Trái Đất nặng 600 nghìn tỷ tấn. Tại sao nó lại lơ lửng trong không gian thay vì rơi xuống?

Câu trả lời cho hiện tượng này thực ra ẩn chứa trong bí ẩn về hoạt động của vũ trụ, rất khác với trực giác của chúng ta về sự sống trên mặt đất.

Trước tiên, chúng ta cần từ bỏ một khái niệm đã ăn sâu vào gốc rễ - không có sự tuyệt đối lên và xuống trong không gian. Trên Trái Đất, chúng ta sử dụng tâm Trái Đất làm điểm neo và thường coi bầu trời là "lên" và mặt đất là "xuống". Tuy nhiên, không gian là một thế giới không trọng lượng, nơi mà xiềng xích của trọng lực không còn nữa và cảm giác về phương hướng trở nên mờ nhạt và khó phân biệt. Trong một môi trường như vậy, Trái Đất không đứng yên mà di chuyển qua không gian theo một cách phức tạp.

Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo hình elip quanh Mặt Trời, và chính chuyển động này đảm bảo rằng Trái Đất không rơi thẳng vào Mặt Trời. Mặc dù Mặt Trời tác dụng lực hấp dẫn mạnh lên Trái Đất, nhưng lực này không khiến Trái Đất rơi thẳng vào vòng tay của Mặt Trời, mà thay vào đó, nó dẫn Trái Đất di chuyển theo một đường cong duyên dáng trong trường hấp dẫn của Mặt Trời.

Hãy tưởng tượng rằng chúng ta ném một vật vào Trái Đất. Dưới tác động của lực hấp dẫn của Trái Đất, nó sẽ không bay lên hoặc rơi xuống theo đường thẳng mà chuyển động theo quỹ đạo parabol. Trái Đất cũng vậy, nhưng chuyển động của nó phức tạp hơn vì nó không chỉ chịu tác động của lực hấp dẫn của Mặt Trời mà còn kèm theo chuyển động quay.

Chuyển động của Trái Đất trong không gian không phải là một đường thẳng đơn giản rơi xuống hay đứng yên, mà là một điệu nhảy phức tạp của nhiều lực. Lực hấp dẫn của mặt trời chắc chắn là yếu tố chính chi phối chuyển động của Trái Đất, nhưng không phải là yếu tố duy nhất. Sự quay của Trái Đất cũng có tác động sâu sắc đến quỹ đạo của nó.

Lực hấp dẫn giữa Mặt Trời và Trái Đất là tương hỗ, tạo thành một cặp lực tác động và phản tác động, tuân theo định luật thứ ba của Newton, và hai lực này có độ lớn bằng nhau và ngược chiều. Tuy nhiên, Trái Đất không rơi trực tiếp xuống Mặt Trời vì Trái Đất có một tốc độ nhất định, cho phép Trái Đất luôn duy trì một khoảng cách an toàn khi tiếp cận tâm Mặt Trời.

Chúng ta có thể hình dung thế này: nếu chúng ta ném một vật với một tốc độ nhất định xuống Trái Đất, nó sẽ dần chậm lại do lực hấp dẫn của Trái Đất cho đến khi dừng lại rồi rơi xuống. Nhưng nếu vật được cung cấp đủ vận tốc ban đầu, nó có thể quay quanh Trái Đất, thậm chí nhiều vòng. Điều tương tự cũng đúng với Trái Đất. Tốc độ của nó trong hệ Mặt Trời khiến nó chuyển động quanh Mặt Trời theo quỹ đạo hình elip, thay vì rơi thẳng vào Mặt Trời.

Nếu tốc độ của Trái Đất giảm, quỹ đạo của nó sẽ co lại, dần dần tiến gần đến Mặt Trời cho đến khi bị nuốt chửng. Ngược lại, nếu tốc độ của Trái Đất tăng, quỹ đạo của nó sẽ mở rộng, dần dần di chuyển ra xa Mặt Trời. Trong bộ phim khoa học viễn tưởng "The Wandering Earth", con người đang cố gắng đưa Trái Đất thoát khỏi hệ mặt trời và tìm một ngôi nhà mới bằng cách tăng tốc nó.

Sự kiểm soát tốc độ tinh tế này không phải là một tưởng tượng, mà dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về các định luật chuyển động của thiên thể. Mặc dù thí nghiệm pháo của Newton là một thí nghiệm tư duy, nhưng nó đã cung cấp một nền tảng lý thuyết vững chắc cho việc phóng vệ tinh sau đó. Bằng cách cung cấp cho vệ tinh đủ tốc độ, chúng ta có thể khiến nó quay quanh Trái đất hoặc các hành tinh khác mà không bị rơi.

Nguyên lý phóng vệ tinh có liên quan chặt chẽ đến nguyên lý Trái Đất trôi nổi trong không gian. Nguyên lý này bắt nguồn từ thí nghiệm tưởng tượng về khẩu pháo của Newton, tuy đơn giản nhưng lại tiết lộ định luật cơ bản về chuyển động của thiên thể.

Ý tưởng của thí nghiệm pháo của Newton như sau: một khẩu pháo được đặt trên một ngọn núi cao, và một viên đạn pháo được bắn thẳng đứng lên trên. Nếu viên đạn pháo không đủ nhanh, nó sẽ sớm chậm lại cho đến khi dừng lại do trọng lực, và sau đó rơi xuống. Nhưng nếu viên đạn pháo được cung cấp đủ tốc độ, nó có thể bay xa hơn, thậm chí quanh trái đất. Tốc độ này là tốc độ vũ trụ đầu tiên, là tốc độ tối thiểu cần thiết để một vật thể thực hiện chuyển động tròn đều quanh trái đất trên bề mặt trái đất.

Khi phóng vệ tinh, tên lửa không được phóng thẳng đứng lên trên mà theo một góc nghiêng nhất định. Theo cách này, vệ tinh đạt được tốc độ hướng lên trên theo phương thẳng đứng và tốc độ theo phương ngang cùng một lúc. Tốc độ theo phương ngang này khiến vệ tinh không rơi trở lại trái đất ngay sau khi rời khỏi bề mặt trái đất mà quay quanh trái đất theo quỹ đạo hình elip. Nếu bạn muốn đưa vệ tinh đến một nơi xa hơn, chẳng hạn như mặt trăng hoặc các hành tinh khác, bạn cần cung cấp cho nó tốc độ cao hơn để thoát khỏi lực hấp dẫn của trái đất.

Nguyên lý tương tự cũng áp dụng cho chính Trái Đất. Trái Đất quay quanh Mặt Trời với tốc độ khoảng 29,78 km/giây. Tốc độ này khiến Trái Đất di chuyển theo quỹ đạo hình elip dưới tác động của lực hấp dẫn của Mặt Trời, thay vì rơi trực tiếp vào Mặt Trời. Nếu tốc độ của Trái Đất giảm, quỹ đạo sẽ dần dần suy yếu và di chuyển gần Mặt Trời hơn; ngược lại, nếu tốc độ tăng, quỹ đạo sẽ mở rộng và di chuyển ra xa Mặt Trời.

Do đó, Trái Đất lơ lửng trong không gian không phải vì nó không chịu tác động của lực hấp dẫn, mà là vì tốc độ của nó cho phép nó chuyển động tròn dưới tác động của lực hấp dẫn. Đây cũng là cơ sở để con người phóng vệ tinh và tàu thăm dò. Chỉ khi hiểu được nguyên lý này, chúng ta mới có thể khám phá vũ trụ tốt hơn.

Tóm lại, chuyển động của các thiên thể trong vũ trụ không phải là sự rơi tự do đơn giản, mà được xác định bởi tốc độ và lực hấp dẫn mà chúng phải chịu. Mặc dù Trái Đất có khối lượng rất lớn, nhưng việc nó trôi nổi trong không gian là kết quả của sự cân bằng hoàn hảo giữa tốc độ và lực hấp dẫn.

Trái Đất quay quanh Mặt Trời với tốc độ khoảng 29,78 km/giây. Tốc độ này đảm bảo rằng Trái Đất sẽ không bị lực hấp dẫn của Mặt Trời tác động, mà sẽ di chuyển theo quỹ đạo hình elip ổn định. Nếu tốc độ giảm, Trái Đất sẽ dần dần rơi về phía Mặt Trời; ngược lại, nếu tốc độ tăng, Trái Đất sẽ di chuyển ra xa Mặt Trời. Sự tương tác giữa tốc độ và lực hấp dẫn này là cơ sở cho chuyển động của tất cả các thiên thể trong không gian.

Do đó, Trái Đất không rơi trong không gian, không phải vì nó không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn, mà vì tốc độ của nó cho phép nó chuyển động theo chuyển động tròn ổn định dưới tác động của lực hấp dẫn. Điều này không chỉ áp dụng cho Trái Đất mà còn cho tất cả các thiên thể khác trong vũ trụ. Chính sự cân bằng giữa tốc độ và lực hấp dẫn này cho phép các thiên thể trong vũ trụ cùng tồn tại một cách hài hòa trên quỹ đạo tương ứng của chúng.