न्यूटन विरुद्ध आइन्स्टाइन : गुरुत्वाकर्षणाचा पेच! कोण खरं आणि कोण खोटं?

आमचे सर्व लेख मिळवण्यासाठी फॉलो करा : फेसबुक | ट्विटर

===

कित्येकदा शाळेतली मुलं विनोदाने म्हणतात कि, न्यूटनने झाडावरून खाली पडणारं सफरचंद गपचूप खाऊन टाकायला हवं होतं, पण उगाच डोकं चालवत बसला. काही जणांना असं ही वाटतं कि, सफरचंद खाली पडताना पाहिलं त्यात एवढं विशेष काय ? लहानपणापासून आपण सगळ्याच गोष्टी खाली पडताना पाहतोच की!

पण खरं म्हणजे “न्यूटनने सफरचंद खाली पडताना पाहिलं आणि गुरुत्वाकर्षणचा शोध लावला” हे इतकं साधं मुळीच नाहीये. खरं म्हणजे न्यूटनने स्वतःला एक प्रश्न विचारला कि,

सफरचंद (किंवा कुठलीही गोष्ट) जर वरून पृथ्वीच्या दिशेने खाली पडते तर चंद्र का पडत नाही ??

हा प्रश्न खूप महत्वाचा होता. न्यूटनचा काळ आजपासून 300 वर्षांआधीचा काळ (इंग्लंड मध्ये). त्याआधी पर्यंत वरील प्रश्नाचं धार्मिक वगळता शास्त्रशुद्ध असं वैज्ञानिक उत्तर कुणाकडेच नव्हतं ! ह्या प्रश्नावर त्याने खूप चिंतन केलं आणि शेवटी एक खूप विलक्षण अशी कल्पना त्याने केली, जी त्या आधी मानवी इतिहासात कुणी केली नव्हती.

त्याने कल्पना (thought experiment) केली कि आपण एका पर्वतावर उभे आहोत तिथून कुठलीही वस्तू आपण वर फेकतो ती खाली पडते, आपण जितक्या अधिक वेगाने ती वस्तू फेकतो तितक्या लांब ती वस्तू पडते.


हा फेकण्याचा वेग असाच वाढत वाढत नेला तर एक वेळ अशी येईल कि ती वस्तू परत खाली पडणारच नाही. तर पृथ्वीभोवती एका कक्षेत (orbit मध्ये) फिरत राहील (चित्रात दाखवल्याप्रमाणे) आणि त्याहून अधिक वेगाने ती वस्तू जर फेकली तर ती परत येणारच नाही, ती पृथ्वीपासून दूर निसटून जाईल.

ह्या गतीला “मुक्तिवेग”(Escape velocity) असं म्हणतात.

प्रत्येक ग्रहाचा मुक्तिवेग हा त्या ग्रहाचे वस्तूमान (Mass) आणि त्रिज्येनुसार (Radius) वेगवेगळा असतो. पृथ्वीचा मुक्तिवेग हा 11.2 km/sec इतका जास्त आहे. म्हणजे इतक्या वेगाने कुठलीही वस्तू जर पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरून फेकली कि ती परत खाली पडणार नाही , तर पृथ्वीवरून निसटून जाईल.

 

escape-velocity-marathipizza
brighthub.com

(चित्र : कोणतीही वस्तू एका कक्षेत (Orbit मध्ये) स्थिर करायला एका ठराविक गतीत फेकावी लागेल. Orbit च्या उंचीवर ती गती अवलंबून आहे. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे E हा मुक्तिवेग आहे, ह्यावेगाने वस्तू फेकल्यास ती परत खाली पडणार नाही, कक्षेतही फिरणार नाही. तर निसटून जाईल !)

न्यूटनचं ‘सफरचंदाच खाली पडणं’ आणि ‘चंद्राचं पृथ्वीभोवती फिरणं’ ह्या दोन गोष्टींना unified करून त्यांची सूत्र बनवणं हा त्याचा ‘शोध’ होता. हा शोध खूप क्रांतिकारी होता, कारण त्यामुळे ग्रहांच सूर्याभोवती फिरणं तसंच उपग्रहांचं ग्रहांभोवती फिरणं ह्याच्या कारणाचा उलगडा होत होता.

म्हणून नुसतं “न्यूटनने सफारचंद खाली पडताना पाहिलं आणि गुरुत्वाकर्षणाचा शोध लावला” असं म्हणणं तितकं बरोबर होणार नाही. तसेच जयंत नारळीकर आणि इतर काही शास्त्रज्ञांच्या मते त्यांना “सफरचंदाची गोष्ट” ही बनलेली किंवा बनवलेली वाटते.

पण ह्या कल्पनेमुळे (thought experiment) चंद्र खाली का पडत नाही ह्याचं उत्तर मिळालं होतं. जसं वर दाखवल्याप्रमाणे एका ठराविक वेगाने कोणतीही वस्तू फेकली कि ती एका orbit मध्ये stable होते. म्हणजे त्या orbit मध्ये पृथ्वीभोवती फिरत राहते. चंद्र देखील तसाच फिरतोय. चंद्राला स्वतःची एक orbital speed आहे म्हणून तो पृथ्वीभोवती फिरत राहतो. जर का चंद्र फिरायचा थांबला (जे अशक्य आहे) तर तो ही इतर वस्तूंसारखा खाली पृथ्वीवर पडेल.

 


(चित्र : चंद्राला स्वतःची Tangential Velocity आहे म्हणून तो Orbit मध्ये फिरत राहतो. ही velocity नसती तर तो खाली पडला असता . तसेच जर पृथ्वी गायब झाली तर चंद्र आपली कक्षा सोडून सरळ गतीने प्रवास करेल.)

ह्याच गणितानुसार आपण कृत्रिम उपग्रहांना (satellites) ठराविक Orbital Speed देऊन एका कक्षेत स्थिर करतो. न्यूटनने केलेल्या निरीक्षणानुसार त्याला असं आढळलं कि हे गुरुतत्वाकर्षणाचे बल त्या दोन वस्तूंच्या वस्तुमानाच्या गुणाकाराच्या समानुपती (Directly proportional to product of their Masses) आणि त्यांच्या अंतराच्या वर्गाच्या व्यस्तानुपाती (inversely proportional to square of distance) असते.

 

newton formula gravity-marathipizza
newtonvil.wordpress.com

(न्यूटनचे गुरुत्वाकर्षणाचे सूत्र )

विसाव्या शतकापर्यंत हेच सूत्र आपण अंतिम मानत होतो. पण अल्बर्ट आइन्स्टाइनने वेगळे चित्र उभे केले. आइन्स्टाइनने त्याच्या 1915च्या General theory of Relativity मध्ये सांगितल्याप्रमाणे कोणतीही वस्तू (Matter) ज्याला वस्तूमान(Mass) आहे ती सभोवतालचं Space-Time वक्र करते. Space-Time म्हणजे आपण ज्या अवकाशात वावरतो ते space (अवकाश) आणि time (वेळ) हे एकमेकांपासून वेगळे नाहीत, एकच आहेत.

काही ठिकाणी त्याचा ‘fabric of Space-Time’ किंवा ‘Space-Time continuum’ असा देखील उल्लेख करतात. जेवढं ग्रहाचं वस्तूमान (Mass) जास्त तेवढं तो त्याच्या सभोवतालचं Space-Time तेवढंच जास्त वक्र (bend) करतो. आणि गुरुत्वाकर्षण(Gravity) ह्या Space-Timeच्या वक्रतेचाच परिणाम आहे.

 

(चित्र : Space-Time continuum)

SpaceTime ची curvature समझुन घ्यायला खालील प्रयोग मदत करतो :

 

Edit Post ‹ मराठी pizza — WordPress
openculture.com

(चित्र : एका ताणलेल्या रबरी पडद्यावर जेव्हा आपण एखादी जाड वस्तू ठेवतो, तेव्हा ती जाड वस्तू तो पडदा वाकवते आणि बाकीच्या हलक्या वस्तू त्या जाड वस्तूच्या दिशेने आकर्षित होतात.)

पण , आइनस्टाइन ह्या निष्कर्षापर्यंत कसा पोहोचला?

त्यासाठी देखील एक thought experiment कारणीभूत ठरला. त्याला Elevator thought experiment म्हणतात. समझा,लिफ्टची दोरी तुटली तर आपण Free fall ने खाली पडू .आपल्याला आपलं वजन जाणवणार नाही, पण जर लिफ्ट वरच्या दिशेने जोरात accelerate करत असेल तर आपलं वजन आपल्याला वाढलेलं जाणवेल.

म्हणजे गुरुत्वाकर्षणातला Free Fall हा वजनरहित अवस्था (weightlessness) देतो, तसंच अवकाशातील acceleration हे वजनाची अनुभूती (sense of weight ) देते. म्हणजे Gravity आणि acceleration हे एकसारखेच गुण दाखवतात. ह्यालाच Acceleration gravity equivalence principle म्हणतात.

खालील चित्रावरून हे समझण्यासाठी मदत होईल :

 

relativity_acceleration-marathipizza
physicsoftheuniverse.com

(चित्र : समजा, आपण एका बंदिस्त खोलीत आहोत. आपल्याला वजन जाणवते आहे. हे वजन गुरुत्वाकर्षणामुळे आहे कि Acceleration मुळे हे आपण नक्की सांगू शकणार नाही. तसंच Free Fall च्या वजन रहित अवस्थेचं देखील आहे)

पण , Space-Time च्या वक्रतेची काय गडबड आहे ?

वर सांगितलेल्या प्रयोगामध्ये , आपण ज्या खोलीत आहोत ती जेव्हा Acceleration मध्ये असेल तेव्हा एका बाजूने प्रकाश किरण सोडले असता दुसऱ्या बाजूला पोहोचे पर्यंत ते प्रकाश किरण वाकतील (Light beam bend होईल) कारण, आपली खोली Acceleration मध्ये आहे. आता Equivalence Principle नुसार ज्या अर्थी हे Acceleration मुळे होतं, त्या अर्थी Gravity मुळे सुद्धा असंच झालं पाहिजे.

 

elevator thought experiment light beam-marathipizza
astronomynotes.com

(चित्र : Acceleration मुळे वक्र झालेले प्रकाश किरण )

आता मात्र मोठी पंचायत झाली. न्यूटनने Gravityची (एक Force म्हणून) सांगितलेली संकल्पना एकीकडे आणि आइनस्टाइनने सांगत असलेली Space-Timeच्या वक्रतेची संकल्पना एकीकडे!

कोण बरोबर ? न्यूटन कि आइनस्टाइन ? आता हे शोधण्याची वेळ आली होती.

न्यूटन म्हणाला होता की, Gravitational Force हा त्या दोन वस्तूंच्या वस्तुमानवर अवलंबून असतो. (Directly proportional product of their Masses) तर आइनस्टाइन म्हणत होता कि वस्तूंच्या वस्तुमानामुळे वक्र झालेल्या SpaceTime मुळे gravity असते.

आइन्स्टाइनचं म्हणणं पडताळून पाहण्यासाठी आपल्याला बघावं लागेल कि प्रकाशसुद्धा (Light) ह्या space time च्या curvature मुळे वाकतो का? प्रकाशाला वस्तूमान नसतं म्हणून न्यूटनने सांगितल्याप्रमाणे Light bend नाही झाली पाहिजे, पण आइन्स्टाइनच्या म्हणण्याप्रमाणे Space-Timeही मुळात वक्र होते म्हणून प्रकाशही वक्र झाला पाहिजे.

आता हे पडताळून पाहायला आपल्याला एक मोठ्या वस्तुमानाची (Giant Mass) गोष्ट लागेल. सूर्य आहे, परंतु त्याचे तेज इतके भयंकर आहे कि त्याच्या भोवतालच्या गोष्टी त्याच्या तेजामुळे आपल्याला दिसत नाहीत. म्हणून 1919 सालच्या सूर्यग्रहणाची वेळ निवडली गेली. जेव्हा चंद्र सूर्याला पूर्णपणे झाकेल, तेव्हा आपण सुर्याभोवतालचं अवकाश पाहू शकू.

light bends due to gravity-marathipizza
aplanetruth.info

(चित्र : Light bends due to gravity )

आणि अहो आश्चर्यम् ! खरंच प्रकाश (ज्याला वस्तूमान) नाही तो गुरुत्वाआकर्षणामुळे वाकला ! आणि आइन्स्टाइनची संकल्पना खरी सिद्ध झाली ! पुढच्या दिवशीच्या वर्तमानपत्रांत हीच प्रमुख बातमी होती.

einstein theory triumphs-marathipizza

(चित्र : १९१९ च्या सूर्यग्रहणानंतर वर्तमानपात्रांत झळकणारे मथळे)

दोन-अडीचशे वर्ष न्यूटनचे सूत्र अंतिम समझत असतानाच आइन्स्टाइनने त्याला मोठा धक्का दिला होता आणि त्याची प्रसिद्धी प्रचंड वाढली. आईनस्टाईनच्या ह्याच General theory of Relativity मुळे Black holesची (कृष्णविवर) शक्यता वर्तवली गेली आणि हे Black holes नंतर आढळले देखील. निसर्गाने ह्या Black holesच्या अस्तित्वावरून दाखवून दिलं कि, वास्तव कल्पनेपेक्षा भयंकर आहे. ह्या Black holes बद्दल पुढील भागात पाहू !

===

आमचे इतर लेख वाचण्यासाठी क्लिक करा: InMarathi.com | आमचे सर्व लेख मिळवण्यासाठी फॉलो करा : फेसबुक | ट्विटर | Copyright © InMarathi.com | All rights reserved.

One thought on “न्यूटन विरुद्ध आइन्स्टाइन : गुरुत्वाकर्षणाचा पेच! कोण खरं आणि कोण खोटं?

  • November 16, 2017 at 10:34 am
    Permalink

    Very good information…

    Reply

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *