गुरुत्वाकर्षण

पाण्याची धार

उसळी घेणारा चेंडू

पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे वस्तू पृथ्वीकडे 'खाली' पडतात व बहुतेक पडणाऱ्या वस्तूंचे प्रक्षेपपथ परवलयाच्या आकारात असते

वस्तुमान असलेल्या कोणत्याही दोन वस्तूंच्या एकमेकांकडे आकर्षिल्या जाण्याच्या प्रवृत्तीला गुरुत्वाकर्षण असे म्हणतात. वजन म्हणजे जमिनीच्या दिशेने असणाऱ्या गुरुत्वाकर्षणामुळे मिळणारे त्वरण आणि वस्तुमान यांच्या गुणाकाराएवढे बल. या क्षेत्रात अफाट संशोधन होऊनही दूरदूर ठेवलेल्या दोन वस्तूंमध्ये गुरुत्वाकर्षण का असते हे अजूनही पूर्णपणे समजलेले नाही.

गुरुत्वाकर्षण हे विद्युतचुंबकत्व आणि नाभिकीय दृढ अंतर्प्रभाव (strong interaction) व अदृढ अंतर्प्रभाव (weak interaction) ह्या तिघांसोबत प्रकृतीतील चार मूलभूत अंतर्प्रभावांमधील एक आहे. गुरुत्वाकर्षणाला गणितीय सूत्रात बसवण्यात प्रथम आयझॅक न्यूटन यशस्वी ठरला. त्याने "वैश्विक गुरुत्वाकर्षणाचा नियम" मांडला. पण गुरुत्वाकर्षणाच्या न्यूटनच्या नियमांची जागा आता अल्बर्ट आइनस्टाइनच्या सर्वसाधारण सापेक्षता सिद्धान्ताने घेतली आहे. पण न्यूटनचे नियम सोपे आहेत आणि कमी गुरुत्वाकर्षण बलासाठी अजूनही पुरेसे अचूक आहेत. यासाठी ते नियम सर्वत्र बहुतेक जागी वापरेले जातात.

ब्रह्मांडोत्पत्तीच्या दृष्टिकोनातून पाहिले, तर गुरुत्वाकर्षणामुळे पसरलेले पदार्थ संगठित होऊन अखंड राहतात. त्यामुळेच ग्रह, तारे व दीर्घिकांसारख्या स्थूलमानीय वस्तू बनतात. पृथ्वी व इतर ग्रहांच्या सूर्याभोवती, चंद्राची पृथ्वीभोवती अश्या कक्षासुद्धा गुरुत्वाकर्षणामुळेच कायम असतात. संवहन (convection) व भरती-ओहोटी अश्या पृथ्वीवर पाहिल्या जाणाऱ्या घटनांपासून ते तारकांच्या आंतरिक भागांमधील उष्णतेसारख्या घटनांपर्यंत भरपूर तथ्यांमध्ये गुरुत्वाकर्षणाचा वाटा आहे.

गुरुत्वाकर्षणाच्या संकल्पनेचा इतिहास आणि वाटचाल

पुरातन संकल्पना

अ‍ॅरिस्टॉटल

अ‍ॅरिस्टॉटलची अशी कल्पना होती की जड वस्तू हलक्या वस्तूंपेक्षा वेगाने खाली पडतात. त्याच्या मतानुसार पृथ्वीचे केंद्र (जे विश्वाचेही केंद्र मानले जात होते) ते जड वस्तूंना आकर्षित करते. जेवढी वस्तू जड तेवढे जास्त आकर्षण असते. ही कल्पना पुढे चुकीची असल्याचे सिद्ध झाले.

टॉलेमी

ज्यामुळे पृथ्वी सर्व वस्तू तिच्या पृष्ठभागावर ओढून ठेवते, आणि म्हणून सर्व विश्व सुरळीतपणे काम करते अशा पृथ्वीच्या केंद्राकडे ओढणाऱ्या बलाची कल्पना टॉलेमीला होती.

ब्रह्मगुप्त

७व्या शतकामधील भारतीय गणितज्ञ व खगोलशास्त्रज्ञ ब्रह्मगुप्त, ह्याच्या मते पृथ्वी गोलाकार होती व हा दृष्टिकोन तत्कालीन पृथ्वी सपाट अथवा पोकळ असल्याच्या पौराणिक दृष्टिकोनाच्या विपरीत होता. ब्रह्मगुप्ताने सांगितल्या प्रमाणे :

"परंतु तसे [पृथ्वी गोल] नसल्यास पृथ्वी स्वर्गाच्या व वेळेच्या प्रणांशी एकविध व समान गती ठेवण्यास असफल राहील. [...] सर्व भारी वस्तू पृथ्वीच्या केंद्राकडे आकर्षित होतात. [...] पृथ्वी सर्व बाजूने समान आहे; पृथ्वीवर सगळे जण सरळ उभे राहतात, आणि प्रकृतीच्या नियमानुसार सगळ्या भारी वस्तू पृथ्वीकडे खाली पडतात, कारण वस्तूंना आकर्षित करणे व जवळ ठेवणे ही पृथ्वीची प्रवृत्ती आहे, जशी पाण्याची वाहण्याची, अग्नीची जळण्याची व वाऱ्याची वाहण्याची प्रवृत्ती आहे. [...] पृथ्वी ही एकमेव खालची वस्तू आहे व बीज नेहमी तिच्याकडे परत येतात, तुम्ही त्यांना कोणत्याही दिशेत फेका, ते कधी पृथ्वीपासून वरती जात नाहीत."

मध्ययुगीन संकल्पना

भास्कराचार्याची संकल्पना

११व्या शतकातील गणितज्ञ भास्कराचार्याने आपल्या 'सिद्धान्त शिरोमणि' ह्या ग्रंथात लिहिले:

"आकृष्टशक्तिश्च मही तया यत् खस्थं गुरुस्वाभिमुखः स्वशक्त्या।

आकृष्ट्यते तत्पततीव भाति समेसमान्तान् क्व पतत्वियं खे॥"

ह्या पद्यानुसार पृथ्वी मध्ये आकर्षणाची शक्ती आहे. ह्या शक्तीमुळे ती भारी वस्तूंना आपल्याकडे खेचते व ह्यामुळेच वस्तू जमिनीवर पडतात. व पुढे म्हटले आहे की अंतराळातल्या वस्तूंमध्ये समान आकर्षण शक्ति असेल तर ते सर्व कुठेही 'पडू' शकत नाहीत.

गॅलेलिओची संकल्पना व प्रयोग

गॅलिलिओ याने १६व्या शतकाच्या शेवटी आणि १७व्या शतकाच्या प्रारंभीच्या काळात गुरुत्वाकर्षणाबद्दल आपली मते मांडली. उंचावरून टाकलेले लहान मोठ्या आकाराचे दगड कसे एकाच वेळी आणि सरळ रेषेत खाली पडतात, उतारावरून गोल वस्तू कशा गडगडत खाली येतात आणि जोराने हवेत भिरकावल्यावर कुठलीही वस्तू कशा प्रकारच्या वक्ररेषेत पुढे जात जात खाली येते या सगळ्या क्रियांचे त्याने अत्यंत बारकाईने निरीक्षण केले. छपराला लटकणारे दिवे कसे लयीमध्ये झुलतात ते पाहिले आणि त्या दिव्यांचा झोका लहान असो वा मोठा. त्याला तितकाच वेळ लागतो हे सिद्ध केले. घोड्याच्या मदतीने चालणारा पाणी उपसण्याचा पंप आणि पाण्याच्या दाबावर काम करणारा तराजू अशा प्रकारची उपकरणे त्याने बनवली. पृथ्वीच्या गिरकीमुळे समुद्रात लाटा उठत असाव्यात अशा अर्थाचा एक विचार त्याने मांडला होता, पण गुरुत्वाकर्षणाचा शोध लागल्यावर लाटांचे खरे रहस्य जगाला कळले आणि तो विचार मागे पडला.

केप्लरचे नियम आणि गुरुत्वाकर्षण

केप्लरच्या दुसऱ्या नियमाचे चित्रण. जांभळा सदिश हा सूर्याचे ग्रहावर बल दर्शवतो व हिरवा सदिश ग्रहाची गती दर्शवतो. निळ्या भागाचे क्षेत्रफळ नेहमी कायम राहते.

१५७४ मध्ये टिको ब्राहे ह्या खगोलशास्त्रज्ञाने प्रसिद्ध केलेल्या ग्रह-ताऱ्यांच्या निरीक्षणाचा सखोल अभ्यास करून योहानेस केप्लरने प्रथमच ग्रहांच्या कक्षांबद्दलचे नियम सूत्ररूपाने मांडले आणि सप्रयोग सिद्ध केले. ते नियम खालीलप्रमाणे आहेत:

1. सर्व ग्रहांच्या कक्षा लंबवर्तुळाकार असून सूर्य त्या लंबवर्तुळाच्या एका नाभिबिंदुवर (focus) असतो.
2. ग्रह व सूर्य यांना जोडणारी रेषा समान कालावधीमध्ये समान क्षेत्रफळामधून फिरते.
3. दोन ग्रहांच्या परिभ्रमणकाळांच्या वर्गांचे गुणोत्तर त्यांच्या कक्षांच्या प्रमुख अक्षलांबींच्या घनांच्या गुणोत्तराएवढे असते.

केप्लरपूर्वी निकोलस कोपर्निकस ह्याने सूर्यमाला सूर्यकेंद्रित असल्याचा प्रस्ताव मांडला होता. परंतु त्याच्या मताप्रमाणे पृथ्वीची व इतर ग्रहांची सूर्याभोवती फिरण्याची कक्षा वर्तुळाकार होती. मंगळ ग्रहाच्या कक्षेचे आठ वर्ष विश्लेषण करून केप्लरने ह्या कक्षा लंबवर्तुळाच्या आहेत अशी संकल्पना मांडून सर्व ग्रहांना एकसारखे लागू होणारे असे हे नियम बनवले. केप्लरचे असे मत होते की सूर्याच्या कोणत्यातरी 'रहस्यमय' शक्तीमुळे ग्रहांची कक्षा टिकून राहते. त्याच्या असे ही ध्यानात आले की ग्रह जेव्हा सूर्यापासून लांब असतात तेव्हा त्यांचा वेग कमी होतो, व म्हणूनच ही शक्ती वाढणाऱ्या अंतराबरोबर कमी होत असणार. ह्याच संकल्पनेत न्यूटनने पुढे सुधारणा केली.

आधुनिक संकल्पना

न्यूटनचा वैश्विक गुरुत्वाकर्षणाचा नियम

न्यूटनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या नियमाचे चित्रीकरण. m₁ हा वस्तुमान m₂ ह्या वस्तुमानाला F₂ बलाने व m₂ हा m₁ला F₁ बलाने आकर्षितो. न्यूटनच्या तिसऱ्या नियमाप्रमाणे F₁ व F₂ ही बले समान मापांची व विरुद्ध दिशांमध्ये असतात. G हा वैश्विक गुरुत्व स्थिरांक आहे आणि r हे दोन्ही वस्तुमानांमधील अंतर आहे

१६८७ मध्ये न्यूटनने 'प्रिन्सिपिया' ह्या ग्रंथात वैश्विक गुरुत्वाकर्षणाच्या नियमाची परिकल्पना मांडली. त्यच्या स्वतःच्या शब्दांत:

मी असा तर्क केला की जी बले ग्रहांना आपल्या गोलकात ठेवतात, ती बले परिक्रमणाच्या केंद्रापासूनच्या अंतराच्या वर्गाच्या व्यस्त प्रमाणात नक्की [असावी]: आणि या प्रकारे मी चंद्राला पृथ्वीभोवतीच्या गोलकात ठेवायला लागणाऱ्या बलाची तुलना पृथ्वीच्या पृष्ठभागाच्या गुरुत्वाकर्षणाशी केली; आणि त्याचे नीटनेटके उत्तर मिळाले.

