Khối lượng trái đất lên tới 60 nghìn tỷ tấn, vì sao không rơi mà lơ lửng trong không gian?

Khối lượng trái đất lên tới 60 nghìn tỷ tấn, đây là một khái niệm khác với trọng lượng. Trọng lượng là phép đo của một vật trong một trường hấp dẫn khác nhau thì trọng lượng của các vật có cùng khối lượng sẽ khác nhau. Ví dụ, một vật nặng 6 kg sẽ chỉ nặng 1 kg trên mặt trăng vì lực hấp dẫn của mặt trăng chỉ bằng 1/6 lực hấp dẫn của Trái đất.

Khối lượng của một vật không thay đổi cho dù nó chạm tới đâu; nó là một tính chất vật lý của vật đó và là thước đo lượng vật chất. Dụng cụ đo tiêu chuẩn là một chiếc cân. 1000 gam bông và 1000 gam vàng có khối lượng tương đương nhau, dù ở trên trái đất hay trên mặt trăng.

Trên Trái đất, các khái niệm lên, xuống, trái, phải mà chúng ta quen thuộc không tồn tại trong không gian. Cái gọi là "xuống" trên trái đất thực ra là nói đến tâm của trái đất. Đó là lực hấp dẫn đã kéo chúng ta lên trên bề mặt. Chúng ta thường gọi nó là "xuống".

Tuy nhiên, trong môi trường không gian cách xa trái đất, hướng của nguồn trọng lực là “xuống”, hướng ngược lại là “lên” và hướng của tay trái chúng ta là “trái” và hướng của tay phải là "Phải". Đây là những gì con người chúng ta định nghĩa là lên, xuống, trái và phải.

Trong khoang vũ trụ, một khi ngừng tăng tốc, các phi hành gia sẽ bước vào trạng thái "không trọng lượng" và lơ lửng bên trong khoang vũ trụ, không có ranh giới giữa lên, xuống, trái và phải.

Tuy nhiên, cơ sở vật chất bên trong tàu vũ trụ vẫn được thiết kế để các phi hành gia có thể cảm nhận được hướng lên, xuống, trái, phải. Nếu không có lên, xuống, trái, phải thì làm sao xác định được phương hướng trong không gian?

Trên thực tế, mặc dù bạn sẽ trải nghiệm cảm giác "không trọng lượng" trong không gian nhưng điều đó không có nghĩa là không có lực hấp dẫn nào cả. Trong không gian, ảnh hưởng hấp dẫn của các thiên thể thực ra có ở khắp mọi nơi, nhưng ảnh hưởng này rất nhỏ nên không dễ phát hiện.

Trọng lực, như một lực tầm xa, về mặt lý thuyết có thể tác dụng ở khoảng cách vô hạn. Nói cách khác, ngay cả khi chúng ta đi tới nơi tận cùng của vũ trụ thì lực hấp dẫn của trái đất vẫn tồn tại. Cũng giống như bình phương của khoảng cách tăng lên, cường độ của lực hấp dẫn sẽ yếu đi tương ứng. Khi khoảng cách đủ xa, lực hấp dẫn này quá nhỏ để có thể phát hiện được bằng các thiết bị tinh vi nhất.

Nhưng trong hệ mặt trời, tất cả các thiên thể đều chuyển động trong trường hấp dẫn của mặt trời. Các hành tinh, hành tinh lùn, vệ tinh và vô số tiểu hành tinh trong hệ mặt trời đều quay quanh mặt trời dưới lực hấp dẫn của nó.

Như đã đề cập trước đó, con người quen gọi hướng bị ảnh hưởng bởi trọng lực là "hướng xuống". Vì vậy, khi trái đất bị lực hấp dẫn của mặt trời kéo và quay theo hướng của mặt trời thì hướng của mặt trời được gọi là hướng "xuống".

Vậy tại sao trái đất không rơi vào “đáy” mặt trời?

Tốc độ đóng một vai trò quan trọng ở đây. Chỉ có lực ly tâm do tốc độ mang lại mới có thể cạnh tranh được với lực hướng tâm do trọng lực gây ra.

Thuyết tương đối rộng của Einstein phát biểu rằng lực hấp dẫn đơn giản là biểu hiện của độ cong của không-thời gian do khối lượng gây ra. Bất kỳ vật thể nào cũng sẽ gây ra sự xáo trộn không-thời gian xung quanh nó, tạo thành các xoáy và bẫy không-thời gian. Các thiên thể nhỏ đi gần các thiên thể có khối lượng lớn sẽ bị các xoáy không-thời gian của chúng nuốt chửng, thể hiện hiện tượng bị hấp dẫn bởi lực hấp dẫn.

Cách duy nhất để chống lại cơn lốc hấp dẫn này là tăng tốc độ càng nhanh thì càng dễ thoát khỏi cơn lốc hấp dẫn. Đây là sự cân bằng giữa lực ly tâm của vận tốc và lực hướng tâm của trọng lực.

Giống như một con tàu đang cố gắng thoát khỏi vòng xoáy trong nước, càng đi nhanh thì càng dễ thoát ra.

Trên Trái đất, có ba tốc độ vũ trụ. Tốc độ vũ trụ đầu tiên là 7,9 km/s. Các vật thể đạt tốc độ này có thể quay quanh trái đất và đạt đến trạng thái cân bằng với lực hấp dẫn của trái đất mà không rơi hoặc thoát ra ngoài. Vật thể đạt tốc độ này có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của trái đất và bay vào vũ trụ; tốc độ vũ trụ thứ ba là 16,7 km/s, là tốc độ cần thiết để thoát khỏi lực hấp dẫn của mặt trời khỏi trái đất, còn gọi là vận tốc thoát.

Để không bị cuốn vào vòng tay rực lửa của lực hấp dẫn của mặt trời, trái đất đã phải chạy trốn một cách tuyệt vọng.

Trái đất đang di chuyển với tốc độ cao khoảng 30 km mỗi giây. Tốc độ này chỉ cân bằng với lực hấp dẫn của mặt trời, cái mà chúng ta gọi là tốc độ quay quanh.

Dựa trên tính toán khối lượng và khoảng cách giữa mặt trời và trái đất, tốc độ quỹ đạo hiện tại của trái đất là khoảng 30 km/s, là tốc độ quay quanh quỹ đạo.

Nếu tốc độ trái đất đạt 42,2 km/s, lực hấp dẫn của mặt trời sẽ không thể giữ được trái đất và trái đất sẽ thoát ra khỏi hệ mặt trời. Tuy nhiên, trái đất dường như không muốn tăng tốc độ để thoát khỏi lực hấp dẫn của mặt trời mà thay vào đó, nó bằng lòng với hiện trạng và quay quanh mặt trời trong hơn bốn tỷ năm.

Trên thực tế, tốc độ quỹ đạo của Trái đất không cố định và sẽ tự điều chỉnh dựa trên khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời.

Tốc độ quay của tất cả các hành tinh trong hệ mặt trời, bao gồm cả trái đất, kế thừa tốc độ góc của đĩa bồi tụ khi hệ mặt trời được hình thành. Các hành tinh hình thành từ các mảnh vụn trong đĩa bồi tụ sau khi Mặt trời hình thành.

Những hành tinh này giữ nguyên vận tốc góc quay ban đầu của đĩa bồi tụ và tiếp tục quay trong môi trường không có lực cản trong không gian. Chúng không thể thoát khỏi lực hấp dẫn của mặt trời cũng như không thể rơi xuống.

Điều này đúng với mọi thiên thể trong vũ trụ. Chỉ khi quỹ đạo của chúng bất thường hoặc bị xáo trộn bởi lực hấp dẫn khác, chúng mới lệch khỏi quỹ đạo và rơi về phía nguồn hấp dẫn lớn hơn.

Giống như trái đất của chúng ta bị thiên thạch và sao băng tấn công hàng ngày, những mảnh thiên thể nhỏ này đi lạc vào phạm vi hấp dẫn của trái đất do chuyển động bất thường và cuối cùng bị lực hấp dẫn của trái đất bắt giữ.