Коэффициент гравитационной постоянной. Гравитационная постоянная – величина переменная
Как ни странно это может показаться, но с точным определением гравитационной постоянной у исследователей всегда были проблемы. Авторы статьи говорят о трех сотнях предыдущих попыток сделать это, но все они приводили к значениям, которые не совпадали с другими. Даже в последние десятилетия, когда точность измерений значительно возросла, ситуация оставалась прежней — данные друг с другом, как и раньше, совпадать отказывались.
Основной метод измерения G остался неизменным с 1798 года, когда Генри Кавендиш решил использовать для этого крутильные (или торсионные) весы. Из школьного курса известно, что собой представляла такая установка. В стеклянном колпаке на метровой нити из посеребренной меди висело деревянное коромысло из свинцовых шаров, каждый по 775 г.
Wikimedia Commons Вертикальный разрез установки (Копия рисунка из отчёта Г. Кавендиша «Experiments to determine the Density of the Earth», опубликованного в Трудах Лондонского Королевского Общества за 1798 г. (часть II) том 88 стр.469-526)
К ним подносили свинцовые шары массой 49,5 кг, и в результате действия гравитационных сил коромысло закручивалось на некий угол, зная который и зная жесткость нити, можно было вычислить величину гравитационной постоянной.
Проблема состояла в том, что, во-первых, гравитационное притяжение очень невелико, плюс на результат могут влиять другие массы, экспериментом не учтенные и от которых не было возможности экранироваться.
Второй минус, как ни странно, сводился к тому, что атомы в подносимых массах находились в постоянном движении, и при малом воздействии гравитации этот эффект тоже сказывался.
Ученые решили добавить к гениальной, но в данном случае недостаточной, идее Кавендиша свой метод и использовали вдобавок другой прибор, квантовый интерферометр, известный в физике под названием СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»; в буквальном переводе с английского squid — «кальмар»; сверхчувствительные магнитометры, используемые для измерения очень слабых магнитных полей ).
Этот прибор отслеживает минимальные отклонения от магнитного поля.
Заморозив лазером 50 кг шара из вольфрама до температур, близких к абсолютному нулю, отследив по изменениям магнитного поля перемещения в этом шаре атомов и, таким образом, исключив их влияние на результат измерения, исследователи получили значение гравитационной постоянной с точностью 150 частей на миллион, то есть 15 тысячных процента. Теперь значение этой постоянной, заявляют ученые, равно 6,67191(99)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 . Предыдущее значение G составляло 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 .
И это довольно странно.
Гравитационная постоянная является основой для перевода других физических и астрономических величин, таких, например, как массы планет во Вселенной, включая Землю, а также других космических тел, в традиционные единицы измерения, и пока она все время другая. В 2010 году , в которой американские ученые Гарольд Паркс и Джеймс Фаллер предлагали уточненное значение 6,67234(14)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 . Это значение было получено ими путем регистрации с помощью лазерного интерферометра изменения расстояний между маятниками, подвешенными на струнах, при их колебаниях относительно четырех вольфрамовых цилиндров — источников гравитационного поля — с массами 120 кг каждый. Второе плечо интерферометра, служащее стандартом расстояния, фиксировалось между точками подвеса маятников. Полученная Парксом и Фаллером величина оказалась на три стандартных отклонения меньше величины G , рекомендованной в 2008 году Комитетом данных для науки и техники (CODATA) , но соответствует более раннему значению CODATA, представленному в 1986 году. Тогда сообщалось , что пересмотр величины G, произошедший в период с 1986 по 2008 год был вызван исследованиями неупругости нитей подвесок в крутильных весах.
Все попытки экспериментаторов по уменьшению погрешности измерений гравитационной постоянной Земли до сего времени сводились к нулю. Как было отмечено ранее, со времен Кавендиша точность измерения этой постоянной практически не увеличилась. За два с лишним столетия точность измерения не сдвинулась с места. Такую ситуацию можно назвать по аналогии с «ультрафиолетовой катастрофой» как «катастрофа гравитационной постоянной». Из ультрафиолетовой катастрофы выбрались с помощью квантов, а как выйти из катастрофы с гравитационной постоянной?
Из крутильных весов Кавендиша уже ничего не выжмешь, поэтому выход можно найти, воспользовавшись усредненным значением ускорения свободного падения и вычислить G из известной формулы:
Где, g – ускорение свободного падения (g=9,78 м/с 2 – на экваторе; g=9,832 м/с 2 – на полюсах).
R – радиус Земли, м,
M – масса Земли, кг.
Стандартное значение ускорения свободного падения, принятое при построении систем единиц, равно: g=9,80665 . Отсюда усредненное значение G будет равно:
В соответствии с полученным G , уточним температуру из пропорции:
6,68·10 -11 ~х=1~4,392365689353438·10 12
Данная температура соответствует по шкале Цельсия 20,4 o .
