पृथ्वीवर गुरुत्वाकर्षण नसतं तर काय झालं असतं? आपण हवेत तरंगलो असतो का?

सकाळी उठल्यावर आपण बेडवरून खाली उतरतो, जमिनीवर पाय ठेवतो, पाण्याचा ग्लास हातातून सुटला की तो खाली पडतो आणि झाडावरून फळ तुटलं की ते जमिनीकडे येतं. या सगळ्या गोष्टी इतक्या रोजच्या आहेत की त्यामागे एक प्रचंड महत्त्वाची शक्ती काम करतेय, याचा आपण विचारही करत नाही. पण एक क्षण कल्पना करा गुरुत्वाकर्षण नसतं तर तुमच्या पायाखाली जमीन असली तरी तुम्ही तिच्यावर उभे राहू शकला असता का? समुद्र आपल्याच जागी राहिला असता का? वातावरण पृथ्वीभोवती टिकून राहिलं असतं का? आणि सर्वात मोठा प्रश्न म्हणजे पृथ्वी स्वतःच पूर्वीसारखी राहिली असती का? या प्रश्नाचं उत्तर फक्त “सगळ्या वस्तू हवेत तरंगल्या असत्या” इतकं सोपं नाही. कारण गुरुत्वाकर्षण ही फक्त आपल्याला जमिनीवर ठेवणारी शक्ती नाही; ती पृथ्वी, चंद्र, वातावरण, समुद्र आणि अगदी आकाशगंगांच्या रचनेतही महत्त्वाची भूमिका बजावते.

गुरुत्वाकर्षण म्हणजे नेमकं काय?

सोप्या भाषेत सांगायचं तर गुरुत्वाकर्षण (Gravity) म्हणजे वस्तुमान (Mass) असलेल्या वस्तूंमध्ये निर्माण होणारं आकर्षण. पृथ्वीचं वस्तुमान प्रचंड असल्यामुळे तिचं गुरुत्वाकर्षण आपल्या शरीरावरही कार्य करतं. पृथ्वीच्या पृष्ठभागाजवळ गुरुत्वीय त्वरण (Acceleration due to Gravity) साधारण 9.8 मीटर प्रति सेकंद² असतं. याचा अर्थ असा की एखादी वस्तू मुक्तपणे पडत असेल आणि हवेचा प्रतिकार दुर्लक्षित केला, तर तिच्या वेगात प्रत्येक सेकंदाला साधारण 9.8 m/s ने वाढ होऊ शकते. पृथ्वीचं सरासरी गुरुत्वीय त्वरण 9.82 m/s² इतकं आहे आणि पृथ्वीचा पलायन वेग (Escape Velocity) सुमारे 11.2 km/s आहे.

इथे एक छोटासा पण महत्त्वाचा फरक समजून घ्यायला हवा वस्तुमान (Mass) आणि वजन (Weight) एकच गोष्ट नाही. तुमचं वस्तुमान म्हणजे तुमच्यात असलेल्या पदार्थाचं प्रमाण; ते तुम्ही पृथ्वीवर असाल, चंद्रावर असाल किंवा अंतराळयानात असाल तरी तसंच राहतं. पण वजन म्हणजे तुमच्यावर लागणाऱ्या गुरुत्वाकर्षणाच्या बलाशी संबंधित मोजमाप. म्हणूनच 1 किलो वस्तुमानाच्या वस्तूचं पृथ्वीवर वजन सुमारे 9.8 न्यूटन असतं, तर चंद्रावर ते सुमारे 1.6 न्यूटन असतं. म्हणजे गुरुत्वाकर्षण नसतं तर तुमचं वस्तुमान नाहीसं झालं नसतं; बदललं असतं ते तुमच्यावरचं गुरुत्वीय बल.

पृथ्वी आपल्याला जमिनीवर कशी ठेवते?

आपल्याला “पृथ्वी खाली ओढते” असं म्हणणं रोजच्या भाषेत ठीक आहे, पण प्रत्यक्षात पृथ्वीचं गुरुत्वाकर्षण आपल्याला तिच्या वस्तुमानाच्या केंद्राच्या दिशेने आकर्षित करतं. पृथ्वी गोल असल्यामुळे जगाच्या वेगवेगळ्या भागांमध्ये “खाली” म्हणजे एकच जागा नसते, भारतामधून खाली गेलात तर पृथ्वीच्या केंद्राच्या दिशेने जाता, ऑस्ट्रेलियातूनही खाली गेलात तरी दिशा पृथ्वीच्या केंद्राकडेच असते. त्यामुळे पृथ्वीवर कुठेही उभं राहिल्यावर तुमच्या पायाखालची जमीन आणि तुमच्यावरचं गुरुत्वीय बल एकमेकांशी जोडलेलं असतं. Newton च्या गुरुत्वाकर्षणाच्या नियमानुसार बल वस्तुमानांवर आणि त्यांच्यातील अंतरावर अवलंबून असतं.

आता कल्पना करा की पृथ्वीचं गुरुत्वाकर्षण अचानक शून्य झालं. गुरुत्वाकर्षण नसतं तर तुमचे पाय जमिनीला दाबून ठेवणारी पृथ्वीची ओढ उरली नसती. तुम्ही “आकाशाकडे ओढले” जाणार नाही, कारण कोणतीही उलटी शक्ती तुम्हाला वर खेचत नाही; त्याऐवजी तुमच्या शरीराला पूर्वीची गती असेल तर तुम्ही त्या गतीच्या दिशेने पुढे जात राहाल. पृथ्वीही स्वतः फिरत असल्यामुळे तिच्या पृष्ठभागावरील प्रत्येक वस्तूला आधीपासूनच काही आडवी गती आहे. त्यामुळे “gravity बंद = सगळे सरळ वर उडतील” हे चित्रपटात छान वाटत असलं तरी भौतिकशास्त्राच्या दृष्टीने ते अचूक नाही.

पहिल्या काही क्षणांत काय बदलेल?

जर आपण एक काल्पनिक प्रयोग केला आणि फक्त पृथ्वीचं गुरुत्वाकर्षण अचानक नाहीसं झालं, पण सूर्याचं गुरुत्वाकर्षण आणि बाकीचे नियम पूर्वीसारखेच ठेवले, तर सर्वात आधी पृथ्वीच्या पृष्ठभागाशी असलेली “बांधून ठेवणारी” गुरुत्वीय स्थिती संपेल. माणसं, दगड, पाणी आणि वातावरण यांना पृथ्वीच्या केंद्राकडे खेचणारं बल उरणार नाही. मात्र वस्तू ज्या वेगाने आणि दिशेने आधीच चालत आहेत, त्या गतीचा परिणाम लगेच सुरू राहील. म्हणून गुरुत्वाकर्षण नसतं तर पृथ्वीवरचा अनुभव “सगळे लगेच वर उडाले” यापेक्षा “सगळ्या वस्तू मुक्त गतीकडे जाऊ लागल्या” असा अधिक योग्य आहे.

पण इथे आणखी मोठी गोष्ट घडेल. आपण जमिनीवर उभे राहतो कारण जमीन आपल्याला गुरुत्वाकर्षणाच्या विरुद्ध दिशेने आधार देते. त्या interaction मुळे आपल्याला वजन जाणवतं. गुरुत्वाकर्षण नाहीसं झाल्यावर वजनाची ही अनुभूतीही नाहीशी होईल. अंतराळवीर अंतराळयानात तरंगताना जसे दिसतात, तसा अनुभव काही प्रमाणात मिळू शकतो; मात्र पृथ्वीवरचं हे काल्पनिक दृश्य साध्या अंतराळातील weightlessness सारखं पूर्णपणे समान नसेल, कारण इथे पृथ्वीची जमीन, वातावरण, समुद्र आणि संपूर्ण ग्रहाची रचना देखील त्याच वेळी बदलत असेल.

समुद्राचं काय होईल?

पृथ्वीवर गुरुत्वाकर्षणाचा सर्वात स्पष्ट परिणाम आपल्याला कदाचित समुद्रात दिसेल. महासागरातील अब्जावधी टन पाणी पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर टिकून राहण्यासाठी गुरुत्वाकर्षणावर अवलंबून आहे. गुरुत्वाकर्षण नसतं तर पाणी पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर तलाव, नद्या आणि महासागरांच्या रूपात टिकवून ठेवणारी मुख्य शक्ती गमावेल. त्याच वेळी पृथ्वी फिरत असल्यामुळे पाण्याला त्याची आधीची गती कायम ठेवण्याची प्रवृत्ती असेल. त्यामुळे महासागर “एका क्षणात आकाशात गोळा होईल” असं म्हणणंही अचूक नाही; पण तो पृथ्वीशी पूर्वीसारखा गुरुत्वीय बंध ठेवू शकणार नाही.

आज समुद्राच्या लाटा, भरती-ओहोटी आणि समुद्रातील पाण्याची मोठ्या प्रमाणावरची हालचाल यामध्येही गुरुत्वाकर्षणाचा मोठा वाटा आहे. विशेषतः चंद्राचं गुरुत्वाकर्षण पृथ्वीच्या महासागरांमध्ये भरती-ओहोटी निर्माण करतं; सूर्याचं गुरुत्वाकर्षणही त्यात योगदान देतं. त्यामुळे गुरुत्वाकर्षण नसतं तर फक्त आपणच जमिनीवर राहू शकलो नसतो असं नाही, तर समुद्राच्या आजच्या स्वरूपालाच आधार देणारी भौतिक व्यवस्था बदलली असती.

पृथ्वीभोवतीचं वातावरण?

आपण श्वास घेत असलेली हवा दिसत नाही, म्हणून ती पृथ्वीवर “कशी टिकून आहे?” हा प्रश्न अनेकदा दुर्लक्षित होतो. प्रत्यक्षात वातावरणातील वायूंचे रेणू सतत हालचाल करत असतात. त्यांच्याकडे गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy) असल्यामुळे ते सरळ बाहेर पळून जाण्याचा प्रयत्न करू शकतात; पण पृथ्वीचं गुरुत्वाकर्षण त्यांना बांधून ठेवतं. पृथ्वीची गुरुत्वीय पकड जितकी मजबूत आणि पलायन वेग जितका मोठा, तितकं एखाद्या ग्रहाला वातावरण टिकवून ठेवणं सोपं होतं.

म्हणून गुरुत्वाकर्षण नसतं तर वातावरणही पृथ्वीभोवती आजच्या अर्थाने टिकून राहिलं नसतं. अर्थात, प्रत्येक वायूचा रेणू त्याच क्षणी पृथ्वीपासून दूर गेला असता असं नाही; रेणूंच्या वेगांचं वितरण वेगवेगळं असतं. पण पृथ्वीची गुरुत्वीय पकडच नसेल तर वातावरणाला ग्रहाभोवती बांधून ठेवणारा मुख्य यंत्रणा-संबंध उरणार नाही. हीच गोष्ट आपल्याला चंद्राशी तुलना केली तर अधिक स्पष्ट होते. चंद्राचं गुरुत्वाकर्षण पृथ्वीपेक्षा खूप कमी असल्यामुळे त्याला पृथ्वीसारखं दाट वातावरण टिकवून ठेवणं कठीण आहे.

चंद्र अचानक काय करेल?

आपल्याला चंद्र आकाशात स्थिर असल्यासारखा दिसतो, पण तो पृथ्वीभोवती कक्षेत (Orbit) फिरत आहे. त्याची कक्षा म्हणजे पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे तो पृथ्वीवर सरळ कोसळत नाही आणि त्याच्या स्वतःच्या पुढच्या गतीमुळे तो सरळ रेषेत निघूनही जात नाही, अशी संतुलित गतिशील अवस्था आहे. गुरुत्वाकर्षण नसतं तर पृथ्वी आणि चंद्रामधील हे गुरुत्वीय बंधन संपेल. त्यामुळे चंद्राला पृथ्वीभोवती सध्याच्या कक्षेत ठेवणारी शक्ती राहणार नाही आणि तो त्या क्षणी असलेल्या वेगाच्या दिशेने पृथ्वीपासून दूर जाणाऱ्या मार्गावर जाईल.

याच उदाहरणातून gravity बद्दलची एक मोठी गैरसमजूत दूर होते. Gravity म्हणजे फक्त वस्तू खाली पडण्याची शक्ती नाही. गुरुत्वाकर्षण नसतं तर चंद्राच्या कक्षा, पृथ्वीभोवती फिरणारे कृत्रिम उपग्रह, ग्रहांच्या कक्षा आणि अनेक खगोलीय हालचालींची आजची रचना शक्य झाली नसती. पृथ्वीचा सूर्याभोवतीचा प्रवास मात्र या काल्पनिक प्रयोगात एक वेगळा प्रश्न आहे. जर फक्त पृथ्वीची gravity नाहीशी झाली आणि सूर्याची gravity तशीच राहिली, तर पृथ्वी सूर्याभोवती फिरत राहू शकते. पण जर “विश्वातील सर्व gravity”च बंद केली, तर परिस्थिती पूर्णपणे वेगळी होईल.

पृथ्वी स्वतः तुटून जाईल का?

हा भाग थोडा अधिक interesting आहे. इंटरनेटवर “gravity नाहीशी झाली की पृथ्वी लगेच फुटून तुकडे-तुकडे होईल” असं अनेकदा सांगितलं जातं; पण ही मांडणी अतिशय सोपी करून सांगितलेली आहे. पृथ्वीला एकत्र ठेवण्यात गुरुत्वाकर्षण महत्त्वाचं असलं तरी प्रत्येक अणू आणि खडक फक्त गुरुत्वाकर्षणामुळेच एकत्र चिकटलेला नाही. पदार्थाच्या आत विद्युतचुंबकीय आणि अणुस्तरीय बलंही असतात. त्यामुळे gravity बंद होताच पृथ्वी एखाद्या बॉम्बसारखी ताबडतोब फुटेल असं म्हणणं योग्य नाही. पण पृथ्वीचा स्वतःचा गुरुत्वीय बांध (gravitational binding) नष्ट झाल्यामुळे ग्रहाची स्थिर रचना गंभीरपणे बदलू लागेल.

पृथ्वीच्या आकारात, आतल्या दाबात आणि पदार्थाच्या हालचालीत गुरुत्वाकर्षणाची भूमिका मोठी आहे. आज ग्रहातील प्रचंड वस्तुमान स्वतःच्या गुरुत्वामुळे एका मोठ्या संरचनेत बांधलेलं आहे. गुरुत्वाकर्षण नसतं तर हा दीर्घकाळ टिकणारा समतोल राहणार नाही. पृथ्वीचे काही भाग त्यांच्या विद्यमान गती आणि अंतर्गत भौतिक बलांनुसार वेगळ्या दिशांनी हालू शकतील. म्हणजे “एका सेकंदात पृथ्वी फुटली” ही कल्पना वैज्ञानिकदृष्ट्या अतिरंजित आहे; पण “पृथ्वीची सध्याची ग्रहासारखी स्थिर रचना टिकणार नाही” हा निष्कर्ष अधिक योग्य आहे.

