เมื่อเราจ้องมองท้องฟ้าที่เต็มไปด้วยดวงดาว เราเคยคิดถึงแรงฉุดที่มองไม่เห็นระหว่างดวงดาวหรือไม่? นักวิทยาศาสตร์ได้สํารวจแรงโน้มถ่วงลึกลับนี้มานานหลายศตวรรษ ตั้งแต่แรงดึงดูดของนิวตันไปจนถึงแนวคิดของไอน์สไตน์เกี่ยวกับการโค้งงอกาลอวกาศความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงได้ผ่านวิวัฒนาการที่ปฏิวัติวงการอย่างลึกซึ้ง
ในสมัยของนิวตันเขาเสนอกฎความโน้มถ่วงที่สร้างยุคสมัย ทฤษฎีนี้ถือว่ามีแรงดึงดูดซึ่งกันและกันระหว่างวัตถุสองชิ้นที่มีมวล พลังนี้ไม่ต้องการสสารใด ๆ เป็นสื่อกลางในการเจาะความว่างเปล่าและผูกมัดเทห์ฟากฟ้าเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้แสดงข้อจํากัดบางประการในการอธิบายปรากฏการณ์บางอย่าง ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ทําให้เรามีมุมมองใหม่ โดยให้เหตุผลว่าแรงโน้มถ่วงไม่ใช่แรงที่แท้จริง แต่เกิดจากความโค้งของกาลอวกาศที่เกิดจากคุณภาพ ทฤษฎีที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้พลิกความเข้าใจแบบดั้งเดิมของเราเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงโดยสิ้นเชิง
ในบทความนี้ เราจะทบทวนวิวัฒนาการของความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ตั้งแต่ทฤษฎีกลศาสตร์คลาสสิกของนิวตันไปจนถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ซึ่งแต่ละทฤษฎีมีวิทยาศาสตร์ขั้นสูงอย่างมาก
ในประวัติศาสตร์อันยาวนานของการสํารวจแรงโน้มถ่วงบรรพบุรุษของเราได้เสนอสมมติฐานและทฤษฎีต่างๆ ประการแรก เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาลและเทห์ฟากฟ้าทั้งหมดเคลื่อนที่รอบโลก ด้วยการพัฒนาวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากที่โคเปอร์นิคัสเสนอ heliocentrism มุมมองนี้จึงถูกท้าทาย โคเปอร์นิคัสเชื่อว่าไม่ใช่โลก แต่เป็นดวงอาทิตย์ที่เป็นศูนย์กลางของการเคลื่อนที่ของท้องฟ้าในขณะที่ดาวเคราะห์เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ในวงโคจรวงรี
แม้ว่าทฤษฎีของโคเปอร์นิคัสจะถูกต่อต้านอย่างรุนแรงจากผู้มีอํานาจทางศาสนาในขณะนั้น แต่การค้นพบที่ตามมาของเคปเลอร์ก็ให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสําหรับเฮลิโอเซนทริก จากการสังเกตการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้าในเชิงลึก เคปเลอร์ได้เสนอกฎสามข้อของเคปเลอร์ที่มีชื่อเสียง ซึ่งเปิดเผยการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ตามวงโคจรวงรี และชี้ให้เห็นว่าดวงอาทิตย์ตั้งอยู่บนจุดโฟกัสของวงรีเหล่านี้ กฎหมายเหล่านี้ไม่เพียง แต่ยืนยันความถูกต้องของเฮลิโอเซนทริก แต่ยังวางรากฐานสําหรับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ตามมา
การเปลี่ยนจากทฤษฎี geocentric เป็นทฤษฎี heliocentric ไม่เพียง แต่เป็นการก้าวกระโดดในความเข้าใจเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของท้องฟ้า แต่ยังเป็นแรงบันดาลใจให้นิวตันคิดเกี่ยวกับกฎแห่งความโน้มถ่วง บนพื้นฐานของการค้นพบเหล่านี้ที่นิวตันสามารถสร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขาได้ซึ่งทําให้ความเข้าใจของมนุษยชาติเกี่ยวกับจักรวาลลึกซึ้งยิ่งขึ้น
จากการวิจัยของบรรพบุรุษของเขานิวตันได้ทําการคิดและสํารวจเชิงลึก กฎความเฉื่อยของกาลิเลโอให้การเปิดเผยของนิวตันว่าวัตถุจะยังคงนิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วที่สม่ําเสมอหากไม่ได้รับผลกระทบจากแรงภายนอก นิวตันยังเสนอกฎแห่งความโน้มถ่วงซึ่งระบุว่าวัตถุสองชิ้นใด ๆ ถูกดึงดูดเข้าหากันเนื่องจากมวลของพวกมันและขนาดของแรงโน้มถ่วงนี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของมวลของวัตถุทั้งสองและเป็นสัดส่วนผกผันกับกําลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุเหล่านั้น
ทฤษฎีของนิวตันประสบความสําเร็จในการอธิบายว่าเหตุใดโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่นจึงสามารถเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ได้โดยไม่ต้องบินออกไป เขาเชื่อว่าโลกภายใต้แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ไม่ได้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง แต่เป็นเส้นทางโค้งซึ่งเป็นวงโคจรรูปไข่ ทฤษฎีนี้ไม่เพียงแต่อธิบายปรากฏการณ์ของการเคลื่อนที่ของท้องฟ้า แต่ยังเผยให้เห็นสาเหตุที่วัตถุบนโลกตกลงสู่พื้น นั่นคือแรงโน้มถ่วงของโลกบนวัตถุ
