Lời dẫn: Trong các cuốn sách vật lý dành cho học sinh ở bậc trung học, chúng ta có thể thấy tên của rất nhiều loại lực: lực hấp dẫn, lực điện, lực đẩy Archimedes, lực ma sát, lực liên kết phân tử, lực căng, lực đàn hồi,... Dường như có quá nhiều loại lực quanh chúng ta, thế nhưng, thực tế thì có vẻ như tạo hóa không đến nỗi quá phức tạp. Sau nhiều thế kỷ phát triển, các nhà khoa học đã đúc kết lại rằng, tất cả những hiện tượng trong vũ trụ này đều được gây ra và chịu sự chi phối của bốn loại lực - hay còn có tên gọi khác là bốn tương tác cơ bản. Nội dung bài viết không nghiên cứu sâu vào vật lý, chỉ muốn đề cập một cách tương đối thông tin cho tất cả bạn đọc.
1. Tương tác điện từ
Điều đầu tiên cần phải nói đó là trong cuộc sống hàng ngày, các lực mà chúng ta hay bắt gặp chủ yếu có nguồn gốc từ lực điện từ. Tương tác này xảy ra giữa các hạt mang điện, chẳng bạn các proton (p) có cùng điện tích dương nên chúng đẩy lẫn nhau, nhưng lại hút các electron (e) do (e) có điện tích âm. Điều này các bạn có thể thấy rõ nhất khi đưa nam chân lại gần nhau. Một nam châm bao giờ cũng có 2 cực, một đầu cực âm, đầu kia sẽ là cực dương (do một đầu thừa e còn một đầu thiếu e), do đó sẽ có 1 đầu đẩy, 1 đầu hút của cục nam châm khác.
Tuy nhiên lực điện từ không đơn thuần chỉ có đẩy và hút của việc thừa và thiếu e, mà quan trọng nhất ở chỗ tính chất hút nhau của proton và electron, từ đó tạo nên cấu trúc nguyên tử, rồi tới phân tử, hình thành nên mọi vật chất chúng ta thấy hằng ngày. Tương tác này được truyền bởi 1 hạt gọi là photon (hay còn gọi là quang tử - hạt truyền ánh sáng - do đó ánh sáng cũng là một loại sóng điện từ). Bắt đầu phức tạp rồi, không đào sâu thêm nhé.
Một vài ví dụ về tương tác điện từ trong cuộc sống hàng ngày, mà các tập hợp con của nó có thể nghe quen thuộc hơn như là lực ma sát, lực đàn hồi, lực căng dây... Lực ma sát sinh ra khi một vật trượt trên vật khác - chẳng hạn sự co sát bạn cảm thấy khi miết tay trên mặt bàn, hay lực giữ cho chân của bạn có thể bước đi trên mặt đường mà không bị trượt đi - đều là do tương tác điện từ của các nguyên tử ở bề mặt tiếp xúc. Lực đàn hồi của lò xo hay lực căng của sợi dây cũng là tương tác điện từ do sự thay đổi khoảng cách của các nguyên tử với nhau dẫn tới thay đổi độ lớn của tương tác so với trạng thái ổn định ban đầu. Lực do cơ bắp sinh ra khi bạn nâng một vật nặng hay bất cứ cử động gì khác là đàn hồi của các bó cơ, nên tất nhiên cũng là tương tác điện từ,...
 |
| Hình 1. Sẽ ra sao nếu không có lực ma sát, bạn sẽ không thể bước đi được vì sẽ bị trượt. |
2. Tương tác mạnh (lực hạt nhân mạnh)
Tên gọi nghe có vẻ kì lạ, "mạnh" nghe có vẻ như là một tính từ để mô tả một tương tác không rõ là gì, ý nói là nó "mạnh". Đúng như vậy đấy, tên nó chỉ đơn giản là tương tác mạnh mà thôi. Để mà nói vào lực này thì cần phải đề cập tới các khái niệm hạt quark, nếu không học chuyên sâu về vật lý, cũng như không đọc nhiều bài viết liên quan, chúng ta vẫn thường nghĩ trong chương trình phổ thông thì proton, neutron, electron là những hạt nhỏ nhất. Nhưng không, vẫn còn những hạt nhỏ hơn ví dụ hạt quark, 3 hạt quark liên kết với nhau sẽ tạo ra proton và neutron (có thành phần khác nhau). Vậy tương tác mạnh là thứ liên kết các hạt quark với nhau, nhằm chống lại lực đẩy khủng khiếp giữa các proton trong lõi hạt nhân nguyên tử, và tương tác này được gây ra bởi các hạt gọi là gluon. Gọi nó là tương tác mạnh, vì nó là tương tác mạnh nhất trong các tương tác cơ bản của tự nhiên, xét trong kích thước của các hạt proton, neutron, thì nó mạnh hơn nhiều lực điện từ, và dĩ nhiên là cả lực hấp dẫn. Tuy nhiên thì phạm vi của lực này cũng là ngắn nhất (trong phạm vi bán kính của hạt nhân nguyên tử), nếu không thì mọi thứ sẽ không thể tồn tại được mà bị hút lại hết với nhau bởi lực siêu khủng khiếp này.
 |
| Hình 2. Proton tạo bởi 3 hạt quark: 2u và 1d Neutron tạo bởi 3 hạt quark: 1u và 2d |
3. Tương tác yếu (lực hạt nhân yếu)
Có tương tác mạnh thì sẽ có tương tác yếu, nghe cũng logic mà nhỉ? Tương tác yếu đóng vai trò gây ra phân rã beta của neutron, qua đó gây ra hiện tượng phân rã hạt nhân như phóng xạ, phân hạch, tương tác này xảy ra do sự hấp thụ hoặc phát xạ các hạt gọi là boson W hoặc Z. Neutron không bền khi đứng độc lập, chúng chỉ bền khi liên kết với các proton. Khi đứng độc lập, Neutron sẽ bị phân rã beta tạo thành 1 proton, 1 electron và 1 phản neutrino. Nói chính xác hơn thì theo hình mô tả của mục số 2, 1 hạt quark d sẽ bị chuyển thành 1 hạt quark u, do đó neutron biến thành proton.
Lực này có vai trò như thế nào trong tự nhiên? Bình thường, nếu hạt nhân nguyên tử không có neutron, các proton sẽ đẩy lẫn nhau, nhưng khi một hạt nhân có số neutron nhiều hơn proton, sẽ có những neutron bị thừa ra, và do tương tác yếu, tác neutron này sẽ bị phân rã và khiến hạt nhân trở nên không bền. Những nguyên tố mà hạt nhân có tiện tượng này được gọi là nguyên tố phóng xạ. Hạt nhân càng nặng càng không bền, chúng nhanh chóng bị phân rã, thực tế không thể tồn tại trong tự nhiên mà chỉ được tạo ra trong những thí nghiệm ở năng lượng cực cao, và cũng biết mất rất nhanh chóng. Chính điều này đã giới hạn số lượng các nguyên tố có mặt trong bảng tuần hoàn, tại thời điểm của bài viết này, thì số lượng nguyên tố hiện tại là 118.
 |
| Hình 3. Lực hạt nhân yếu biến 1 neutron --> 1 proton + 1 electron + 1 antineutreno |
4. Tương tác hấp dẫn (lực hấp dẫn)
Đây là tương tác đặc biệt nhất so với 3 loại kể trên, về mặt vật lý học, 3 lực kể trên đều có hạt truyền lực, với lực điện từ là photon, lực hạt nhân mạnh là gluon, lực hạt nhân yếu là boson W hoặc Z. Tuy nhiên tới nay, hạt truyền lực của tương tác hấp dẫn vẫn chỉ trên lý thuyết, chưa được chứng minh trong thực tế. Về mặt phổ thông, lực này ắt hẳn rất nổi tiếng khi ai hầu như cũng từng nghe qua câu chuyện quả táo rớt trúng đầu Newton, từ đó ông đã tìm ra lực hấp dẫn. Và chúng ta cũng dễ dàng cảm nhận thấy sự tồn tại của lực này khi ném hoặc thả tự do một vật, nó sẽ rơi xuống. Thậm chí việc chúng ta có khối lượng, hoặc đứng vững trên mặt đất cũng là nhờ có lực hấp dẫn. Hay những hiện tượng như thủy triều, là do lực hút của mặt trăng tác dụng lên trái đất,...
Xét trên quy mô nhỏ, lực hấp dẫn có vai trò rất bé, lực hấp dẫn bé hơn nhiều so với lực điện từ về độ lớn, tuy nhiên không phải vật nào, hạt nào cũng mang điện, và lực điện từ còn phụ thuộc vào môi trường truyền lực. Lực hấp dẫn lại khác, nó truyền qua mọi môi trường và tất cả các loại hạt tạo thành vật chất - mà các hạt tạo thành vật chất luôn có khối lượng, mặt khác khối lượng không có giá trị âm nên chúng không bao giờ đẩy nhau (nói cách khác là lực hấp dẫn luôn luôn là lực hút). Do phạm vi tác dụng rộng, không bị ảnh hưởng bởi môi trường truyền, và các thiên thể trong vũ trụ có khối lượng cực lớn nên xét trong quy mô vũ trụ, thì lực này lại là lực mạnh nhất. Bất kì đối tượng nào có khối lượng đều bị ảnh hưởng bởi lực này, và không gì có thể ngăn cản được. Các nhà khoa học đã giả định lực này được truyền bởi hạt "graviton", tuy nhiên bằng chứng về thực nghiệm vẫn chưa có.
Có một góc nhìn khác để giải thích về lực hấp dẫn, đã đi vào kinh điển đó là thuyết tương đối rộng của Eisntein, khi ông coi rằng hấp dẫn, thực chất chính là sự uốn cong của không gian xung quanh một vật mang khối lượng. Ví dụ: một quả bóng tennis được đặt lên một chiếc khăn trải bàn được cố định 4 góc đang bị căng ra, bạn sẽ thấy tại vị trí quả bóng sẽ bị lõm xuống, vùng khăn trải bàn cạnh quả bóng cũng bị biến dạng và hướng về phía quả bóng, nếu bạn đặt 1 viên bi tại vùng đó, nó sẽ bị rơi về phía quả bóng (hình 4). Điều đó lý giải cho lực hấp dẫn theo quan điểm của Eisntein, vùng không gian bị uốn cong xung quanh được gọi là trường hấp dẫn, trong vùng này, mọi thứ kể cả ánh sáng cũng bị uốn theo khi đi qua nó. Thú vị không nào! Tuy nhiên để bàn về lực hấp dẫn sẽ rất dài, sự hiểu biết của các nhà khoa học về lực này vẫn là chưa hoàn toàn, do đó tôi sẽ dừng lại tại đây trong phạm vị bài viết này.
 |
| Hình 4. Lực hấp dẫn theo quan điểm của Eisntein, vật chất làm cong không gian xung quanh và một vật chuyển động vào trường hấp dẫn sẽ bị uốn theo. |
Bài viết kết thúc tại đây, bạn thấy sao về bài viết, hãy bình luận bên dưới nhé.
Nguồn tham khảo:
1. Vũ trụ xa hơn mây Oort - Đặng Vũ Tuấn Sơn
2. Wikipedia
Post a Comment