Trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng, chúng ta thường thấy hình ảnh con người có thể nhảy cao hơn, xa hơn khi ở trên Mặt Trăng hoặc sao Hỏa so với Trái Đất. Điều này được giải thích là do mọi thứ ở đó đều nhẹ hơn. Nhưng liệu điều này có đúng không? Để hiểu rõ vấn đề này, chúng ta cần phân biệt rõ ràng giữa trọng lượng và khối lượng.
Khối lượng và Trọng lượng: Hai khái niệm khác nhau
Khối lượng là tổng lượng vật chất chứa trong một vật thể. Khối lượng của một vật thể cũng quyết định độ mạnh của lực hấp dẫn mà nó tác dụng lên các vật thể khác. Trọng lượng là giá trị của lực hấp dẫn giữa hai vật thể, thường được hiểu là lực hút của các thiên thể lớn tác dụng lên vật chứa khối lượng. Trong vật lý, khối lượng và trọng lượng là hai khái niệm khác nhau, mặc dù khối lượng thường được đo bằng cân lò xo.
Một vật thể sẽ nhẹ hơn trên Mặt Trăng so với trên Trái Đất, nhưng nó vẫn có cùng lượng vật chất. Điều này là do trọng lượng là một lực, còn khối lượng là một thuộc tính. Lực hấp dẫn, cùng với khối lượng, quyết định độ lớn của lực này.
Cách tính trọng lượng trên các hành tinh
Để tính trọng lượng của một vật thể trên một hành tinh, ta thường sử dụng phương pháp gần đúng: lấy khối lượng (tính bằng kilogam) của vật thể nhân với giá trị gia tốc trọng trường của hành tinh đó. Gia tốc trọng trường trên Trái Đất xấp xỉ 9.8 m/s², có nghĩa là nếu một vật thể ở trên mặt đất và bị ném lên cao, nó sẽ rơi xuống với tốc độ tăng dần 9.8 mét mỗi giây.
Ví dụ, một người nặng 70kg sẽ chịu lực hút của Trái Đất khoảng 686N (Newton). 686N là độ lớn của lực hấp dẫn mà Trái Đất hút một người có khối lượng 70kg, và đó chính là trọng lượng của người đó trên Trái Đất.
Sao Hỏa và lực hấp dẫn
Lực hấp dẫn tỷ lệ thuận với khối lượng của hai vật thể và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Do đó, nếu một hành tinh có khối lượng nhỏ hơn, lực hấp dẫn của nó cũng sẽ nhỏ hơn. Sao Hỏa có khối lượng chỉ bằng khoảng một phần mười Trái Đất và bán kính chỉ hơn một nửa bán kính của Trái Đất. Cụ thể, bán kính trung bình của Sao Hỏa là khoảng 3,389 km, tương đương 0.53 lần bán kính của Trái Đất. Khối lượng của Sao Hỏa là 6.4171×10^23kg, bằng 0.107 lần Trái Đất. Mật độ vật chất của nó cũng chỉ bằng 0.71 lần so với Trái Đất.
Với các thông số này, gia tốc trọng trường trên sao Hỏa là khoảng 0.38g hoặc 3.711 m/s². Điều này có nghĩa là gia tốc trọng trường trên Sao Hỏa chỉ bằng khoảng 38% so với trên Trái Đất.
Sự thật về cân nặng trên sao Hỏa
Nhiều người vẫn cho rằng một người nặng 100kg khi ở trên sao Hỏa chỉ nặng 38kg. Nếu bạn mang một chiếc cân lên sao Hỏa, và cân một người nặng 100kg trên Trái Đất, thì kết quả có thể sẽ chỉ là 38kg. Tuy nhiên, cần hiểu rằng các loại cân thông thường mà chúng ta sử dụng là thiết bị đo trọng lượng, chứ không phải đo khối lượng.
Con người đã lợi dụng lực hấp dẫn của hành tinh để đo trọng lượng của vật thể, và từ đó suy ra khối lượng của nó. Khi bạn mang chiếc cân đó đến một hành tinh khác, phép quy đổi của cân không còn chính xác nữa, vì hệ số quy đổi, chính là gia tốc trọng trường của hành tinh, đã thay đổi.
Về cơ bản, với những vật chất thông thường mà chúng ta tiếp xúc, vật thể sẽ không thay đổi khối lượng khi di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Vì vậy, khi nói “mọi thứ nhẹ hơn trên sao Hỏa”, chúng ta phải hiểu “nhẹ” theo nghĩa trọng lượng, chứ không phải khối lượng.
Khó khăn trong việc di chuyển vật nặng trên sao Hỏa
Trong một số tác phẩm hư cấu, người ta nghĩ rằng trên các hành tinh có lực hấp dẫn yếu hơn, người ta có thể dễ dàng di chuyển những vật nặng mà bình thường không thể làm được. Thực tế, đó là sự không chính xác. Lực hấp dẫn giữa hai vật thể chỉ có một hướng, đó là hướng giữa các tâm trọng lực của hai vật thể. Đối với lực hấp dẫn của các hành tinh tác dụng lên một vật thể trên nó, hướng đó là hướng từ vật thể (hay chính xác hơn là tâm trọng lực của vật thể) đến tâm của hành tinh, có nghĩa là khi đứng trên mặt đất, nó sẽ có hướng thẳng đứng xuống dưới.
Nếu bạn mang một vật lên sao Hỏa, nó sẽ chỉ chịu một lực kéo xuống dưới bằng 38% so với khi ở trên Trái Đất. Vì vậy, khi bạn cố gắng nhấc nó lên khỏi mặt đất, bạn sẽ thấy nó nhẹ hơn nhiều so với trên Trái Đất. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là bạn có thể dễ dàng di chuyển bất cứ thứ gì có khối lượng lớn hơn 250% khối lượng mà bạn có thể di chuyển bình thường.
Khi di chuyển một vật, ngoài việc vượt qua trọng lực, bạn còn phải vượt qua quán tính của nó. Theo định luật thứ hai của Newton (F=m.a), để “tạo” cho một vật có khối lượng m một gia tốc a, bạn cần tác dụng lên nó một lực F bằng tích của khối lượng và gia tốc bạn muốn tạo cho nó. Nói cách khác, khối lượng đóng vai trò rất lớn, và khối lượng vẫn giữ nguyên cho dù hành tinh lớn hay nhỏ.
Kết luận
Trọng lượng của một vật có thể thay đổi tùy thuộc vào lực hấp dẫn của hành tinh, nhưng khối lượng thì không. Vì vậy, nói “người 100kg chỉ còn 38kg khi ở sao Hỏa” có thể gây hiểu lầm, vì nó không rõ là “nhẹ” về khối lượng hay trọng lượng. Những tuyên bố như “bạn có thể dễ dàng trở thành siêu nhân trên sao Hỏa” là không chính xác. Điều quan trọng là phải hiểu đúng bản chất của trọng lượng và khối lượng, tránh những ngộ nhận do tác phẩm hư cấu gây ra. Thực tế, việc di chuyển các vật thể có khối lượng lớn trên sao Hỏa vẫn đòi hỏi một lực tương ứng để vượt qua quán tính của chúng, bất kể trọng lượng của chúng có giảm đi do lực hấp dẫn yếu hơn.