Gravity फक्त पृथ्वीला नाही, संपूर्ण विश्वाला जोडते

इथपर्यंत आपण पृथ्वीभोवतीच बोलत होतो. पण gravity ची खरी व्याप्ती समजून घ्यायची असेल तर पृथ्वीच्या बाहेर पाहावं लागतं. सूर्याभोवती पृथ्वीची कक्षा, ग्रहांच्या हालचाली, तारकासमूहांची रचना आणि आकाशगंगांमधील मोठ्या प्रमाणावरची रचना यामध्ये गुरुत्वाकर्षणाची मध्यवर्ती भूमिका आहे. NASA च्या मते आकाशगंगा म्हणजे तारे, वायू, धूळ आणि इतर पदार्थांचा प्रचंड समूह असून त्यांना एकत्र बांधून ठेवण्यात gravity महत्त्वाची भूमिका बजावते.

म्हणून जर प्रश्न असा असेल की गुरुत्वाकर्षण नसतं तर फक्त पृथ्वीचं काय झालं असतं, तर उत्तर आधीच खूप मोठं आहे. पण जर कल्पना अशी केली की संपूर्ण विश्वात gravity नावाची परस्पर आकर्षणाची क्रिया अस्तित्वातच नसती, तर ग्रह आणि ताऱ्यांची आजची रचना निर्माण होणं आणि टिकणं अत्यंत वेगळं असतं. पदार्थाला मोठ्या संरचनांमध्ये एकत्र आणणारी gravity नसल्यामुळे आज आपण पाहतो त्या आकाशगंगा, तारे आणि ग्रहांची रचना समजावणं शक्यच राहिलं नसतं.

Einstein चं gravity बद्दलचं स्पष्टीकरण कुठे येतं?

Newton च्या मते gravity हे दोन वस्तुमानांमधील आकर्षणाचं बल म्हणून मांडता येतं. हे वर्णन रोजच्या जगातील गणितासाठी अत्यंत उपयोगी आहे. पण Einstein च्या सामान्य सापेक्षता सिद्धांतात (General Relativity) gravity कडे पाहण्याची कल्पना अधिक खोल आहे. मोठ्या वस्तुमानामुळे अवकाश-काल (Space-time) वाकतो आणि वस्तू त्या वक्रतेनुसार हालतात. त्यामुळे gravity ची कथा “पृथ्वी आपल्याला अदृश्य दोरीने खाली ओढते” एवढ्यावर थांबत नाही.

याचा अर्थ असा नाही की Newton चुकीचा होता. उलट पृथ्वीवरच्या रोजच्या अनेक परिस्थितींमध्ये Newton चं गुरुत्वाकर्षणाचं गणित अत्यंत अचूक आणि उपयोगी आहे. Einstein ने त्याच्यापेक्षा व्यापक चौकट दिली. गुरुत्वाकर्षण नसतं तर हा प्रश्न त्यामुळे आणखी interesting होतो, कारण आपण फक्त “खाली पडणं बंद होईल” असं म्हणत नाही; आपण विचार करतो की वस्तुमान, अवकाश-काल आणि खगोलीय कक्षा यांच्यातील संपूर्ण व्यवस्था कशी बदलेल.

एक साधा प्रयोग करून पाहा

समजा तुमच्या हातात एक चेंडू आहे. तुम्ही तो सोडला की तो खाली येतो. आता तोच चेंडू चंद्रावर सोडला तर तो कमी गुरुत्वामुळे अधिक हळू खाली येईल. आणि अंतराळात एखादी वस्तू मुक्तपणे तरंगताना दिसली, तरी त्यावर gravity अजिबात नाही असं आवश्यक नाही; अंतराळयानातील अंतराळवीर बहुधा सतत मुक्तपतन (Free Fall) अवस्थेत असतात. त्यामुळे “तरंगणं” आणि “gravity नसणं” हे समानार्थी नाहीत.

यामुळे गुरुत्वाकर्षण नसतं तर काय झालं असतं या प्रश्नाचं सर्वात सोपं उत्तर आता थोडं बदलतं. आपण फक्त हवेत तरंगलो नसतो. आपलं वजन नाहीसं झालं असतं, पृथ्वीचं वातावरण टिकवणारी गुरुत्वीय पकड संपली असती, महासागरांची सध्याची रचना बदलली असती, चंद्राची पृथ्वीभोवतीची कक्षा टिकली नसती आणि पृथ्वीच्या स्वतःच्या स्थिर रचनेवरही मोठा परिणाम झाला असता. Gravity ही आपल्या रोजच्या जीवनाच्या पाठीमागे शांतपणे काम करणारी शक्ती आहे. आपल्याला तिची जाणीव बहुतेक वेळा तेव्हाच होते जेव्हा आपण तिच्या परिणामाचा विचार थांबवतो.

शेवटी प्रश्न उलटा करून पाहा…

आपण नेहमी विचारतो, “गुरुत्वाकर्षण नसतं तर काय झालं असतं?” पण याचं दुसरं रूप आणखी interesting आहे “गुरुत्वाकर्षण आहे म्हणून पृथ्वी आज अशी का आहे?” पृथ्वीवर आपण उभे आहोत, समुद्र पृष्ठभागावर टिकून आहेत, वातावरण ग्रहाभोवती आहे, चंद्र कक्षेत फिरतो आणि पृथ्वी सूर्याभोवती प्रवास करते; या प्रत्येक गोष्टीमागे gravity वेगवेगळ्या प्रकारे काम करते. NASA च्या पृथ्वीच्या gravity विषयक अभ्यासांमधून एवढंच नाही तर पृथ्वीवरील पाण्याचं वितरण बदललं तरी gravity field मध्ये सूक्ष्म बदल मोजता येतात हेही दिसून आलं आहे.

म्हणून गुरुत्वाकर्षण नसतं तर आपण फक्त “हवेत उडणारे माणसं” पाहिली असती, अशी कल्पना अपुरी आहे. Gravity आपल्याला जमिनीवर ठेवते, पण त्यापेक्षा मोठी गोष्ट म्हणजे ती पृथ्वीच्या वातावरणापासून समुद्रापर्यंत आणि चंद्राच्या कक्षेपासून आकाशगंगांपर्यंत पदार्थाला एका विशिष्ट रचनेत ठेवण्यास मदत करते. आपल्याला ती दिसत नाही, आवाज करत नाही, हाताने पकडता येत नाही पण तिचा परिणाम आपल्या आजूबाजूच्या जवळजवळ प्रत्येक गोष्टीत दिसतो. कदाचित म्हणूनच गुरुत्वाकर्षण ही आपल्या आयुष्यातली सर्वात “सामान्य” वाटणारी, पण प्रत्यक्षात सर्वात खोल वैज्ञानिक शक्तींपैकी एक आहे.

थोडक्यात

गुरुत्वाकर्षण नसतं तर माणसाचं वजन राहिलं नसतं, वस्तू पृथ्वीच्या दिशेने पडल्या नसत्या आणि पृथ्वीभोवती वातावरण व महासागर टिकवून ठेवणारी गुरुत्वीय पकड राहिली नसती. चंद्राची पृथ्वीभोवतीची सध्याची कक्षा देखील टिकली नसती. मात्र “gravity नाहीशी झाली = पृथ्वी एका क्षणात फुटली आणि सगळे सरळ वर उडाले” हे वैज्ञानिक चित्र अचूक नाही. वास्तविक परिणाम वस्तूंच्या आधीच्या गती, पृथ्वीच्या फिरण्याचा वेग, पदार्थातील इतर बलं आणि आपण नेमकी कोणती gravity नाहीशी झाल्याची कल्पना करतो यावर अवलंबून असतील.

THE FACT BITES सोबत अशाच Science Explained विषयांमधून रोजच्या जगामागचं विज्ञान समजून घ्या.