Thực đơn
Lực
Mọi hoạt động trong vũ trụ đều được miêu tả thu gọn về các tương tác cơ bản. Lực mạnh và yếu là các lực hạt nhân có tầm tác dụng rất ngắn ở thang vi mô, chúng chịu trách nhiệm trong tương tác giữa các hạt hạ nguyên tử, bao gồm các nucleon và hạt nhân nguyên tử. Lực điện từ tác dụng giữa các hạt điện tích, và lực hấp dẫn tác động đến mọi hạt khối lượng. Ví dụ, ma sát là thuộc tính thể hiện của lực điện từ tác dụng giữa các nguyên tử tại hai bề mặt tiếp giáp nhau, kết hợp với nguyên lý loại trừ Pauli,[23] ngăn cản các nguyên tử đi xuyên qua nhau. Tương tự, lực đàn hồi từ các lò xo, như mô hình hóa bởi định luật Hooke, là kết quả của lực điện từ và nguyên lý loại trừ kết hợp với nhau tác dụng vào vật làm cho nó trở về vị trí cân bằng. Lực ly tâm là lực gia tốc xuất hiện từ sự gia tốc của một hệ quy chiếu quay.[1]:12-11[3]:359
Sự phát triển của các lý thuyết miêu tả lực cơ bản đi theo hướng thống nhất các khái niệm mà ban đầu có vẻ như tách biệt nhau. Ví như Isaac Newton đã thống nhất lực làm cho các vật rơi trở lại mặt đất với lực gây ra chuyển động của các hành tinh quanh Mặt Trời trong cơ học thiên thể thông qua định luật vạn vật hấp dẫn của ông. Michael Faraday và James Clerk Maxwell chứng tỏ rằng lực điện và lực từ là hai biểu hiện của cùng một lực điện từ. Trong thế kỷ XX, sự ra đời của cơ học lượng tử dẫn tới những hiểu biết hiện đại về ba lực cơ bản trong tự nhiên (ngoại trừ hấp dẫn) là do tương tác giữa vật chất (fermion) thông qua trao đổi các hạt ảo gọi là boson gauge.[24] Mô hình chuẩn của vật lý hạt đưa các nhà vật lý đi đến tiên đoán về sự thống nhất giữa tương tác yếu và tương tác điện từ trong lý thuyết điện yếu và các tiên đoán của lý thuyết này đã được xác nhận bằng thực nghiệm. Mô hình chuẩn cũng tiên đoán sự tồn tại của hạt chịu trách nhiệm sinh khối lượng cho các hạt khác thông qua cơ chế Higgs mà gần đây được khám phá tại CERN, nhưng mô hình chuẩn cũng chưa giải thích được tại sao neutrino dao động (hay neutrino thực sự có khối lượng rất nhỏ). Lý thuyết thống nhất lớn miêu tả sự kết hợp của tương tác điện yếu với tương tác mạnh cũng như có một số lý thuyết về siêu đối xứng nhằm giải quyết một số vấn đề chưa giải được trong vật lý học. Các nhà vật lý vẫn đang cố gắng tìm cách phát triển một lý thuyết thống nhất nhất quán kết hợp bốn tương tác cơ bản trong một lý thuyết gọi là thuyết của mọi thứ. Einstein đã thử và không thành công trên con đường này, và hiện nay có một số lý thuyết nổi bật như lý thuyết dây nhằm trả lời các vấn đề này.[6]:212–219
Người ta đã không nhận ra lực hấp dẫn là một lực phổ quát cho đến tận khi Isaac Newton nghiên cứu nó. Trước Newton, xu hướng các vật rơi xuống bề mặt Trái Đất không được hiểu là có liên quan đến chuyển động của các thiên thể. Galileo đã làm thí nghiệm nhằm nghiên cứu đặc tính của các vật thả rơi bằng cách ông miêu tả gia tốc của mọi vật rơi tụ do là hằng số và độc lập với khối lượng của vật. Ngày nay, gia tốc do lực hấp dẫn về phía bề mặt Trái Đất thường được ký hiệu là g → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {g}}} và có độ lớn khoảng 9,81 mét trên giây bình phương (giá trị này đo tại mức nước biển và có thể thay đổi phụ thuộc vào vị trí), và vectơ này hướng về tâm Trái Đất.[25] Quan sát này có nghĩa là lực hấp dẫn tác động lên vật tại bề mặt Trái Đất tỷ lệ trực tiếp với khối lượng của vật. Do vậy một vật có khối lượng m {\displaystyle m} sẽ chịu một lực:
F → = m g → {\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {g}}}Trong trường hợp rơi tự do, không có lực cản lại lực hấp dẫn và do vậy tổng hợp lực tác dụng lên vật chính là trọng lượng của nó. Đối với các vật không trong trạng thái rơi tự do, lực hấp dẫn cân bằng với lực tác dụng lên vật theo hướng ngược lại. Ví dụ, một người đứng trên mặt đất sẽ chịu tổng hợp lực tác dụng vào anh ta bằng 0, do trọng lượng của anh ta cân bằng với lực pháp tuyến tác dụng bởi mặt đất.[1][3]
Công lao của Newton trong định luật vạn vật hấp dẫn đó là thống nhất chuyển động của các thiên thể, mà Aristotle cho rằng chúng trong trạng thái tự nhiên của chuyển động đều, với chuyển động rơi tự do của các vật trên Trái Đất. Từ định luật của ông cũng suy ra được các định luật của Kepler miêu tả chuyển động của các thiên thể có từ trước đó.[26]
Newton nhận ra rằng ảnh hưởng của hấp dẫn có thể quan sát theo nhiều cách khác nhau ở những khoảng cách lớn hơn. Đặc biệt, ông chứng tỏ rằng gia tốc của Mặt Trăng trên quỹ đạo quanh Trái Đất có thể được gắn cho bởi nguyên nhân của cùng một lực hấp dẫn nếu như gia tốc do hấp dẫn giảm tuân theo định luật nghịch đảo bình phương. Hơn nữa, Newton cũng thấy gia tốc do hấp dẫn tỷ lệ với khối lượng của vật thể hút.[26] Kết hợp những suy nghĩ này ông dẫn ra được công thức liên hệ khối lượng ( m ⊕ {\displaystyle \scriptstyle m_{\oplus }} ) và bán kính ( R ⊕ {\displaystyle \scriptstyle R_{\oplus }} ) của Trái Đất với gia tốc hấp dẫn:
g → = − G m ⊕ R ⊕ 2 r ^ {\displaystyle {\vec {g}}=-{\frac {Gm_{\oplus }}{{R_{\oplus }}^{2}}}{\hat {r}}}với hướng của vectơ theo hướng của vectơ đơn vị r ^ {\displaystyle \scriptstyle {\hat {r}}} mà hướng từ tâm Trái Đất ra ngoài.[7]
Trong phương trình này, hằng số G {\displaystyle G} được đưa ra nhằm miêu tả độ mạnh của lực hấp dẫn. Hằng số này còn gọi là hằng số hấp dẫn Newton,[27] mặc dù thời Newton người ta chưa xác định được nó. Cho đến tận năm 1798 Henry Cavendish mới lần đầu tiên có thể xác định được giá trị của G {\displaystyle G} bằng thí nghiệm cân xoắn thăng bằng; thí nghiệm này nhanh chóng trở lên nổi tiếng khi việc xác định được giá trị của G {\displaystyle G} cũng đồng nghĩa với việc xác định được khối lượng của Trái Đất. Đi xa hơn, Newton còn nhận thấy do mọi thiên thể tuân theo cùng các định luật của Kepler, do vậy định luật hấp dẫn của ông phải mang tính phổ quát. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton phát biểu rằng lực tác dụng lên một khối cầu khối lượng m 1 {\displaystyle m_{1}} do sức hút hấp dẫn từ khối cầu khối lượng m 2 {\displaystyle m_{2}} bằng
F → = − G m 1 m 2 r 2 r ^ {\displaystyle {\vec {F}}=-{\frac {Gm_{1}m_{2}}{r^{2}}}{\hat {r}}}với r {\displaystyle r} là khoảng cách giữa tâm hai khối cầu và r ^ {\displaystyle \scriptstyle {\hat {r}}} là vectơ đơn vị chỉ theo hướng từ tâm của vật thể đầu tiên đến tâm của vật thể thứ hai.[7]
Định luật này đã đứng vững trong hơn 200 năm như là cơ sở cho những miêu tả của cơ học thiên thể cho đến đầu thế kỷ XX. Trong thời gian này, phương pháp phức tạp của lý thuyết nhiễu loạn[28] đã được phát minh nhằm tính toán những sai lệch trong quỹ đạo của thiên thể trong bài toán nhiều vật như hệ hành tinh, vệ tinh tự nhiên, sao chổi, hay tiểu hành tinh. Phương pháp này đủ chính xác để giúp các nhà thiên văn học tiên đoán sự tồn tại của Sao Hải Vương trước khi họ quan sát thấy nó.[29]
Chỉ có quỹ đạo của Sao Thủy là định luật của Newton dường như không thể giải thích một cách tốt nhất. Một số nhà thiên văn đề xuất có sự tồn tại của một hành tinh nằm bên trong quỹ đạo giữa Sao Thủy và Mặt Trời nhằm miêu tả chuyển động dị thường của sự tiến động của điểm cận nhật quỹ đạo Sao Thủy; tuy vậy không có một hành tinh nào được phát hiện ra. Khi Albert Einstein cuối cùng thiết lập ra thuyết tương đối tổng quát (GR) ông đã nghĩ ngay tới khải năng giải thích chuyển động dị thường của Sao Thủy bằng lý thuyết mới này. Kết quả tiên đoán của thuyết tương đối rộng khớp với các số liệu quan sát khiến Einstein tin rằng ông đã tìm ra dạng đúng của phương trình trường. Đây là lần đầu tiên lý thuyết hấp dẫn của Newton được chỉ ra là ít chính xác hơn một lý thuyết khác.[30]
Kể từ đó, thuyết tương đối rộng được công nhận là lý thuyết tốt nhất miêu tả được lực hấp dẫn. Trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn không được xem như là một lực, bởi chuyển động rơi tự do của vật trong trường hấp dẫn đi theo đường trắc địa trong không thời gian cong – hay là đường ngắn nhất giữa hai sự kiện trong không thời gian. Từ vật rơi tự do, mọi chuyển động xảy ra dường như không phải do lực hấp dẫn bên ngoài tác động hay không còn lực hấp dẫn. Chỉ khi nhận xét trên tổng thể cả hệ, độ cong của không thời gian mới có thể nhận thấy và lực xuất hiện như là một cách giải thích cho vật đi theo những quỹ đạo cong. Do vậy, đường thẳng trong không thời gian tương ứng với đường cong trong không gian, hay quỹ đạo đường đạn của vật. Ví dụ, một quả bóng rổ ném lên từ mặt đất sẽ chuyển động theo quỹ đạo hình parabol trong trường hấp dẫn đều. Quỹ đạo trong không thời gian của nó (khi tính tới chiều thời gian ct) sẽ là một đường gần thẳng, hơi cong (với bán kính cong có độ lớn tới vài năm ánh sáng). Kết quả của đạo hàm thời gian của động lượng của vật được đồng nhất với "lực hấp dẫn".[3]
Lực điện từ được miêu tả lần đầu tiên vào năm 1784 bởi Coulomb khi ông coi có một lực tồn tại tác dụng lên giữa hai điện tích.[14]:519 Tính chất của lực tĩnh điện đó là nó tuân theo định luật nghịch đảo bình phương khoảng cách giữa hai điện tích, và đều có dạng hút và dạng đẩy (sự phân cực điện), đồng thời lực điện độc lập với khối lượng của vật tích điện cũng như tuân theo nguyên lý chồng chập. Định luật Coulomb đã thống nhất được mọi quan sát này trong một phát biểu duy nhất.[31]
Các nhà toán học và vật lý sau đó đã tìm ra cách định nghĩa xây dựng cho điện trường một cách hữu ích nhằm xác định được lực tĩnh điện tác động lên một điện tích tại mọi điểm trong không gian. Định nghĩa điện trường dựa trên giả sử có một điện tích thử tồn tại trong điện trường và sau đó dựa trên định luật Coulomb để xác định được lực của điện trường tác dụng lên điện tích thử và suy ra được cường độ điện trường tại vị trí của điện tích thử.[32]:4-6 to 4-8 Do vậy điện trường trong không gian được định nghĩa như là
E → = F → q {\displaystyle {\vec {E}}={{\vec {F}} \over {q}}}với q {\displaystyle q} là độ lớn của điện tích thử.
Trong khi đó, người ta cũng phát hiện ra lực Lorentz của một nam châm tồn tại giữa hai dây dẫn mang dòng điện. Nó có cùng một tính chất toán học như định luật Coulomb khi mà các dây điện có thể hút hoặc đẩy lẫn nhau tùy thuộc vào chiều của dòng điện chạy trong mỗi sợi dây. Tương tự như điện trường, từ trường được dùng để xác định lực từ tác dụng lên một dây dẫn điện tại một điểm bất kỳ trong không gian. Tương tự rong trường hợp này, độ lớn của từ trường sẽ được xác định là
B = F I ℓ {\displaystyle B={F \over {I\ell }}}với I {\displaystyle I} là độ lớn của dòng điện chạy qua dây dẫn và ℓ {\displaystyle \scriptstyle \ell } là độ dài của dây mà dòng điện thử nghiệm chạy qua. Từ trường tác dụng một lực lên mọi nam châm như từ trường Trái Đất tác dụng lên kim la bàn và được các nhà hàng hải, hoa tiêu sử dụng để định vị phương hướng.
Thông qua kết hợp định nghĩa của dòng điện bằng sự biến đổi theo thời gian của các hạt điện tích chạy trong dây dẫn, Lorentz nêu ra quy tắc tích vectơ xác định lực Lorentz miêu tả lực tác dụng lên một điện tích di chuyển trong từ trường.[32] Sự liên hệ giữa điện học và từ học cho phép miêu tả một cách thống nhất lực điện từ tác dụng lên điện tích. Lực này có thể biểu diễn dưới dạng tổng của lực tĩnh điện (do tác động của điện trường) và lực từ (do từ trường):
F → = q ( E → + v → × B → ) {\displaystyle {\vec {F}}=q({\vec {E}}+{\vec {v}}\times {\vec {B}})}với F → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {F}}} lực điện từ, q {\displaystyle q} là độ lớn điện tích của hạt thử, E → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {E}}} là điện trường, v → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {v}}} là vận tốc của hạt nhân với từ trường ( B → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {B}}} ).
Nguồn gốc của điện trường và từ trường không được hiểu đầy đủ cho đến tận năm 1864 khi James Clerk Maxwell thống nhất một số các lý thuyết trước đó trong một hệ 20 phương trình vô hướng, mà sau đó Oliver Heaviside độc lập với Josiah Willard Gibbs viết lại thành hệ 4 phương trình vectơ.[33] "Phương trình Maxwell" miêu tả đầy đủ nguồn gốc của trường điện từ đứng yên hay chuyển động, cũng như tương tác giữa chúng. Điều này dẫn Maxwell tới khám phá ra rằng từ trường và điện trường có thể tự duy trì lẫn nhau trong không gian dưới dạng sóng lan truyền với tốc độ mà ông tính ra được bằng tốc độ ánh sáng. Ý nghĩa này mang lại sự thống nhất của ngành điện từ học non trẻ với ngành quang học cũng như dẫn trực tiếp tới sự miêu tả đầy đủ hơn về phổ điện từ.[34]
Tuy nhiên, lý thuyết của Maxwell đã không giải thích được hai hiện tượng quan sát vào thời đó, hiệu ứng quang điện, và sự không tồn tại của thảm họa cực tím. Hai hiện tượng này đã thúc đẩy các nhà vật lý hàng đầu đi đến một lý thuyết điện từ mới dựa trên cơ học lượng tử: điện động lực học lượng tử (QED), lý thuyết miêu tả một cách trọn vẹn các hiệu ứng điện từ khi có sự tham gia của hạt trung gian là các photon thực và ảo. Trong QED, photon là các hạt trao đổi trong tương tác liên quan đến điện từ bao gồm lực điện từ.[Note 4]
Có một sự hiểu nhầm phổ biến khi cho rằng độ cứng và rắn của chất rắn là do lực đẩy điện từ giữa các điện tích cùng dấu. Tuy nhiên, tính cứng và rắn của vật chất là hệ quả từ nguyên lý loại trừ Pauli.[cần dẫn nguồn] Do electron là các fermion, chúng không thể ở cùng một trạng thái lượng tử. Khi các electron trong nguyên tử bị nén chặt lại, sẽ không có đủ trạng thái cơ lượng tử năng lượng thấp cho mọi electron (và là một trong những hệ quả của nguyên lý bất định), do đó một số electron phải ở trạng thái năng lượng cao hơn. Điều này có nghĩa là cần có nhiều năng lượng hơn để nén chúng lại. Trong khi đó, đối với từng nguyên tử thì chỉ có một số hữu hạn số trạng thái mà các electron có thể chiếm giữ trên obitan nguyên tử.
Có hai loại "lực hạt nhân" mà ngày nay được coi là các tương tác miêu tả bởi các lý thuyết trường lượng tử trong vật lý hạt. Lực hạt nhân mạnh[14]:940 là lực chịu trách nhiệm cho cấu trúc tổ hợp của các nucleon và hạt nhân nguyên tử trong khi lực hạt nhân yếu[14]:951 gây ra sự phân rã của một số nucleon và hạt nhân thành các lepton và các hạt hadron khác.[1][3]
Lực hạt nhân mạnh là tương tác giữa các quark và gluon cũng như liên kết các proton và neutron với nhau, như được miêu tả trong thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD).[35] Các hạt gluon là những hạt truyền tương tác mạnh, tác dụng lên các quark, phản quark, và chính gluon. Lực mạnh là lực có cường độ mạnh nhất trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên.
Lực mạnh chỉ tác dụng trực tiếp lên các hạt cơ bản. Tuy thế, sự dư thừa hay rò rỉ của nó như quan sát các hadron (hay như lực liên kết các nucleon bao gồm proton và neutron trong hạt nhân) được coi như là lực hạt nhân. Ở đây lực mạnh tác dụng một cách gián tiếp, khi gluon truyền ra tạo thành các hạt ảo như meson pi và rho meson mà các nhà vật lý hạt nhân coi chúng là các hạt truyền của lực hạt nhân. Do không thể quan sát trực tiếp các hạt quark tự do cho nên ảnh hưởng của các hạt cơ bản là không quan sát trực tiếp được. Hiệu ứng này được gọi là sự giam hãm màu.
Lực hạt nhân yếu hay tương tác yếu có các hạt truyền là các boson W và Z có khối lượng lớn. Hiệu ứng quen thuộc nhất của lực này đó là phân rã beta (của các neutron trong hạt nhân) và đi kèm với sự phóng xạ. Thuật ngữ "yếu" xuất phát từ thực tế rằng cường độ của nó nhỏ hơn 1013 so với lực mạnh. Mặc dù vậy nó vẫn mạnh hơn lực hấp dẫn ở tầm tác dụng vi mô. Cả hai lực mạnh và lực yếu có tầm tác dụng ngắn trong cấp độ hạt nhân. Các nhà vật lý đã phát triển lý thuyết điện yếu với tiên đoán lực điện từ và lực yếu là không thể phân biệt được khi các hạt cơ bản trong trạng thái nhiệt độ xấp xỉ 1015 kelvin. Các nhiệt độ này đã được khảo sát trong các máy gia tốc hiện đại và chúng thể hiện những điều kiện sơ khai của vũ trụ trong những giây ngắn ngủi đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn.
Thực đơn
LựcLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Lực