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.

पाण्याची धार

उसळी घेणारा चेंडू

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

गुरुत्वाकर्षण हे विद्युतचुंबकत्व आणि नाभिकीय दृढ अंतर्प्रभाव व अदृढ अंतर्प्रभाव ह्या तिघांसोबत प्रकृतीतील चार मूलभूत अंतःप्रभावांमधील एक आहे. गुरुत्वाकर्षणाला गणितीय सूत्रात बसवण्यात प्रथम आयझॅक न्यूटन यशस्वी ठरला. त्याने न्यूटनचा वैश्विक गुरुत्वाकर्षणाचा नियम मांडला. गुरुत्वाकर्षणाच्या न्यूटनच्या नियमांची जागा आता अल्बर्ट आइनस्टाइनच्या साधारण सापेक्षता सिद्धान्ताने घेतली आहे. न्यूटनचे नियम प्रकाशापेक्षा फार कमी वेग असणाऱ्या वस्तूंसाठी पुरेसे अचूक आहेत. यासाठी ते नियम अजूनही बहुतेक जागी लागू होतात.

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

गुरुत्वाकर्षणाच्या संकल्पनेचा इतिहास आणि वाटचाल 

पुरातन संकल्पना 

अ‍ॅरिस्टॉटल 

अ‍ॅरिस्टॉटलची अशी कल्पना होती की जड वस्तू हलक्या वस्तूंपेक्षा अधिक 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. 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 वस्तू नेहमी तिच्याकडे परत येतात; तुम्ही त्यांना कोणत्याही दिशेत फेका, त्या कधी पृथ्वीपासून वरती जात नाहीत."[१]

मध्ययुगीन संकल्पना 

भास्कराचार्याची संकल्पना संपादन करा

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

"आकृष्टशक्तिश्च मही तया यत् खस्थं गुरुस्वाभिमुखः स्वशक्त्या।

आकृष्ट्यते तत्पततीव भाति समेसमान्तान् क्व पतत्वियं खे॥"[२]

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. [३]

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. [ संदर्भ हवा ]

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 नाभीबिंदूवर (focus) असतो.

2) ग्रह व सूर्य यांना जोडणारी सरळ रेषा समान कालावधीमध्ये समान क्षेत्रफळ व्यापन करते . 3)सूर्याची परिक्रमा करणार्या ग्रहांच्या आर्वतकालाचा वर्ग हा ग्रहाच्या सूर्यारासूनच्या सरासरी अंतराच्या घनाला समानुपाती असतो. केप्लर पूर्वीनिकोलस 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[४] केप्लरने ह्या कक्षा लंबवर्तुळाच्या आहेत अशी संकल्पना मांडून सर्व ग्रहांना एकसारखे लागू होणारे असे हे नियम बनवले.[५] 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. [६]

आधुनिक संकल्पना 

न्यूटनचा वैश्विक गुरुत्वाकर्षणाचा नियम संपादन करा

सर आयझॅक न्यूटन, इंग्रज भौतिकशास्त्रज्ञ, ज्याने वैश्विक गुरुत्वाकर्षणाचा नियम मांडला

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

मी असा तर्क केला की जी बले ग्रहांना आपल्या गोलकात ठेवतात, ती बले परिक्रमणाच्या केंद्रापासूनच्या अंतराच्या वर्गाच्या व्यस्त प्रमाणात नक्की [असावीत]: आणि या प्रकारे मी चंद्राला पृथ्वीभोवतीच्या गोलकात ठेवायला लागणाऱ्या बलाची तुलना पृथ्वीच्या पृष्ठभागाच्या गुरुत्वाकर्षणाशी केली; आणि त्याचे नीटनेटके उत्तर मिळाले.[७]

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: [८]

{\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}\ }{\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}\ },

येथे:

m१ - पहिले वस्तुमान,

m२ - दुसरे वस्तुमान,

F - दोन्ही वस्तुमानांमध्ये असलेले प्रयुक्त बल

G - गुरुत्व स्थिरांक, आणि

r - दोन वस्तुमानांच्या केंद्रांना जोडणारे अंतर.

Diagram of two masses attracting one another

वस्तुमान

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.

न्यूटनच्या नियमात त्रुटी 

कमी वेग आणि ऊर्जा असलेल्या वस्तुमानांसंबंधित असापेक्षीय गणनांसाठी न्यूटनचा नियम जवळजवळ अचूक ठरतो. हा नियम वापरून अंतराळयानांचे प्रक्षेपपथ सुद्धा बऱ्यापैकी अचूक काढणे शक्य आहे. असे असले तरीही सापेक्षीय गणनांसाठी ह्या नियमाने बरोबर उत्तर येत नाही. एक महत्त्वाचे उदाहरण म्हणजे बुध ग्रहाच्या कक्षेतील छोट्या विसंगती. १९व्या शतकाच्या अंतापर्यंत हे माहीत होते की बुधाच्या कक्षेतील जे काही क्षोभ होते ते न्यूटनच्या नियमाचा आधार घेऊन हिशेबात घेणे शक्य नव्हते, व म्हणून असे मानले जायचे की बुधाच्याहूनही सूर्याच्या जवळ एक प्रक्षोभकारी वस्तू असावी. ह्या वस्तूचा शोध निष्फळ राहिला. अल्बर्ट आइनस्टाइनच्या सापेक्षता सिद्धान्ताने हे क्षोभ हिशेबात घेतले. परंतु असे असले तरीही बहुतेक जागी न्यूटनचाच नियम वापरण्यात येतो कारण तो वापरण्यात फार सोपा आहे