ค่าคงที่โน้มถ่วงเป็นกุญแจสำคัญในการไขมวลของทุกสิ่งในจักรวาล เช่นเดียวกับความลับของแรงโน้มถ่วง

ค่าคงที่โน้มถ่วงสามารถใช้ในการคำนวณแรงดึงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองชิ้นได้ ภาพประกอบของสนามแรงโน้มถ่วงของโลกและดวงจันทร์ที่บิดเบือนโครงสร้างของกาลอวกาศภาพประกอบของสนามโน้มถ่วงของโลกและดวงจันทร์ที่บิดเบือนโครงสร้างของกาลอวกาศ (เครดิตรูปภาพ: รูปภาพ Mark Garlick / Getty)ข้ามไปที่:การวัดค่าคงที่โน้มถ่วงค่าคงที่โน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนแปลงได้หรือไม่?

• บทความอื่น ๆ : kendalljazz.com

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติมบรรณานุกรมค่าคงที่โน้มถ่วงอธิบายความแรงที่แท้จริงของแรงโน้มถ่วง และสามารถใช้คำนวณแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองชิ้นได้ยังเป็นที่รู้จักกันในนาม “บิ๊กจี” หรือGค่าคงที่โน้มถ่วงถูกกำหนดครั้งแรกโดยไอแซก นิวตันในกฎความโน้มถ่วงสากลซึ่งกำหนดขึ้นในปี ค.ศ. 1680 เป็นค่าคงที่พื้นฐานของธรรมชาติที่มีค่า (6.6743 ± 0.00015) x10^ –11 ม.^3 กก.^–1 s^–2(เปิดในแท็บใหม่).

แรงดึงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองชิ้นสามารถคำนวณได้ด้วยค่าคงตัวโน้มถ่วงโดยใช้สมการที่พวกเราส่วนใหญ่พบในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลาย: แรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองชิ้นหาได้จากการคูณมวลของวัตถุทั้งสอง (m1 และ m2) และGจากนั้น หารด้วยกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง (F = [G x m1 x m2]/r^2)ที่เกี่ยวข้อง: ทำไมแรงโน้มถ่วงจึงอ่อนแอ? คำตอบอาจอยู่ในธรรมชาติของกาล-อวกาศ

คลิกที่นี่เพื่อดูวิดีโอ Space.com เพิ่มเติม…ปิดith Cooper เป็นนักข่าวและบรรณาธิการด้านวิทยาศาสตร์อิสระในสหราชอาณาจักร และสำเร็จการศึกษาด้านฟิสิกส์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ เขาเป็นผู้เขียน “The Contact Paradox: Challenging Our Assumptions in the Search for Extraterrestrial Intelligence” (Bloomsbury Sigma, 2020) และได้เขียนบทความเกี่ยวกับดาราศาสตร์ อวกาศ ฟิสิกส์ และโหราศาสตร์สำหรับนิตยสารและเว็บไซต์มากมาย

ค่าคงที่โน้มถ่วงค่าคงที่โน้มถ่วงเป็นกุญแจสำคัญในการวัดมวลของทุกสิ่งในจักรวาลตัวอย่างเช่น เมื่อทราบค่าคงที่ความโน้มถ่วง ควบคู่ไปกับความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกมวลของโลกของเราก็สามารถคำนวณได้ เมื่อเราทราบมวลของโลกแล้ว การรู้ขนาดและคาบการโคจรของโลกจะช่วยให้เราวัดมวลของดวงอาทิตย์ได้ และการรู้มวลของดวงอาทิตย์ทำให้เราสามารถวัดมวลของทุกสิ่งภายในดาราจักรทางช้างเผือกจนถึงวงโคจรของดวงอาทิตย์ได้

การวัดค่าคงที่โน้มถ่วงการวัดค่าGเป็นหนึ่งในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่มีความแม่นยำสูงครั้งแรก และนักวิทยาศาสตร์กำลังค้นหาว่าสามารถแปรผันตามเวลาและสถานที่ในอวกาศได้หรือไม่ ซึ่งอาจมีผลกระทบอย่างมากต่อจักรวาลวิทยา

มีค่าเท่ากับ 6.67408 x10^–11 m^3 kg^–1 s^–2 สำหรับค่าคงตัวโน้มถ่วงที่อาศัยการทดลองในศตวรรษที่สิบแปดที่ค่อนข้างฉลาด ซึ่งได้รับแจ้งจากความพยายามของนักสำรวจในการทำแผนที่เขตแดนระหว่างรัฐเพนซิลเวเนียและแมริแลนด์(เปิดในแท็บใหม่).

ในอังกฤษ นักวิทยาศาสตร์Henry Cavendish(เปิดในแท็บใหม่)(ค.ศ. 1731–1810) ผู้สนใจคำนวณความหนาแน่นของโลกได้ตระหนัก(เปิดในแท็บใหม่)ว่าความพยายามของผู้รังวัดจะล้มเหลว(เปิดในแท็บใหม่)เพราะภูเขาที่อยู่ใกล้เคียงจะทำให้ ‘ลูกดิ่ง-บ๊อบ’ ของผู้สำรวจ (เครื่องมือที่ให้เส้นอ้างอิงแนวตั้งกับที่นักสำรวจสามารถทำการวัดได้) ให้ดึงแรงโน้มถ่วงเล็กน้อยทิ้งการอ่าน หากพวกเขารู้ขนาดของGพวกเขาสามารถคำนวณแรงโน้มถ่วงของภูเขาและแก้ไขผลลัพธ์ได้

ดังนั้นคาเวนดิชจึงเริ่มทำการวัด ซึ่งเป็นการวัดทางวิทยาศาสตร์ที่แม่นยำที่สุดที่สร้างขึ้นจนถึงจุดนั้นในประวัติศาสตร์นักปรัชญาธรรมชาติชาวอังกฤษ Henry Cavendish (1731-1810) ได้สร้างสมดุลของแรงบิดเพื่อวัดแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลขนาดใหญ่สองก้อน เพื่อที่เขาจะได้คำนวณมวลของโลกเป็นครั้งแรก

นักปรัชญาธรรมชาติชาวอังกฤษ Henry Cavendish (1731-1810) ได้สร้างสมดุลของแรงบิดเพื่อวัดแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลขนาดใหญ่สองก้อน เพื่อที่เขาจะได้คำนวณมวลของโลกเป็นครั้งแรก(เครดิตรูปภาพ: Science & Society รูปภาพห้องสมุด/เก็ตตี้อิมเมจ)
(เปิดในแท็บใหม่)

การทดลองของเขาเรียกว่า ‘ เทคนิคสมดุลแรงบิด ‘ มันเกี่ยวข้องกับดัมเบลล์สองตัวที่สามารถหมุนรอบแกนเดียวกันได้ ดัมเบลล์ตัวหนึ่งมีลูกตะกั่วขนาดเล็กสองลูกเชื่อมต่อกันด้วยไม้เรียวและห้อยไว้อย่างประณีตด้วยเส้นใย ดัมเบลล์อีกตัวมีน้ำหนักตะกั่ว 348 ปอนด์ (158 กิโลกรัม) ขนาดใหญ่กว่าสองตัวซึ่งสามารถหมุนไปทางด้านใดด้านหนึ่งของดัมเบลล์ที่เล็กกว่าได้

เมื่อตุ้มน้ำหนักที่ใหญ่กว่าถูกวางไว้ใกล้กับทรงกลมที่เล็กกว่า แรงดึงดูดของทรงกลมที่ใหญ่กว่าจะดึงดูดทรงกลมที่เล็กกว่า ซึ่งทำให้เส้นใยบิดตัว ระดับการบิดตัวทำให้คาเวนดิชวัดแรงบิด (แรงหมุน) ของระบบบิดได้ จากนั้นเขาใช้ค่านี้สำหรับแรงบิดแทนที่ ‘ F ‘ ในสมการที่อธิบายข้างต้น และร่วมกับมวลของตุ้มน้ำหนักและระยะทางของพวกมัน เขาสามารถจัดสมการใหม่เพื่อคำนวณGได้

ค่าคงที่โน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนแปลงได้หรือไม่?เป็นที่มาของความหงุดหงิดในหมู่นักฟิสิกส์ที่ “บิ๊กจี” ไม่รู้จักจุดทศนิยมมากเท่ากับค่าคงที่พื้นฐานอื่นๆ ตัวอย่างเช่น ประจุของอิเล็กตรอนเป็นที่รู้จักจากทศนิยมเก้าตำแหน่ง (1.602176634 x 10^–19 คูลอมบ์) แต่Gถูกวัดอย่างแม่นยำถึงจุดทศนิยมเพียงห้าจุดเท่านั้น ความพยายามที่จะวัดให้แม่นยำยิ่งขึ้นอย่างน่าผิดหวังนั้นไม่สอดคล้องกัน(เปิดในแท็บใหม่).

สาเหตุส่วนหนึ่งมาจากแรงโน้มถ่วงของสิ่งต่างๆ รอบตัวอุปกรณ์ทดลองจะรบกวนการทดลอง อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อสงสัยอยู่บ้างว่าปัญหาไม่ได้เป็นเพียงการทดลอง แต่อาจมีฟิสิกส์ใหม่ๆ เกิดขึ้นบ้างในที่ทำงาน(เปิดในแท็บใหม่). เป็นไปได้ด้วยซ้ำว่าค่าคงที่โน้มถ่วงไม่คงที่เท่าที่นักวิทยาศาสตร์คิด

ย้อนกลับไปในทศวรรษ 1960 นักฟิสิกส์ Robert Dicke ซึ่งทีมของเขาถูกค้นพบโดย Arno Penzias และ Robert Wilson ในปีพ.ศ. 2507 ซึ่งทีมของเขาถูกตักเตือนให้ค้นพบพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาลและ Carl Brans ได้พัฒนาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่เรียกว่าสเกลาร์-เทนเซอร์ การเปลี่ยนแปลงของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ สนามสเกลาร์อธิบายคุณสมบัติที่อาจแปรผันตามจุดต่างๆ ในอวกาศ (การเปรียบเทียบทางโลกคือแผนที่อุณหภูมิซึ่งอุณหภูมิไม่คงที่ แต่จะแปรผันตามตำแหน่ง) ถ้าแรงโน้มถ่วงเป็นสนามสเกลาร์Gอาจมีค่าต่างกันตามพื้นที่และเวลา สิ่งนี้แตกต่างจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่เป็นที่ยอมรับมากกว่า ซึ่งวางตำแหน่งว่าแรงโน้มถ่วงคงที่ทั่วทั้งจักรวาล

Motohiko Yoshimura จากมหาวิทยาลัย Okayama ในญี่ปุ่นเสนอว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบสเกลาร์เทนเซอร์สามารถเชื่อมโยงอัตราเงินเฟ้อของจักรวาลกับพลังงานมืด อัตราเงินเฟ้อเกิดขึ้นเพียงเสี้ยววินาทีหลังจากการกำเนิดของเอกภพ และกระตุ้นการขยายตัวของอวกาศในช่วงเวลาสั้นๆ แต่รวดเร็ว ซึ่งกินเวลาระหว่าง 10^–36 และ 10^–33 วินาทีหลังจากบิกแบงซึ่งทำให้จักรวาลพองตัวจากขนาดจุลทรรศน์ไปจนถึงขนาดมหภาค ก่อนจะปิดตัวลงอย่างลึกลับ

ภาพประกอบของการขยายตัวของจักรวาลภาพประกอบของการขยายตัวของจักรวาล(เครดิตรูปภาพ:MARKGARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY ผ่าน Getty Images)(เปิดในแท็บใหม่)พลังงานมืดเป็นพลังลึกลับที่เร่งการขยายตัวของจักรวาลในปัจจุบัน นักฟิสิกส์หลายคนสงสัยว่าจะมีความเชื่อมโยงระหว่างกองกำลังขยายตัวทั้งสองหรือไม่ โยชิมูระแนะนำว่ามี – ทั้งสองเป็นปรากฏการณ์ของสนามสเกลาร์โน้มถ่วงที่แรงกว่ามากในเอกภพยุคแรกแล้วอ่อนแอลง แต่กลับมาแข็งแกร่งอีกครั้งเมื่อเอกภพขยายตัวและสสารกระจายออกไปมากขึ้น

เรื่องที่เกี่ยวข้อง:
— แรงโน้มถ่วง: มันคืออะไร?

— รุ่นมาตรฐานคืออะไร?

— แรงโน้มถ่วงที่แรงกว่าในเอกภพยุคแรกอาจช่วยไขปริศนาเกี่ยวกับจักรวาลได้

อย่างไรก็ตาม ความพยายามที่จะพยายามตรวจจับการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญใดๆ ในGในส่วนอื่น ๆ ของจักรวาล จนถึงขณะนี้ยังไม่พบอะไรเลย ตัวอย่างเช่น ในปี 2558 ผลการศึกษาการเต้นของพัลซาร์ PSR J1713+0747 ปกติเป็นเวลา 21 ปี ไม่พบหลักฐาน(เปิดในแท็บใหม่)สำหรับแรงโน้มถ่วงที่มีความแข็งแกร่งแตกต่างจากที่นี่ในระบบสุริยะ ทั้งหอดูดาว Green Bankและกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Areciboปฏิบัติตาม PSR J1713+0747 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 3,750 ปีแสงในระบบดาวคู่ที่มีดาวแคระขาว พัลซาร์เป็นที่รู้จักมากที่สุด และการเบี่ยงเบนใดๆ จาก “บิ๊กจี” จะปรากฏชัดอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาของการโคจรรอบดาวแคระขาวและจังหวะเวลาของการเต้นของมัน

ในแถลงการณ์(เปิดในแท็บใหม่)Weiwei Zhu จากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย ซึ่งเป็นผู้นำในการศึกษา PSR J1713+0747 กล่าวว่า “ค่าคงที่โน้มถ่วงเป็นค่าคงที่พื้นฐานของฟิสิกส์ จึงต้องทดสอบสมมติฐานพื้นฐานนี้โดยใช้วัตถุในสถานที่ต่างๆ เวลา และสภาพความโน้มถ่วงการที่เราเห็นแรงโน้มถ่วงทำงานเหมือนกันในระบบสุริยะของเราเช่นเดียวกับใน ระบบ ดาวฤกษ์ ที่อยู่ห่างไกล ช่วยยืนยันว่าค่าคงที่โน้มถ่วงนั้นเป็นสากลอย่างแท้จริง”