गुरुत्वाकर्षण: न्यूटनच्या सफरचंदापासून ते आइन्स्टाईनच्या वक्र अवकाश-काळापर्यंत—आपल्या संपूर्ण विश्वाला आकार देणारे सुंदर रहस्य
शतकानुशतके, गुरुत्वाकर्षणाने शास्त्रज्ञ आणि सामान्य लोकांना सारखेच आकर्षित केले आहे. हे ते बल आहे जे आपले पाय जमिनीवर ठेवते, चंद्राला पृथ्वीभोवती फिरवते आणि पृथ्वीला सूर्याभोवती फिरवते. आपण आपल्या आयुष्यातील प्रत्येक क्षणी गुरुत्वाकर्षणाचा अनुभव घेतो, तरीही भौतिकशास्त्रातील सर्वात मोठ्या आश्चर्यांपैकी एक म्हणजे गुरुत्वाकर्षण नेमके काय आहे हे आपल्याला अजूनही पूर्णपणे समजलेले नाही.
अनेक लोकांना आयझॅक न्यूटनची प्रसिद्ध कथा माहीत आहे, ज्यात ते एका सफरचंदाच्या झाडाखाली बसले असताना एक सफरचंद पडले आणि त्यामुळे त्यांना गुरुत्वाकर्षणाबद्दल विचार करण्याची प्रेरणा मिळाली. ही कथा पूर्णपणे खरी असो वा नसो, न्यूटनने वैज्ञानिक इतिहासातील सर्वात मोठ्या शोधांपैकी एक शोध लावला. १६८७ मध्ये, त्यांनी 'फिलॉसॉफी नॅचरलिस प्रिन्सिपिया मॅथेमॅटिका' (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) हा ग्रंथ प्रकाशित केला, ज्यात त्यांनी प्रथमच गणिताचा वापर करून गुरुत्वाकर्षणाचे वर्णन केले.
न्यूटनने दाखवून दिले की वस्तुमान असलेली प्रत्येक वस्तू इतर प्रत्येक वस्तूला आकर्षित करते. त्याच्या समीकरणाने ग्रह सूर्याभोवती का फिरतात, चंद्र पृथ्वीभोवती का फिरतो आणि वस्तू जमिनीकडे का पडतात, हे अचूकपणे स्पष्ट केले.
तथापि, न्यूटनने स्वतः एक विलक्षण गोष्ट कबूल केली. गुरुत्वाकर्षण नेमके काय आहे हे त्याने कधीच स्पष्ट केले नाही. ते कसे कार्य करते याचेच त्याने वर्णन केले. त्याच्या प्रसिद्ध समीकरणाने गुरुत्वाकर्षणीय गतीचा आश्चर्यकारक अचूकतेने अंदाज वर्तवला, परंतु गुरुत्वाकर्षणाचे खरे स्वरूप अज्ञात राहिले.
२०० वर्षांहून अधिक काळ, न्यूटनच्या सिद्धांताने खगोलशास्त्रज्ञांनी केलेल्या जवळजवळ प्रत्येक निरीक्षणाचे यशस्वीपणे स्पष्टीकरण दिले. जहाजे त्याचा वापर करून मार्गक्रमण करत असत. अभियंत्यांनी त्याचा वापर करून पूल बांधले. अखेरीस, अपोलो अंतराळवीरांना चंद्रावर घेऊन जाणाऱ्या अंतराळयानाच्या मार्गांची गणना करण्यास मदत करण्याइतका तो अचूक ठरला.
तरीही, शास्त्रज्ञांच्या हळूहळू लक्षात आले की असे काही गहन प्रश्न आहेत ज्यांची उत्तरे न्यूटनचा सिद्धांत देऊ शकत नाही.
आधुनिक भौतिकशास्त्र निसर्गातील प्रत्येक गोष्टीवर नियंत्रण ठेवणाऱ्या चार मूलभूत बलांना मान्यता देते.
प्रबल अण्विक बल अणू केंद्रकांमध्ये प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन यांना घट्टपणे एकत्र धरून ठेवते. त्याशिवाय अणूंचे अस्तित्व शक्य नाही.
क्षीण अण्विक बल किरणोत्सर्गी क्षय आणि सूर्याच्या आत होणाऱ्या प्रक्रियांसह अनेक अण्विक अभिक्रियांसाठी जबाबदार आहे.
विद्युतचुंबकत्व वीज, चुंबकत्व, रसायनशास्त्र, प्रकाश, रेडिओ लहरी, संगणक, मोबाईल फोन आणि जवळजवळ सर्व आधुनिक तंत्रज्ञान नियंत्रित करते.
शेवटी, गुरुत्वाकर्षण आहे.
वरवर पाहता, गुरुत्वाकर्षण अत्यंत महत्त्वाचे वाटते कारण ते ग्रह, तारे आणि आकाशगंगांना आकार देते. तथापि, आश्चर्यकारकपणे, गुरुत्वाकर्षण हे प्रत्यक्षात चारही बलांपैकी सर्वात कमकुवत आहे.
निसर्गातील सर्वात कमकुवत बल
विद्युतचुंबकत्वाच्या तुलनेत गुरुत्वाकर्षण आश्चर्यकारकपणे कमकुवत आहे.
हे सोपे उदाहरण विचारात घ्या.
फक्त काही ग्रॅम वजनाचा एक छोटा रेफ्रिजरेटर चुंबक संपूर्ण पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या विरुद्ध एक पेपर क्लिप उचलू शकतो.
पृथ्वीचे वस्तुमान अंदाजे ५.९७ × १०²⁴ किलोग्रॅम आहे, तरीही एक छोटा चुंबक तिच्या गुरुत्वाकर्षणावर सहज मात करतो.
भौतिकशास्त्रज्ञांच्या अंदाजानुसार, दोन इलेक्ट्रॉन्समधील विद्युतचुंबकीय बल हे गुरुत्वाकर्षणापेक्षा अंदाजे १०³⁶ ते १०³⁸ पट अधिक शक्तिशाली असते.
ही संख्या कल्पना करणे जवळजवळ अशक्य आहे.
मग विश्वावर गुरुत्वाकर्षणाचे वर्चस्व का आहे?
गुरुत्वाकर्षण कधीही बंद होत नाही
याचे उत्तर एका अद्वितीय गुणधर्मात दडलेले आहे.
गुरुत्वाकर्षणाची व्याप्ती अमर्याद असते.
प्रबल अणुकेंद्रकीय बल केवळ अणूच्या केंद्रकाच्या आकाराएवढ्या अंतरावरच कार्य करते.
क्षीण बल देखील केवळ अत्यंत सूक्ष्म अंतरावरच कार्य करते.
विद्युतचुंबकीय बले एकमेकांना रद्द करू शकतात, कारण धन आणि ऋण प्रभार एकमेकांना संतुलित करतात.
गुरुत्वाकर्षण वेगळे आहे.
वस्तुमान असलेली प्रत्येक वस्तू दुसऱ्या प्रत्येक वस्तूला आकर्षित करते.
अंतराबरोबर आकर्षण कमी होत जाते, पण ते कधीही पूर्णपणे शून्य होत नाही.
तुमचे शरीरसुद्धा गुरुत्वाकर्षणाने खूप दूरच्या ताऱ्यांना खेचत आहे.
हा परिणाम अकल्पनीयपणे सूक्ष्म आहे, पण भौतिकशास्त्रानुसार तो अस्तित्वात आहे.
न्यूटनने याचे वर्णन व्यस्त-वर्ग नियमाचा वापर करून केले आहे.
अंतर दुप्पट झाल्यास, गुरुत्वाकर्षण एक चतुर्थांश इतके शक्तिशाली होते.
अंतर तिप्पट झाल्यास, गुरुत्वाकर्षण एक नवमांश इतके होते.
गुरुत्वाकर्षण वेगाने क्षीण होते, तरीही ते कधीही पूर्णपणे नाहीसे होत नाही.
क्षीण गुरुत्वाकर्षणाने विश्वाची निर्मिती कशी केली
बिग बँगनंतर, विश्वात प्रामुख्याने हायड्रोजन आणि हेलियम वायू अवकाशात पसरलेले होते.
गुरुत्वाकर्षण क्षीण होते.
पण ते सतत कार्यरत होते.
लाखो आणि अब्जावधी वर्षांपर्यंत, गुरुत्वाकर्षणाने त्या वायूंच्या ढगांना हळूहळू एकत्र खेचले.
अखेरीस ते कोसळून तारे बनले.
तारे एकत्र येऊन आकाशगंगा तयार झाल्या.
आकाशगंगांचे प्रचंड समूह तयार झाले.
आजच्या विश्वात आपण जे काही पाहतो, ते सर्व अखेरीस वाढले कारण गुरुत्वाकर्षणाने कधीही काम करणे थांबवले नाही.
कधीकधी संयम हा शक्तीपेक्षा अधिक प्रभावी असतो.
गुरुत्वाकर्षण हे निसर्गातील याच कल्पनेचे सर्वात मोठे उदाहरण आहे.
चंद्र आणि समुद्राच्या लाटा
गुरुत्वाकर्षणाच्या दूरवरच्या प्रभावाचे एक सुंदर उदाहरण म्हणजे चंद्र.
जरी ते पृथ्वीपासून सुमारे ३८४,४०० किलोमीटर दूर असले तरी, त्याचे गुरुत्वाकर्षण पृथ्वीच्या महासागरांना खेचते.
यामुळेच दररोज समुद्राची भरती-ओहोटी होते.
गुरुत्वाकर्षण प्रचंड अंतरावरही उल्लेखनीय सातत्याने कार्य करते.
आइन्स्टाईनने सर्व काही बदलले
विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीपर्यंत, शास्त्रज्ञांचा असा विश्वास होता की न्यूटनने गुरुत्वाकर्षणाचे संपूर्ण स्पष्टीकरण दिले आहे.
मग अल्बर्ट आइन्स्टाईन आले.
१९०५ मध्ये त्यांनी विशेष सापेक्षता सिद्धांत मांडला.
१९१५ मध्ये त्यांनी सामान्य सापेक्षता सिद्धांत पूर्ण केला.
या सिद्धांतांनी गुरुत्वाकर्षणाबद्दलची आपली समज कायमची बदलून टाकली.
आइन्स्टाईनच्या लक्षात आले की गुरुत्वाकर्षण अवकाशात त्वरित कार्य करू शकत नाही, कारण प्रकाशापेक्षा जास्त वेगाने काहीही प्रवास करू शकत नाही.
त्याऐवजी, गुरुत्वाकर्षणातील बदल प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करतात.
सूर्यापासून येणारा प्रकाश पृथ्वीवर पोहोचायला सुमारे ८ मिनिटे आणि २० सेकंद लागतात.
गुरुत्वाकर्षणाचे परिणामही अगदी त्याच वेगाने प्रवास करतात.
जर सूर्य अचानक नाहीसा झाला, तरीही बदल पृथ्वीवर पोहोचण्यापूर्वी पृथ्वी सुमारे आठ मिनिटे आपल्या पूर्वीच्याच स्थानाभोवती फिरत राहील.
म्हणूनच, गुरुत्वाकर्षण ही एक त्वरित, अदृश्य ओढ नाही.
ते अवकाश-काळातून माहिती वाहून नेते.
आइन्स्टाईनने अवकाश आणि काळ यांना एकत्र करून अवकाश-काळ नावाची एक चतुर्मितीय रचना तयार केली.
आइन्स्टाईनच्या आधी, शास्त्रज्ञ अवकाशाला एक रंगमंच समजत असत, जिथे घटना घडत असत.
काळ सर्वत्र एकसमान गतीने वाहत होता.
आइन्स्टाईनने दाखवून दिले की या दोन्ही गृहितकांमध्ये काहीही बरोबर नाही.
अवकाश आणि काळ एकमेकांशी जोडलेले आहेत.
ते एकच भौतिक रचना तयार करतात.
याहूनही आश्चर्यकारक गोष्ट म्हणजे, ही रचना वाकू आणि वक्र होऊ शकते.
गुरुत्वाकर्षणामुळे काळात बदल होतो
आइन्स्टाईनच्या सर्वात आश्चर्यकारक भाकितांपैकी एक म्हणजे गुरुत्वाकर्षणामुळे होणारे काल-प्रसरण.
अधिक तीव्र गुरुत्वाकर्षणात काळ अधिक हळू वाहतो.
समुद्रसपाटीवरील घड्याळ एव्हरेस्ट पर्वताच्या शिखरावरील घड्याळापेक्षा किंचित हळू चालते.
हा फरक अगदी सूक्ष्म आहे, परंतु आधुनिक अणुघड्याळांचा वापर करून तो मोजता येतो.
पृथ्वीवर वेगवेगळ्या उंचीवर उभे असलेले लोक खरोखरच काळाचा अनुभव किंचित वेगवेगळ्या गतीने घेत असतात.
खगोलशास्त्रज्ञांना असे आढळून आले की बुधाची कक्षा न्यूटनच्या अंदाजांशी तंतोतंत जुळत नाही.
अनेक दशके याचे कारण कोणालाच माहीत नव्हते.
सामान्य सापेक्षता सिद्धांताने हे रहस्य उलगडले.
बुध सूर्याच्या अगदी जवळ प्रदक्षिणा घालतो, जिथे अवकाश-काळ तीव्रतेने वक्र झालेला आहे.
आइन्स्टाईनच्या समीकरणांनी बुधाच्या या विलक्षण गतीचा जवळजवळ अचूक अंदाज वर्तवला होता.
ही सामान्य सापेक्षता सिद्धांताच्या पहिल्या मोठ्या पुष्टीकरणांपैकी एक ठरली.
वेळ गतीवर अवलंबून असते
आइन्स्टाईनने हे देखील दाखवून दिले की गतीचा वेळेवर परिणाम होतो.
विशेष सापेक्षता सिद्धांतानुसार, गतिमान घड्याळे अधिक हळू चालतात.
एखादी वस्तू जितक्या वेगाने प्रवास करते, तितकी स्थिर निरीक्षकांच्या तुलनेत तिची वेळ हळू जाते.
प्रकाशाच्या वेगाजवळ हा परिणाम लक्षणीय होतो
सर्वात उत्तम प्रात्यक्षिकांपैकी एक म्यूऑन्स नावाच्या कणांशी संबंधित आहे.
म्यूऑन्स पृथ्वीच्या वातावरणाच्या वरच्या थरात तयार होतात.
ते क्षय होण्यापूर्वी फक्त सुमारे २.२ मायक्रोसेकंद टिकतात.
सापेक्षता सिद्धांताशिवाय, ते पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर पोहोचण्यापूर्वीच नाहीसे झाले पाहिजेत.
तरीही शास्त्रज्ञांना दर सेकंदाला असंख्य म्यूऑन्स आढळतात.
कारण ते प्रकाशाच्या वेगाच्या अत्यंत जवळ प्रवास करतात.
म्यूऑन्ससाठी, वेळ अधिक हळू जाते.
ते जमिनीवर पोहोचण्याइतका वेळ टिकतात.
हा प्रयोग अनेक वेळा पुन्हा केला गेला आहे आणि तो आइन्स्टाईनच्या भाकितांशी पूर्णपणे जुळतो.
जीपीएस सापेक्षतावादावर अवलंबून आहे
ग्लोबल पोझिशनिंग सिस्टमचे उपग्रह हे आणखी एक व्यावहारिक उदाहरण आहे.
जीपीएस उपग्रह वेगाने फिरत पृथ्वीभोवती प्रदक्षिणा घालतात.
ते जमिनीवरील घड्याळांपेक्षा पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणापासून अधिक दूर असतात.
विशेष आणि सामान्य सापेक्षतावाद दोन्ही त्यांच्या घड्याळांवर परिणाम करतात.
अभियंत्यांना दररोज हे सापेक्षतावादी परिणाम दुरुस्त करावे लागतात.
या दुरुस्त्यांशिवाय, जीपीएसमधील त्रुटी दररोज अनेक किलोमीटरने वाढत जातील.
सापेक्षतावाद ही विज्ञानकथा नाही.
ते एक अत्यावश्यक अभियांत्रिकी आहे.
गुरुत्वाकर्षण खरोखरच एक बल आहे का?
न्यूटनने गुरुत्वाकर्षणाचे वर्णन एक बल म्हणून केले होते.
आईनस्टाईनने एक पूर्णपणे वेगळे चित्र मांडले.
सामान्य सापेक्षतावादानुसार, गुरुत्वाकर्षण हे खरोखरच एक बल नाही.
त्याऐवजी, प्रचंड वस्तुमान असलेल्या वस्तू अवकाश-काळाला (space-time) वाकवतात.
या वक्र भूमितीमधून वस्तू फक्त शक्य तितक्या सरळ मार्गांवरून प्रवास करतात.
कल्पना करा की तुम्ही पृथ्वीच्या वक्र पृष्ठभागावरून सरळ चालत आहात.
अखेरीस, तुम्ही न वळता तुमच्या सुरुवातीच्या ठिकाणी परत येता.
त्याचप्रमाणे, ग्रह वक्र अवकाश-काळाच्या नैसर्गिक भूमितीचे अनुसरण करतात.
पृथ्वी अदृश्य दोऱ्यांनी सूर्याभोवती ओढली जात नाही.
ती सूर्याच्या प्रचंड वस्तुमानामुळे निर्माण झालेल्या वक्र अवकाश-काळातून नैसर्गिकरित्या फिरत आहे.
शास्त्रज्ञ अनेकदा ही कल्पना ताणलेल्या रबर शीटचा वापर करून स्पष्ट करतात.
शीटवर ठेवलेला एक जड बॉलिंग बॉल एक खळगा तयार करतो.
जवळून घरंगळणारी एक गोटी त्या वक्र पृष्ठभागाचे अनुसरण करते.
जरी हे उदाहरण कल्पनेसाठी उपयुक्त असले तरी, ते अपूर्ण आहे कारण मुळात पृथ्वीचे गुरुत्वाकर्षण बॉलिंग बॉलला खाली खेचते.
वास्तविक अवकाश-काळ दुसऱ्या बाह्य गुरुत्वाकर्षणाशिवाय वक्र होतो.
हे उदाहरण अंतर्ज्ञान वाढवण्यास मदत करते, परंतु ते शब्दशः घेऊ नये.
प्रकाश देखील वक्र अवकाश-काळाचे अनुसरण करतो
कदाचित सर्वात विचित्र भविष्यवाणी ही आहे की गुरुत्वाकर्षण प्रकाशावर परिणाम करते.
प्रकाशाला वस्तुमान नसते.
मग गुरुत्वाकर्षण त्यावर कसा प्रभाव टाकू शकते?
आइन्स्टाईनने स्पष्ट केले की प्रकाश अवकाश-काळाच्या भूमितीचे अनुसरण करतो.
जर एखाद्या प्रचंड ताऱ्याजवळ अवकाश-काळ वाकला, तर प्रकाश नैसर्गिकरित्या त्या वक्र मार्गाचे अनुसरण करतो.
१९१९ च्या सूर्यग्रहणादरम्यान खगोलशास्त्रज्ञांनी या भाकिताची पुष्टी केली, जेव्हा त्यांनी दूरच्या ताऱ्यांचा प्रकाश सूर्याभोवती अगदी आइन्स्टाईनच्या भाकिताप्रमाणेच वाकताना पाहिला.
या निरीक्षणाने आइन्स्टाईनला जगप्रसिद्ध केले.
सामान्य सापेक्षता सिद्धांत कृष्णविवरांचेही भाकीत करतो.
जेव्हा पुरेसे वस्तुमान एका लहानशा प्रदेशात संकुचित होते, तेव्हा अवकाश-काळ इतका तीव्रतेने वाकतो की काहीही—अगदी प्रकाशसुद्धा—बाहेर पडू शकत नाही.
केंद्रात एक असा बिंदू असतो जिथे सध्याचे भौतिकशास्त्र अयशस्वी ठरते.
हे प्रदेश समजून घेणे हे आधुनिक विज्ञानातील सर्वात मोठ्या आव्हानांपैकी एक आहे.
गुरुत्वाकर्षण आणि क्वांटम भौतिकशास्त्र
गुरुत्वाकर्षणाला क्वांटम मेकॅनिक्ससोबत जोडणे हे आजचे सर्वात मोठे रहस्य आहे.
इतर तीन मूलभूत शक्ती क्वांटम सिद्धांताद्वारे यशस्वीरित्या स्पष्ट केल्या जातात.
शास्त्रज्ञ स्ट्रिंग थिअरी, लूप क्वांटम ग्रॅव्हिटी आणि इतर दृष्टिकोनांसारख्या कल्पनांद्वारे गुरुत्वाकर्षणाच्या क्वांटम सिद्धांताचा शोध घेत आहेत.
आतापर्यंत, कोणताही संपूर्ण सिद्धांत सिद्ध झालेला नाही.
गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगांना एकत्र ठेवते, ताऱ्यांना आकार देते, ग्रह निर्माण करते, काळाचा प्रवाह निश्चित करते, प्रकाशाला वाकवते आणि विश्वाच्या उत्क्रांतीवर नियंत्रण ठेवते.
तरीही, तीन शतकांहून अधिक काळाच्या संशोधनानंतरही, एक गहन प्रश्न अनुत्तरित राहिला आहे:
गुरुत्वाकर्षण त्याच्या सर्वात खोल पातळीवर काय आहे?
न्यूटनने गुरुत्वाकर्षण कसे वागते याचे वर्णन केले.
आइन्स्टाईनने त्याचे स्पष्टीकरण अवकाश-काळाचा वक्रता म्हणून दिले.
आधुनिक भौतिकशास्त्रज्ञ गुरुत्वाकर्षणाला क्वांटम भौतिकशास्त्राशी जोडणाऱ्या आणखी खोल स्पष्टीकरणाच्या शोधात आहेत.
न्यूटनच्या समीकरणांनी सुरू झालेला आणि आइन्स्टाईनच्या क्रांतिकारक कल्पनांमधून पुढे गेलेला हा प्रवास अजूनही अपूर्ण आहे.
कदाचित पुढचा मोठा शोध एका तरुण संशोधकाकडून येईल, जो तोच साधा प्रश्न विचारेल ज्याने शतकानुशतके शास्त्रज्ञांना प्रेरणा दिली आहे:
गुरुत्वाकर्षण म्हणजे नक्की काय?