แรงโน้มถ่วงคืออะไรและทำงานอย่างไร?

คำภาษาละติน gravitas หมายถึงน้ำหนักและทำให้เรามีคำว่า 'แรงโน้มถ่วง' ซึ่งเป็นแรงที่ทำให้วัตถุมีน้ำหนัก นอกจากนี้ยังเป็นรากเหง้าของ 'แรงโน้มถ่วง' ซึ่งเป็นคำที่อธิบายถึงสิ่งที่แรงโน้มถ่วงทำ: ทำให้วัตถุต่าง ๆ โน้มเข้าหากัน เป็นสิ่งที่ช่วยให้มนุษย์อยู่บนโลกและทำให้โลกอยู่ในที่ของระบบสุริยะ แม้ว่านักปรัชญาสมัยโบราณจะตั้งคำถามว่าเหตุใดวัตถุจึงตกลงมาเมื่อหลายศตวรรษก่อน นักวิทยาศาสตร์ยังคงมีคำถามว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไรในปัจจุบัน

แรงโน้มถ่วงคืออะไร?

ในแง่ง่ายที่สุด แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ดึงดูดวัตถุสองชิ้นเข้าหากัน ทุกสิ่งที่มีสสาร หมายถึง ทุกสิ่งที่สัมผัสได้ ล้วนมีแรงดึงโน้มถ่วง ซึ่งรวมถึงแอปเปิ้ล มนุษย์ และโลก แม้จะมีคำว่าแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์ แต่ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะหนีจากแรงโน้มถ่วง นักบินอวกาศยังคงได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง แต่พวกมันเคลื่อนที่ไปด้านข้างอย่างรวดเร็วจนไม่ได้เข้าใกล้ศูนย์กลางของโลกมากขึ้นและอยู่ในสภาวะตกอย่างอิสระ

แรงโน้มถ่วง มวล และระยะทาง

ปริมาณแรงโน้มถ่วงที่วัตถุใดๆ มีจะเป็นสัดส่วนกับมวลของวัตถุนั้น วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีแรงโน้มถ่วงมากกว่า เนื่องจากโลกเป็นวัตถุที่ใหญ่ที่สุดและใกล้เคียงที่สุด ทุกสิ่งจึงถูกดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วง ซึ่งหมายความว่าแอปเปิ้ลตกลงบนพื้นแทนที่จะถูกดึงเข้าหาศีรษะของบุคคล

ระยะทางยังส่งผลต่อแรงโน้มถ่วง ถ้าวัตถุอยู่ไกล แรงดึงดูดก็จะอ่อนลง ตัวอย่างเช่น มีจุดหนึ่งในอวกาศที่แรงดึงดูดของดาวอังคารแข็งแกร่งกว่าการดึงของโลก

กองกำลังพื้นฐานในจักรวาล

นักฟิสิกส์กล่าวว่าแรงพื้นฐานทั้งสี่ของจักรวาลคือแรงดึงดูด แรงแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิกิริยาที่อ่อนแอและรุนแรง แรงเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของวัตถุ และแรงพื้นฐานทั้งสี่กำหนดว่าทุกสิ่งในจักรวาลมีปฏิสัมพันธ์อย่างไร แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนแอที่สุด แต่มองเห็นได้ง่ายที่สุดและมีอิทธิพลมากที่สุดในระดับใหญ่ มันไม่ได้เป็นเพียงเหตุผลที่มนุษย์สามารถเดินบนโลกได้ แต่ยังช่วยให้ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์และดวงอาทิตย์อยู่ในที่ของมันในกาแลคซี

ประวัติศาสตร์สมัยโบราณของทฤษฎีความโน้มถ่วง

ชาวกรีกโบราณเชื่อว่าแรงที่ดึงวัตถุลงสู่พื้นเป็นความหนักภายในมากกว่าแรงภายนอก มนุษย์ที่มีน้ำหนักมากจะถูกดึงลงมายังโลกโดยธรรมชาติ ในขณะที่เปลวไฟที่มีน้ำหนักเบาจะพุ่งขึ้นไปบนท้องฟ้า ในทางตรงกันข้าม นักวิชาการชาวอินเดีย โดยเฉพาะอารยาภาตา กล่าวว่า แรงได้เก็บวัตถุไว้บนพื้น แม้ว่าทฤษฎีของเขาจะทำให้โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล ในคริสต์ศักราช 600 นักคณิตศาสตร์ Brahmagupta เป็นคนแรกที่อธิบายแรงโน้มถ่วงว่าเป็นแรงดึงดูด

เถาทรัมเป็ตรุกราน

ทฤษฎีความโน้มถ่วงยุคฟื้นฟูศิลปวิทยา

ว่ากันว่ากาลิเลโอทิ้งสิ่งของจากด้านข้างของหอเอนเมืองปิซาเพื่อสังเกตสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อตกลงมา ไม่ว่าหอคอยจะเกี่ยวข้องหรือไม่ก็ตาม กาลิเลโอได้ค้นพบว่าวัตถุทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะเร่งความเร็วในอัตราเดียวกันเมื่อตกลงมา นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ สร้างขึ้นจากงานของพวกเขาและ Grimaldi และ Riccioli ได้คำนวณค่าคงตัวโน้มถ่วง งานอื่นๆ เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ดาราศาสตร์ และโยฮันเนส เคปเลอร์สร้างจากทฤษฎีเหล่านี้เพื่อคำนวณวงโคจรของดาวเคราะห์ที่รู้จัก

กฎความโน้มถ่วงสากล

ตำนานแรงโน้มถ่วงอีกคนหนึ่งกล่าวว่าไอแซก นิวตันโดนลูกแอปเปิลที่ตกลงมาและตระหนักว่าต้องมีแรงกระทำให้สิ่งต่างๆ ตกลงสู่พื้น เขาเขียนสมการที่อธิบายแรงโน้มถ่วง ซึ่งแสดงให้เห็นว่ายิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด แรงโน้มถ่วงก็จะยิ่งอยู่ระหว่างวัตถุทั้งสองมากเท่านั้น นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่ายิ่งพวกมันอยู่ห่างออกไปเท่าใด แรงดึงก็จะยิ่งอ่อนลงเท่านั้น ดาวเคราะห์บางดวงเคลื่อนตัวไปในลักษณะที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยสมการนี้ แต่โดยส่วนใหญ่ ดาวเคราะห์ดวงนั้นคงอยู่มานานหลายศตวรรษ

ไอน์สไตน์กับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์เปลี่ยนวิธีที่นักฟิสิกส์มองแรงโน้มถ่วง แทนที่จะเกิดจากแรง กล่าวกันว่าผลกระทบของแรงโน้มถ่วงเกิดจากเส้นโค้งในกาลอวกาศที่เกิดขึ้นรอบๆ วัตถุขนาดใหญ่ มากกว่าเหมือนลูกโบว์ลิ่งที่วางอยู่บนแทรมโพลีน ทฤษฎีนี้อธิบายวงโคจรที่แปลกประหลาดของดาวพุธและกำหนดแรงโน้มถ่วงของนิวตันไว้บนหัวของมัน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงไม่ได้เป็นแรงอีกต่อไป แต่เป็นผลมาจากเรขาคณิต

แรงโน้มถ่วงทำอะไร?

แรงโน้มถ่วงมีผลหลายอย่างในโลกแห่งความเป็นจริง เช่นเดียวกับการรักษาวัตถุไว้บนพื้น แรงโน้มถ่วงคือสิ่งที่ให้น้ำหนักแก่พวกมัน วัตถุมีน้ำหนักน้อยกว่าบนดาวเคราะห์ด้วยแรงดึงโน้มถ่วงที่น้อยกว่า แรงดึงดูดของดวงจันทร์เป็นแรงที่สร้างกระแสน้ำในมหาสมุทร แรงโน้มถ่วงยังช่วยให้โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ที่สบายตัวและยึดชั้นบรรยากาศให้เข้าที่ ทำให้สิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีอากาศถ่ายเทได้และป้องกันรังสีจากดวงอาทิตย์

แรงโน้มถ่วงและการสร้างจักรวาล

แรงโน้มถ่วงยังเป็นองค์ประกอบสำคัญในการสร้างจักรวาล ก๊าซที่มีอยู่ในจักรวาลถูกดึงดูดเข้าหากันผ่านแรงโน้มถ่วงและรวมตัวกันเพื่อสร้างวัตถุขนาดใหญ่รวมถึงดาวและดาวเคราะห์ นักวิจัยบางคนเชื่อว่ามันเป็นแรงโน้มถ่วงที่ทำให้อนุภาคเสถียรหลังจากบิ๊กแบงหยุดการล่มสลายของจักรวาล แรงโน้มถ่วงดึงระบบสุริยะมารวมกันเพื่อก่อตัวเป็นกาแลคซี และด้วยเหตุนี้ แรงโน้มถ่วงจึงเป็นองค์ประกอบพื้นฐานในการสร้างจักรวาล

การวิจัยแรงโน้มถ่วงและวิทยาศาสตร์

การวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงจะดำเนินต่อไปในอนาคต ทฤษฎีสัมพัทธภาพอธิบายความผิดปกติบางอย่างในแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ยังมีความลึกลับในจักรวาลที่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถอธิบายได้ แรงโน้มถ่วงไม่เหมาะกับทฤษฎีสนามควอนตัม และนักวิทยาศาสตร์ยังคงค้นคว้าว่าแรงโน้มถ่วงรวมเข้ากับแรงพื้นฐานอื่นๆ อย่างไร การวิจัยแรงโน้มถ่วงยังมีการใช้งานจริงมากกว่า ยานอวกาศของ NASA ติดตามการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงของโลก ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ติดตามการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำทะเลและเปลือกโลก