নিউটনের মহাকর্ষ নীতির (Newton’s law of universal gravitation) দুর্বলতা সমুহ

২৯ শে জুন, ২০২১ বিকাল ৫:৪৬

(এই পোস্টটা একজন অপদার্থের পদার্থবিজ্ঞানী হওয়ার ব্যর্থ প্রচেষ্টা মাত্র। তাই সবাই ভুল-ত্রুটি মার্জনা করবেন। যে সব ব্লগার এই বিষয়ে জ্ঞান রাখেন তারা তাদের মূল্যবান মতামত দিয়ে পোস্টটাকে আরও সমৃদ্ধ করতে পারেন।)

“Gravity really does exist. It acts according to the laws which we have explained, and abundantly serves to account for all the motions of the celestial bodies.” – আইজ্যাক নিউটন

(মহাকর্ষ সত্যিই আছে। এটা আমাদের বর্ণিত নিয়ম অনুযায়ী কাজ করে এবং নভোমণ্ডলের সকল বস্তুর গতির কারণ বর্ণনা করে উদারভাবে)

“Newton, forgive me, You found the only way which, in your age, was just about possible for a man of highest thought and creative power.” আলবার্ট আইনস্টাইন

(নিউটন আমাকে ক্ষমা করবেন, আপনি সেই একমাত্র পথটাই খুজে পেয়েছিলেন, যতটুকু আপনার যুগের একজন সর্বোচ্চ চিন্তাশীল এবং সৃষ্টিশীল ক্ষমতার অধিকারি ব্যক্তির পক্ষে সম্ভব ছিল)

নিউটনের মহাকর্ষ সুত্রঃ

"এই মহাবিশ্বের প্রতিটি বস্তুকণা একে অপরকে নিজের দিকে আকর্ষণ করে এবং এই আকর্ষণ বলের মান বস্তু কণাদ্বয়ের ভরের গুণ ফলের সমানুপাতিক, এদের মধ্যবর্তী দূরত্বের বর্গের ব্যাস্তানুপাতিক এবং এই বল বস্তুদ্বয়ের কেন্দ্র সংযোজক সরলরেখা বরাবর ক্রিয়া করে।"

F = G(m1m2/r2)

উপরে এফ = মহাকর্ষ বল, জি = মহাকর্ষ ধ্রুবক, এম ১ = প্রথম বস্তুর ভর, এম ২ = দ্বিতীয় বস্তুর ভর, আর = বস্তু দুইটির মধ্যে দূরত্ব

১৯০৫ সালে আইনস্টাইনের বিশেষ আপেক্ষিকতা থিউরি আসার পরে নিউটনের এই মহাকর্ষ আইনের কিছু দুর্বলতা চিহ্নিত হয়। ১৮৬১ সালে প্রকাশিত ম্যাক্সওয়েলের ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিসম সমীকরনের সাথে নিউটনিয়ান মেকানিক্সের সংঘাত দেখা যায়। আবার মিকেলসন-মোরলি প্রমান করলেন যে ইথার নামক কোন বস্তু আসলে নাই। আগে বিজ্ঞানীরা বিশ্বাস করত যে আলোক রশ্মি ইথার নামক একটি পদার্থের মাধ্যমে সঞ্চালিত হয়। এই দুইটি ঘটনা এবং তৎকালীন আরও কিছু বৈজ্ঞানিক থিউরি নিয়ে চিন্তা করতে গিয়ে আলবার্ট আইনস্টাইন ১৯০৫ সালে তার বিশেষ আপেক্ষিকতা থিউরি প্রকাশ করেন। এই থিউরি বলবিদ্যায় বস্তুর গতি, বিশেষ করে প্রায় আলোর গতিতে ধাবমান বস্তুর গতির ক্ষেত্রে যে ত্রুটি ছিল তাকে সংশোধন করতে সমর্থ হয়। যার ফলে আমরা পাই তার সেই বিখ্যাত সমীকরণ

E = mc^।

আইনস্টাইনের সুত্র থেকেই বর্তমান বিজ্ঞানীরা বলছেন যে বিশেষ পরিস্থিতিতে বস্তু এবং শক্তি একটি অন্যটিতে রুপান্তরিত হতে পারে। তার আগে নিউটন ও অনেক বিজ্ঞানী এই ব্যাপারে কিছু ধারনা দিয়েছিলেন কিন্তু সঠিকভাবে ব্যাপারটা প্রমান করতে পারেন নি।আইনস্টাইনের মতে সব কিছুই আসলে শক্তি। তিনি বলেন;

Everything is energy and that’s all there is to it. Match the frequency of the reality you want and you cannot help but get that reality. It can be no other way. This is physics.