Такой компромисс, я думаю, вполне мог бы удовлетворить две стороны: экспериментальную физику и комитет (КОДАТА), чтобы периодически не пересматривать и не изменять значение гравитационной постоянной для Земли.
Можно «законодательно» утвердить нынешнее значение гравитационной постоянной для Земли G=6,67408·10 -11 Нм 2 /кг 2 , но скорректировать стандартное значение g=9,80665, несколько уменьшив его значение.
Кроме того, если использовать среднюю температуру Земли, равную 14 o С, то гравитационная постоянная будет равна G=6,53748·10 -11 .
Итак, у нас имеются три значения, претендующих на пьедестал гравитационной постоянной G для планеты Земля: 1) 6,67408·10 -11 м³/(кг·с²) ; 2) 6,68·10 -11 м³/(кг·с²) ; 3) 6,53748·10 -11 м³/(кг·с²) .
Комитету КОДАТА остается вынести окончательный вердикт, какую из них утвердить как гравитационную постоянную Земли.
Мне могут возразить, если гравитационная постоянная зависит от температуры взаимодействующих тел, то силы притяжения днем и ночью, зимой и летом должны отличаться. Да, именно так и должно быть, с малыми телами. Но Земля огромный, быстро вращающийся шар, имеет громадный запас энергии. Отсюда, интегральное количество крафонов зимой и летом, днем и ночью, вылетающих из Земли, одинаково. Поэтому, ускорение свободного падения на одной широте остается всегда постоянным.
Если переместиться на Луну, где разность температур дневного и ночного полушарий сильно разнятся, то гравиметры должны зафиксировать разницу силы притяжения.
Related Posts
11 комментариев
Только один вопрос к Вам:
Или у Вас в постранстве энергия не в сфере распространяется?
И если Вы уж решили перейти к температуре, то в точках центров масс, правильней конечно же изпускающих энергию, она же неизвестна (экспериментально же она никак не может быть подтверждена), соответственно, её ешё вычислить необходимо.
Ну и самого осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел у Вас и в помине нет, какие то «красные фотоны (крафоны) прилетели в тело, принесли энергию, это понимаемо, но не даёт ответа на вопрос: «почему при этом оно должно начать двигаться (перемещаться) именно в ту сторону, с которой они прибыли, а не в противотоложную ей, то есть согласно приложенной силе (приданному от этих ваших крафонов импульсу энергии)?»
Только один вопрос к Вам:
Если Вы уже начали говорить об энергии, то почему напрочь забыли о 4Пи перед R^2?!
Или у Вас в постранстве энергия не в сфере распространяется?
И если Вы уж решили перейти к температуре, то в точках центров масс, правильней конечно же изпускающих энергию, она же неизвестна (экспериментально же она никак не может быть подтверждена), соответственно, её ешё вычислить необходимо.
Ну и самого осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел у Вас и в помине нет, какие то «красные фотоны (крафоны) прилетели в тело, принесли энергию, это понимаемо, но не даёт ответа на вопрос: «почему при этом оно должно начать двигаться (перемещаться) именно в ту сторону, с которой они прибыли, а не в противотоложную ей, то есть согласно приложенной силе (приданному от этих ваших крафонов импульсу энергии)?»
________________________________________________________
Вместо одного заявленного вопроса оказалось три, но суть не в этом.
1. Касаемо 4π. В формулах (9) и (10) R2 – это расстояние от тела (предмета) до центра Земли. Откуда здесь должна появиться 4π – не понятно.
2. Что касается максимальной температура вещества в природе. Вы, очевидно, поленились открыть ссылку в конце статьи: «Гравитационная постоянная величина – переменная».
3. Теперь относительно «осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел». Все осмыслено и описано. Относительно, в какую сторону летят эти самые крафоны, читаем статьи: « ». Солнечные фотоны стартуют с поверхности Светила без отдачи, с приобретением импульсов придачи. Фотон, в противовес материальному миру, не имеет инерции – его импульс возникает в момент отрыва от источника без отдачи!
Явление отдачи наблюдается только в телах, когда под действием внутренних сил оно распадается на части, разлетающееся в противоположные стороны. Фотон не распадается на части, он не расстается со своим приобретенным импульсом до своего поглощения, поэтому для него выражение (3) будет справедливо.
« » , и ч.2 .
Цитата из 2-й части: «Крафоны из элементарного шарика вылетают спонтанно, по разным направлениям по нормали его поверхности. Притом, направлены они, в основном, в атмосферу, т.е. в более разреженный электромагнитный эфир (ЭМЭ) по сравнению с ЭМЭ вод Мирового океана. В принципе та же картина наблюдается и на материках».
Уважаемые читатели, на тему: как возникает гравитация, и кто является ее переносчиком, читайте всю главу под названием: «Гравитация». Конечно, можно и выборочно, для этого кликайте по кнопке «Карта сайта» верхнего меню, расположенного над шапкой сайта.
Добавление к предыдущему комментарию.
12окт.2016г. На страницах электронного научно-практического журнала «Современные научные исследования и инновации» опубликована моя статья под названием: «Фотонно-квантовая гравитация». В статье изложена суть гравитации. Прочесть по ссылке:
P.S. Алексей Вы правы, в данном журнале указанной статьи нет. Читай ниже мой комментарий.
Что-то нет Вашей статьи в октябрьском номере «Современные научные исследования и инновации» ((
«Что-то нет Вашей статьи в октябрьском номере «Современные научные исследования и инновации» ((»
Статья: ГРАВИТАЦИЯ ЗЕМЛИ ФОТОННО-КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ переехала в другой журнал: «Scientific-Researches» №5(5), 2016, с. 79
http://tsh-journal.com/wp-content/uploads/2016/11/VOL-1-No-5-5-2016.pdf
05.01.2017. Не затруднит ли Вас подробнее показать Ваши вычисления массы и радиуса Земли используемые в проверочной формуле G (9) для Земли. Не опасаетесь ли Вы некоей физической тавтологии используя эти величины ВЫЧИСЛЕННЫЕ с теми же константами? Микула
«Не затруднит ли Вас подробнее показать Ваши вычисления массы и радиуса Земли используемые в проверочной формуле G (9) для Земли. Не опасаетесь ли Вы некоей физической тавтологии используя эти величины ВЫЧИСЛЕННЫЕ с теми же константами? Микула»
———————————
Да уж куда подробнее. В формуле 9 вычислены два крайние значения G для ускорения свободного падения (g=9,78 м/с2 – на экваторе; g=9,832 м/с2 – на полюсах). Для стандартного значения ускорения свободного падения выполнено в 10. Что касается массы и радиуса Земли, то они практически не изменятся. В чем тавтология, я не вижу.
Да уж куда подробнее. В формуле 9 вычислены два крайние значения G для ускорения свободного падения (g=9,78 м/с2 – на экваторе; g=9,832 м/с2 – на полюсах). Для стандартного значения ускорения свободного падения выполнено в 10. Что касается массы и радиуса Земли, то они практически не изменятся. В чем тавтология, я не вижу.
«Все тела, обладающие массой, возбуждают в окружающем пространстве гравитационные поля, подобно тому, как электрически заряженные частицы образуют вокруг себя электростатическое поле. Можно предположить, что тела несут в себе гравитационный заряд, аналогичный электрическому, или, по-другому, обладают гравитационной массой. С высокой точностью было установлено, что инертная и гравитационная массы совпадают.
2
Пусть имеется два точечных тела массами m1 и m2. Они удалены друг от друга на расстояние r. Тогда сила гравитационного притяжения между ними равна: F=C·m1·m2/r², где С – коэффициент, который зависит лишь от выбранных единиц измерения.
3
Если на поверхности Земли имеется небольшое тело, его размерами и массой можно пренебречь, т.к. габариты Земли намного превосходят их. При определении расстояния между планетой и поверхностным телом рассматривается только радиус Земли, т.к. высота расположения тела пренебрежимо мала в сравнении с ним. Получается, что Земля притягивает тело с силой F=M/R², где M – масса Земли, R – ее радиус.
4
Согласно закону всемирного тяготения, ускорение тел при действии силы тяжести на поверхности Земли равно: g=G M/ R². Здесь G – гравитационная постоянная, численно равная примерно 6,6742 10^(−11).
5
Ускорение свободного падения g и радиус земли R находятся из непосредственных измерений. Константа G с большой точностью определена в опытах Кэвендиша и Йолли. Итак, масса Земли M=5,976 10^27 г ≈ 6 10^27 г.
фТавтология, на мой взгляд, разумеется ошибочный, заключается в том, что при вычислении массы Земли используется все тот же коэффициент G Кавендиша Йолли под названием гравитационная постоянная, которая совсем даже не постоянная, в чем я с Вами абсолютно согласен. Поэтому Ваш посыл «Из крутильных весов Кавендиша уже ничего не выжмешь, поэтому выход можно найти, воспользовавшись усредненным значением ускорения свободного падения и вычислить G из известной формулы:» не совсем корректен. Ваш расчет константы G уже использован в расчете массы Земли. Ни в коей мере не хочу Вас укорить, просто очень хочу разобраться с этой гравитационной постоянной, которой в законе Роберта Гука присвоенного Ньютоном совсем даже не было. С глубоким уважением Микула.
Уважаемый, Микула, Ваше желание понять и разобраться с гравитационной постоянной похвально. Учитывая, что понять данную константу желали многие ученые, но не многим удалось это сделать.
«Константа G с большой точностью определена в опытах Кавендиша и Йолли».
Нет! С не большой! Иначе, зачем бы наука тратила средства и время для ее регулярной перепроверки и уточнения, т.е. усреднения результатов, чем и занимается КОДАТА. А нужна она как раз для того чтобы «взвесить Землю» и узнать ее плотность, чем и прославился Кавендиш. Но как видите, G гуляет от одного опыта к другому. Тоже самое и с ускорением свободного падения.
Гравитационная постоянная – это коэффициент для одного значения температуры, а температура, что дышло.
Что предлагаю я? Для планеты Земля раз и навсегда установить одно значение G и сделать ее действительно постоянной c учетом g.
Не поленитесь, прочтите все статьи в рубрике G (гравитационная постоянная), думаю, у Вас многое прояснится. Начните сначала:
Путь Наш во мраке… И стукаемся Мы лбами не только об осклизлые стены подземелья в поисках проблесков к выходу, но и об лбы таких же несчастных, матерясь и проклиная… хромые, безрукие, слепые нищие … И не слышим друг друга. Протягиваем руку и получаем в неё плевок… и потому бесконечен Наш путь… И тем не менее… вот моя рука. Это моя версия понимания природы гравитации… и «сильного взаимодействия».
Мезенцев Николай Фёдорович.
Ваша рука, к сожалению, мне никак не помогла, а собственно зачем.
Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. .
Ваш комментарий на модерации.
Гравитационная постоянная или иначе – постоянная Ньютона – одна из основных констант, используемых в астрофизике. Фундаментальная физическая постоянная определяет силу гравитационного взаимодействия. Как известно, силу, с которой каждое из двух тел, взаимодействующих посредством , притягивается можно высчитать из современной формы записи закона всемирного тяготения Ньютона:
- m 1 и m 2 — тела, взаимодействующие посредством гравитации
- F 1 и F 2 – векторы силы гравитационного притяжения, направленные к противоположному телу
- r – расстояние между телами
- G – гравитационная постоянная
Данный коэффициент пропорциональности равен модулю силы тяготения первого тела, которая действует на точечное второе тело единичной массы, при единичном расстоянии между этими телами.
G = 6,67408(31)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , или Н·м²·кг −2 .
Очевидно, что данная формула широко применима в области астрофизики и позволяет рассчитать гравитационное возмущение двух массивных космических тел, для определения дальнейшего их поведения.
Работы Ньютона
Примечательно, что в трудах Ньютона (1684-1686) гравитационная постоянная в явном виде отсутствовала, как и в записях других ученых аж до конца XVIII-го века.
Исаак Ньютон (1643 — 1727)
Ранее использовался так называемый гравитационный параметр, который равнялся произведению гравитационной постоянной на массу тела. Нахождение такого параметра в то время было более доступно, поэтому на сегодняшний день значение гравитационного параметра различных космических тел (в основном Солнечной системы) более точно известно, нежели порознь значение гравитационной постоянной и массы тела.
µ = GM
Здесь: µ — гравитационный параметр, G – гравитационная постоянная, а M — масса объекта.
Размерность гравитационного параметра — м 3 с −2 .
Следует отметить тот факт, что значение гравитационной постоянной несколько варьируется даже до сегодняшнего дня, а чистое значение масс космических тел в то время было определить довольно сложно, поэтому гравитационный параметр нашел более широкое применение.
Эксперимент Кавендиша
Эксперимент по определению точного значения гравитационной постоянной впервые предложил английский естествоиспытатель Джон Мичелл, который сконструировал крутильные весы. Однако, не успев провести эксперимент, в 1793-м году Джон Мичелл умер, а его установка перешла в руки Генри Кавендишу – британскому физику. Генри Кавендиш улучшил полученное устройство и провел опыты, результаты которых были опубликованы в 1798-м году в научном журнале под названием «Философские труды Королевского общества».
Генри Кавендиш (1731 — 1810)
Установка для проведения эксперимента состояла из нескольких элементов. Прежде всего она включала 1,8-метровое коромысло, к концам которого крепились свинцовые шарики с массой 775 г и диаметром 5 см. Коромысло было подвешено на медной 1-метровой нити. Несколько выше крепления нити, ровно над ее осью вращения устанавливалась еще одна поворотная штанга, к концам которой жестко крепились два шара массой 49,5 кг и диаметром 20 см. Центры всех четырех шаров должны были лежать в одной плоскости. В результате гравитационного взаимодействия притяжение малых шаров к большим должно быть заметно. При таком притяжении нить коромысла закручивается до некоторого момента, и ее сила упругости должна равняться силе тяготения шаров. Генри Кавендиш измерял силу тяготения посредством измерения угла отклонения плеча коромысла.
Более наглядное описание эксперимента доступно в видео ниже:
Для получения точного значения константы Кавендишу пришлось прибегнуть к ряду мер, снижающих влияние сторонних физических факторов на точность эксперимента. В действительности Генри Кавендиша проводил эксперимент не для того, чтобы выяснить значение гравитационной постоянной, а для расчета средней плотности Земли. Для этого он сравнивал колебания тела, вызванные гравитационным возмущением шара известной массы, и колебания, вызванные тяготением Земли. Он достаточно точно вычислил значение плотности Земли – 5,47 г/см 3 (сегодня более точные расчеты дают 5,52 г/см 3). Согласно различным источникам, значение гравитационной постоянной, высчитанное из гравитационного параметра с учетом плотности Земли, полученной Кавердишем, составило G=6,754·10 −11 м³/(кг·с²), G = 6,71·10 −11 м³/(кг·с²) или G = (6,6 ± 0,04)·10 −11 м³/(кг·с²). До сих пор неизвестно, кто впервые получил численное значение постоянной Ньютона из работ Генри Кавердиша.
Измерение гравитационной постоянной
Наиболее раннее упоминание гравитационной постоянной, как отдельной константы, определяющей гравитационное взаимодействие, найдено в «Трактате по механике», написанном в 1811-м году французским физиком и математиком — Симеоном Дени Пуассоном.
Измерение гравитационной постоянной проводится различными группами ученых и по сей день. При этом, несмотря на обилие доступных исследователям технологий, результаты экспериментов дают различные значения данной константы. Из этого можно было бы сделать вывод, что, возможно, гравитационная постоянная на самом деле непостоянная, а способна менять свое значение, с течением времени или от места к месту. Однако, если значения константы по результатам экспериментов разнятся, то неизменность этих значений в рамках этих экспериментов уже проверена с точностью до 10 -17 . Кроме того, согласно астрономическим данным постоянная G не изменилась в значительной степени за несколько последних сотен миллионов лет. Если постоянная Ньютона и способна меняться, то ее изменение не превысило б отклонение на число 10 -11 – 10 -12 в год.
Примечательно, что летом 2014-го года совместно группа итальянских и нидерландских физиков провели эксперимент по измерению гравитационной постоянной совсем иного вида. В эксперименте использовались атомные интерферометры, которые позволяют отследить влияние земной гравитации на атомы. Значение константы, полученное таким образом, имеет погрешность 0,015% и равняется G = 6.67191(99) × 10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 .
Qing Li et al. / Nature
Физики из Китая и России уменьшили погрешность гравитационной постоянной в четыре раза - до 11,6 частей на миллион, поставив две серии принципиально разных опытов и уменьшив до минимума систематические погрешности, искажающие результаты. Статья опубликована в Nature .
Впервые гравитационную постоянную G , входящую в закон всемирного тяготения Ньютона, измерил в 1798 году британский физик-экспериментатор Генри Кавендиш . Для этого ученый использовал крутильные весы, построенные священником Джоном Мичеллом . Простейшие крутильные весы, конструкция которых была придумана в 1777 году Шарлем Кулоном , состоят из вертикальной нити, на которой подвешено легкое коромысло с двумя грузами на концах. Если поднести к грузам два массивных тела, под действием силы притяжения коромысло начнет поворачиваться; измеряя угол поворота и связывая его с массой тел, упругими свойствами нити и размерами установки, можно вычислить значение гравитационной постоянной. Более подробно с механикой крутильных весов можно разобраться, решая соответствующую задачу .
Полученное Кавендишем значение для постоянной составило G = 6,754×10 −11 ньютонов на метр квадратный на килограмм, а относительная погрешность опыта не превышала одного процента.
Модель крутильных весов, с помощью которых Генри Кавендиш впервые измерил гравитационное притяжение между лабораторными телами
Science Museum / Science & Society Picture Library
С тех пор ученые поставили более двухсот экспериментов по измерению гравитационной постоянной, однако так и не смогли существенно улучшить их точность. В настоящее время значение постоянной, принятое Комитетом данных для науки и техники (CODATA) и рассчитанное по результатам 14 наиболее точных экспериментов последних 40 лет, составляет G = 6,67408(31)×10 −11 ньютонов на метр квадратный на килограмм (в скобках указана погрешность последних цифр мантиссы). Другими словами, ее относительная погрешность примерно равна 47 частей на миллион, что всего в сто раз меньше, чем погрешность опыта Кавендиша и на много порядков больше, чем погрешность остальных фундаментальных констант. Например, ошибка измерения постоянной Планка не превышает 13 частей на миллиард, постоянной Больцмана и элементарного заряда - 6 частей на миллиард, скорости света - 4 частей на миллиард. В то же время, физикам очень важно знать точное значение постоянной G , поскольку оно играет ключевую роль в космологии, астрофизике, геофизике и даже в физике частиц. Кроме того, высокая погрешность постоянной мешает переопределить значения других физических величин.
Скорее всего, низкая точность постоянной G связана со слабостью сил гравитационного притяжения, которые возникают в наземных экспериментах, - это мешает точно измерить силы и приводит к большим систематическим погрешностям , обусловленным конструкцией установок. В частности, заявленная погрешность некоторых экспериментов, использованных при расчете значения CODATA, не превышала 14 частей на миллион, однако различие между их результатами достигало 550 частей на миллион. В настоящее время не существует теории, которая могла бы объяснить такой большой разброс результатов. Скорее всего, дело в том, что в некоторых экспериментах ученые упускали из виду какие-то факторы, которые искажали значения постоянной. Поэтому все, что остается физикам-экспериментаторам - уменьшать систематические погрешности, минимизируя внешние воздействия, и повторять измерения на установках с принципиально разной конструкцией.
Именно такую работу провела группа ученых под руководством Цзюнь Ло (Jun luo) из Университета науки и технологий Центрального Китая при участии Вадима Милюкова из ГАИШ МГУ .
Для уменьшения погрешности исследователи повторяли опыты на нескольких установках с принципиально разной конструкцией и различными значениями параметров. На установках первого типа постоянная измерялась с помощью метода TOS (time-of-swing), в котором величина G определяется по частоте колебаний крутильных весов. Чтобы повысить точность, частота измеряется для двух различных конфигураций: в «ближней» конфигурации внешние массы находятся поблизости от равновесного положения весов (эта конфигурация представлена на рисунке), а в «дальней» - перпендикулярно равновесному положению. В результате частоты колебаний в «дальней» конфигурации оказывается немного меньше, чем в «ближней» конфигурации, и это позволяет уточнить значение G .
С другой стороны, установки второго типа полагались на метод AAF (angular-acceleration-feedback) - в этом методе коромысло крутильных весов и внешние массы вращаются независимо, а их угловое ускорение измеряется с помощью системы управления с обратной связью, которая поддерживает нить незакрученной. Это позволяет избавиться от систематических ошибок, связанных с неоднородностью нити и неопределенностью ее упругих свойств.
Схема экспериментальных установок по измерению гравитационной постоянной: метод TOS (a) и AAF (b)
Qing Li et al. / Nature
Фотографии экспериментальных установок по измерению гравитационной постоянной: метод TOS (a–c) и AAF (d–f)
Qing Li et al. / Nature
Кроме того, физики постарались до минимума сократить возможные систематические ошибки. Во-первых, они проверили, что гравитирующие тела, участвующие в опытах, действительно однородны и близки к сферической форме - построили пространственное распределение плотности тел с помощью сканирующего электронного микроскопа , а также измерили расстояние между геометрическим центром и центром масс двумя независимыми методами. В результате ученые убедились, что колебания плотности не превышают 0,5 части на миллион, а эксцентриситет - одной части на миллион. Кроме того, исследователи поворачивали сферы на случайный угол перед каждым из опытов, чтобы скомпенсировать их неидеальности.
Во-вторых, физики учли, что магнитный демпфер , который используется для подавлений нулевых мод колебаний нити, может вносить вклад в измерение постоянной G , а затем изменили его конструкцию таким образом, чтобы этот вклад не превышал нескольких частей на миллион.
В-третьих, ученые покрыли поверхность масс тонким слоем золотой фольги, чтобы избавиться от электростатических эффектов, и пересчитали момент инерции крутильных весов с учетом фольги. Отслеживая электростатические потенциалы частей установки в ходе опыта, физики подтвердили, что электрические заряды не влияют на результаты измерений.
В-четвертых, исследователи учли, что в методе AAF кручение происходит в воздухе, и скорректировали движение коромысла с учетом сопротивления воздуха. В методе TOS все части установки находились в вакуумной камере, поэтому подобные эффекты можно было не учитывать.
В-пятых, экспериментаторы поддерживали температуру установки постоянной в течение опыта (колебания не превышали 0,1 градуса Цельсия), а также непрерывно измеряли температуру нити и корректировали данные с учетом едва заметных изменений ее упругих свойств.
Наконец, ученые учли, что металлическое покрытие сфер позволяет им взаимодействовать с магнитным полем Земли, и оценили величину этого эффекта. В ходе эксперимента ученые каждую секунду считывали все данные, включая угол поворота нити, температуру, колебания плотности воздуха и сейсмические возмущения, а затем строили полную картину и рассчитывали на ее основании значение постоянной G .
Каждый из опытов ученые повторяли много раз и усредняли результаты, а затем изменяли параметры установки и начинали цикл сначала. В частности, опыты с использованием метода TOS исследователи провели для четырех кварцевых нитей различного диаметра, а в трех экспериментах со схемой AAF ученые изменяли частоту модулирующего сигнала. На проверку каждого из значений физикам понадобилось около года, а суммарно эксперимент продлился более трех лет.
(a) Зависимость от времени периода колебаний крутильных весов в методе TOS; сиреневые точки отвечают «ближней» конфигурации, синие - «дальней». (b) Усредненные значения гравитационной постоянной для различных установок TOS
(Gravitational constant – size not a constant)
Часть 1
Рис.1
В физике имеется только одна константа, связанная с гравитацией – это гравитационная постоянная (G). Эта постоянная получена экспериментально и не имеет связи с другими постоянными. В физике она считается фундаментальной.
Данной константе будет посвящено несколько статей, где я постараюсь показать несостоятельность ее постоянства и отсутствие фундамента под ней. Точнее сказать фундамент под ней есть, но несколько иной.
Каково значение постоянной гравитации и почему ее так тщательно измеряют? Чтобы разобраться, необходимо снова вернуться к закону всемирного тяготения. Почему физики приняли этот закон, мало того, они стали называть его «величайшим обобщением, достигнутым человеческим разумом» . Его формулировка проста: два тела действуют друг на друга с силой, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их масс.
G – гравитационная постоянная
Из этой простой формулы следует множество весьма нетривиальных выводов, но нет ответа на основополагающие вопросы: каким образом и за счет чего действует сила тяготения?
Этот закон ничего не говорит о механизме возникновения силы притяжения, тем не менее, им пользуются до сих пор и будут, очевидно, пользоваться еще не одно столетие.
Одни ученые его охаивают, другие боготворят. И те и другие без него не обходятся, т.к. лучше ничего не придумали и не открыли. Практики, при освоении Космоса, зная несовершенство данного закона, используют поправочные таблицы, которые пополняются новыми данными после каждого запуска космических аппаратов.
Теоретики пытаются исправить данный закон путем ввода поправок, дополнительных коэффициентов, ищут доказательство факта существования ошибки в размерности гравитационной константы G, но ничего не приживается, а формула Ньютона остается в первоначальном виде.
Учитывая то многообразие неоднозначностей, неточностей при расчетах по данной формуле, ее все же нужно исправлять.
Широко известно выражение Ньютона: «Gravity is Universal», т. е. тяготение всемирно. Данный закон описывает гравитационное взаимодействие между двумя телами, где бы они не находились во Вселенной; в этом считается суть его универсализма. Гравитационная постоянная G, входящая в уравнение, рассматривается как универсальная константа природы.
Константа G позволяет проводить удовлетворительные расчеты в земных условиях, по логике, она и должна отвечать за энергетическое взаимодействие, но что взять с константы.
Интересно мнение ученого (Костюшко В.Е), который ставил реальные опыты для понимания и раскрытия законов природы, фраза: «У природы нет ни физических законов, ни физических констант с придуманными человеком размерностями». «В случае с гравитационной константой в науке утвердилось мнение, что эта величина найдена и численно оценена. Однако до сих пор не установлен ее конкретный физический смысл и это, прежде всего, потому, что на самом деле, в результате некорректных действий, а точнее грубейших ошибок, была получена ничего не значащая и совершенно бессмысленная величина с абсурдной размерностью» .
Я бы не хотел ставить себя в позу такой категоричности, но нужно, наконец, понять смысл этой постоянной.
В настоящее время значение гравитационной постоянной утверждено комитетом по фундаментальным физическим константам: G=6,67408·10 -11 м³/(кг·с²) [КОДАТА 2014] . Несмотря на то, что данную константу тщательно измеряют, она не удовлетворяет требованиям науки. Все дело в том, что нет точной стыковки результатов между аналогичными измерениями, проводимыми в разных лабораториях мира.
Как отмечают Мельников и Пронин: «Исторически гравитация стала первой предметом научных исследований. Хотя прошло уже более 300 лет с момента появления закона тяготения, которым мы обязаны Ньютону, константа гравитационного взаимодействия остается наименее точно измеренной, по сравнению с остальными» .
Кроме того, остается открытым главный вопрос о самой природе гравитации и ее сущности. Как известно, сам закон всемирного тяготения Ньютона, проверен гораздо с большей точностью, чем точность константы G. Основное ограничение на точное определение гравитационных сил накладывает гравитационная константа, отсюда к ней такое пристальное внимание.
Одно дело уделять внимание, и совсем другое – точность совпадения результатов при измерении G. В двух самых точных измерениях ошибка может достигать порядка 1/10000. Но когда измерения проводились в разных точках планеты, то значения могли превышать экспериментальную ошибку на порядок и более!
Что же это за постоянная, когда такой огромный разброс показаний при ее измерениях? А может это совсем не постоянная, а измерение каких-то отвлеченных параметров. Или на измерения накладываются помехи, неизвестные исследователям? Вот здесь появляется новая почва для различных гипотез. Одни ученые ссылаются на магнитное поле Земли: «Взаимовлияние гравитационного и магнитного полей Земли приводит к тому, что земное тяготение будет сильнее в тех местах, где сильнее магнитное поле» . Последователи Дирака утверждают, что гравитационная постоянная изменяется с течением времени и т.д.
Одни вопросы снимают из-за недоказанности, а другие появляются и это закономерный процесс. Но такое безобразие не может продолжаться бесконечно, надеюсь, мое исследование поможет установить направление к истине.
Первым, кому приписывают первенство эксперимента в измерении постоянной гравитации, был английский химик Генри Кавендиш, который в 1798 году задался целью определить плотность Земли. Для такого тонкого эксперимента им были использованы крутильные весы, изобретенные Дж. Мичеллом (сейчас являются экспонатом в национальном музее Великобритании). Кавендиш сравнивал маятниковые колебания пробного тела под действием тяготения шаров известной массы в поле тяготения Земли.
Экспериментальные данные, как оказалось впоследствии, пригодились для определения G. Полученный Кавендишем результат – феноменальный, отличался всего на 1% от принятого сегодня. Надо отметить какое это было великое достижение в его эпоху. За два с лишним века наука эксперимента продвинулась всего на 1%? Это невероятно, но факт. Притом, если учесть флуктуации и невозможность их преодолеть, значение G присваивается искусственно, то получается, что мы вообще не продвинулись в точности измерений со времен Кавендиша!
Да! Никуда мы не продвинулись, наука находится в прострации – не понимая гравитации!
Почему наука за три с лишним столетия практически не продвинулось в точности измерения данной константы? Может все дело в инструменте, использованном Кавендишем. Крутильные весы – изобретение 16 века, остались на вооружении ученых и по сей день. Конечно это уже не те крутильные весы, посмотрите на фотографию, рис. 1. Несмотря на навороты современной механики и электроники, плюс вакуум, стабилизация температуры, результат практически не сдвинулся с места. Очевидно, что-то здесь не так.
Наши предки и современники предпринимали различные попытки измерений G в разных географических широтах и в самых невероятных местах: глубоких шахтах, ледяных пещерах, скважинах, на телебашнях. Были усовершенствованы конструкции крутильных весов. Новые измерения, с целью уточнения гравитационной постоянной, повторялись и поверялись. Ключевой эксперимент был поставлен в Лос-Аламосе в 1982-м году Г. Лютером (G. Luther) и У. Таулером (W. Towler). Их установка напоминала крутильные весы Кавендиша, с шарами из вольфрама. Результат этих измерений 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (т.е. 6,6726±0,0005), был положен в основу, рекомендованных комитетом данных для науки и техники (CODATA) значений в 1986-м году .
Всё было спокойно до 1995 года, когда группа физиков в немецкой лаборатории PTB в Брауншвейге, используя модифицированную установку (весы плавали на поверхности ртути, с шарами большой массы), получили значение G на (0.6±0,008)% больше общепринятых . В результате в 1998 году погрешность измерения G была увеличена почти на порядок.
В настоящее время активно обсуждаются эксперименты по проверке закона всемирного тяготения, основанные на атомной интерферометрии, для измерения микроскопических пробных масс и очередного тестирования ньютоновского закона тяготения в микромире.
Предпринимались попытки применения других способов измерения G, но корреляция между измерениями практически не меняется. Этот феномен сегодня называют нарушением закона обратных квадратов либо «пятой силой». К пятой силе сейчас относят и некие частицы (поля) Хиггса – частицы Бога.
Кажется, божественную частицу удалось зафиксировать, а точнее сказать, вычислить, так сенсационно преподнесли Миру весть физики, участвовавшие в эксперименте на Большом адронном коллайдере (БАК) (LHC) .
На бозон Хиггса надейся, но сам не плошай!
Так что же это за таинственная постоянная, которая гуляет сама по себе, а без нее никуда?
Читаем продолжение статьи