न्यूटनचा वैश्विक गुरुत्वाकर्षणाचा नियम खालीलप्रमाणे आहे:

प्रत्येक वस्तुमान बिंदू इतर प्रत्येक वस्तुमान बिंदूला दोन्ही बिंदूंना जोडणाऱ्या रेषेत, एका बलाने आकर्षितो. हे बल दोन वस्तुमानांच्या गुणाकाराच्या समप्रमाणात आणि त्यांच्यामधल्या अंतराच्या वर्गाच्या व्यस्त प्रमाणात असते.

थोडक्यात काय तर वस्तुमानांचा गुणाकार जास्त असेल तर गुरुत्वाकर्षण जास्त आणि गुणाकार कमी असेल तर कमी. याउलट जर दोन वस्तुमानांमधील अंतरांच्या मोजमापाचा वर्ग जास्त, तर गुरुत्वाकर्षण कमी, आणि वर्ग कमी असेल तर गुरुत्वाकर्षण अधिक.

न्यूटनच्या ह्या सिद्धान्ताचा सर्वात मोठा विजय नेपच्यूनच्या शोधाच्या रूपात ठरला. यूरेनसच्या कक्षेत असणाऱ्या विसंगती निरखून नेपच्यूनच्या अस्तित्वाची व स्थानाची भविष्यवाणी जॉन काउच ॲडम्स् व यूर्बॅं ल वेर्ये यांनी केली.

आइन्स्टाइनची संकल्पना

काल-अवकाशाला आलेली वक्रता

गुरुत्वाकर्षणाच्या न्यूटनच्या नियमांची जागा आता अल्बर्ट आइनस्टाइनच्या सर्वसाधारण सापेक्षता सिद्धान्ताने घेतली आहे. आइनस्टाइनच्या नियमाप्रमाणे गुरुत्वाकर्षण म्हणजे वस्तुमान असलेल्या कोणत्याही वस्तूने तिच्याभोवतीच्या काल-अवकाशात (space-time) निर्माण केलेली वक्रता होय. जमिनीला समांतर अशा रितीने ताणून धरलेल्या लवचीक पडद्यावर एखादी जड वस्तू ठेवली असता पडदा जसा त्या वस्तूभोवती थोडा वाकतो, त्याच रितीने वस्तुमान असलेली कोणतीही वस्तू तिच्याभोवतीच्या काल-अवकाशाला अतिसूक्ष्मपणे वाकवते (बाक निर्माण करते), आणि तो 'वाकवण्या'चा गुणधर्म म्हणजेच वस्तूचे "गुरुत्वाकर्षण". (अल्बर्ट आइनस्टाइन -इ.स. १९१५).

गुरुत्वाकर्षणाचे स्वरूप

वस्तू खालीच का पडते

न्यूटनच्या नियमानुसार पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे वस्तू उंचावरून खाली पडते.

गुरुत्वाकर्षण बलाचे स्वरूप

गुरुत्वीय तरंग

• पहा इंग्रजी आवृत्ती

गुरुत्वीय कण

• पहा इंग्रजी आवृत्ती

गुरुत्वाकर्षण बलाचे मापन

गुरुत्वीय तरंग

• पहा इंग्रजी आवृत्ती
• पहा लिगो प्रयोग(इंग्रजी आवृत्ती)

गुरुत्वीय कण

• पहा इंग्रजी आवृत्ती

बाह्य दुवे

• गुरुत्वाकर्षण इन अवर टाईम कार्यक्रमात बीबीसी रेडिओ ४ वरील चर्चा. (प्रत्यक्षात ऐका) (इंग्रजी भाषा)