নিউটনের মহাকর্ষ সুত্র এখনও নভোচারীদের কাজে লাগে। দৈনন্দিন অনেক বৈজ্ঞানিক ও সাধারণ কাজে এই সুত্র বা ‘ল’ এখনও কোন সমস্যা করে না। যেমন পৃথিবীর পাশ দিয়ে চলে যাওয়া অ্যাসটেরয়েডের গতিপথ, রকেট উড্ডয়নের সময়ের হিসাব নিকাশ ইত্যাদি। কিন্তু আলবার্ট আইনস্টাইনের বিশেষ আপেক্ষিকতা থিউরি প্রকাশ পাবার পর নিউটনের মহাকর্ষ সূত্রের কিছু দুর্বলতা বিজ্ঞানীদের নজরে আসে। আসলে কিছু মৌলিক ধারনাগত ঘাটতি আছে নিউটনের মহাকর্ষ নীতিতে। ফলে এই নীতি সার্বজনীনতা হারায়। নিউটনের মহাকর্ষ নীতি অনুযায়ী মহাকর্ষ একটি বল (Force)। কিন্তু আইনস্টাইন তার বিশেষ আপেক্ষিকতা থিউরিতে বলেছেন যে মহাকর্ষ কোন বল ( force) না বরং এটি হোল বস্তুর ভরের কারণে সৃষ্ট একটা ঘটনা যা স্পেসটাইমকে (Spacetime) প্রভাবিত করে। স্পেস ও টাইমের সমন্বয়ে ‘স্পেসটাইম’ নামক এই টার্মটা তিনিই প্রথম আবিষ্কার করেন। তিনি বলেন যে মহাকর্ষ হোল স্পেসটাইমের জ্যামিতিক ক্ষেত্র সংক্রান্ত ঘটনার বহিঃপ্রকাশ। আইনস্টাইন এই ঘটনাকে স্পেসটাইম জ্যামিতিক ক্ষেত্রের মাধ্যমে ব্যাখ্যা করেছেন।

উনি উদাহরন হিসাবে বলছেন যে একটা বিছানার চাদরে একটা ফুটবল রাখলে চাদরটা দেবে যায়। একইভাবে অতিমাত্রার ভর বিশিষ্ট বস্তুর কারণে তার নিকটস্থ স্পেসটাইমও বক্র হয়ে যায়। একটা মার্বেল যদি এই বলটার কাছে যায় তখন সেটা চাদরের দেবে যাওয়া অংশে চলে যায়। এই ঘটনাই মহাকর্ষের কারণ। গ্রহ নক্ষত্রের ক্ষেত্রেও একই ঘটনা ঘটে। আধুনিক বিজ্ঞানীরা বলছেন যে শক্তির (Energy) উপস্থিতেও স্পেসটাইম বক্র হয়। বোঝা যাচ্ছে যে মহাকর্ষের সাথে স্পেস ও টাইমের সম্পর্ক আছে। এই স্পেসটাইম phenomenon ই বস্তুর মহাকর্ষের জন্য দায়ী। তবে আইনস্টাইন বলছেন যে মহাকর্ষ কোন বল (force) না। পক্ষান্তরে নিউটনের নীতিতে মহাকর্ষকে একটি বল( force) হিসাবে বর্ণনা করা হয়েছে।

আইনস্টাইনের থিউরি অনুযায়ী নক্ষত্রের মত বা তার চেয়েও বড় কোন বৃহৎ ভর বিশিষ্ট বস্তুর মহাকর্ষীয় ক্ষেত্র সময়কে স্লো করে দিতে পারে। যে কোন বস্তুর ক্ষেত্রেই এই নিয়ম প্রযোজ্য তবে অপেক্ষাকৃত কম ভরের বস্তুর ক্ষেত্রে সময়ের এই পরিবর্তন এত কম যা অগ্রাহ্য করার মত। আবার বস্তুর গতি বাড়লে ঘড়ি স্লো হয়ে যায়। আমরা অল্প গতির কারণে এটা অনুভব করি না কিন্তু আকাশে যে স্যাটেলাইট আমরা পাঠাই তার গতির কারণে স্যাটেলাইটের ঘড়ি স্লো হয়ে যায় এটা প্রমানিত। প্রচণ্ড শক্তিশালী মহাকর্ষীয় ক্ষেত্রে প্রবেশ করলেও ঘড়ি স্লো হয়ে যায়। আবার গতির সাথে বস্তুর ভরের সম্পর্কে আছে। বস্তুর গতি বাড়লে ভর বেড়ে যায়। আলোর গতিতে কোন বস্তু চললে সেটার ভর অসীম হয়ে যায়। ফলে কোন বস্তুর গতি আলোর গতির চেয়ে বেশী হতে পারে না।

নিউটনের মহাকর্ষ সুত্র টাইম, স্পেস ও গতিকে গণনায় আনে না ফলে এই ‘ল’ সব ধরনের phenomenon কে ব্যাখ্যা করতে পারে না। যদিও নিউটনের মহাকর্ষ ‘ল’ কম গতিশীল বস্তু ও অপেক্ষাকৃত কম ভরের বস্তুর ক্ষেত্রে যে ফলাফল দেয় তা আমাদের জন্য গ্রহণযোগ্য হয় কারণ গতি ও ভর কম হওয়ার কারণে স্পেস ও টাইমের প্রভাব এত নগণ্য হয় যে তা আমাদের কাজে সমস্যা তৈরি করে না। আলোর বেগের চেয়ে অনেক কম গতিসম্পন্ন বস্তু এবং বড় নক্ষত্র বা তারচেয়েও বেশী ভরের বস্তু ছাড়া অন্যান্য বস্তুর ক্ষেত্রে নিউটনের ‘ল’ ব্যবহার করে যে ফলাফল আমরা পাই তা আমাদের ব্যবহারিক কাজে কোন সমস্যা সৃষ্টি করে না। যেমন পৃথিবী ও চাঁদের কক্ষপথ সংক্রান্ত হিসাব নিকাশ, মহাকাশ অভিযান ও মহাকাশযানের বিভিন্ন হিসাব নিকাশ ইত্যাদি। এছাড়াও মহাকর্ষ যেখানে অপেক্ষাকৃত দুর্বল (যেমন আমাদের পৃথিবী) সেখানেও নিউটনের মহাকর্ষ নীতির ত্রুটি এত সামান্য হয় যে তা আমরা গণনায় নেই না। কিন্তু সমস্যা হয় যখন মহাজাগতিক কোন বিশাল নক্ষত্র বা তারচেয়েও বড় কোন বস্তুর ক্ষেত্রে আমরা নিউটনের সূত্র ব্যবহার করতে যাই তখন ভুল ফলাফল পাওয়া যায়।

বুধ গ্রহ এবং আরও কয়েকটি গ্রহ তাদের উপবৃত্তাকার কক্ষ পথে যে অস্বাভাবিক গতি প্রদর্শন করে তার কারণ নিউটনের মহাকর্ষ ‘ল’ দিয়ে জানতে গেলে হিসাবে অনেক পার্থক্য পাওয়া যায়।কিন্তু আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতার সুত্র এই phenomena কে সঠিকভাবে হিসাব করে ব্যাখ্যা করতে পারে।

নিউটনের মহাকর্ষ ‘ল’ অনুযায়ী দুইটা বস্তর মধ্যে যে কোন একটার অবস্থানের পরিবর্তনের ফলে উভয়ের মধ্যে মহাকর্ষ বলের যে পরিবর্তন হয় তা তাৎক্ষনিকভাবে উভয় বস্তুর উপর ক্রিয়াশীল হয়।এই ধারনা অনুযায়ী দুইটা বস্তুর মধ্যে দূরত্ব যদি কয়েক আলোক বর্ষ হয় এবং যদি একটা বস্তুর অবস্থানের পরিবর্তন হয় সেই ক্ষেত্রে মহাকর্ষ বলের পরিবর্তনও তাৎক্ষনিকভাবে অন্য বস্তুতে অনুভুত হয়।কিন্তু আইনস্টাইনের বিশেষ আপেক্ষিকতা থিউরি অনুযায়ী এটা হওয়া সম্ভব না। কারণ সেই ক্ষেত্রে এই মহাকর্ষ বলকে আলোর গতির চেয়ে অনেক বেশী গতিতে ভ্রমন করতে হবে।কিন্তু আইনস্টাইনের বিশেষ আপেক্ষিকতার থিউরি অনুযায়ী আলোর গতির চেয়ে বেশী গতির কোন কিছুর অস্তিত্ব নাই।এই ব্যাপারটা নিয়ে নিউটনও চিন্তিত ছিলেন। তিনি বলেন

Gravity must be caused by an Agent acting constantly according to certain laws; but whether this Agent be material or immaterial, I have left to the Consideration of my readers.”

নিউটনের মহাকর্ষ ‘ল’ এর দুর্বলতা সমুহঃ

১। নিউটনের মহাকর্ষ নীতি আইনস্টাইনের বিশেষ আপেক্ষিকতা থিউরির সাথে সংঘর্ষ তৈরি করে। আমরা যদি একটা কাল্পনিক পরিস্থিতির করা চিন্তা করি যে, যদি কোন কারণে আলোর গতির প্রায় সমান গতিতে সূর্য যদি অন্য কোন দিকে চলে যায় সেই ক্ষেত্রে কি হতে পারে। নিউটনের মহাকর্ষ ‘ল’ অনুযায়ী তাৎক্ষনিকভাবে পৃথিবী তার কক্ষপথ থেকে বিচ্যুত হবে। কারণ নিউটনের ‘ল’ অনুযায়ী মহাকর্ষ বলের কোন পরিবর্তন তাৎক্ষনিকভাবে বস্তুর উপর কাজ করে। কিন্তু আইনস্টাইনরে বিশেষ আপেক্ষিকতা সুত্র অনুযায়ী পৃথিবীতে এই পরিবর্তনের প্রভাব পড়তে কিছু সময় লাগবে। কারণ মহাকর্ষ বল আলোর গতিতে ছুটলেও কম পক্ষে ৮ মিনিট লাগবে। আইনস্টাইনের থিউরি অনুযায়ী আলোর গতির চেয়ে অধিক গতিশীল কোন কিছু থাকতে পারে না।

২। বৃহৎ কোন নক্ষত্রের পাশ দিয়ে যাওয়ার সময় আলোক রশ্মির বেঁকে যাওয়ার পরিমান নির্ণয় করার ক্ষেত্রে নিউটনের ‘ল’ কাজ করে না। কারণ নিউটনের ‘ল’ অনুযায়ী আলোর কণা ফোটন যেহেতু ভরহীন তাই নক্ষত্রের মহাকর্ষ আলোর উপর কোন প্রভাব ফেলবে না। যদিও বিজ্ঞানীরা এখন বলছেন যে ফোটনের invariant ভর শূন্য কিন্তু relativistic ভর শূন্য না। নিউটনের মহাকর্ষ সুত্রে আলোর ভরের জায়গায় শুন্য বসালে সমীকরণ অনুযায়ী আলোর উপর মহাকর্ষ বলের পরিমান দাড়ায় শুন্য। অর্থাৎ আলোর উপর মহাকর্ষ বল কাজ করে না। কিন্তু আইনস্টাইন প্রমান করেছেন যে আলো বৃহৎ কোন নক্ষত্রের পাশ দিয়ে যাওয়ার সময় বেঁকে যায়। এই বক্রতার পরিমানও তিনি নির্ণয় করছেন সঠিকভাবে। ১৯১৯ সালের ২৯ মে তারিখে সূর্যগ্রহণের সময় সূর্যের পাস দিয়ে নক্ষত্র সমুহের আলো অতিক্রম করার ঘটনা পর্যবেক্ষণের মাধ্যমেও ব্যাপারটা প্রমাণিত হয়েছে। ভরহীন কণাও যে মহাকর্ষ দ্বারা প্রভাবিত হয় এটা নিউটনের সময় জানা ছিল না।

৩। সর্পিল আকৃতির গ্যালাক্সিগুলিতে অবস্থিত নক্ষত্রগুলি তাদের কক্ষপথে যেভাবে প্রদক্ষিন করে তা নিউটনের মহাকর্ষ ‘ল’ এর সাথে সংঘর্ষপূর্ণ। গালাক্সিতে অবস্থিত নক্ষত্রগুলির Rotation Curve নিউটনের সুত্র দিয়ে হিসাব করলে যেভাবে আসে তার সাথে বাস্তবে পর্যবেক্ষণ করা Rotation Curve এর অনেক অমিল পাওয়া যায়। তবে মজার ব্যাপার হোল আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতার থিউরিও এই ঘটনার ব্যাখ্যা দিতে পারছে না। তবে বিজ্ঞানীরা ধারনা করছেন যে এই ব্যতিক্রমের কারণ হোল প্রচুর পরিমান ডার্ক ম্যাটারের উপস্থিতি। ব্ল্যাক হোলের ভিতরে মহাকর্ষ কিভাবে কাজ করে এটাও আইনস্টাইনের সুত্র সঠিকভাবে ব্যাখ্যা করতে পারছে না। তাই আইনস্টাইনের থিউরিও চ্যালেঞ্জের সম্মুখিন হতে পারে ভবিষ্যতে।

৪। স্পাইরাল গ্যালাক্সিগুলি নিউটনের মহাকর্ষ সুত্রের হিসাবের চেয়েও অনেক দ্রুত পরিভ্রমন করছে। সর্পিল গ্যালাক্সিগুলির এই অতি দ্রুত গতি নিউটনের মহাকর্ষ সুত্রের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ নয়।

৫। কোয়ান্টাম বলবিদ্যার ক্ষেত্রে নিউটনের সুত্র কাজ করে না। কোয়ান্টাম জগতের নিয়ম কানুন রহস্যময় এখনও। আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতার থিউরিও কোয়ান্টাম জগতের জন্য প্রযোজ্য না।

৬। নিউটনের মহাকর্ষ ‘ল’ অনুযায়ী শুধু মাত্র ভরযুক্ত বস্তুর ক্ষেত্রে মহাকর্ষ প্রযোজ্য। কিন্তু প্রকৃত পক্ষে ভরহীন ফোটন কণা কিংবা অনুরুপ যে কোন ভরহীন কণার ক্ষেত্রেও মহাকর্ষ কাজ করে।

৭। পৃথিবী থেকে ২০ হাজার কিলোমিটার উপরে জিপিএস স্যাটেলাইট গুলি নিউটনের মহাকর্ষ সুত্রকে ভিত্তি না ধরে বরং আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতার সুত্র ব্যবহার করে তাদের ঘড়ির সময় সমন্বয় করে থাকে। কারণ তা না হলে তাদের সময়ের হিসাবে ভুল হবে। স্যাটেলাইট পৃথিবী থেকে দূরে থাকার কারণে তার উপর পৃথিবীর মহাকর্ষের প্রভাব কমে যায় ফলে ওখানকার ঘড়ি প্রতিদিন ৪৫ মাইক্রো সেকেন্ড ফাস্ট হয়ে যায়। আবার স্যাটেলাইটের প্রচণ্ড গতির কারণে ঘড়ি স্লো হয়ে যায়। এই দুই ধরনের ঘটনার নেট প্রভাব হিসাবে প্রতিদিন স্যাটেলাইটের ঘড়ি গড়ে ৩৮ মাইক্রো সেকেন্ড ফাস্ট হয়, যা তারা নিয়মিত সংশোধন করে নেয়।

সংক্ষেপে বলতে গেলে নিউটনের সুত্র কোয়ান্টামের মত ক্ষুদ্র বস্তুকণার জগত এবং নক্ষত্র বা তারচেয়ে বড় বস্তুর জগতে কাজ করে না। এটার মুল কারণ নিউটনের মহাকর্ষ নীতি স্পেস, সময় এবং গতিকে বিবেচনা করে না। যদিও পৃথিবী ও তার কাছের জগতে প্রাপ্ত ফলাফল সঠিক ফলাফলের খুব কাছাকাছি থাকে যা আমাদের দৈনন্দিন কাজের ক্ষেত্রে সমস্যা সৃষ্টি করে না।

সুত্র -
Maxwell's equations
Special relativity
Luminiferous aether
Newton's law of universal gravitation
Spiral galaxy
Essay: Newton vs. Einstein vs. the Next Wave
Isaac Newton
Everything Is Energy and That’s All There Is To It. Match the Frequency of the Reality You Want
UNIVERSE TODAY
In what situations are energy and mass interchangeable or does it matter?
Can a large energy field other than gravity warp spacetime?
How Gravity Changes Time: The Effect Known as Gravitational Time Dilation
Einstein's Theory of Special Relativity
Limitations of Newton's Gravitation
Einstein showed Newton was wrong about gravity. Now scientists are coming for Einstein.
Does light have mass?
Can a large energy field other than gravity warp spacetime?
This Is Why Einstein Knew That Gravity Must Bend Light
What is the rotation curve of a spiral galaxy?
SUPER SPIRALS SPIN SUPER FAST
Relativity versus quantum mechanics: the battle for the universe
How does gravity affect photons (that is, bend light) if photons have no mass?
Einstein's Relativity and Everyday Life
Einstein showed Newton was wrong about gravity. Now scientists are coming for Einstein.

ছবি - উইকিপিডিয়া

১৭ টি +৪/-০