อะไรทำให้เกิดแรงโน้มถ่วงบนโลก?

คนส่วนใหญ่ที่เน้นวิทยาศาสตร์หรืออย่างอื่น อย่างน้อยก็มีความคิดที่คลุมเครือว่าปริมาณหรือแนวคิดบางอย่างที่เรียกว่า "แรงโน้มถ่วง" คือสิ่งที่ช่วยให้วัตถุ รวมทั้งตัวเอง ถูกล่ามไว้กับพื้นโลก พวกเขาเข้าใจว่านี่เป็นพรโดยทั่วไป แต่น้อยกว่าในบางสถานการณ์ - พูดเมื่อเกาะอยู่บนกิ่งไม้และเล็กน้อย ไม่รู้ว่าจะกลับคืนสู่พื้นได้อย่างไรโดยไม่ได้รับบาดเจ็บ หรือเมื่อพยายามสร้างสถิติส่วนตัวใหม่ เช่น การกระโดดสูงหรือเสา ห้องนิรภัย

อาจเป็นเรื่องยากที่จะชื่นชมแนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วง จนกว่าจะเห็นว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่ออิทธิพลของมันลดลง หรือหายไป เช่น ขณะชมภาพนักบินอวกาศบนสถานีอวกาศที่โคจรรอบโลกไกลจากโลก พื้นผิว และที่จริงแล้ว นักฟิสิกส์แทบไม่มีความคิดเลยว่าอะไรที่ "ทำให้เกิด" แรงโน้มถ่วงในท้ายที่สุด มากไปกว่าที่พวกเขาจะบอกเราได้ว่าทำไมจักรวาลถึงดำรงอยู่ตั้งแต่แรก อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ได้สร้างสมการที่อธิบายสิ่งที่แรงโน้มถ่วงทำได้ดีเป็นพิเศษ ไม่ใช่แค่บนโลกแต่ทั่วทั้งจักรวาล

กว่า 2,000 ปีที่แล้ว นักคิดชาวกรีกโบราณได้คิดค้นแนวคิดมากมายที่ทนทานต่อการทดสอบของเวลาเป็นส่วนใหญ่ และรอดมาได้จนถึงความทันสมัย พวกเขามองเห็นวัตถุที่อยู่ห่างไกลเช่นดาวเคราะห์และดวงดาว (ระยะทางจริงจากโลกซึ่งแน่นอนว่าผู้สังเกตการณ์ไม่มีทาง รู้) ถูกผูกมัดทางกายต่อกันทั้งๆ ที่น่าจะไม่มีอะไรเหมือนสายเคเบิลหรือเชือกที่เชื่อมเข้าด้วยกัน ด้วยกัน. หากไม่มีทฤษฎีอื่น ชาวกรีกเสนอว่าการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดวงดาว และดาวเคราะห์ถูกกำหนดโดยเจตนาของเหล่าทวยเทพ (อันที่จริง ดาวเคราะห์ทุกดวงรู้ว่าในสมัยนั้นตั้งชื่อตามเทพเจ้า) แม้ว่าทฤษฎีนี้จะเรียบร้อยและชี้ขาด ไม่สามารถทดสอบได้ และดังนั้นจึงไม่เกินการยืนหยัดเพื่อความพึงพอใจและเข้มงวดทางวิทยาศาสตร์มากขึ้น คำอธิบาย

จนกระทั่งเมื่อประมาณ 300 ถึง 400 ปีก่อนที่นักดาราศาสตร์เช่น Tycho Brahe และ Galileo Galilei ยอมรับว่าตรงกันข้ามกับพระคัมภีร์ คำสอนนั้นมีอายุเกือบ 15 ศตวรรษ โลกและดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ มากกว่าที่โลกจะเป็นศูนย์กลางของ จักรวาล. นี่เป็นการปูทางสำหรับการสำรวจแรงโน้มถ่วงตามที่เข้าใจกันในปัจจุบัน

วิธีหนึ่งในการนึกถึงแรงดึงดูดระหว่างวัตถุ ซึ่งแสดงโดย Jacob Bekenstein นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีผู้ล่วงลับไปแล้วใน เรียงความ สำหรับ CalTech เป็น "แรงระยะยาวที่วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าใช้ซึ่งกันและกันเนื่องจากเนื้อหาของมัน" นั่นคือ, ในขณะที่วัตถุอาจมีแรงอันเป็นผลมาจากความแตกต่างของประจุไฟฟ้าสถิต แรงโน้มถ่วงจะส่งผลให้เกิดแรงเนื่องจากความเฉื่อย มวล. ในทางเทคนิค คุณและคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ หรือแท็บเล็ตที่คุณกำลังอ่านข้อความนี้โดยใช้แรงโน้มถ่วงบน ซึ่งกันและกัน แต่คุณและอุปกรณ์ที่ใช้งานอินเทอร์เน็ตของคุณมีขนาดเล็กมากจนแทบไม่มีแรง ตรวจไม่พบ เห็นได้ชัดว่าสำหรับวัตถุในระดับดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ ดาราจักรทั้งหมด และแม้แต่กระจุกดาราจักร มันเป็นเรื่องที่ต่างออกไป

ไอแซก นิวตัน (ค.ศ. 1642-1727) ได้รับการยกย่องว่าเป็นหนึ่งในนักคณิตศาสตร์ที่เก่งที่สุดในประวัติศาสตร์ และเป็นหนึ่งในผู้คิดค้นร่วมด้านแคลคูลัส ว่าแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุทั้งสองเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของมวลและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่าง พวกเขา นี้ใช้รูปแบบของสมการ:

ที่ไหน F_Grav คือแรงโน้มถ่วงเป็นนิวตัน m₁ และ m₂ คือมวลของวัตถุในหน่วยกิโลกรัม r คือระยะทางที่แยกวัตถุเป็นเมตรและค่าของค่าคงที่สัดส่วน G คือ 6.67 × 10^-11 (น ⋅ ม²)/กิโลกรัม².

แม้ว่าสมการนี้ใช้ได้ผลดีสำหรับวัตถุประสงค์ในชีวิตประจำวัน ค่าของสมการนี้จะลดลงเมื่อวัตถุใน คำถามมีความสัมพัทธภาพ กล่าวคือ อธิบายโดยมวลและความเร็วได้ดีกว่ามนุษย์ทั่วไป ประสบการณ์. นี่คือที่มาของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์

ในปี ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้ซึ่งชื่อของเขาอาจเป็นที่รู้จักมากที่สุดในประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์และมีความหมายเหมือนกันกับความสามารถระดับอัจฉริยะมากที่สุด ได้ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขา ท่ามกลางผลกระทบอื่น ๆ ที่สิ่งนี้มีต่อองค์ความรู้ฟิสิกส์ที่มีอยู่ มันทำให้เกิดคำถามถึงข้อสมมติที่สร้างขึ้นในนิวตัน แนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นผลจากแรงดึงดูดที่เกิดขึ้นทันทีระหว่างวัตถุโดยไม่คำนึงถึงความกว้างใหญ่ของวัตถุ การแยกทาง หลังจากการคำนวณของไอน์สไตน์พบว่าความเร็วแสง 3 × 10⁸ m/s หรือประมาณ 186,000 ไมล์ต่อวินาที กำหนดขอบเขตบนว่าสิ่งใดสามารถแพร่กระจายผ่านอวกาศได้เร็วแค่ไหน ความคิดของนิวตันก็ดูเปราะบาง อย่างน้อยก็ในบางกรณี กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในขณะที่ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันยังคงแสดงได้อย่างน่าชื่นชมในบริบทเกือบทั้งหมดที่สามารถจินตนาการได้ เห็นได้ชัดว่าไม่ใช่คำอธิบายที่แท้จริงของแรงโน้มถ่วงในระดับสากล

ไอน์สไตน์ใช้เวลา 10 ปีข้างหน้าในการกำหนดทฤษฎีอื่น ทฤษฎีหนึ่งที่จะปรับความโน้มถ่วงพื้นฐานของนิวตัน กรอบที่มีขอบเขตบนของความเร็วของแสงที่กำหนดหรือดูเหมือนว่าจะกำหนดในทุกกระบวนการในจักรวาล ผลลัพธ์ที่ไอน์สไตน์แนะนำในปี 1915 คือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ชัยชนะของทฤษฎีนี้ ซึ่งเป็นพื้นฐานของทฤษฎีความโน้มถ่วงทั้งหมดจนถึงปัจจุบันคือ มันวางกรอบแนวคิดเรื่องความโน้มถ่วงเป็นการแสดงความโค้งของกาล-อวกาศ ไม่ใช่เป็นแรงต่อ เซ ความคิดนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ นักคณิตศาสตร์ Georg Bernhard Riemann ได้เสนอแนวคิดที่เกี่ยวข้องในปี 1854 แต่ไอน์สไตน์ได้เปลี่ยนทฤษฎีโน้มถ่วงจากสิ่งที่หยั่งรากลึกในกองกำลังทางกายภาพให้กลายเป็นมากกว่า ทฤษฎีทางเรขาคณิต: มันเสนอมิติที่สี่โดยพฤตินัย เวลา ประกอบกับมิติเชิงพื้นที่ทั้งสามที่ คุ้นเคยอยู่แล้ว

ความหมายอย่างหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์คือแรงโน้มถ่วงกระทำโดยไม่ขึ้นกับมวลหรือองค์ประกอบทางกายภาพของวัตถุ ซึ่งหมายความว่า เหนือสิ่งอื่นใด ลูกกระสุนปืนใหญ่และหินอ่อนที่ตกลงมาจากยอดตึกระฟ้าจะตกลงสู่พื้นในเวลา ด้วยความเร็วเท่ากัน เร่งให้เท่ากันด้วยแรงโน้มถ่วงเท่ากัน แม้ว่าตัวหนึ่งจะมีมวลมากกว่าอีกอันหนึ่งมาก (เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบเพื่อความครบถ้วนสมบูรณ์ว่าสิ่งนี้เป็นจริงในทางเทคนิคเฉพาะในสุญญากาศเท่านั้น โดยที่แรงต้านของอากาศไม่เป็นปัญหา เห็นได้ชัดว่าขนนกตกลงมาช้ากว่าการยิงหนึ่งครั้ง แต่ในสุญญากาศ จะไม่เป็นเช่นนั้น) แง่มุมของความคิดของไอน์สไตน์นี้สามารถทดสอบได้เพียงพอ แต่แล้วสถานการณ์เชิงสัมพันธ์ล่ะ?

ในเดือนกรกฎาคม 2018 ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติสรุปการศึกษาระบบดาวสามดวงที่อยู่ห่างจากโลก 4,200 ปีแสง ปีแสงคือระยะทางที่แสงเดินทางในหนึ่งปี (ประมาณหกล้านล้านไมล์) ซึ่งหมายความว่านักดาราศาสตร์บนโลกนี้ สังเกตปรากฏการณ์การเผยแสงที่เกิดขึ้นจริงเมื่อประมาณ 2,200 ปีก่อนคริสตกาล ระบบที่ไม่ธรรมดานี้ประกอบด้วยดาวฤกษ์ขนาดเล็กหนาแน่นสองดวง – หนึ่งa "พัลซาร์" หมุนบนแกนของมัน 366 ครั้งต่อวินาที และดาวแคระขาวอีกดวงโคจรรอบกันและกันด้วยคาบสั้นอย่างน่าทึ่งที่ 1.6 วัน คู่นี้โคจรรอบดาวแคระขาวที่อยู่ห่างไกลออกไปทุกๆ 327 วัน กล่าวโดยย่อ คำอธิบายเดียวของแรงโน้มถ่วงที่สามารถอธิบายการเคลื่อนไหวที่แรงร่วมกันของดาวสามดวงในเรื่องนี้ ระบบที่ผิดปกติอย่างมากคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ – และสมการก็เข้ากับสถานการณ์จริง ๆ อย่างสมบูรณ์แบบ