Tại Sao Einstein Lại Vui? (1)

  • Bởi Trường Lâm
    09/12/2015
    9 phản hồi

    Bài này có mục đích hướng dẫn và giúp độc giả theo dõi những dòng ý tưởng và cách thức lập luận của Einstein khi ông nghĩ ra được cách tổng quát hóa thuyết tương đối. Ý tưởng ấy không dễ hiểu; nếu qua thuyết tương đối hẹp, Einstein là người duy nhất nhìn thấu được vấn đề (so với Poincaré và Lorentz), thì ở đây ông thật sự là người duy nhất nghĩ ra được cách tiếp cận vấn đề. Theo nhiều sử gia về khoa học, nếu không có ông thì có thể ta phải đợi thêm 100 năm nữa thuyết tương đối tổng quát mới ra đời.

    Tại Sao Einstein Lại Vui? - Phần 1:
    Kỷ Niệm Thuyết Tương Đối Tổng Quát Tròn 100 Tuổi

    Các ý tưởng sáng tạo mang tính đột phá của Einstein thường nảy sinh bằng một hình ảnh trong đầu, và ông thường vận dụng trí tưởng tượng như thế để kiến tạo ra các cơ sở lý thuyết vật lý của mình. Einstein kể lại khi đang ngồi viết bài tại văn phòng cấp bằng sáng chế ở Bern, tự nhiên có một ý nghĩ ngộ nghĩnh đến với ông. Nếu một người đang sửa mái nhà bị trợt chân té, lúc đang rơi anh ta không cảm nhận được trọng lượng của mình nữa. Ông gọi đấy là cái ý tưởng làm vui sướng nhất đời mình.

    Điều này thật là lạ vì chúng ta biết trọng lượng (weight) là một cái lực do hấp dẫn (gravity) tạo ra, mà lực hấp dẫn cũng làm mọi vật rơi xuống đất, thế mà lúc đang rơi ta lại có cảm tưởng trọng lượng biến mất!

    Có thể kiểm chứng chuyện ấy dễ dàng, mà không cần phải leo lên mái nhà. Chúng ta có thể hưởng cái cảm giác nhẹ nhõm như sợi tơ ấy trong lúc đang nhào xuống hồ tắm từ ván nhẩy, nhảy bạt nhún (trampoline), nhảy có dây buộc vào người, hay ngồi trên cỗ xe lượn đang tụt dốc thẳng ở các công viên giải trí. Đó cũng là nguyên nhân tạo ra cái cảm giác ruột gan bay bổng làm giật nẩy mình khi ta hụt bước chân lúc đi xuống thang lầu: 60 ký lô bỗng nhiên biến đi đâu mất tiêu, dù là chỉ trong một khoảnh khắc ngắn ngủi. Chuyện cũng xảy ra giống như vậy nếu thang máy bị tai nạn đứt dây cáp và rơi tự do xuống...

    (Rơi tự do [free fall] là tình trạng chuyển động dưới tác dụng của một lực duy nhất: lực hấp dẫn.)

    Một người bình thường nếu mà có hình dung được trong đầu cái cảm giác mất trọng lượng ấy trong lúc rơi tự do thì cũng chỉ ngừng lại ở đấy, và thế là xong. Nhưng Einstein vẫn tiếp tục thắc mắc "tại sao ta không cảm nhận được lực hấp dẫn?", cho đến khi hình ảnh trong đầu về cái mái nhà được thế bằng cái thang máy thì ông bắt đầu nắm được một số đầu dây mối nhợ để khám phá ra bản chất thật sự của lực hấp dẫn. Dưới đây là chuỗi lý luận dựa trên các nhận xét thâu nhặt được từ phòng thí nghiệm trong đầu của Einstein:

    - Giả sử thang máy bị đứt dây cáp và rơi tự do xuống. Tình trạng này giống như chuyện rớt từ mái nhà hay từ trên cây. Tất cả mọi người đứng bên trong thang máy sẽ cảm thấy bị mất trọng lượng. Một người đứng trên cái cân đặt trên sàn của thang máy sẽ thấy kim chỉ 0 ký lô, và lúc ấy nếu một người buông trái táo nắm trong tay ra, người ấy sẽ thấy quả táo sẽ nổi lềnh bềnh chứ không rớt xuống chạm sàn thang máy. Chuyện gì đã xảy ra như thế trong lúc ấy? Đối với một người quan sát (có cặp mắt thần) đứng bên ngoài thì tất cả mọi thứ: phi thuyền, thang máy, cái cân, người và vật đều đang rơi tự do với cùng một gia tốc (Galileo đã chứng minh điều này). Vì tất cả đều rơi với gia tốc giống nhau nên người ở bên trong máy thấy mình và mọi vật chung quanh cũng nổi bập bềnh. Tại sao cái cân lại chỉ con số không? Lúc trước khi rơi, cái sàn thang máy (và cái cân mà người ta đặt hai chân lên) cản lực hấp dẫn lại, tạo ra một lực đẩy lên, làm cái kim chỉ một con số mà ta gọi là cân nặng hay trọng lượng. Khi thang máy rơi tự do, cái cân và hai bàn chân của người đứng trên ấy cùng rơi xuống với gia tốc giống nhau, bây giờ cái cân không còn đẩy cản lại sức nặng của người nữa, nên cái kim trở lại vị trí 0.

    Đấy là lý do tại sao chúng ta thấy các phi hành gia nổi bập bềnh bên trong phi thuyền hay trạm không gian, mặc dù họ đang bay ở trong một qũy đạo gần sát trái đất (tức là vẫn chịu tác dụng của lực hấp dẫn). Cái phi thuyền ấy đang rơi tự do dưới tác dụng của lực hấp dẫn, cũng giống như một người đang từ trên cây rơi xuống đất mà thôi; điều duy nhất giúp phi thuyền (hay các vệ tinh và ngay cả mặt trăng) không bị chạm xuống mặt đất là nó có một cái vận tốc tiếp tuyến đủ nhanh để duy trì được qũy đạo.



    (Tiếp tục lập luận)

    - Để ý là cái thang máy lúc ấy đang rơi với gia tốc hướng xuống dưới, bằng gia tốc hấp dẫn ở mặt đất (g = 9.8 m/s²).

    - Nếu thang máy đứng yên, hay di chuyển đều, tức là gia tốc = 0, thì người trong thang máy cảm nhận được cân nặng bình thường của mình (hay trọng lượng).

    - Nhưng nếu thang máy chạy với gia tốc hướng lên, ta sẽ cảm thấy cân nặng của mình tăng lên. Nếu gia tốc hướng lên ấy mà có trị giá bằng gia tốc hấp dẫn, ta sẽ cân nặng gấp hai bên trong thang máy.

    - Ngược lại, nếu thang máy chạy với gia tốc hướng xuống dưới, ta sẽ thấy mình nhẹ đi, và nếu gia tốc ấy mà bằng gia tốc hấp dẫn, cái kim trên bàn cân sẽ chỉ 0 ký lô: trọng lực bị triệt tiêu! Đây chính là trường hợp rơi tự do.

    Nói cách khác, lực hấp dẫn có thể được tạo ra hay làm biến mất bằng cách thay đổi gia tốc chuyển động một cách thích hợp.

    Thật ra bảo rằng "làm biến mất trọng lực (gravity) hay lực hấp dẫn" trong trường hợp rơi tự do (khi thang máy đứt dây cáp) là một điều phi lý, bởi vì chính lực hấp dẫn của trái đã làm cái thang máy rơi xuống, mặc dù trong lúc rơi người ta không cảm nhận được trọng lượng (weight) của mình. Tuy nhiên quả thật gia tốc chuyển động có thể tạo ra được tình trạng tương đương với lực hấp dẫn, và có thể làm thay đổi hiệu ứng của gia tốc hấp dẫn. Einstein đã khai triển cái ý tưởng này và thiết lập ra điều gọi là nguyên lý tương đương.

    Nguyên lý này có thể được minh họa qua cái thí nghiệm tưởng tượng (*) sau đây:

    ([*] Thought experiment là các thí nghiệm chỉ được nghĩ ra trong đầu thôi chứ khó có thể thực hiện được, vì lý do kỹ thuật, an toàn hay không giống như thực tế ngoài đời vv., miễn sao các thí dụ về thí nghiệm ấy không trái nghịch với luật vật lý là được.)

    Giả sử có một đứa bé được nuôi ăn nuôi học, rồi lớn lên trong phạm vi một căn phòng có trang bị đầy đủ tiện nghi cần thiết, nhưng có cửa sổ bị bít kín nên nó không biết được có chuyện gì ở bên ngoài căn phòng cả.

    Cậu bé, tên là Isaac, thích nghiên cứu và làm thí nghiệm. Vài năm sau, cậu ấy dùng toán biên ra các công thức vật lý, gọi là ba định luật cơ học của Issac, cùng với một công thức mô tả trọng lực, cái lực mà Issac đã gọi là lực hấp dẫn vì nó khiến cho mọi đồ vật bị rơi xuống sàn nhà với gia tốc giống nhau, tức là g = 9.8 m/s².

    Điều mà Issac không biết được là căn phòng ấy thật ra là một chiếc phi thuyền đang chuyển động trong không gian, với gia tốc g (bằng với gia tốc hấp dẫn của địa cầu), và xung quanh nó không có một hành tinh hay ngôi sao nào ở gần đấy để tạo ra lực hấp dẫn. Đây là một cái phi thuyền đang gia tốc trong một môi trường hoàn toàn phi trọng lực. Và điều quan trọng ở đây là không có một thí nghiệm vật lý nào có thể giúp Issac phân biệt được gia tốc với trọng lực cả (Xin xem thêm ghi chú #1 ở dưới).

    Điều gì đã khiến Einstein cảm thấy vui sướng khi nghĩ ra chuyện trọng lực bị triệt tiêu trong lúc rơi tự do?

    Chúng ta biết là thuyết tương đối đặc biệt (hay hẹp) được kiến thiết từ nguyên tắc căn bản này: tính tương đối của mọi chuyển động đều (*).

    ([*] Tức là chuyển động không có gia tốc, hay là có tốc độ không thay đổi. Thuật ngữ tương ứng là hệ quy chiếu quán tính.)

    "Chuyển động mang tính tương đối" nghĩa là thế nào? Giả sử có hai người di chuyển với tốc độ không thay đổi so với nhau, ở ngoài không gian [*]. Người nào cũng có thể nói là mình đứng yên và người kia đang di chuyển. Không có một thí nghiệm vật lý nào có thể giúp hai người ấy xác định được là họ đang di chuyển hay đứng yên. Nói cách khác, vật lý đều giống hệt nhau trong các hệ quy chiếu quán tính này.

    ([*] Chúng ta phải dùng thí dụ tưởng tượng này để loại trừ: lực ma sát, lực làm xe cộ, xe lửa rung động trong lúc di chuyển, và các điểm mốc cố định trên mặt đất như nhà cửa, cây cối vv.)

    Có một điều đáng chú ý là nguyên tắc tương đối đã được đề xuất vào thế kỷ 17 (bởi Galileo), tuy nhiên nó chỉ liên quan đến cơ học mà thôi. Qua thuyết tương đối đặc biệt, Einstein đã nới rộng tính tương đối để nguyên lý nào bao trùm không những các luật cơ học mà luôn cả luật điện từ, tức là vật lý nói chung.

    Nói cách khác:

    Galileo: Luật cơ học phải như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính.
    Einstein: Luật vật lý phải như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính.

    Nguyên lý tương đối thâu tóm trọn vẹn cốt lõi của thuyết tương đối đặc biệt. Lấy một thí dụ, thuyết này nói là ánh sáng không thay đổi tốc độ (trong cùng một môi trường) trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Ta có thể suy ra được điều này từ nguyên lý tương đối một cách dễ dàng như sau: tốc độ không thay đổi của ánh sáng là một trong những phát hiện của thuyết điện từ. Giả sử các quan sát viên thấy tốc độ của ánh sáng khác nhau khi ta thay đổi từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ khác, thì điều này có nghĩa là luật điện từ không còn giống nhau nữa khi ta thay đổi hệ quy chiếu quán tính; điều này vi phạm nguyên lý tương đối. Vì thế tốc độ của ánh sáng phải cố định.

    Ngoài ra, dựa vào nguyên lý tương đối và định lý Pythagoras (tức là chỉ cần dùng toán bậc trung học) chúng ta cũng có thể suy ra được các hệ quả khác của thuyết tương đối đặc biệt như: thời gian đi chậm lại, khoảng cách co rút vv. trong lúc di chuyển.

    (Còn 1 phần nữa)
    ------------------------------

    Ghi chú:

    (1) Nếu căn phòng của Issac mà đủ lớn thì cậu ấy sẽ phát hiện ra được một hiệu ứng đặc biệt của lực hấp dẫn mà chuyển động với gia tốc không thể tạo ra được: vì trường hấp dẫn của một hành tinh tròn có hướng thay đổi, hướng vào tâm của hành tinh, khác với chuyển động với gia tốc có một hướng cố định, Issac sẽ phát hiện được hiệu ứng do lực "thủy triều" tạo ra (tidal forces). Để làm vấn đề bớt phức tạp đi, tôi không đề cập đến khía cạnh này.

    Hãy chia sẻ suy nghĩ của bạn

    9 phản hồi

    Phản hồi: 

    Ồ, bác Ba Lúa, tôi thấy bàn chuyện về trọng lực giúp chúng ta học được nhiều thú vị lắm đấy chứ, tỷ dụ bây giờ chúng ta đã biết tại sao mặt trăng xoay quanh trái đất do tác dụng của lực hấp dẫn của địa cầu, mặt trăng/đạn bắn ngang/vệ tinh đều là những vật rơi tự do vv. Bác thấy có cần bàn bạc điểm gì xin cứ biên lên, đây đừng có ngại gì cả.

    Cái đoạn tiếng Anh ấy nói rằng khi vật được phóng đi có tốc độ bằng vận tốc quỹ đạo (tức là 8000 m/giây), thì nó sẽ hết chạm xuống mặt đất, để trở thành vệ tinh.
    Bác để ý đây là một vấn đề "all or nothing": chừng nào mà viên đạn B còn chạm mặt đất thì A và B chạm đất cùng lúc (tốc độ bắn của B đi từ 0 đến 7999 m/giây). Khi vừa hết chạm mặt đất - do nó theo kịp độ uốn cong của mặt đất, như tôi đã minh hoạ trong hình - thì nó thành vệ tinh.

    Phản hồi: 

    Một lần nữa, cám ơn bác Trường Lâm, vui được chém gió với bác không là những vấn đề cơm áo gạo tiền, nhưng là chủ đề cứ như lo bò trắng răng nhưng thực tế thế giới con người trên trái đất này sẽ thế nào nếu không biết những ứng dụng lực hấp dẫn trong chân không, vận tốc của vật thễ chuyễn động quanh trái đất...

    Trở lại vấn đề viên đạn B được bắn, có lẽ 300m/giây ( vận tốc đầu) thì tốc độ quá chậm, nên ta không thấy sự khác biệt thời gian như A khi rơi xuống đất, nhưng khi vận tốc thật nhanh, trích lại đoạn Anh ngữ dưới đây đễ giữ ý:

    "Objects that get into orbit are given sufficient initial velocity the ground curves away from the object by at least as much as the object falls – so the object never strikes the ground and begins a circumnavigating (non-interrupted) orbit. So in essence, anything in orbit can always be envisioned as always falling (being attracted by earth's gravity), but going fast enough to prevent it from falling to earth."

    Phản hồi: 

    Bác Ba Lúa:

    A và B sẽ chạm mặt đất cùng lúc, bất kể vận tốc bắn đi của B chậm hay nhanh cỡ nào (300m/giây hay là 30.000m/giây) NẾU địa "cầu" không phải hình cầu, mà có bề mặt phẳng băng (flat), kéo dài vô tận (đây là lý thuyết flat earth mà đa số người thời rất xưa, và một số nhỏ người bây giờ, tin là đúng!).

    Nhưng hành tinh này là một trái cầu, có bề mặt cong chứ không phẳng. Vì thế, đến một lúc nào đó, mặt đất sẽ "thụt xuống" (do độ cong) so với vị trí của người đứng bắn, và hậu quả là viên đạn A sẽ chạm mặt đất trước, trong khi B "bị hụt chân" và vẫn còn đang rơi (phần A trong hình ở dưới).

    Vì trái đất lớn, nên phải đi xa lắm cái mức độ "thụt xuống" ấy thể hiện ra được, và vận tốc bắn đạn của các loại súng thông thường như hiện giờ không đủ nhanh để ngăn cản A và B chạm đất cùng lúc được. Nếu muốn biết cái vận tốc ấy phải nhanh cỡ nào để A chạm mặt đất trước B thì ta phải tính độ cong của mặt đất đã.

    Mặt đất có đặc tính hình học như sau: bề mặt của nó thụt xuống một chiều sâu 5m cho mỗi một khoảng cách tiếp tuyến với bề mặt cỡ 8000 m (phần B trong hình ở dưới).

    Ta cũng biết là trọng lực làm đồ vật rớt xuống 5m, ngay sau giây đầu tiên mà ta buông nó ra. Như vậy, sau một giây, mặt đất đã "chạy được" 8000 m và thụt xuống một độ sau 5m. Ta có thể xem đây là "tốc độ uốn cong" của mặt đất. Chừng nào mà vận tốc của viên đạn B chưa bắt kịp được cái tốc độ uốn cong bề mặt ấy của trái đất, tức là 8000 m/giây thì nó vẫn còn chạm đất cùng lúc với viên đạn A.
    Khi đạt được vận tốc 8000 m/giây ấy thì ta thấy rõ ràng là viên đạn B và mặt đất cứ chạy xong xong với nhau, không chạm nhau nữa. Đó là tốc độ vào qũy đạo của các vật thể.



    Có thể phần cắt nghĩa ở trên của tôi chưa được rõ ràng lắm, nên tôi thử giải thích bằng một kiểu khác, cũng dựa trên cái hình vẽ độ cong của mặt đất.
    Giả sử ta đứng trên một cái bệ cao 5m, cùng buông thả viên đạn A và bắn viên đạn B đi theo chiều ngang.
    Sau 1 giây, A chạm đất (do tác dụng của trọng lực).
    Đến thời điểm 1 giây đó, nếu viên đạn B chưa đi xa được hơn 8000 m thì nó phải chạm đất rồi. Lý do là vì ở khoảng cách 7900 m, chẳng hạn, mặt đất chưa thụt xuống được đủ 5m để làm viên B bị hụt việc chạm đất do tác dụng của trọng lực.

    Tuy vậy, tất cả những gì được bàn ở trên chỉ hoàn toàn thuần tuý về mặt lý thuyết mà thôi, cốt để minh họa cái nguyên tắc này: chuyển động chiều ngang độc lập với chuyển độc theo chiều thẳng đứng, trong đường bay của viên đạn. Trên thực tế, do sức cản của không khí và tùy vào tình trạng có gió hay không, viên đạn B có thể rơi xuống đất sau viên đạn A.

    (Đừng đọc đoạn này, nó chỉ làm nhức đầu thêm)
    Ngoài sức cản không khí ra, một yếu tố ảnh hưởng khác cũng bị bỏ qua khi người ta giải thích chuyện buông viên đạn và bắn viên đạn ấy: trong đường bay ngang của viên đạn B, cái thành phần vận tốc thẳng đứng (dưới tác dụng của trọng lực) không giữ được hướng cố định mãi, lý do là vì trái đất tròn, làm thay đổi hướng của trọng lực. Nếu viên đạn B bay nhanh và xa quá, cái hướng của vector vận tốc thẳng đứng ấy sẽ nghiêng đi, hướng vào tâm trái đất, và ảnh hưởng đến thời gian rớt chạm đất của B. Nhưng tôi không biết cái hiệu ứng này có đủ quan trọng đủ để làm viên đạn B chạm đất sau viên đạn A hay không.)

    Phản hồi: 

    Cám ơn bác Trường Lâm phản hồi, có lẽ tôi hơi chậm hiểu nên cứ thắc mắc .

    Đồng ý với bác , trong chân không (vacuum), dù con voi hay lông gà, khi rơi tự do tại thời điểm To, con voi và lông gà sẽ rơi xuống đất cùng thời điểm T1.

    Nhưng tôi cứ thắc mắc là viên đạn B, nó được bắn ở vận tốc Vo =300m/s rồi mới rơi, nhưng nó lại rơi xuống đất cùng thời điểm T1 như A, nếu nhìn đồ thị hai chiều y là tung (cao độ), x là hoành (khoảng cách) của hai viên đạn A và B, và nếu t là yếu tố thời gian, thì sẽ giải thích thế nào trong đồ thị này?

    Nếu viên đạn B được bắn với vận tốc cao, như vận tốc quĩ đạo trái đất, thì rõ ràng, B sẽ bay mãi, chẵng bao giờ rơi, và nếu rơi, nó phải là thời điểm T2, chứ không là T1 như A

    Vậy câu hỏi là, khi viên đạn B được bắn đi, ở vận tốc Vo nào ?, nó có thể là T1 hay T2 khi so sánh với viên đạn A. Như bác nói Vo bị triệt tiêu khi bắn ngang, có đúng không?

    Phản hồi: 

    Bác Ba Lúa,
    bài giải thích của NASA ấy rất hay và dễ hiểu. Phải chi có những trang web cắt nghĩa khoa học phổ thông hữu ích như thế cho các học sinh ở VN, thay vì chỉ chú trọng vào kỹ năng tính toán và giải bài tập thì hay quá!

    Còn viên đạn B (trong hình) quả thật được bắn đi với một lực đẩy, nhưng khi rời nòng súng thì nó chỉ còn chịu tác dụng của một lực duy nhất mà thôi, tức là trọng lực; đấy là định nghĩa của rơi tự do, bất kể vật thể ấy có vận tốc ban đầu hay không. Vật được buông rơi, vật rớt từ cành cây xuống, viên đạn hay quả banh được phóng đi, vệ tinh nhân tạo, trạm không gian đều là những vật thể đang rơi tự do. Chuyện các vật ấy có chạm xuống đất hay không tùy thuộc vào đặc tính của vận tốc ngang khi được phóng đi. Mặt trăng khi được tạo ra cũng có một vận tốc đủ nhanh khiến nó không bị rớt vào trái đất, mặc dù bị lực hấp dẫn địa cầu níu lại. Lần sau mà chúng ta ngắm cái vệ tinh ấy của địa cầu trên màn trời vào một buổi tối trăng thanh, hãy bỏ ra vài giây nghĩ đến chuyện này: mặt trăng đang rơi tự do (như quả táo của Newton), nhưng nó không rơi xuống trái đất, mà cứ rơi xung quanh mãi.

    Tôi không biết cái hình dưới đây có làm sáng tỏ thêm được vấn đề đã khiến bác thắc mắc về viên đạn B hay không, nhưng tôi cứ post nó lên:
    Vận tốc phóng đi của của viên đạn ấy có thể được phân tích thành hai thành phần độc lập với nhau:
    - Căn cứ theo chiều ngang, viên đạn không chịu ảnh hưởng của lực nào hết (vì trọng lực thẳng góc với chiều ngang), chuyển động của nó tuân theo định luật thứ hai của Newton: cứ tiếp tục giữ vận tốc cố định và chuyển động đều.
    - Theo chiều thẳng đứng thì chỉ có tác động duy nhất của trọng lực và đường rơi của nó giống hệt như trường hợp viên đạn A được buông ra cho rớt xuống. Đây là chuyển động có gia tốc, càng lúc càng nhanh,

    Khi phối hợp hai thành phần lại, ta sẽ thấy viên đạn B phải rớt xuống mặt đất trong cùng một khoảnh thời gian giống hệt như viên đạn A.

    (Còn một viên đạn mà được bắn đi với một góc a, xéo & hướng lên, thì vận tốc của nó sẽ có thêm một thành phần chỉa hướng thẳng lên, chính cái này ảnh hưởng đến lộ trình rơi thẳng và làm thời gian chạm mặt đất kéo dài hơn)

    Phản hồi: 

    Đọc thí dụ viên đạn A được thả và viên đạn B được bắn của bác Trường Lâm, làm tui thêm rối trí, khó hiểu về lực hấp dẫn (gravity) và rơi tự do (free fall) trong chân không (vacuum).

    Nếu đọc bài tham khảo cho các cháu lớp 5-8 tiếng anh dưới đây từ cơ quan không gian Nasa, thì thấy họ giãi thích rõ lắm, và cái thí dụ viên đạn A hay B kia liệu có đúng, mong bác Trường Lâm giải thích .

    http://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is...

    Feb. 15, 2012

    What Is Microgravity?

    microgravity_1.jpg

    "Up" and "down" mean different things in space.

    Credits: NASA

    › View Larger Image

    This article is part of the NASA Knows (Grades 5-8) series.

    Microgravity is the condition in which people or objects appear to be weightless. The effects of microgravity can be seen when astronauts and objects float in space. Microgravity can be experienced in other ways, as well. "Micro-" means "very small," so microgravity refers to the condition where gravity seems to be very small. In microgravity, astronauts can float in their spacecraft - or outside, on a spacewalk. Heavy objects move around easily. For example, astronauts can move equipment weighing hundreds of pounds with their fingertips. Microgravity is sometimes called "zero gravity," but this is misleading.

    Is There Gravity in Space?
    Gravity causes every object to pull every other object toward it. Some people think that there is no gravity in space. In fact, a small amount of gravity can be found everywhere in space. Gravity is what holds the moon in orbit around Earth. Gravity causes Earth to orbit the sun. It keeps the sun in place in the Milky Way galaxy. Gravity, however, does become weaker with distance. It is possible for a spacecraft to go far enough from Earth that a person inside would feel very little gravity. But this is not why things float on a spacecraft in orbit. The International Space Station orbits Earth at an altitude between 200 and 250 miles. At that altitude, Earth's gravity is about 90 percent of what it is on the planet's surface. In other words, if a person who weighed 100 pounds on Earth's surface could climb a ladder all the way to the space station, that person would weigh 90 pounds at the top of the ladder.

    Why Do Objects Float in Orbit?
    If 90 percent of Earth's gravity reaches the space station, then why do astronauts float there? The answer is because they are in free fall. In a vacuum, gravity causes all objects to fall at the same rate. The mass of the object does not matter. If a person drops a hammer and a feather, air will make the feather fall more slowly. But if there were no air, they would fall at the same acceleration. Some amusement parks have free-fall rides, in which a cabin is dropped along a tall tower. If a person let go of an object at the beginning of the fall, the person and the object would fall at the same acceleration. Because of that, the object would appear to float in front of the person. That is what happens in a spacecraft. The spacecraft, its crew and any objects aboard are all falling toward but around Earth. Since they are all falling together, the crew and objects appear to float when compared with the spacecraft.

    microgravity_2.jpg

    In microgravity, astronaut Suni Williams could easily move this equipment that weighs more than 700 pounds on Earth.

    Credits: NASA

    › View Larger Image

    How Can Spacecraft Fall Around Earth?
    What does it mean to fall around Earth? Earth's gravity pulls objects downward toward the surface. Gravity pulls on the space station, too. As a result, it is constantly falling toward Earth's surface. It also is moving at a very fast speed - 17,500 miles per hour. It moves at a speed that matches the way Earth's surface curves. If a person throws a baseball, gravity will cause it to curve down. It will hit the ground fairly quickly. An orbiting spacecraft moves at the right speed so the curve of its fall matches the curve of Earth. Because of this, the spacecraft keeps falling toward the ground but never hits it. As a result, they fall around the planet. The moon stays in orbit around Earth for this same reason. The moon also is falling around Earth.

    Why Does NASA Study Microgravity?
    NASA studies microgravity to learn what happens to people and equipment in space. Microgravity affects the human body in several ways. For example, muscles and bones can become weaker without gravity making them work as hard. Astronauts who live on the space station spend months in microgravity. Astronauts who travel to Mars also would spend months in microgravity traveling to and from the Red Planet. NASA must learn about the effects of microgravity to keep astronauts safe and healthy. In addition, many things seem to act differently in microgravity. Fire burns differently. Without the pull of gravity, flames are more round. Crystals grow better. Without gravity, their shapes are more perfect. NASA performs science experiments in microgravity. These experiments help NASA learn things that would be hard or perhaps impossible to learn on Earth.

    parabola-xltn.gif

    On reduced-gravity flights, airplanes fly in large arcs called parabolas.

    Credits: NASA

    › View Larger Image

    Can Microgravity Be Found on Earth?
    For the same reason microgravity exists in orbit, it can also be found on Earth. NASA uses airplanes to create microgravity for short periods of time. The airplane does this by flying in up-and-down parabolas. At the top of the parabola, people and objects inside the airplane are in free fall for about 20-30 seconds at a time. For the same reasons, a person can even experience free fall very briefly going over a large hill, like on a roller coaster. Microgravity also can be experienced in amusement park free-fall rides. NASA also uses drop towers to study microgravity. Objects are dropped using special equipment from the top of these tall towers, experiencing free fall as they drop.

    Words to Know:
    Free fall: the condition of moving freely in an environment in which gravity, and nothing else, is causing acceleration
    Vacuum: the absence of all matter, including air
    Mass: the measurement for the amount of matter in an object

    Phản hồi: 

    Bác NGT:
    "nếu B không bị vật thể nào hút (trái đất, mặt trời, ...) và không bị ma sát, B sẽ đi thẳng đều theo vận tốc ban đầu." - Hoàn toàn đúng!

    Cái thí nghiệm ấy (như trong hình) minh hoạ một chuyện rất trái ngược với trực giác: thông thường, ít ai lại nghĩ là một viên đạn bắn đi (chiều ngang) xa như thế mà thời gian thực hiện lộ trình của nó cũng bằng với thời gian một viên đạn được buông ra cùng lúc để cho rơi chạm đất. Viên đạn bắn đi (hay là cái vệ tinh) thật ra cũng chỉ là đang rơi tự do!

    Còn cái vụ hạt neutrino:
    Thuyết tương đối đặc biệt không phủ nhận trường hợp các hạt thể có thể có tốc độ nhanh hơn ánh sáng (gọi là tachyon), nhưng các hạt này không thể giảm tốc độ xuống thấp để bằng với, hay là hơn, tốc độ ánh sáng được. Ngoài ra, nếu một hạt thể ban đầu có tốc độ chậm hơn ánh sáng thì nó không thể nào tăng tốc lên để di chuyển nhanh bằng, hay hơn ánh sáng được.

    Còn trường hợp hạt neutrino, vì chúng có khối lượng (hạt tachyon thì chỉ có khối lượng ảo), nên cũng không thể đi nhanh hơn ánh sáng được. Nếu chuyện này xảy ra thì thuyết tương đối hẹp bị vi phạm. Chính ông John Ellis, một nhà vật lý lý thuyết của CERN, cũng nói như bác, rằng việc ấy sẽ làm cái nguyên tắc "luật vật lý phải giống như nhau đối với mọi người trong các hệ quy chiếu quán tính" bị vô hiệu hoá.

    Phản hồi: 

    Trích :
    (Rơi tự do [free fall] là tình trạng chuyển động dưới tác dụng của một lực duy nhất: lực hấp dẫn.)

    Trong phần "Bổ túc hình bị thiếu" ở còm của tác giả, nếu B không bị vật thể nào hút (trái đất, mặt trời, ...) và không bị ma sát, B sẽ đi thẳng đều theo vận tốc ban đầu.

    Lúc trước ở Thụy Sĩ làm một thí nghiệm và cho rằng vận tốc hạt neutrino lớn hơn vận tốc ánh sáng. Sau này họ tìm ra lý do là một sợi dây quang bị hư, nếu không thì nguyên lý tương đối có lẽ cần phải xét lại ?

    Phản hồi: 

    (Bổ túc hình bị thiếu ở trên)

    Xin cám ơn các bạn nào đã đọc bài phổ biến khoa học khô khan này (nó không hấp dẫn [=gravity :D] bằng các bài giải thích tại sao cả chục ngàn tiến sĩ không làm được đinh ốc]. Nỗ lực của độc giả sẽ được đền bù bằng hai ý nghĩ này:
    (1) Có lẽ đây là lần duy nhất trong đời bạn, và đời tôi, mà chúng ta có dịp chứng kiến kỷ niệm 100 năm nhà khoa học tài ba nhất lịch sử công bố lý thuyết đẹp tuyệt vời nhất của khoa học. Xin hẹn gặp lại các bạn lần sau, lễ kỷ niệm 200 năm...
    (2) Trên thế giới chỉ có 12 người hiểu nổi thuyết tương đối tổng quát (Just kidding. "Hiểu" ở đây có nghĩa là hiểu được phần toán học giải thích thuyết TĐTQ, và "12 người" chỉ là chuyện nhảm nhí)

    Trong phần chót, độc giả sẽ biết cách lý luận tại sao đang gia tốc (làm tốc độ tăng hay giảm đi) mà ta vẫn có thể nói là mình vẫn đứng yên - ít ra trong không gian? Tôi bảo đảm khi đi dự các buổi tiệc đình đám, bạn sẽ không bao giờ gặp hơn 2 người có khả năng cắt nghĩa nổi tại sao chuyển động gia tốc cũng chỉ tương đối thôi. Chỉ có bạn hiểu được điều ấy; nhưng đừng bao giờ đem chuyện này đi nói với ai cả, người ta sẽ tránh xa bạn.