Gravitacinės konstantos G matavimo eksperimentai, kuriuos pastaraisiais metais atliko kelios grupės, rodo ryškų neatitikimą. Neseniai paskelbtas naujas matavimas, atliktas Tarptautiniame svorių ir matų biure, skiriasi nuo visų ir tik pablogina problemą. Gravitacinė konstanta išlieka itin nepalenkiamu dydžiu tiksliam matavimui.
Gravitacinės konstantos matavimai
Gravitacinė konstanta G, dar žinoma kaip Niutono konstanta, yra viena iš svarbiausių pagrindinių gamtos konstantų. Tai konstanta, kuri patenka į Niutono visuotinės gravitacijos dėsnį; jis nepriklauso nei nuo kūnų pritraukimo savybių, nei nuo aplinkos sąlygų, o charakterizuoja pačios gravitacinės jėgos intensyvumą. Natūralu, kad tokia esminė mūsų pasaulio charakteristika yra svarbi fizikai ir turi būti tiksliai išmatuota.
Tačiau situacija su G matavimu vis dar labai neįprasta. Skirtingai nuo daugelio kitų pagrindinių konstantų, gravitacinę konstantą labai sunku išmatuoti. Faktas yra tas, kad tikslų rezultatą galima gauti tik atliekant laboratorinius eksperimentus, išmatavus dviejų žinomos masės kūnų traukos jėgą. Pavyzdžiui, klasikiniame Henry Cavendish eksperimente (2 pav.) ant plono siūlo pakabinamas dviejų sunkių rutuliukų hantelis, o kai į šių rutulių šoną stumiamas kitas masyvus kūnas, gravitacinė jėga yra linkusi jį pasukti. hantelis tam tikru kampu, o jėgų sukimosi momentas yra šiek tiek susuktas siūlas nekompensuos gravitacijos. Išmatavus hantelio sukimosi kampą ir žinant sriegio elastines savybes, galima apskaičiuoti gravitacijos jėgą, taigi ir gravitacijos konstantą.
Šis įrenginys (jis vadinamas „sukimo balansu“) įvairiomis modifikacijomis naudojamas šiuolaikiniuose eksperimentuose. Toks matavimas iš esmės yra labai paprastas, tačiau sudėtingas atlikti, nes reikia tiksliai žinoti ne tik visas mases ir visus atstumus, bet ir sriegio elastines savybes, taip pat įpareigoja iki minimumo sumažinti visus šalutinius poveikius, tiek mechaninius, tiek terminius. . Tačiau pastaruoju metu pirmieji gravitacinės konstantos matavimai pasirodė kitais, atominiais interferometriniais metodais, kuriuose naudojama kvantinė materijos prigimtis. Tačiau šių matavimų tikslumas vis dar gerokai prastesnis už mechaninius įrenginius, nors, ko gero, ateitis priklauso nuo jų (išsamiau žr. naujienose Gravitacijos konstanta matuojama naujais metodais, „Elementai“, 2007-01-22) .
Vienaip ar kitaip, bet, nepaisant daugiau nei dviejų šimtų metų istorijos, matavimų tikslumas išlieka labai kuklus. Dabartinė „oficiali“ vertė, kurią rekomenduoja Amerikos nacionalinis standartų institutas (NIST), yra (6,67384 ± 0,00080)·10 -11 m 3 kg -1 s -2. Santykinė paklaida čia yra 0,012%, arba 1,2 10 -4, arba, fizikams dar labiau žinoma, 120 ppm (milijoninių dalių), ir tai yra keliomis eilėmis blogiau nei kitų ne mažiau svarbių dydžių matavimo tikslumas. Be to, jau kelis dešimtmečius gravitacinės konstantos matavimas nenustoja kelti eksperimentuojančių fizikų galvos skausmo. Nepaisant daugybės atliktų eksperimentų ir pačios matavimo technikos tobulinimo, matavimo tikslumas išliko žemas. Santykinė 10–4 paklaida buvo pasiekta prieš 30 metų ir nuo to laiko nepagerėjo.
Situacija 2010 m
Per pastaruosius kelerius metus padėtis tapo dar dramatiškesnė. 2008–2010 metais trys grupės paskelbė naujus G matavimus. Prie kiekvieno iš jų metų metus dirbo eksperimentuotojų komanda ne tik tiesiogiai matavo G, bet ir atidžiai ieškojo ir dar kartą tikrino visus galimus klaidų šaltinius. Kiekvienas iš šių trijų matavimų buvo labai tikslus: paklaidos buvo 20–30 ppm. Teoriškai šie trys matavimai turėjo gerokai pagerinti mūsų žinias apie skaitinę G reikšmę. Bėda tik ta, kad jie visi skyrėsi vienas nuo kito net 200–400 ppm, tai yra keliolika deklaruotų klaidų! Ši padėtis 2010 m. parodyta pav. 3 ir trumpai aprašyta pastaboje Nepatogi situacija su gravitacijos konstanta.