อย่างไรก็ตาม กฎความโน้มถ่วงของนิวตันไม่ได้แก้ปัญหาการส่งแรงโน้มถ่วงอย่างไร เพื่อแก้ปัญหานี้ นิวตันได้แนะนําแนวคิดของอีเธอร์ โดยให้เหตุผลว่าเอกภพเต็มไปด้วยอีเธอร์ที่มองไม่เห็นและแตะต้องไม่ได้ ซึ่งทําหน้าที่เป็นสื่อกลางสําหรับการแพร่กระจายของแรงโน้มถ่วง แม้ว่าสมมติฐานนี้จะได้รับการพิสูจน์ในภายหลังว่าผิด แต่กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันและความคิดของเขาเกี่ยวกับสื่อของการแพร่กระจายของแรงโน้มถ่วงชี้ทางไปสู่การสํารวจทางวิทยาศาสตร์ในภายหลังอย่างไม่ต้องสงสัย
ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทําให้เรามีวิธีใหม่ในการทําความเข้าใจแรงโน้มถ่วง จากข้อมูลของไอน์สไตน์แรงโน้มถ่วงไม่ใช่แรงในความหมายที่แท้จริงของคํา แต่เป็นผลการดัดงอของมวลต่อเวลาและอวกาศ ทฤษฎีนี้พลิกแนวคิดเรื่องความโน้มถ่วงของนิวตันโดยสิ้นเชิง ซึ่งถูกมองว่าเป็นส่วนหนึ่งของเรขาคณิตของกาลอวกาศ แทนที่จะเป็นแรงระหว่างวัตถุสองชิ้น
ทฤษฎีของไอน์สไตน์ชี้ให้เห็นว่ามวลมหาศาลของดวงอาทิตย์ทําให้เกิดการโค้งงอที่แข็งแกร่งในกาลอวกาศรอบ ๆ ดวงอาทิตย์ โลกเคลื่อนที่ในกาลอวกาศที่โค้งเช่นนี้ และเส้นทางของมันจะปรากฏเป็นเส้นโค้งตามธรรมชาติ – นี่คือสิ่งที่เราสังเกตเห็นเมื่อโลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ ทฤษฎีของไอน์สไตน์ยังทํานายว่าแสงจะโค้งงอในสนามโน้มถ่วงแรง ซึ่งเป็นการคาดการณ์ที่ได้รับการยืนยันจากการทดลองในภายหลัง
ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ได้กําจัดตัวกลางการแพร่กระจายแรงโน้มถ่วงที่จําเป็นในทฤษฎีของนิวตันนั่นคืออีเธอร์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพแสดงให้เห็นว่าการแพร่กระจายของแรงโน้มถ่วงไม่จําเป็นต้องใช้ตัวกลางใด ๆ แต่กระทําโดยตรงกับวัตถุผ่านความโค้งของกาลอวกาศ มุมมองนี้ไม่เพียงแต่แก้ปัญหาที่ยากในทฤษฎีของนิวตัน แต่ยังวางรากฐานสําหรับการพัฒนาทฤษฎีฟิสิกส์สมัยใหม่ในภายหลัง เช่น กลศาสตร์ควอนตัม
ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ได้ขยายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาลอย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทําความเข้าใจโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพและปรากฏการณ์ทางกายภาพภายใต้สภาวะที่รุนแรง แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพจะแสดงข้อจํากัดในบางกรณี แต่ก็มีส่วนอย่างมากต่อความก้าวหน้าของฟิสิกส์สมัยใหม่อย่างไม่ต้องสงสัย
วิวัฒนาการของทฤษฎีวิทยาศาสตร์เป็นการปฏิวัติที่ก้าวไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง และทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันและทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์เป็นเหตุการณ์สําคัญในกระบวนการนี้ ทฤษฎีของนิวตันประสบความสําเร็จอย่างมากในด้านสนามมหภาคความเร็วต่ํา โดยอธิบายการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้าและปรากฏการณ์ของแรงโน้มถ่วงบนโลก อย่างไรก็ตามเมื่อนําไปใช้กับสนามความเร็วสูงด้วยกล้องจุลทรรศน์ข้อ จํากัด จะค่อยๆปรากฏให้เห็น
ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ขยายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของสนามโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งและการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง และทฤษฎีสัมพัทธภาพให้คําอธิบายที่แม่นยํายิ่งขึ้น สิ่งนี้ไม่เพียงแต่แก้ปัญหาที่ยากลําบากในทฤษฎีของนิวตัน (เช่นปัญหาแรงโน้มถ่วงปานกลาง) แต่ยังวางรากฐานสําหรับการพัฒนาทฤษฎีฟิสิกส์สมัยใหม่ในภายหลังเช่นกลศาสตร์ควอนตัม
อย่างไรก็ตาม ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงยังคงพัฒนาอยู่ เมื่อวิทยาศาสตร์ก้าวหน้า อาจมีทฤษฎีที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในอนาคตเพื่ออธิบายและรวมบทบาทของแรงโน้มถ่วงเข้ากับแรงพื้นฐานอื่นๆ ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กําลังสํารวจพื้นที่ชายแดนเช่นทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมโดยหวังว่าจะรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอให้เป็นกรอบทฤษฎีทางกายภาพที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น
ทฤษฎีของทั้งนิวตันและไอน์สไตน์เป็นบทสําคัญในประวัติศาสตร์การสํารวจทางวิทยาศาสตร์ แม้ว่าพวกเขาจะสามารถนําไปใช้ได้และข้อจํากัดในยุคของตน แต่การพัฒนาและนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องของทฤษฎีเหล่านี้ทําให้เรามีความเข้าใจและความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับโลกธรรมชาติ