แรงโน้มถ่วง (ฟิสิกส์): มันคืออะไรและเหตุใดจึงสำคัญ?

นักศึกษาฟิสิกส์อาจพบกับแรงโน้มถ่วงในฟิสิกส์ในสองวิธีที่แตกต่างกัน: เป็นความเร่งเนื่องจาก แรงโน้มถ่วงบนโลกหรือวัตถุท้องฟ้าอื่น ๆ หรือเป็นแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นใน จักรวาล. แท้จริงแล้วแรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในแรงพื้นฐานที่สุดในธรรมชาติ

เซอร์ไอแซก นิวตันได้พัฒนากฎหมายเพื่ออธิบายทั้งสองข้อ กฎข้อที่สองของนิวตัน (F_{สุทธิ} = หม่า) ใช้กับแรงสุทธิใดๆ ที่กระทำต่อวัตถุ รวมถึงแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นในบริเวณวัตถุขนาดใหญ่ เช่น ดาวเคราะห์ กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ซึ่งเป็นกฎกำลังสองผกผัน อธิบายแรงดึงหรือแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นใดๆ

แรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจากวัตถุภายในสนามโน้มถ่วงมักจะมุ่งตรงไปยังจุดศูนย์กลางมวลที่สร้างสนาม เช่น จุดศูนย์กลางของโลก หากไม่มีแรงอื่นใด สามารถอธิบายได้โดยใช้ความสัมพันธ์แบบนิวตันF_{สุทธิ} = หม่าที่ไหนF_{สุทธิ}คือ แรงโน้มถ่วงเป็นนิวตัน (N)มคือมวลเป็นกิโลกรัม (กก.) และคือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็น m/s².

วัตถุใดๆ ภายในสนามโน้มถ่วง เช่น หินทั้งหมดบนดาวอังคาร ล้วนมีประสบการณ์เหมือนกันความเร่งเข้าหาศูนย์กลางของสนาม​ ​กระทำต่อมวลชนของพวกเขาดังนั้น ปัจจัยเดียวที่เปลี่ยนแรงโน้มถ่วงที่สัมผัสได้จากวัตถุต่างๆ บนดาวเคราะห์ดวงเดียวกันคือมวลของวัตถุนั้น ยิ่งมวลมาก แรงโน้มถ่วงก็ยิ่งมากขึ้น และในทางกลับกัน

แรงโน้มถ่วงคือน้ำหนักของมันในวิชาฟิสิกส์ แม้ว่าน้ำหนักมักใช้เรียกขานต่างกัน

กฎข้อที่สองของนิวตัน,F_{สุทธิ} = หม่า, แสดงว่า aแรงสุทธิทำให้มวลเร่งขึ้น ถ้าแรงสุทธิมาจากแรงโน้มถ่วง ความเร่งนี้เรียกว่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง สำหรับวัตถุที่อยู่ใกล้วัตถุขนาดใหญ่โดยเฉพาะ เช่น ดาวเคราะห์ ความเร่งนี้มีค่าคงที่โดยประมาณ ซึ่งหมายความว่าวัตถุทั้งหมดตกด้วยความเร่งเท่ากัน

ใกล้พื้นผิวโลก ค่าคงที่นี้ได้รับตัวแปรพิเศษของตัวเอง:g. "น้องจี" asgมักเรียกว่า มีค่าคงที่ 9.8 m/s. เสมอ². (วลี "g น้อย" ทำให้ค่าคงที่นี้แตกต่างจากค่าความโน้มถ่วงที่สำคัญอีกตัวหนึ่งGหรือ "บิ๊กจี" ซึ่งใช้กับกฎความโน้มถ่วงสากล) วัตถุใดๆ ที่ตกลงมาใกล้พื้นผิวโลกจะ ตกลงสู่ใจกลางโลกด้วยอัตราที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในแต่ละวินาทีจะเร็วกว่าวินาทีที่แล้ว 9.8 m/s

บนโลก แรงดึงดูดของวัตถุมวลมคือ:

นักบินอวกาศไปถึงดาวเคราะห์ที่ห่างไกลและพบว่าต้องใช้แรงถึงแปดเท่าในการยกวัตถุที่นั่นมากกว่าบนโลก ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงบนโลกใบนี้คืออะไร?

บนโลกใบนี้ แรงโน้มถ่วงมีมากกว่าแปดเท่า เนื่องจากมวลของวัตถุเป็นสมบัติพื้นฐานของวัตถุเหล่านั้น จึงไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ นั่นหมายถึงค่าของgต้องใหญ่กว่าแปดเท่าเช่นกัน:

คุณค่าของgบนโลกคือ 9.8 m/s²ดังนั้น 8 × 9.8 ม./วินาที² = 78.4 ม./วินาที².

กฎข้อที่สองของนิวตันที่ใช้กับการทำความเข้าใจแรงโน้มถ่วงในฟิสิกส์เป็นผลมาจากนิวตันทำให้งงกับการค้นพบของนักฟิสิกส์คนอื่น เขาพยายามอธิบายว่าทำไมดาวเคราะห์ในระบบสุริยะจึงมีวงโคจรเป็นวงรีมากกว่าโคจรเป็นวงกลม ตามที่โยฮันเนส เคปเลอร์สังเกตและอธิบายทางคณิตศาสตร์ในชุดกฎที่มีชื่อเดียวกันนี้

นิวตันระบุว่าแรงดึงดูดระหว่างดาวเคราะห์เมื่อพวกเขาเข้าใกล้กันมากขึ้นเรื่อย ๆ กำลังเล่นในการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์เหล่านี้ในความเป็นจริงตกอย่างอิสระ เขาวัดแรงดึงดูดนี้ในของเขากฎความโน้มถ่วงสากล​:

ที่ไหนF_Grav อีกครั้งคือแรงโน้มถ่วงในนิวตัน (N)ม₁และม₂คือมวลของวัตถุที่หนึ่งและที่สองตามลำดับเป็นกิโลกรัม (กก.) (เช่น มวลของโลกและมวลของวัตถุที่อยู่ใกล้โลก) และd²คือกำลังสองของระยะห่างระหว่างกันในหน่วยเมตร (m)

ตัวแปรGเรียกว่า "บิ๊กจี" เป็นค่าคงตัวโน้มถ่วงสากล มันมีค่าเท่ากันทุกที่ในจักรวาล. นิวตันไม่ได้ค้นพบคุณค่าของ G (เฮนรี คาเวนดิชพบมันจากการทดลองหลังจากนิวตันเสียชีวิต) แต่เขาพบสัดส่วนของแรงต่อมวลและระยะทางโดยปราศจากมัน

สมการแสดงความสัมพันธ์ที่สำคัญสองประการ:

1. ยิ่งวัตถุทั้งสองมีขนาดใหญ่เท่าใด แรงดึงดูดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ถ้าจู่ๆ พระจันทร์ขึ้นใหญ่เป็นสองเท่าอย่างที่เป็นอยู่ตอนนี้ แรงดึงดูดระหว่างโลกกับดวงจันทร์จะดับเบิ้ล​.
2. ยิ่งวัตถุอยู่ใกล้มากเท่าใด แรงดึงดูดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เพราะมวลสัมพันธ์กันด้วยระยะห่างระหว่างกันกำลังสอง, แรงดึงดูดสี่เท่าทุกครั้งที่มีวัตถุอยู่ใกล้เป็นสองเท่า twice. ถ้าจู่ๆ พระจันทร์ขึ้นครึ่งทางสู่โลกอย่างที่เป็นอยู่ตอนนี้ แรงดึงดูดระหว่างโลกกับดวงจันทร์จะเป็นใหญ่ขึ้นสี่เท่า​

ทฤษฎีของนิวตันเรียกอีกอย่างว่า anกฎกำลังสองผกผันเพราะข้อที่สองข้างต้น มันอธิบายว่าทำไมแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นจึงลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อแยกออกจากกัน ซึ่งเร็วกว่าการเปลี่ยนแปลงมวลของวัตถุทั้งสองอย่างหรือทั้งสองอย่าง

แรงดึงดูดระหว่างดาวหาง 8,000 กก. ซึ่งอยู่ห่างจากดาวหาง 200 กก. 70,000 ม. คืออะไร?

นิวตันทำงานได้อย่างน่าทึ่งในการทำนายการเคลื่อนที่ของวัตถุและการหาปริมาณแรงโน้มถ่วงในช่วงทศวรรษ 1600 แต่ราวๆ 300 ปีต่อมา อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้มีความคิดที่ยอดเยี่ยมอีกคนหนึ่งได้ท้าทายความคิดนี้ด้วยวิธีใหม่และวิธีทำความเข้าใจแรงโน้มถ่วงที่แม่นยำยิ่งขึ้น

ตามคำกล่าวของไอน์สไตน์ แรงโน้มถ่วงเป็นการบิดเบือนของกาลอวกาศ, โครงสร้างของจักรวาลนั่นเอง. พื้นที่บิดงอจำนวนมากเช่นลูกโบว์ลิ่งทำให้เกิดรอยบุบบนผ้าปูที่นอนและวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าเช่นดาวหรือหลุมดำบิดเบี้ยว พื้นที่ที่มีเอฟเฟกต์สังเกตได้ง่ายในกล้องโทรทรรศน์ - การโค้งงอของแสงหรือการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของวัตถุใกล้กับมวลเหล่านั้น

ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้พิสูจน์ตัวเองด้วยการอธิบายว่าทำไมดาวพุธซึ่งเป็นดาวเคราะห์ดวงเล็กที่อยู่ใกล้ที่สุด สำหรับดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะของเรา มีวงโคจรที่มีความแตกต่างที่วัดได้จากกฎของนิวตัน

แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะอธิบายแรงโน้มถ่วงได้แม่นยำกว่ากฎของนิวตัน แต่ความแตกต่างในการคำนวณโดยใช้วิธีใดวิธีหนึ่งก็คือ สังเกตได้เฉพาะในมาตราส่วน "สัมพัทธภาพ" เท่านั้น - มองวัตถุมวลมหาศาลในจักรวาลหรือแสงใกล้ ความเร็ว ดังนั้นกฎของนิวตันจึงยังคงมีประโยชน์และมีความเกี่ยวข้องในปัจจุบันในการอธิบายสถานการณ์ต่างๆ ในโลกแห่งความเป็นจริงที่มนุษย์ทั่วไปมักจะเผชิญ

ส่วน "สากล" ของกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันไม่ใช่ความเกินความจริง กฎข้อนี้ใช้กับทุกสิ่งในจักรวาลด้วยมวล! อนุภาคสองอนุภาคใดๆ จะดึงดูดกันและกัน เช่นเดียวกับดาราจักรสองแห่ง แน่นอนว่าในระยะทางที่ไกลมากพอ สิ่งดึงดูดใจจะเล็กมากจนกลายเป็นศูนย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เมื่อพิจารณาว่าแรงโน้มถ่วงมีความสำคัญเพียงใดในการอธิบายสสารทั้งหมดโต้ตอบกันอย่างไร, คำจำกัดความภาษาอังกฤษของภาษาพูดของแรงโน้มถ่วง(อ้างอิงจากอ็อกซ์ฟอร์ด: "ความสำคัญอย่างยิ่งยวดหรือน่าตกใจ; จริงจัง") หรือGravitas("ศักดิ์ศรี ความรุนแรง หรือมารยาทที่เคร่งขรึม") มีความสำคัญเพิ่มเติม ที่กล่าวว่าเมื่อมีคนอ้างถึง "แรงโน้มถ่วงของสถานการณ์" นักฟิสิกส์อาจยังคงต้องการคำชี้แจง: พวกเขาหมายถึงในแง่ของ big G หรือ little g?