เราจะพิจารณาถึงแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นแรงดึงดูดระหว่างมวลของวัตถุ 2 ก้อน
ในขั้นแรกเราจะกล่าวถึงกฎของเคปเลอร์ก่อน
กฎของเคปเลอร์
ในศตวรรษที่ 17 Johannes Kepler ได้สังเกตปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์
และค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ 3 ข้อ
กฎข้อที่ 1
ดาวเคราะห์โคจรรอบด้วงอาทิตย์เป็นวงรี
โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งหนึ่งของจุดโฟกัสของวงรี
กฎข้อนี้อธิบายว่าดาวเคราะห์โคจรในระนาบเดียวกันกับดวงอาทิตย์
กฎข้อที่ 2
เวกเตอร์รัศมีจากดวงอาทิตย์ไปยังดาวเคราะห์นั้น
ภายในช่วงเวลาที่เท่ากันจะกวาดพื้นที่ไปได้เท่ากัน
กฎข้อที่ 3
อัตราส่วนระหว่างครึ่งแกนเอก (semi-major axis) ยกกำลังสาม
กับคาบการโคจรของดาวเคราะห์ยกกำลังสอง ของทุกๆดาวเคราะห์มีค่าเท่ากัน
กฎแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน
จากการศึกษากฎของเคปเลอร์ นิวตันเสนอทฤษฎีแรงดึงดูดระหว่างมวล
หรือที่เรียกว่า กฎความโน้มถ่วงสากล (Newtons law of universal
gravitation)
ให้
และ
เป็นมวลสองก้อนอยู่ห่างกันเป็นระยะทาง
ขนาดของแรงดึงดูดระหว่างมวลที่กระทำต่อมวลทั้งสองก้อนคือ
โดยค่าคงที่โน้มถ่วง (gravitational constant)

Sir Henry Cavendish ได้ทำการทดลองวัดค่า
ไว้ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2341 โดยใช้ดุลการบิด (torsion balance)
รายละเอียดการทดลองนิสิตสามารถหาอ่านได้จากหนังสือฟิสิกส์ชั้นปีที่ 1
หรือที่
-
http://www.fas.harvard.edu/~scdiroff/lds/NewtonianMechanics/CavendishExperiment/CavendishExperiment.html
-
http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Cavendish
 |
Sir Henry Cavendish
นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอังกฤษ (ค.ศ. 1731-1810)
มีผลงานการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจ
เช่น เป็นคนแรกๆที่ค้นพบธาตุไฮโดรเจน
เป็นคนแรกๆที่ค้นพบองค์ประกอบของน้ำ
เป็นคนแรกๆที่นิยามปริมาณศักย์ไฟฟ้า ฯลฯ
ที่สำคัญคือ
Cavandishs experiment
http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Cavendish
|
สิ่งหนึ่งที่นิสิตควรจะทราบก็คือ ในบรรดาแรงธรรมชาติทั้ง 4 แรง
แรงโน้มถ่วง เป็นแรงที่มีความเข้มน้อยที่สุด
และถึงแม้ว่าเราจะรู้จักแรงโน้มถ่วงมาตั้งแต่สมัยของนิวตัน
แต่แรงโน้มถ่วงก็ยังเป็นแรงที่นักฟิสิกส์มีความเข้าใจเกี่ยวกับมันน้อยที่สุดทั้งทางด้านทฤษฎี
และ ทางด้านการทดลอง
ถึงแม้ว่านักดาราศาสตร์จะสามารถคำนวณการเคลื่อนที่ของดวงดาวได้อย่างแม่นยำโดยอาศัยกฏแรงโน้มถ่วงของนิวตัน
แต่ธรรมชาติของแรงชนิดนี้ในระบบอื่นๆยังอยากแก่การที่จะทดลอง
ปัจจุบันนักฟิสิกส์สามารถทดลองหาความถูกต้องของกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันได้ถึงระดับหนึ่งในสิบของมิลลิเมตรเท่านั้น
Extra-dimension
นักฟิสิกส์บางคนเชื่อว่าในระดับสเกลเล็กๆ
แรงโน้มถ่วงอาจจะไม่ได้ประพฤติตนตามกฎกำลังสองผกผันของนิวตัน
โดยเฉพาะมีหลายทฤษฎีที่เชื่อว่าธรรมชาติมีมากกว่าหลายมิติ
ซึ่งในกรณีนี้แรงโน้มถ่วงจะอยู่ในรูป
เมื่อ
คือจำนวนมิติพิเศษ หรือ Extra-dimension
ในอีกด้านหนึ่งเมื่อพิจารณาระบบใหญ่ๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์
สามารถอธิยายแรงโน้มถ่วงได้ดีกว่ากฏแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน
แต่ถึงกระนั้นเมื่อพิจารณาถึงการวิวัฒนาการของเอกภพและฟิสิกส์ในระดับพลังงานสูง
ทฤษฎีสัมพัทธภาพก็ยังไม่สามารถอธิบายได้ดีนัก
แรงโน้มถ่วงจึงยังคงเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์ต้องพยายามศึกษากันต่อไป