng trên cácquan sát do Isaac Newton thiết lập vào năm 1687 trong cuốn Principia của ông.Ông viết rằng lực hấp dẫn tác dụng lên mặt trời và các hành tinh phụ thuộc vàolượng vật chất mà chúng chứa. Nó truyền đi những khoảng cách xa và luôn luôngiảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Công thức viết cho lựcF giữa haivật có khối lượng m1 và m2 cách nhau khoảng r là F = Gm1m2/r2 trong đó G là hằng số tỉ lệ, hay hằng số hấp dẫn. Newton không hoàn toàn hàilòng với lí thuyết của ông vì nó giả sử một tương tác xuyên khoảng cách. Khó khănđã bị loại trừ khi khái niệm trường hấp dẫn được nêu ra, một trường thấm đẫmkhông gian. Lí thuyết Newton được áp dụng rất thành công cho cơ học thiên thểtrong thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19. Ví dụ, J.C. Adams và U.J.J Leverrier đã có thể phỏngđoán một hành tinh nằm bên ngoài Thiên vương tinh từ sự không đều trong quỹđạo của nó và sau đó, Hải vương tinh đã được tìm thấy. Dù vậy, vẫn còn tồn đọngmột vấn đề. Vào năm 1845, Leverrier tính thấy quỹ đạo của Thủy tinh tiến động35” trên thế kỉ, trái với giá trị theo thuyết Newton là bằng không. Sau đó, các phépđo cho giá trị chính xác hơn là 43”. (Sự tiến động quan sát thấy thật ra là 5270”/thếkỉ, nhưng khi nhẫn nại tính toán loại trừ hết nhiễu loạn từ tất cả các hành tinh kháccho giá trị 43”) Mãi cho đến năm 1915, Einstein mới có thể giải thích được sựkhông nhất quán này. Galilei là người đầu tiên quan sát thấy các vật dường như rơi ở tốc độ nhưnhau bất kể khối lượng của chúng. Trong các phương trình Newton, khái niệmkhối lượng xuất hiện trong hai phương trình khác nhau. Định luật thứ hai phátbiểu rằng lực F tác dụng lên một vật khối lượng m cho gia tốc atuân theo phươngtrình F = ma. Trong định luật hấp dẫn, lực hấp dẫn F thỏa mãn F = mg, trongđó gphụ thuộc vào các vật khác tác dụng lực lên vật (thường là trái đất, khi chúngta nói tới lực hấp dẫn). Trong cả hai phương trình, m là hệ số tỉ lệ (khối lượng quántính và khối lượng hấp dẫn) và không hề có lí do rõ ràng nào là chúng phải bằngnhau đối với hai vật khác nhau. Tuy nhiên, tất cả các thí nghiệm đều xác nhậnchúng là như nhau. Einstein lấy thực tế này làm điểm xuất phát cho lí thuyết hấpdẫn của ông. Nếu bạn không thể phân biệt khối lượng quán tính với khối lượnghấp dẫn, thì bạn không thể nào phân biệt sự hấp dẫn với sự gia tốc. Một thí nghiệmtiến hành trong trường hấp dẫn có thể thay thế bằng cách tiến hành trong mộtthang máy đang gia tốc mà không có trường hấp dẫn. Khi nhà du hành vũ trụ trongmột tên lửa gia tốc ra khỏi trái đất, ông cảm thấy lực hấp dẫn lớn hơn vài lần so vớitrên trái đất. Đa số sự hấp dẫn đó là do sự gia tốc. Nếu người ta không thể phânbiệt hấp dẫn với gia tốc, người ta luôn luôn có thể thay thế lực hấp dẫn bằng cách ởtrong một hệ quy chiếu đang gia tốc. Một hệ quy chiếu trong đó sự gia tốc triệt tiêulực hấp dẫn được gọi là hệ quy chiếu quán tính. Vì thế, mặt trăng quay xung quanhtrái đất có thể thay thế bằng cách xét trong một hệ quy chiếu đang gia tốc. Tuynhiên, hệ quy chiếu này sẽ khác từ điểm này đến điểm khác vì trường hấp dẫn biếnthiên. (Trong ví dụ với mặt trăng, trường hấp dẫn đổi hướng từ điểm này sangđiểm khác) Nguyên lí rằng người ta luôn luôn có thể tìm một hệ quy chiếu quántính tại mỗi điểm của không gian và thời gian, trong đó nền vật lí tuân theo cácđịnh luật trong sự thiếu vắng lực hấp dẫn được gọi là nguyên lí tương đương. Thực tế lực hấp dẫn có thể xem là một hệ tọa độ khác nhau từ điểm này sangđiểm khác có nghĩa là lực hấp dẫn là một lí thuyết hình học. Hệ tọa độ thật sự baoquát toàn bộ không gian và thời gian do đó phức tạp hơn hệ tọa độ phẳng thôngthường mà chúng ta sử dụng từ hình học thông thường. Loại hình học này gọilà hình học phi Euclid. Lực như chúng ta thấy là do tính chất của không gian và thờigian. Chúng ta nói rằng không-thời gian bị cong. Xét một quả cầu nằm trên một bềmặt phẳng. Nó sẽ không chuyển động, hoặc nếu như không có ma sát, nó có thểchuyển động đều khi không có lực tác dụng lên nó. Nếu như bề mặt bị cong, quảcầu sẽ gia tốc và chuyển động xuống điểm thấp nhất chọn đường đi ngắn nhất.Tương tự, Eins ...