Visiškai aišku, kad pati gravitacinė konstanta nėra kalta; tikrai visada ir visur turi būti vienodai. Pavyzdžiui, yra palydovinių duomenų, kurie, nors ir neleidžia gerai išmatuoti konstantos G skaitinės reikšmės, leidžia patikrinti jos nekintamumą – jei G pasikeitė bent viena trilijonąja dalimi (ty 10). –12) po metų tai jau būtų pastebima . Todėl vienintelė išvada, išplaukianti iš to, yra ta, kad kai kuriuose (arba kai kuriuose) iš šių trijų eksperimentų yra neaptiktų klaidų šaltinių. Bet kokiame?
Vienintelis būdas tai išsiaiškinti yra pakartoti matavimus su kitomis sąrankomis, pageidautina skirtingais metodais. Deja, čia dar nepavyko pasiekti tam tikros metodų įvairovės, nes visuose eksperimentuose naudojamas vienas ar kitas mechaninis įrenginys. Tačiau vis tiek skirtingi diegimai gali turėti skirtingų instrumentinių klaidų, o jų rezultatų palyginimas leis suprasti situaciją.
nauja dimensija
Kitą dieną žurnale Fizinės apžvalgos laiškai buvo paskelbtas vienas toks matavimas. Nedidelė tyrėjų grupė, dirbanti Tarptautiniame svorių ir matų biure Paryžiuje, nuo nulio sukūrė aparatą, kuris matavo gravitacijos konstantą dviem skirtingais būdais. Tai tas pats sukimo balansas, bet ne su dviem, o su keturiais vienodais cilindrais, sumontuotais ant disko, pakabinto ant metalinio sriegio (vidinė instaliacijos dalis 1 pav.). Šie keturi svoriai gravitaciniu būdu sąveikauja su keturiais kitais, didesniais cilindrais, sumontuotais ant karuselės, kurią galima pasukti bet kokiu kampu. Keturių kūnų, o ne dviejų, schema leidžia sumažinti gravitacinę sąveiką su asimetriškai išdėstytais objektais (pavyzdžiui, laboratorijos kambario sienomis) ir sutelkti dėmesį į gravitacijos jėgas įrenginio viduje. Pats siūlas turi ne apvalią, o stačiakampę dalį; tai veikiau ne siūlas, o plona ir siaura metalinė juostelė. Šis pasirinkimas leidžia tolygiau perkelti apkrovą išilgai jo ir sumažinti priklausomybę nuo medžiagos elastingumo savybių. Visas aparatas yra vakuume ir tam tikrame temperatūros režime, kuris palaikomas šimtosios laipsnių tikslumu.
Šis prietaisas leidžia atlikti trijų tipų gravitacinės konstantos matavimus (detaliau žr. pačiame straipsnyje ir tyrimo grupės puslapyje). Pirma, tai pažodinis Cavendish eksperimento atkūrimas: buvo pakelta apkrova, svarstyklės pasuktos tam tikru kampu, o šis kampas matuojamas optine sistema. Antra, jį galima paleisti sukimo švytuoklės režimu, kai vidinė instaliacija periodiškai sukasi pirmyn ir atgal, o papildomų masyvių kūnų buvimas keičia svyravimo periodą (tačiau mokslininkai šio metodo nenaudojo). Galiausiai jų įrengimas leidžia išmatuoti gravitacinę jėgą jokio posūkio svoriai. Tai pasiekiama elektrostatinio servo valdymo pagalba: elektros krūviai sąveikaujantiems kūnams veikiami taip, kad elektrostatinis atstūmimas pilnai kompensuotų gravitacinę trauką. Šis metodas leidžia atsikratyti instrumentinių klaidų, susijusių būtent su sukimosi mechanika. Matavimai parodė, kad du metodai – klasikinis ir elektrostatinis – duoda nuoseklius rezultatus.
Naujo matavimo rezultatas parodytas kaip raudonas taškas pav. 4. Matyti, kad šis matavimas ne tik neišsprendė skaudamos vietos, bet ir dar labiau paaštrino problemą: jis labai skiriasi nuo visų kitų pastaruoju metu atliktų matavimų. Taigi, šiuo metu jau turime keturis (arba penkis, jei skaičiuosime neskelbtus Kalifornijos grupės duomenis) skirtingus ir tuo pačiu gana tikslius matavimus ir jie visi smarkiai skiriasi vienas nuo kito! Skirtumas tarp dviejų kraštutinių (ir chronologiškai naujausių) verčių jau viršija 20(!) deklaruotų klaidų.
