ทำไมกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันจึงยิ่งใหญ่
กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน (Newton's law of universal gravitation) ปรากฏในหนังสือเรียนฟิสิกส์ชั้นมัธยมปลายทั่วโลก ผู้ที่เคยเรียนจะพบว่าสมการแรงโน้มถ่วงของนิวตันนั้นเรียบง่ายมากโจทย์ตัวอย่างและข้อสอบที่ใช้สูตรนี้คำนวณในระดับมัธยมก็ไม่ได้ยากนัก ทำให้นักเรียนหลายคนไม่เข้าใจว่ากฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันยิ่งใหญ่ตรงไหน
ทั้งที่จริงๆกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันน่าจะเป็นหนึ่งในการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดทางฟิสิกส์ก็ว่าได้
ในสมัยโบราณ มนุษย์เรามีความเชื่อว่าวัตถุท้องฟ้าทั้งปวงล้วนเป็นเทพเจ้าบนสรวงสวรรค์ กฎเกณฑ์ต่างๆบนสรวงสวรรค์ย่อมแตกต่างไปจากกฎที่ใช้กับวัตถุบนพื้นโลก ดวงดาวต่างๆย่อมไม่ตกลงสู่โลกเหมือนอย่างก้อนหินก้อนกรวดที่โยนขึ้นไปแล้วก็ตกลงสู่พื้นโลกทุกครั้ง
อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์และนักคิดจำนวนมาก พยายามเก็บข้อมูลการเคลื่อนที่ของดวงดาวบนท้องฟ้าอย่างต่อเนื่อง ซึ่งโยฮันเนส เคปเลอร์ หนึ่งในสุดยอดนักดาราศาสตร์ได้ค้นพบความจริงเกี่ยวกับดาวเคราะห์สามประการ
1. ดาวเคราะห์ล้วนโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี ไม่ใช่วงกลมอย่างที่เคยเชื่อถือกันมา อีกทั้งดวงอาทิตย์ยังไม่ได้อยู่ที่จุดศูนย์กลางวงรี แต่อยู่เยื้องออกมาอยู่ในตำแหน่งที่เรียกว่า จุดโฟกัส
2. เมื่อดาวเคราะห์โคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ มันจะเคลื่อนที่เร็ว แต่เมื่อมันโคจรออกห่างจากดวงอาทิตย์ มันจะเคลื่อนที่ช้าลง
เคปเลอร์สามารถแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า ในช่วงเวลาเท่ากัน ดาวเคราะห์จะกวาดพื้นที่ในการโคจรเท่ากันเสมอ
3. ดาวเคราะห์ยิ่งอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ยิ่งใช้เวลานานในการโคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งเคปเลอร์แสดงให้เห็นในรูปการแปรผันเชิงคณิตศาสตร์อย่างชัดเจน
กฎเหล่านี้ซึ่งนับเป็นผลงานชิ้นเอกที่เคปเลอร์ใช้เวลาแทบทั้งชีวิตกว่าจะค้นพบ ทุกวันนี้เราเรียกกฎทั้งสามว่า กฎของเคปเลอร์ (Kepler's laws of planetary motion)
แต่เคปเลอร์และนักดาราศาสตร์ยุคต่อมาไม่มีใครรู้ว่าเหตุใดดาวเคราะห์ทั้งหลายจึงมีพฤติกรรมเช่นนี้ และกฎทั้งสามข้อที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนนี้มีอะไรเป็นกฏที่พื้นฐานกว่าคอยควบคุมอยู่หรือไม่
ผู้ที่ตอบคำถามเหล่านี้ได้คนแรกคือ ไอแซค นิวตัน
เขาพบว่าด้วยกฎแรงโน้มถ่วงที่เขาค้นพบ เมื่อนำไปคำนวณร่วมกับกฎการเคลื่อนที่ จะสามารถอธิบายกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ทั้งสามข้อได้เป็นอย่างดี
กฎแรงโน้มถ่วงเป็นกฎเรียบง่ายที่ควบคุมดาวเคราะห์ทั้งหมดไว้
แต่ที่สำคัญจริงๆ คือ กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ลบรอยต่อระหว่างโลกและสวรรค์ไปเสียสิ้น
นิวตันมองว่าแรงโน้มถ่วงของโลกที่ดึงดูดวัตถุอย่างลูกแอปเปิ้ลให้ตกลงสู่พื้นโลกนั้น แผ่ออกไปจนถึงดวงจันทร์ และดึงดูดดวงจันทร์กำลังตกเข้าหาโลกของเราเช่นกัน แต่เนื่องจากดวงจันทร์มีความเร็วของการเคลื่อนที่ด้วยทำให้มันถูกดึงให้เปลี่ยนทิศทางอย่างต่อเนื่องจนปรากฏเป็นการเคลื่อนที่ในลักษณะวงโคจร
ในขณะที่โลกดึงดูดดวงจันทร์ ดวงจันทร์ยังส่งแรงโน้มถ่วงมาดึงดูดโลกจนเกิดปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงด้วย
อย่างไรก็ตาม นิวตันพบว่าเมื่อคำนวณการเกิดน้ำขึ้นน้ำลงโดยใช้แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์เพียงอย่างเดียวจะเกิดความคลาดเคลื่อนขึ้น แต่เมื่อนำแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์มาคำนวณด้วยจะได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ
ในขณะที่กาลิเลโอ อธิบายการเกิดน้ำขึ้นน้ำลงว่าเป็นผลมาจากการที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งไม่ถูกต้อง และ ทฤษฎีเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของนักปรัชญาอย่างเดการ์ตก็ไม่ถูกต้อง แต่นิวตันนำเฉพาะส่วนที่ดีมารวบรวมไว้ แล้วตัดส่วนไม่ถูกต้องทิ้งไป สมดังคำที่เขาเคยกล่าวว่า “ข้าพเจ้ามองเห็นได้ไกลกว่าคนอื่นเพราะยืนอยู่บนไหล่ของยักษ์ “
ในยุคเดียวกันนั้น นักดาราศาสตร์อังกฤษผู้มีนามว่า เอ็ดมันด์ ฮัลเลย์ (Edmond Halley) เพื่อนของไอแซค นิวตัน เป็นผู้พยายามโน้มน้าวและจัดพิมพ์หนังสือให้กับไอแซค นิวตัน ได้ใช้กฎความโน้มถ่วงของนิวตันมาคำนวณวงโคจรของดาวหางที่ปรากฏขึ้นมาหลายต่อหลายครั้งในประวัติศาสตร์ โดยแต่ละครั้งห่างกันราว 76 ปี ซึ่งไม่มีใครมั่นใจว่ามันเป็นดาวหางดวงเดียวกันหรือไม่
ฮัลเลย์ทำนายว่าดาวหางดวงนั้นจะปรากฏขึ้นอีกครั้งในปี ค.ศ. 1758 ซึ่งมันก็มาจริงๆ มันคือ ดาวหางดวงเดียวกันอย่างแน่นอน
แต่น่าเสียดายที่ฮัลเลย์เสียชีวิตไปก่อนในปี ค.ศ. 1742 โดยไม่ได้อยู่ชมผลการทำนายของตน
การค้นพบของฮัลเลย์ยิ่งเป็นการตอกย้ำความสำเร็จของกฎความโน้มถ่วงของนิวตัน และทำให้มุมมองที่มนุษย์มีต่อดาวหางเปลี่ยนไปอย่างมากเพราะในยุคโบราณ มนุษย์หวั่นเกรงการปรากฏของดาวหางที่ปรากฏขึ้นโดยไม่อาจทำนายได้ ทว่าฮัลเลย์พิสูจน์ให้เห็นว่ามันไม่ใช่สิ่งลึกลับ แต่เป็นวัตถุที่โคจรไปตามแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ เช่นเดียวกับดาวเคราะห์อื่นๆ เพียงแต่คาบการโคจรยาวมากและมีรูปร่างการโคจรที่เป็นวงรีมาก
มนุษย์มีมุมมองที่มีต่อสวรรค์เปลี่ยนไป เพราะกฎความโน้มถ่วงของนิวตันเป็นสากล ใช้ได้กับหินบนโลกไปจนถึงเทพเจ้าดาวเคราะห์
หลายร้อยปีต่อมา กฎความโน้มถ่วงของนิวตันเป็นพื้นฐานที่ทำให้มนุษย์เราสามารถส่งดาวเทียมไปโคจรรอบโลก ส่งยานอวกาศไปเยือนดาวเคราะห์ต่างๆ รวมทั้งส่งมนุษย์ไปยังดวงจันทร์ได้สำเร็จ (รายละเอียดการส่งยานอวกาศไปยังดวงจันทร์และดาวเคราะห์ต่างๆมีความซับซ้อนมากๆ ซึ่งผมจะเล่าให้ฟังในอนาคต)
ทุกวันนี้ นักดาราศาสตร์รู้ดีว่าการที่ดาวเคราะห์อย่างโลก ดาวฤกษ์ และกระจุกดาวทรงกลม มีลักษณะเป็นทรงกลมอย่างที่เห็นก็เพราะธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงที่ดึงดูดทุกอย่างเข้าสู่ศูนย์กลางอย่างสมมาตรนั่นเอง
นิวตันเคยกล่าวไว้ว่า “ ข้าพเจ้าเป็นเพียงเด็กน้อยที่เล่นอย่างเพลิดเพลินอยู่บนหาดทรายแห่งความจริง ได้ค้นพบเพียงกรวดและเปลือกหอยสวยๆหน้าตาแปลกๆเท่านั้น ส่วนมหาสมุทรแห่งความจริงอันยิ่งใหญ่นั้นอยู่มาอย่างเนิ่นนานและรอคอยการค้นพบ”
คำกล่าวนี้จะว่าไปก็นับว่าถูกต้อง
เพราะภาพของเอกภพในยุคหลังจากนิวตันนั้นเต็มไปด้วยความแปลกประหลาดในระดับที่นิวตันคงตะลึงพรึงเพริศหากกลับมาเกิดในยุคนี้
- 69
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
