HỎI. Sẽ mất bao lâu để một người nhận ra cơ thể mình nặng hơn nếu bán kính trung bình của Trái đất dãn nở 1 centimet mỗi giây? (Giả sử rằng thành phần trung bình của đá được giữ nguyên.)
— Dennis O’Donnell
ĐÁP. Hiện tại thì trái đất không dãn nở.
Trong một thời gian dài, người ta đã cho rằng Trái đất có thể đang giãn nở. Trước khi giả thuyết trôi dạt lục địa được công nhận vào những năm 1960,[1] người ta đã nhận thấy các lục địa ăn khớp với nhau. Một loạt ý tưởng khác nhau được đưa ra để giải thích điều này, bao gồm cả việc cho rằng các bồn đại dương hình thành là do các khe nứt (rift) hình thành trên bề mặt của một Trái đất liền khối trước kia khi nó nở ra. Thuyết này không được phổ biến quá rộng rãi,[2] dù nó vẫn được lưu truyền trên YouTube.
Để tránh việc các rãnh nứt hình thành trên mặt đất, bạn hãy hình dung rằng toàn bộ vật chất thuộc lớp vỏ cho tới nhân Trái đất đều dãn nở đồng đều. Đồng thời để tránh một kịch bản hút cạn đại dương khác xảy ra, chúng ta sẽ giả sử rằng đại dương cũng dãn nở đồng thời,[3] còn tất cả các kiến trúc của loài người không thay đổi.
[4]
Khi Trái đất bắt đầu dãn nở, bạn sẽ cảm thấy hơi rung, và có thể mất thăng bằng giây lát. Điều này chỉ thoáng qua thôi. Vì bạn đang chuyển động đều lên trên với tốc độ 1cms nên sẽ không cảm nhận được bất kỳ loại gia tốc liên tục nào. Trong phần lớn thời gian còn lại trong ngày, bạn sẽ không cảm nhận được bất kỳ điều gì.
t = 1 ngày
Sau ngày đầu tiên, Trái đất đã dãn nở thêm 864 mét.
Phải mất một khoảng thời gian dài thì trọng lực mới tăng lên đáng kể. Giả dụ bạn nặng 70 kg lúc sự dãn nở bắt đầu, thì đến cuối ngày đầu tiên bạn sẽ nặng 70,01 kg.
Thế còn những con đường và các cây cầu thì sao? Đáng lẽ chúng sẽ phải bị phá hỏng, đúng không nhỉ?
Đúng, nhưng không nhanh như bạn nghĩ đâu. Tôi từng đọc được một câu đố như thế này:
Hãy tưởng tượng bạn buộc chặt một sợi dây vòng quanh Trái đất, nó sẽ ôm chặt bề mặt Trái đất.
Giờ lại hình dung bạn nâng sợi dây khỏi mặt đất một mét.
Bạn sẽ phải nối dài sợi dây thêm bao nhiêu?
Tuy trông như bạn sẽ cần thêm vài dặm dây nữa, nhưng câu trả lời hóa ra chỉ là 6,28 mét. Chu vi hình tròn tỷ lệ thuận với bán kính, vậy nên khi bạn tăng bán kính thêm 1 đơn vị thì chu vi sẽ tăng thêm 2π đơn vị.
Với một đường thẳng dài 40.000 kilomet thì thêm một đoạn 6,28 mét chẳng khác gì muối bỏ bể. Thậm chí sau một ngày, khi Trái đất tăng thêm 5,4 kilomet thì tất cả các khối kiến trúc vẫn dễ dàng chịu được. Hằng ngày, các khối bê tông còn co dãn nhiều hơn thế.
Ngay sau cơn rung ban đầu, một trong những hiệu ứng mà bạn sẽ nhận thấy đầu tiên đó là hệ thống định vị GPS sẽ ngừng hoạt động. Các vệ tinh vẫn sẽ giữ nguyên quỹ đạo quay, nhưng cách định giờ tinh vi của hệ thống GPS sẽ bị tê liệt sau vài giờ. Cơ chế định giờ của GPS là cực kỳ chuẩn xác; trong số tất cả các vấn đề thuộc lĩnh vực kỹ thuật, đây là một trong những thứ duy nhất mà các kỹ sư buộc phải sử dụng cả thuyết tương đối rộng và thuyết tương đối hẹp để tính toán.
Hầu như những chiếc đồng hồ khác vẫn hoạt động bình thường. Thế nhưng, nếu bạn có một chiếc đồng hồ quả lắc cực chính xác, thì bạn có thể nhận thấy một điều kỳ lạ đã xảy ra – đến cuối ngày,nó sẽ chạy nhanh hơn ba giây so với bình thường.
t = 1 tháng
Sau một tháng, Trái đất sẽ dãn nở thêm 26 kilomet – tăng 0,4% – và khối lượng của nó sẽ tăng 1,2%. Trọng lực trên bề mặt cũng sẽ chỉ tăng lên 0,4% thay vì 1,2%, vì trọng lực bề mặt tỷ lệ thuận với bán kính.[5]
Có thể bạn sẽ nhận thấy sự khác biệt về trọng lượng trên bàn cân, nhưng nó không đáng kể. Nhưng những thay đổi trọng lực này lại có thể thấy được ở các thành phố khác nhau. Chỉ cần nhớ đến nó nếu như bạn mua một chiếc cân điện tử. Nếu chiếc cân ấy có độ chính xác đến hơn hai số sau dấu phẩy, thì bạn nên điều chỉnh nó theo quả cân chuẩn – trọng lực tại nhà máy cân không nhất thiết phải bằng với trọng lực ở nhà chúng ta.
Dù bạn vẫn chưa nhận ra phần trọng lực mạnh lên thì bạn vẫn sẽ để ý thấy sự dãn nở. Sau một tháng, bạn sẽ thấy nhiều vết đứt gãy dọc theo các kết cấu bê tông và sự xuống cấp của các con đường trên cao cũng như các cây cầu cổ. Phần lớn các tòa nhà có lẽ vẫn ổn, nhưng các neo gia cố nền đá có thể trở nên khó lường.[6]
Lúc này, các phi hành gia trên trạm ISS bắt đầu cảm thấy lo lắng, không chỉ bởi mặt đất và bầu khí quyển đang tiến dần về phía họ mà trọng lực đang tăng lên cũng làm cho quỹ đạo bay của trạm dần dần nhỏ lại. Họ cần phải sơ tán nhanh chóng, bởi chỉ vài tháng nữa là trạm vũ trụ sẽ tái nhập vào bầu khí quyển và mất quỹ đạo.
t = 1 năm
Sau một năm, trọng lực sẽ mạnh hơn 5% so với ban đầu. Bạn có lẽ đã để ý thấy trọng lượng tăng thêm này, và sự xuống cấp của các con đường, cây cầu, đường dây tải điện, vệ tinh và đường cáp dưới đáy biển. Đồng hồ quả lắc của chúng ta giờ đã chạy nhanh hơn năm ngày.
Vậy còn bầu khí quyển thì sao?
Nếu bầu khí quyển không phình ra giống như mặt đất và các đại dương thì áp suất không khí bắt đầu giảm xuống. Điều này là do sự tổng hợp của nhiều yếu tố. Khi trọng lực tăng lên, không khí sẽ trở nên nặng hơn. Nhưng vì không khí lan tỏa ra một diện tích rộng lớn hơn nên về tổng thể thì áp suất của nó sẽ giảm đi.
Mặt khác, nếu khí quyển cũng phình ra, thì áp lực không khí ở bề mặt sẽ tăng lên. Nhiều năm qua đi, đỉnh Everest sẽ không còn nằm trong “vùng chết” nữa. Nhưng mặt khác khi đó bạn sẽ trở nên nặng nề hơn…và đỉnh núi sẽ cao hơn – nên việc leo trèo sẽ đòi hỏi nhiều công sức hơn.
t = 5 năm
Sau năm năm, trọng lực sẽ tăng 25%. Nếu ban đầu bạn có trọng lượng 70 kg thì lúc này sẽ có trọng lượng 88 kg.
Hầu hết cơ sở hạ tầng của chúng ta sẽ sụp đổ. Nguyên nhân là nền đất dưới chân chúng dãn nở, chứ không phải do trọng lực tăng lên. Thật ngạc nhiên, hầu hết các tòa nhà chọc trời sẽ đứng vững dưới trọng lực lớn hơn nhiều.[7] Nhân tố ảnh hưởng tới đa số chúng không phải trọng lực mà là gió.
t = 10 năm
Sau 10 năm, trọng lực có thể sẽ mạnh hơn lên 50%. Với kịch bản bầu khí quyển không phình ra, không khí sẽ trở nên loãng hơn và chúng ta sẽ cảm thấy khó thở kể cả khi đứng ngang bằng với mực nước biển. Nhưng còn kịch bản còn lại, chúng ta sẽ vẫn cảm thấy ổn được lâu hơn một chút.
t = 40 năm
Sau 40 năm, trọng lực trên bề mặt của Trái đất sẽ tăng lên gấp ba.[8] Lúc này, thậm chí những lực sĩ khỏe mạnh nhất cũng sẽ bước đi rất nặng nề. Việc thở sẽ trở nên khó nhọc. Cây cối sẽ gãy đổ. Các hạt ngũ cốc không thể nảy mầm do sức nặng của chính chúng. Hầu như mọi sườn núi sẽ có trượt đất ở quy mô lớn vì vật chất muốn đạt được độ nghiêng ổn định.
Hoạt động địa chất cũng sẽ gia tăng. Phần lớn nhiệt lượng của Trái đất được cung cấp bởi quá trình phân rã phóng xạ của các khoáng chất trong lớp vỏ và lớp manti[9], Trái đất nở ra sẽ sinh thêm nhiệt lượng. Vì thể tích tăng nhanh hơn diện tích bề mặt, nên tổng nhiệt lượng thoát ra ở mỗi mét vuông sẽ tăng lên.
Thực ra thì nó làm nóng hành tinh của chúng ta một lượng không đáng kể – nhiệt độ bề mặt Trái đất chịu sự chi phối của khí quyển và Mặt trời – nhưng nó cũng sẽ gây ra nhiều trận núi lửa phun trào hơn, nhiều trận động đất hơn và các mảng kiến tạo dịch chuyển nhanh hơn. Hiện tượng này tương tự với những gì xảy ra với Trái đất cách nay hàng tỷ năm, khi lớp manti của chúng ta nóng hơn và các nguyên liệu phóng xạ vẫn còn phong phú.
Quá trình kiến tạo mảng trở nên năng động hơn có thể tốt cho sự sống. Kiến tạo mảng vô cùng quan trọng trong việc ổn định khí hậu của Trái đất, còn các hành tinh nhỏ hơn Trái đất (như Sao Hỏa) không có đủ nội nhiệt để duy trì lâu dài hoạt động địa chất. Một hành tinh lớn hơn sẽ cho phép hoạt động địa chất xảy ra mạnh mẽ hơn, đó là lý do tại sao một vài nhà khoa học cho rằng những hành tinh ngoài Hệ Mặt trời lớn hơn Trái đất một chút (các “siêu trái đất”) có thể thích hợp cho sự sống hơn là các hành tinh có kích cỡ tương đương Trái đất.
t = 100 năm
Sau 100 năm, chúng ta sẽ phải chịu một trọng lực tới 6 g. Chúng ta không những không thể di chuyển để tìm kiếm thức ăn mà tim chúng ta cũng không thể đập để bơm máu đến bộ não. Chỉ những côn trùng nhỏ bé (và các sinh vật biển) mới có thể di chuyển được. Có lẽ loài người sẽ sinh tồn nhờ những căn nhà có mái vòm được thiết kế đặc biệt để chịu được áp suất, và di chuyển bằng cách để phần lớn cơ thể của chúng ta ngâm trong nước.
Sẽ khó mà thở được trong tình huống này. Không dễ để hít không khí vào dưới sức ép của nước, đó là lý do tại sao ống thở chỉ có thể có tác dụng khi phổi của bạn ở gần mặt nước.
Bên ngoài căn nhà áp suất thấp, không khí sẽ trở nên không thể thở được vì một lý do khác. Ở áp suất khí quyển khoảng 6 atm, thậm chí không khí thông thường cũng trở nên độc hại. Ở thời điểm 100 năm, kể cả có thể vượt qua tất cả các vấn đề khác để sống sót, thì sau 100 năm chúng ta cũng bị chết bởi độc tính của oxy. Kể cả khi chúng không độc, thì thở trong không khí cô đặc cũng rất khó bởi đơn giản là chúng rất nặng.
Lỗ đen?
Vậy khi nào thì Trái đất sẽ trở thành một lỗ đen?
Thật khó để trả lời câu hỏi này, bởi giả thuyết của câu hỏi là bán kính Trái đất từ từ tăng lên trong khi mật độ thì không thay đổi – trong khi với một lỗ đen, mật độ vật chất cũng tăng lên.
Động lực học của những hành tinh đá vô cùng lớn thường không được phân tích, vì không có cách nào để chúng hình thành; bất kỳ thứ gì có kích thước lớn sẽ có đủ trọng lực để tích tụ hydro và heli trong quá trình hình thành và trở thành một hành tinh khí.
Đến một lúc nào đó, Trái đất đang lớn dần của chúng ta sẽ đạt tới điểm mà khi khối lượng tăng lên nữa sẽ khiến nó co lại chứ không dãn nở thêm. Ngay sau thời điểm này, nó sẽ có sụp thành một thứ giống như một sao lùn trắng hoặc sao neutron, rồi nếu khối lượng của nó tiếp tục tăng lên – cuối cùng nó sẽ trở thành một lỗ đen.
Nhưng trước khi nó tiến tới mức ấy…
t = 300 năm
Thật đáng buồn là loài người sẽ không thể sống lâu đến thời điểm này, để chứng kiến sự kiện xảy ra.
Vì Trái đất lớn lên nên Mặt trăng, giống như tất cả các vệ tinh của chúng ta, sẽ từ từ chuyển động xoáy trôn ốc vào Trái đất. Sau vài thế kỷ, Mặt trăng sẽ ở gần Trái đất đang phình trướng đến mức lực thủy triều giữa hai hành tinh sẽ mạnh hơn cả phần lực hấp dẫn vật chất trên Mặt trăng tự hút lẫn nhau và giữ cho Mặt trăng thành hình.
Và khi Mặt trăng vượt qua ranh giới này – gọi là giới hạn Roche – nó dần vỡ ra từng mảnh,[10] và Trái đất sẽ “đeo” thêm nhiều chiếc vòng, trong chốc lát.
Nếu bạn thích điều này, hãy di chuyển một thiên thể vào trong giới hạn Roche của Trái đất.
❀ ❀ ❀
[1] Tương tự, thang đo cường độ gió F (Fujita) đã được thay thế bằng thang EF (Fujita mở rộng). Đôi khi, một đơn vị đo trở nên lỗi thời bởi vì xài nó rất kinh khủng – chẳng hạn, “kip” (1.000 pound lực), “kcfs” (hàng nghìn foot khối mỗi giây), và “độ Rankine” (độ F trên độ không tuyệt đối). (Tôi đã phải đọc các bài báo kỹ thuật sử dụng các đơn vị này.) Những khi khác, bạn có thể nhận thấy rằng các nhà khoa học chỉ muốn có thứ gì đó để “chỉnh” mọi người.
[2] Trong phim Star Wars, con tàu Death Star bắn một chùm tia phá hủy toàn bộ Alderaan chỉ trong một phần tí teo của giây. (ND)
[3] Một khẩu súng vạn năng, không thể bị phá hủy nhưng ta có thể nắm giữ mà không lo cánh tay bị xé nát. Đừng lo lắng, chuyện đó sau này sẽ xảy ra ngay!
[4] …trừ phi Kyp Durron sử dụng Thần lực để lôi nó lên.
[5] Nguyên văn: Tickling the dragon’s tail.
[6] Khi kéo tay ra, hãy để ý đến những triệu chứng của bệnh giảm áp suất do các bọt nitơ trong mạch máu ở tay.
[7] Hy vọng thế.
[8] Qua nhiều thập kỷ, trọng lực sẽ tăng lên nhanh hơn mức bạn nghĩ đôi chút, vì vật chất trên Trái đất sẽ bị nén lại dưới khối lượng của chính nó. Lực nén bên trong các hành tinh thì gần như tỷ lệ thuận với bình phương diện tích bề mặt, vậy nên nhân Trái đất sẽ bị nén lại chặt hơn. Tham khảo tại đây.
[9] Mặc dù một số nguyên tố phóng xạ như urani khá nặng, chúng bị ép ra khỏi các lớp phía dưới vì các nguyên tử của chúng không tương thích với các mạng nguyên tử của phần đá ở độ sâu này. Để tìm hiểu thêm, xem bài viết này.
[10] Xin lỗi nhé, Mặt trăng!