Kalbant apie naująjį eksperimentą, štai ką reikia pridėti. Ši mokslininkų grupė jau buvo atlikusi panašų eksperimentą 2001 m. Ir tada jie taip pat gavo vertę, artimą dabartinei, bet tik šiek tiek mažiau tiksli (žr. 4 pav.). Juos būtų galima įtarti tiesiog kartojus matavimus ta pačia aparatūra, jei ne vienam „bet“ – tai buvo kitasįrengimas. Iš tos senos gamyklos jie paėmė tik 11 kg išorinius cilindrus, bet dabar atstatytas visas centrinis aparatas. Jei jie tikrai turėjo kažkokį nepastebėtą poveikį, susijusį su prietaiso medžiagomis ar gamyba, tada jis gali pasikeisti ir „nutempti“ naują rezultatą. Tačiau rezultatas liko maždaug toje pačioje vietoje kaip ir 2001 m. Darbo autoriai tai vertina kaip papildomą savo matavimų grynumo ir patikimumo įrodymą.
Situacija, kai iš karto keturi ar penki rezultatai gaunami skirtingose grupėse visi skiriasi keliolika ar dviem deklaruotomis klaidomis, kurios, matyt, neturi precedento fizikoje. Kad ir koks būtų kiekvieno matavimo tikslumas ir kad ir kaip didžiuotųsi autoriai, dabar tai neturi jokios reikšmės tiesos nustatymui. O kol kas, remiantis jais, bandyti išsiaiškinti tikrąją gravitacinės konstantos vertę galima tik vienu būdu: įdėti reikšmę kažkur per vidurį ir priskirti klaidą, kuri apims visą šį intervalą (ty vieną ir nuo pusės iki dviejų kartų pabloginti dabartinė rekomenduojama klaida). Belieka tikėtis, kad kiti matavimai pateks į šį intervalą ir palaipsniui pirmenybę teiks kokiai nors vienai reikšmei.
Vienaip ar kitaip, bet gravitacinė konstanta ir toliau yra matavimo fizikos galvosūkis. Po kiek metų (ar dešimtmečių) ši situacija iš tikrųjų pradės gerėti, dabar sunku prognozuoti.
Gravitacinė konstanta arba kitaip – Niutono konstanta – yra viena iš pagrindinių astrofizikoje naudojamų konstantų. Pagrindinė fizinė konstanta lemia gravitacinės sąveikos stiprumą. Kaip žinote, jėgą, su kuria kiekvienas iš dviejų kūnų sąveikauja per , galima apskaičiuoti pagal šiuolaikinę Niutono visuotinės gravitacijos dėsnio formą:
- m 1 ir m 2 - kūnai, sąveikaujantys per gravitaciją
- F 1 ir F 2 – gravitacinės traukos jėgos vektoriai, nukreipti į priešingą kūną
- r – atstumas tarp kūnų
- G – gravitacinė konstanta
Šis proporcingumo koeficientas yra lygus pirmojo kūno gravitacinės jėgos moduliui, kuris veikia taškinį antrąjį vienetinės masės kūną, kurio atstumas tarp šių kūnų yra vienetas.
G\u003d 6.67408 (31) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 arba N m² kg −2.
Akivaizdu, kad ši formulė yra plačiai taikoma astrofizikos srityje ir leidžia apskaičiuoti dviejų masyvių kosminių kūnų gravitacinį trikdymą, kad būtų galima nustatyti tolesnį jų elgesį.
Niutono darbas
Pastebėtina, kad Niutono (1684–1686) darbuose gravitacinės konstantos aiškiai nebuvo, kaip ir kitų mokslininkų įrašuose iki pat XVIII amžiaus pabaigos.
Izaokas Niutonas (1643–1727)
Anksčiau buvo naudojamas vadinamasis gravitacinis parametras, kuris buvo lygus gravitacinės konstantos ir kūno masės sandaugai. Rasti tokį parametrą tuo metu buvo lengviau, todėl šiandien įvairių kosminių kūnų (daugiausia Saulės sistemos) gravitacinio parametro reikšmė yra tiksliau žinoma nei gravitacinės konstantos ir kūno masės reikšmė atskirai.
µ = GM
Čia: µ yra gravitacinis parametras, G yra gravitacinė konstanta ir M yra objekto masė.
Gravitacinio parametro matmuo yra m 3 s −2 .
Pažymėtina, kad gravitacinės konstantos reikšmė kažkiek skiriasi net iki šių dienų, o grynąją kosminių kūnų masių vertę tuo metu buvo gana sunku nustatyti, todėl gravitacinis parametras rado platesnį pritaikymą.
Cavendish eksperimentas
Eksperimentą, skirtą tiksliai nustatyti gravitacinės konstantos vertę, pirmasis pasiūlė anglų gamtininkas Johnas Michellas, sukūręs sukimo balansą. Tačiau, nespėjęs atlikti eksperimento, 1793 m. Johnas Michellas mirė, o jo instaliacija perėjo į britų fiziko Henry Cavendish rankas. Henry Cavendish patobulino įrenginį ir atliko eksperimentus, kurių rezultatai 1798 metais buvo paskelbti moksliniame žurnale, pavadintame Karališkosios draugijos filosofiniais sandoriais.
