23 พ.ย. 2022 เวลา 14:13 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน
เคยถูกนักฟิสิกส์เคลือบแคลงสงสัย
1
ทุกวันนี้ กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน เป็นความรู้สำคัญที่เราเรียนกันตั้งแต่ระดับมัธยมปลายแล้ว ความถูกต้องและยิ่งใหญ่ของมันผ่านการทดสอบมากมาย ทั้งอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ น้ำขึ้นน้ำลง ไปจนถึง การประยุกต์ใช้ส่งยานอวกาศไปยังเป้าหมายที่ต้องการ แต่เชื่อไหมว่าในยุคของนิวตัน ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขาเคยถูกตั้งคำถาม เคลือบแคลง จนถึงขั้น ไม่ได้รับความเชื่อถือจากนักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งมาแล้ว
ก่อนยุคของนิวตัน โลกวิทยาศาสตร์และฟิสิกส์ไม่ได้เป็นอย่างทุกวันนี้ นักปรัชญาสร้างทฤษฎีที่ใช้อธิบายธรรมชาติขึ้นมาจากการสังเกตปรากฏการณ์ไม่กี่อย่างและเป็นการสังเกตอย่างหยาบๆ โดยไม่ได้มีการวัดปริมาณต่างๆอย่างละเอียด (จริงๆแล้วปริมาณหลายอย่างแทบจะไม่มีการนิยามที่ชัดเจนด้วยซ้ำ)
การที่วัตถุตกเข้าสู่พื้นโลก เป็นเรื่องธรรมดาสามัญที่ใครๆก็สังเกตเห็น แต่ในยุคนั้นยังไม่มีแนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงอย่างทุกวันนี้
ทฤษฎีของอาริสโตเติลอธิบายว่าวัตถุมีแนวโน้มจะเคลื่อนที่เข้าสู่จุดตั้งต้นของมัน (Natural place) ซึ่งอยู่ที่ใจกลางโลกของเรา ส่วนการโคจรของดาวเคราะห์นั้นได้รับการอธิบายโดยนักปรัชญาฝรั่งเศส เรอเน เดการ์ต (René Descartes) ผู้เชื่อว่าจักรวาลนั้นเต็มไปด้วยสสารโปร่งแสงที่เรียกว่า อีเธอร์ ไหลตีเกลียวเหมือนน้ำวน การไหลของอีเธอร์นี้เองเป็นสาเหตุขับเคลื่อนให้ดาวเคราะห์โคจรไปรอบๆดวงอาทิตย์
ตามแนวคิดของอริสโตเติล วัตถุมีแนวโน้มจะเคลื่อนที่เข้าสู่จุดตั้งต้น(Natural place) ซึ่งอยู่ที่ใจกลางโลกของเรา
แนวคิดเหล่านี้อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติได้ดีพอประมาณ และไม่ได้ดีพอจะบอกได้เป็นปริมาณอย่างชัดเจน
หนึ่งในจุดเปลี่ยนสำคัญมาการนำข้อมูลของดาวเคราะห์มาศึกษาอย่างละเอียดโดยนักดาราศาสตร์อย่างโยฮันเนส เคปเลอร์ ทำให้เขาค้นพบว่าดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี ผลการสังเกตนี้น่าประหลาดใจเพราะแทนที่ดาวเคราะห์จะโคจรเป็นวงกลมที่สมบูรณ์แบบและสวยงาม
ทำไมต้องเป็นวงรีด้วย
2
นักฟิสิกส์ที่อธิบายรูปแบบการโคจรของดาวเคราะห์ได้คนแรกคือ ไอแซค นิวตัน โดยเขาแถลงกฎแห่งแรงโน้มถ่วงขึ้นมาในรูปแบบคณิตศาสตร์ที่ชัดเจน แล้วแสดงให้เห็นว่าภายใต้กฎแรงโน้มถ่วงของเขา เส้นทางการโคจรของดาวเคราะห์ต้องเป็นวงรีเท่านั้น ไม่มีทางเป็นอื่นไปได้ นอกจากนี้เขายังใช้กฎแรงโน้มถ่วงอธิบายการเกิดน้ำขึ้นน้ำลงว่าเป็นผลมาจากแรงดึงดูดของดาวจันทร์และดวงอาทิตย์
สมการอันเรียบง่ายแสดงกฎแรงโน้มถ่วง แต่เป็นสมการที่ทรงพลังอย่างยิ่ง
คำอธิบายธรรมชาติที่มีความชัดเจนเช่นนี้ไม่เคยมีปรากฏมาก่อนในโลก แต่กระนั้นก็ยังมีนักฟิสิกส์ และนักคิดจำนวนหนึ่ง เคลือบแคลง หรือแม้กระทั่งไม่เชื่อกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันด้วยสาเหตุหลักๆ 3 ข้อที่เป็นผลสืบเนื่องกัน
อย่างแรกคือ แรงโน้มถ่วงนั้นส่งผลต่อวัตถุในระยะไกลมาก ซึ่งเป็นสิ่งที่มนุษย์เราไม่คุ้นเคย ปรากฏการณ์ต่างๆที่เกี่ยวข้องกับแรงที่มนุษย์สังเกตเห็นล้วนแล้วแต่ต้องมีการสัมผัสระหว่างวัตถุ (แม้ว่าแรงแม่เหล็กและแรงจากไฟฟ้าสถิตย์จะไม่ต้องอาศัยการสัมผัส แต่ในยุคนั้น คำอธิบายหลายอย่างเป็นไปในแง่ของการสัมผัส อีกทั้งระยะของแรงแม่เหล็กและไฟฟ้ายังใกล้กว่าแรงโน้มถ่วงมาก)
อย่างที่สอง คือ นิวตันไม่ได้อธิบายว่าแรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นมาได้อย่างไร กลไกของแรงโน้มถ่วงเป็นอย่างไรกันแน่ กล่าวคือ แรงโน้มถ่วงมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวล แต่มวลก่อให้เกิดแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร ความไม่ชัดเจนถึงที่มาที่ไปทำให้แนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงยิ่งถูกเคลือบแคลง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จากนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันผู้มีชื่อเสียงอย่าง ก็อทฟรีท วิลเฮล์ม ไลบ์นิทซ์ (Gottfried Wilhelm Leibniz)
1
ไลบ์นิทซ์ มองว่าการส่งแรงผ่านที่ว่างนั้นเป็นอะไรที่ไร้สาระและไม่น่าจะเป็นไปได้ แนวคิดในเรื่องพื้นฐานเกี่ยวกับที่ว่างและเวลาของนิวตันก็ถูกปฏิเสธเช่นกัน
2
ไลบ์นิทซ์ ผู้ปฏิเสธกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน
หากเราย้อนกลับไปมองจากความรู้ทุกวันนี้ เรารู้ดีว่าในอวกาศนั้นเป็นสุญญากาศ หรือที่ว่าง ที่แทบจะไม่มีอะไรอยู่ สภาพสุญญากาศอันกว้างใหญ่ไพศาลของอวกาศนั้นเป็นสิ่งที่มนุษย์ในยุคก่อนยากจะยอมรับพอสมควร ส่วนหนึ่งเพราะมันไม่ใช่สภาพที่พบเห็นได้ง่ายๆตามธรรมชาติ ทฤษฎีต่างๆจึงวางอยู่บนการมีอยู่ของอะไรบางอย่างที่เติมเต็มในอวกาศไม่ให้เกิดสภาพสุญญากาศ
เหตุผลข้อสามนั้นค่อนข้างลึกซึ้ง แต่มันเป็นการตั้งคำถามที่เฉียบคมว่า หากแรงโน้มถ่วงมีจริงและส่งผ่านที่ว่างระยะไกลมากๆได้จริง แล้วทำไมวัตถุต่างๆในเอกภพจึงไม่ดึงดูดกันและกันแล้วรวมกันเป็นก้อนๆเดียว แนวคิดนี้ทำให้นิวตันค่อนข้างกระอักกระอ่วน และมองว่าเอกภพมีขนาดใหญ่เป็นอนันต์และแรงต่างๆหักล้างกันไปด้วยความสมมาตรของการกระจายตัวของมวลสารในเอกภพ (คำอธิบายเรื่องนี้ด้วยฟิสิกส์แบบปัจจุบันจะเล่าให้ฟังวันหลัง)
4
ในปัจจุบัน นักฟิสิกส์รู้ดีว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงระยะไกลที่ส่งผลต่อวัตถุในเอกภพได้อย่างไม่น่าเชื่อ ทว่ากลไกของมันก็ยังเป็นปริศนาใหญ่ที่ถึงวันนี้ก็ยังไม่มีใครตอบได้ รวมทั้งคำถามที่ว่าทำไมแรงของมันจึงอ่อนที่สุดในบรรดาแรงพื้นฐานของเอกภพก็ยังเป็นปริศนามาจนถึงทุกวันนี้เช่นกัน
แต่จะเห็นได้ว่า แม้แต่กฎแรงโน้มถ่วงอันยิ่งใหญ่ของนิวตัน ในยุคหนึ่งก็ยังถูกจับจ้องเคลือบแคลง ไม่มีบางคนไม่เชื่อถือ แต่กาลเวลาได้พิสูจน์ให้เห็นว่าสิ่งที่นิวตันค้นพบนั้นยิ่งใหญ่เพียงใด
โฆษณา