Henry Cavendish (1731–1810)
Eksperimento sąranką sudarė keli elementai. Visų pirma jame buvo 1,8 metro rokeris, prie kurio galų buvo pritvirtinti 775 g masės ir 5 cm skersmens švininiai rutuliukai, kurie buvo pakabinti ant varinio 1 metro sriegio. Šiek tiek aukščiau už sriegio tvirtinimą, tiksliai virš jo sukimosi ašies, buvo sumontuotas kitas sukamasis strypas, prie kurio galų buvo standžiai pritvirtinti du 49,5 kg svorio ir 20 cm skersmens rutuliukai.Visų keturių rutuliukų centrai turėjo gulėti ta pati plokštuma. Dėl gravitacinės sąveikos turėtų būti pastebimas mažų kamuoliukų pritraukimas prie didelių. Esant tokiai traukai, jungo siūlas susisuka iki tam tikro momento, o jo tamprumo jėga turi būti lygi rutuliukų gravitacijos jėgai. Henry Cavendish išmatavo gravitacijos jėgą, matuodamas svirties svirties įlinkio kampą.
Vizualesnį eksperimento aprašymą rasite toliau pateiktame vaizdo įraše:
Kad gautų tikslią konstantos reikšmę, Cavendish turėjo imtis daugybės priemonių, kurios sumažina išorinių fizikinių veiksnių įtaką eksperimento tikslumui. Tiesą sakant, Henry Cavendish atliko eksperimentą ne siekdamas išsiaiškinti gravitacinės konstantos reikšmę, o apskaičiuoti vidutinį Žemės tankį. Norėdami tai padaryti, jis palygino kūno svyravimus, kuriuos sukelia žinomos masės rutulio gravitacinis trikdymas, ir svyravimus, kuriuos sukelia Žemės gravitacija. Jis gana tiksliai apskaičiavo Žemės tankio vertę - 5,47 g / cm 3 (šiandien tikslesni skaičiavimai duoda 5,52 g / cm 3). Įvairių šaltinių duomenimis, gravitacinės konstantos vertė, apskaičiuota pagal gravitacinį parametrą, atsižvelgiant į Caverdish gautą Žemės tankį, buvo G=6,754 10 −11 m³/(kg s²), G = 6,71 10 −11 m³. /(kg s s²) arba G = (6,6 ± 0,04) 10–11 m³ / (kg s²). Vis dar nežinoma, kas pirmasis gavo Niutono konstantos skaitinę reikšmę iš Henrio Caverdisho darbo.
Gravitacinės konstantos matavimas
Ankstyviausias gravitacinės konstantos, kaip atskiros konstantos, lemiančios gravitacijos sąveiką, paminėjimas buvo rastas 1811 metais prancūzų fiziko ir matematiko Simeono Deniso Poissono parašytame traktate apie mechaniką.
Gravitacinės konstantos matavimus įvairios mokslininkų grupės atlieka iki šiol. Tuo pačiu metu, nepaisant tyrėjams prieinamų technologijų gausos, eksperimentų rezultatai suteikia skirtingas šios konstantos vertes. Iš to galima daryti išvadą, kad galbūt gravitacinė konstanta iš tikrųjų nėra pastovi, bet gali keisti savo vertę laikui bėgant arba iš vienos vietos į kitą. Tačiau jei konstantos reikšmės skiriasi pagal eksperimentų rezultatus, tada šių reikšmių invariantiškumas šių eksperimentų rėmuose jau buvo patikrintas 10 -17 tikslumu. Be to, astronominiais duomenimis, konstanta G per pastaruosius kelis šimtus milijonų metų reikšmingai nepasikeitė. Jei Niutono konstanta gali keistis, tai jos pokytis neviršytų b nuokrypio skaičiumi 10 -11 - 10 -12 per metus.
Pastebėtina, kad 2014 metų vasarą grupė italų ir olandų fizikų kartu atliko eksperimentą, skirtą visiškai kitokio pobūdžio gravitacijos konstantai išmatuoti. Eksperimente buvo naudojami atominiai interferometrai, kurie leidžia atsekti žemės gravitacijos įtaką atomams. Tokiu būdu gautos konstantos reikšmė yra 0,015% paklaida ir lygi G= 6,67191(99) × 10 −11 m 3 s −2 kg −1.
(gravitacinė konstanta – dydis ne konstanta)
1 dalis
1 pav
Fizikoje yra tik viena konstanta, susijusi su gravitacija, ir tai yra gravitacijos konstanta (G). Ši konstanta gaunama eksperimentiniu būdu ir neturi ryšio su kitomis konstantomis. Fizikoje jis laikomas pagrindiniu.
Šiai konstantai bus skirti keli straipsniai, kuriuose pabandysiu parodyti jos pastovumo nesėkmę ir pagrindo po ja trūkumą. Tiksliau, po juo yra pamatas, bet kiek kitoks.
Kokia yra nuolatinės gravitacijos reikšmė ir kodėl ji taip kruopščiai matuojama? Norint suprasti, būtina vėl grįžti prie visuotinės gravitacijos dėsnio. Kodėl fizikai priėmė šį dėsnį, be to, jie pradėjo jį vadinti „didžiausiu žmogaus proto pasiektu apibendrinimu“. Jo formuluotė paprasta: du kūnai veikia vienas kitą jėga, kuri yra atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui ir tiesiogiai proporcinga jų masių sandaugai.
G yra gravitacinė konstanta
Iš šios paprastos formulės išplaukia daug labai nereikšmingų išvadų, tačiau nėra atsakymo į esminius klausimus: kaip ir dėl ko veikia gravitacijos jėga?
Šis įstatymas nieko nesako apie traukos jėgos atsiradimo mechanizmą, tačiau jis vis dar naudojamas ir, aišku, bus naudojamas dar ne vieną šimtmetį.
Vieni mokslininkai jį smerkia, kiti dievina. Ir tie, ir kiti negali be jo apsieiti, nes. geriau už viską, ką jie sugalvojo ir neatidarė. Praktikai, tyrinėdami kosmosą, žinodami šio dėsnio netobulumą, naudoja taisymo lenteles, kurios po kiekvieno erdvėlaivio paleidimo atnaujinamos naujais duomenimis.
Teoretikai bando koreguoti šį dėsnį įvesdami pataisymus, papildomus koeficientus, ieško įrodymų, kad gravitacinės konstantos G matmenyje yra paklaida, tačiau niekas neįsišaknija, o Niutono formulė išlieka pradine forma.
Atsižvelgiant į daugybę neaiškumų ir netikslumų atliekant skaičiavimus naudojant šią formulę, ją dar reikia ištaisyti.
Plačiai žinoma Niutono išraiška: „Gravitacija yra universali“, tai yra, gravitacija yra universali. Šis dėsnis apibūdina gravitacinę dviejų kūnų sąveiką, kad ir kur jie būtų Visatoje; tai yra jo universalizmo esmė. Gravitacinė konstanta G, įtraukta į lygtį, laikoma universalia gamtos konstanta.
Konstanta G leidžia atlikti patenkinamus skaičiavimus antžeminėmis sąlygomis, logiškai mąstant, ji turėtų būti atsakinga už energijos sąveiką, bet ką imti iš konstantos.
Įdomi mokslininko (V. E. Kostyushko), atlikusio tikrus eksperimentus, kad suprastų ir atskleistų gamtos dėsnius, nuomonė: „Gamta neturi nei fizinių dėsnių, nei fizinių konstantų su žmogaus sugalvotais matmenimis“. „Kalbant apie gravitacinę konstantą, moksle nusistovėjusi nuomonė, kad ši reikšmė rasta ir skaičiais įvertinta. Tačiau jo konkreti fizinė prasmė dar nenustatyta, ir taip yra visų pirma todėl, kad iš tikrųjų dėl neteisingų veiksmų, o tiksliau didelių klaidų, buvo gauta beprasmė ir visiškai beprasmė, turinti absurdišką dimensiją.
Nenorėčiau savęs statyti į tokią kategorišką poziciją, bet pagaliau turime suprasti šios konstantos prasmę.
Šiuo metu gravitacinės konstantos reikšmė yra patvirtinta Pagrindinių fizinių konstantų komiteto: G=6,67408·10 -11 m³/(kg·s²) [KODATA 2014]. Nepaisant to, kad ši konstanta kruopščiai matuojama, ji neatitinka mokslo reikalavimų. Reikalas tas, kad nėra tikslaus rezultatų sutapimo tarp panašių matavimų, atliktų skirtingose pasaulio laboratorijose.
Kaip pažymi Melnikovas ir Proninas: „Istoriškai gravitacija buvo pirmasis mokslinių tyrimų objektas. Nors praėjo daugiau nei 300 metų nuo gravitacijos dėsnio, kurį esame skolingi Niutonui, atsiradimo, gravitacinės sąveikos konstanta išlieka mažiausiai tiksliai išmatuota, palyginti su kitomis.
Be to, pagrindinis klausimas apie pačią gravitacijos prigimtį ir jos esmę lieka atviras. Kaip žinote, pats Niutono visuotinės traukos dėsnis buvo patikrintas daug tiksliau nei konstantos G tikslumas. Pagrindinis apribojimas tiksliai nustatyti gravitacijos jėgas yra gravitacijos konstanta, todėl jai skiriamas didelis dėmesys.
Viena yra atkreipti dėmesį, o visai kas kita – rezultatų sutapimo tikslumas matuojant G. Atliekant du tiksliausius matavimus paklaida gali siekti 1/10000. Bet kai matavimai buvo atlikti skirtinguose planetos taškuose, vertės gali viršyti eksperimentinę paklaidą dydžiu ar daugiau!
Kokia čia konstanta, kai jos matavimų metu yra tokia didžiulė rodmenų sklaida? O gal tai visai ne konstanta, o kai kurių abstrakčių parametrų matavimas. Arba tyrėjams nežinomi matavimai dėl trukdžių? Čia atsiranda naujas pagrindas įvairioms hipotezėms. Kai kurie mokslininkai remiasi Žemės magnetiniu lauku: „Žemės gravitacinio ir magnetinio lauko abipusė įtaka lemia, kad tose vietose, kur stipresnis magnetinis laukas, Žemės gravitacija bus stipresnė“. Dirako pasekėjai teigia, kad gravitacinė konstanta kinta laikui bėgant ir pan.
Kai kurie klausimai pašalinami dėl įrodymų trūkumo, o kiti atsiranda ir tai yra natūralus procesas. Bet tokia gėda negali tęstis be galo, tikiuosi, kad mano tyrimai padės nustatyti kryptį tiesos link.
Pirmasis, kuriam eksperimento pirmenybė matuojant nuolatinę gravitaciją buvo pripažinta, buvo anglų chemikas Henry Cavendish, kuris 1798 m. ėmėsi nustatyti Žemės tankį. Tokiam subtiliam eksperimentui jis panaudojo J. Michell išrastą torsioninį balansą (dabar eksponuojamas Didžiosios Britanijos nacionaliniame muziejuje). Cavendish palygino bandomojo kūno švytuoklės svyravimus veikiant žinomos masės rutuliukų gravitacijai Žemės gravitaciniame lauke.
Eksperimentiniai duomenys, kaip vėliau paaiškėjo, buvo naudingi nustatant G. Cavendish gautas rezultatas yra fenomenalus, nuo šiandien priimto skiriasi tik 1%. Reikia pažymėti, koks didelis pasiekimas tai buvo jo eroje. Daugiau nei du šimtmečius eksperimento mokslas pažengė tik 1%? Neįtikėtina, bet tiesa. Be to, atsižvelgus į svyravimus ir neįmanomumą jų įveikti, G reikšmė priskiriama dirbtinai, pasirodo, kad nuo Cavendish laikų matavimų tikslumu nė kiek nepažengėme į priekį!
Taip! Mes niekur nepasistūmėjome į priekį, mokslas slegia – nesupranta gravitacijos!
Kodėl mokslas daugiau nei tris šimtmečius praktiškai nepasiekė šios konstantos matavimo tikslumo? Galbūt viskas dėl Cavendish naudojamo įrankio. Torsioninės svarstyklės – XVI amžiaus išradimas, mokslininkų tarnyboje liko iki šių dienų. Žinoma, tai nebėra ta pati sukimo pusiausvyra, pažiūrėkite į nuotrauką, pav. 1. Nepaisant šiuolaikinės mechanikos ir elektronikos varpelių ir švilpukų, plius vakuumo, temperatūros stabilizavimo, rezultatas praktiškai nepasikeitė. Akivaizdu, kad čia kažkas ne taip.
Mūsų protėviai ir amžininkai įvairiai bandė išmatuoti G įvairiose geografinėse platumose ir neįtikėtiniausiose vietose: giliose kasyklose, ledo urvuose, šuliniuose, televizijos bokštuose. Torsioninių svarstyklių konstrukcijos buvo patobulintos. Nauji matavimai, siekiant išsiaiškinti gravitacinę konstantą, buvo pakartoti ir patikrinti. Pagrindinį eksperimentą Los Alamose 1982 m. surengė G. Lutheris ir W. Towleris. Jų įrengimas priminė Cavendish torsioninius svarstykles su volframo kamuoliukais. Šių matavimų rezultatas 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (t. y. 6,6726 ± 0,0005) buvo pagrįstas Mokslo ir technologijų komiteto (CODATA) rekomenduojamomis reikšmėmis. 1986 metais.
Viskas buvo ramu iki 1995 m., kai Vokietijos PTB laboratorijoje Braunšveige fizikų grupė, naudodama modifikuotą sąranką (balansai plūduriavo gyvsidabrio paviršiuje su didelės masės rutuliais), gavo G reikšmę (0,6 ± 0,008) % didesnę. nei visuotinai priimta. Dėl to 1998 metais G matavimo paklaida padidėjo beveik eilės tvarka.
Šiuo metu aktyviai diskutuojama apie eksperimentus, skirtus išbandyti visuotinės gravitacijos dėsnį, pagrįstą atomine interferometrija, išmatuoti mikroskopines bandomąsias mases ir dar vieną Niutono gravitacijos dėsnio mikrokosmose bandymą.
Buvo bandoma naudoti kitus G matavimo metodus, tačiau koreliacija tarp matavimų praktiškai nesikeičia. Šis reiškinys dabar vadinamas atvirkštinio kvadrato įstatymo pažeidimu arba „penktąja jėga“. Penktoji jėga dabar taip pat apima tam tikras Higso daleles (laukus) – Dievo daleles.
Panašu, kad jiems pavyko užfiksuoti dieviškąją dalelę, tiksliau, ją apskaičiuoti, nes didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) (LHC) eksperimente dalyvaujantys fizikai sensacingai pristatė Pasauliui žinią.
Pasikliaukite Higso bozonu, bet patys nesuklyskite!
Taigi kas yra ši paslaptinga konstanta, kuri vaikšto pati ir niekur be jos?
Skaitome straipsnio tęsinį
Skyrius labai paprasta naudoti. Siūlomame lauke tiesiog įveskite norimą žodį, o mes pateiksime jo reikšmių sąrašą. Noriu pastebėti, kad mūsų svetainėje pateikiami duomenys iš įvairių šaltinių – enciklopedinių, aiškinamųjų, žodžių darymo žodynų. Čia taip pat galite susipažinti su įvesto žodžio vartojimo pavyzdžiais.
Ką reiškia "gravitacijos konstanta"?
Enciklopedinis žodynas, 1998 m
gravitacinė konstanta
GRAVITACINĖ KONSTANTA (žymima G) proporcingumo koeficientas Niutono traukos dėsnyje (žr. Visuotinį gravitacijos dėsnį), G = (6,67259+0,00085) 10-11 N m2/kg2.
Gravitacijos konstanta
proporcingumo koeficientas G formulėje, išreiškiančioje Niutono traukos dėsnį F = G mM / r2, kur F ≈ traukos jėga, M ir m ≈ traukiančių kūnų masės, r ≈ atstumas tarp kūnų. Kiti G. p pavadinimai: g arba f (rečiau k2). Skaitinė G. p reikšmė priklauso nuo ilgio, masės ir jėgos vienetų sistemos pasirinkimo. cgs vienetų sistemoje
G = (6,673 ╠ 0,003) × 10–8 dienos × cm2 × g–2
arba cm3×g
–1×s-2, tarptautinėje matavimo vienetų sistemoje G = (6,673 ╠ 0,003) × 10–11 × n × m2 × kg
--2
arba m3×kg-1×sek-2. Tiksliausia G. p. reikšmė gaunama laboratoriniais traukos jėgos tarp dviejų žinomų masių matavimais naudojant sukimo balansą.
Skaičiuojant dangaus kūnų (pavyzdžiui, palydovų) orbitas Žemės atžvilgiu, geocentrinis G. p. naudojamas ≈ G. p sandauga pagal Žemės masę (įskaitant jos atmosferą):
GE = (3,98603 ╠ 0,00003) × 1014 × m3 × s-2.
Skaičiuojant dangaus kūnų orbitas Saulės atžvilgiu, heliocentrinis G. p. naudojamas ≈ G. p sandauga pagal Saulės masę:
GSs = 1,32718 × 1020 × m3 × s-2.
Šios GE ir GS vertės atitinka pagrindinių astronominių konstantų sistemą, priimtą 1964 m. Tarptautinės astronomijos sąjungos kongrese.
Yu. A. Ryabovas.
Vikipedija
Gravitacijos konstanta
Gravitacijos konstanta, Niutono konstanta(paprastai žymimas , kartais arba) - pagrindinė fizinė konstanta, gravitacinės sąveikos konstanta.
Pagal Niutono visuotinės traukos dėsnį, gravitacinės traukos jėga tarp dviejų materialių taškų su masėmis ir , esantis per atstumą , yra lygus:
$F=G\frac(m_1 m_2)(r^2).$
Proporcingumo koeficientasšioje lygtyje vadinamas gravitacinė konstanta. Skaitmeniškai jis lygus gravitacinės jėgos, veikiančios taškinį vienetinės masės kūną nuo kito panašaus kūno, esančio vieneto atstumu nuo jo, moduliui.
6.67428(67) 10 m s kg arba N m² kg,
2010 m. vertė buvo pataisyta į:
6.67384(80) 10 m s kg arba N m² kg.
2014 metais CODATA rekomenduojama gravitacinės konstantos vertė tapo:
6.67408(31) 10 m s kg arba N m² kg.
2010 m. spalio mėn. žurnale Physical Review Letters pasirodė straipsnis, kuriame siūloma atnaujinta 6,67234 (14) vertė, kuri yra trimis standartiniais nuokrypiais mažesnė už vertę. 2008 m. rekomendavo Mokslo ir technologijų duomenų komitetas (CODATA), tačiau atitinka ankstesnę CODATA reikšmę, pateiktą 1986 m. Vertės peržiūra įvykusią 1986–2008 m., lėmė pakabos sriegių neelastingumo tyrimai sukimo balansuose. Gravitacinė konstanta yra kitų fizinių ir astronominių dydžių, pavyzdžiui, visatos planetų, įskaitant Žemę, ir kitų kosminių kūnų masių, pavertimo tradiciniais matavimo vienetais, pavyzdžiui, kilogramais, pagrindas. Tuo pačiu metu dėl gravitacinės sąveikos silpnumo ir dėl to mažo gravitacinės konstantos matavimų tikslumo kosminių kūnų masių santykiai paprastai žinomi daug tiksliau nei atskiros masės kilogramais.
Kad ir kaip būtų keista, tyrinėtojai visada turėjo problemų dėl tikslaus gravitacinės konstantos nustatymo. Straipsnio autoriai kalba apie tris šimtus ankstesnių bandymų tai padaryti, tačiau visi jie lėmė vertybes, kurios nesutapo su kitomis. Net pastaraisiais dešimtmečiais, kai matavimų tikslumas gerokai išaugo, situacija išliko ta pati – duomenys, kaip ir anksčiau, atsisakė sutapti tarpusavyje.
Pagrindinis matavimo metodas G išliko nepakitęs nuo 1798 m., kai Henry Cavendish nusprendė tam naudoti sukimo (arba torsiono) balansą. Iš mokyklos kurso žinoma, kokia buvo tokia instaliacija. Stikliniame dangtelyje ant metro ilgio pasidabruoto vario gijos kabojo medinis jungas iš švino rutuliukų, kurių kiekvienas svėrė 775 g.
„Wikimedia Commons“ vertikali sąrankos skyrius (piešinio kopija iš G. Cavendisho ataskaitos „Eksperimentai žemės tankiui nustatyti“, paskelbta Proceedings of the Royal Society of London for 1798 (Part II) Volume 88, p. 469–526)
Į juos buvo atvežti 49,5 kg sveriantys švininiai rutuliukai, kuriuos veikiant gravitacinėms jėgoms, rokeris pasisuko tam tikru kampu, kurį žinant ir žinant sriegio standumą, buvo galima apskaičiuoti gravitacinės konstantos reikšmę. .
Problema buvo ta, kad, pirma, gravitacinė trauka yra labai maža, be to, rezultatą gali paveikti kitos masės, į kurias nebuvo atsižvelgta eksperimente ir nuo kurių nebuvo įmanoma apsisaugoti.
Antrasis minusas, kaip bebūtų keista, susivedė su tuo, kad atnešamose masėse atomai nuolat judėjo, o esant nedideliam gravitacijos poveikiui, šis efektas taip pat turėjo įtakos.
Mokslininkai nusprendė pridėti savo metodą prie išradingos, tačiau šiuo atveju nepakankamos Cavendish idėjos ir, be to, panaudojo kitą prietaisą – kvantinį interferometrą, fizikoje žinomą kaip SQUID. (iš anglų kalbos SQUID, Superconducting Quantum Interference Device – „superlaidus kvantinis interferometras“; pažodžiui išvertus iš anglų kalbos squid – „squid“; itin jautrūs magnetometrai, naudojami labai silpniems magnetiniams laukams matuoti).
Šis prietaisas stebi minimalius nukrypimus nuo magnetinio lauko.
50 kg volframo rutulį lazeriu užšaldę iki absoliučiam nuliui artimos temperatūros, sekę atomų judėjimo šiame rutulyje magnetinio lauko pokyčius ir taip pašalinę jų įtaką matavimo rezultatui, tyrėjai gavo vertę. gravitacinės konstantos 150 promilių tikslumu, tada yra 15 tūkstantųjų procentų. Dabar šios konstantos reikšmė, anot mokslininkų, yra 6,67191(99) 10 −11 m 3 s −2 kg −1. Ankstesnė vertė G buvo 6,67384(80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1.
Ir tai gana keista.
Gravitacinė konstanta yra pagrindas kitiems fiziniams ir astronominiams dydžiams, pavyzdžiui, Visatos planetų, įskaitant Žemę, ir kitų kosminių kūnų mases paversti tradiciniais matavimo vienetais ir iki šiol visada yra kitoks. 2010 m., kuriame amerikiečių mokslininkai Haroldas Parksas ir Jamesas Fulleris pasiūlė atnaujintą vertę 6,67234(14) 10 −11 m 3 s −2 kg −1. Šią vertę jie gavo lazeriniu interferometru užregistravę atstumų pokyčius tarp ant stygų pakabintų švytuoklių, kai jos svyruoja keturių volframo cilindrų – gravitacinio lauko šaltinių – atžvilgiu, kurių kiekvieno masė po 120 kg. Antroji interferometro rankena, kuri buvo atstumo standartas, buvo pritvirtinta tarp švytuoklių pakabos taškų. Parkso ir Fullerio gauta vertė pasirodė esanti trimis standartiniais nuokrypiais mažesnė už vertę G rekomenduojama 2008 m Mokslo ir technologijų duomenų komitetas (CODATA), bet atitinka ankstesnę CODATA reikšmę, įvestą 1986 m. Tada pranešė kad 1986–2008 m. įvykusią G vertės peržiūrą lėmė pakabos sriegių neelastingumo tyrimai sukimo balansuose.
