Коефіцієнт гравітаційної постійної. Гравітаційна постійна – величина змінна

Як не дивно це може здатися, але з точним визначенням гравітаційної постійної дослідники завжди мали проблеми. Автори статті говорять про три сотні попередніх спроб зробити це, але вони призводили до значень, які збігалися з іншими. Навіть протягом останніх десятиліть, коли точність вимірів значно зросла, ситуація залишалася незмінною — дані один з одним, як і раніше, збігатися відмовлялися.

Основний метод виміру Gзалишився незмінним з 1798 року, коли Генрі Кавендіш вирішив використати для цього крутильні (або торсіонні) ваги. Зі шкільного курсу відомо, що являла собою така установка. У скляному ковпаку на метровій нитці з срібної міді висіло дерев'яне коромисло зі свинцевих куль, кожний по 775 р.

Wikimedia Commons Вертикальний розріз установки (Копія малюнка зі звіту Г. Кавендіша "Experiments to determine the Density of the Earth", опублікованого в Працях Лондонського Королівського Товариства за 1798 (частина II) том 88 стор.469-526)

До них підносили свинцеві кулі масою 49,5 кг, і в результаті дії гравітаційних силкоромисло закручувалося на якийсь кут, знаючи який і знаючи жорсткість нитки, можна було обчислити величину постійної гравітаційної.

Проблема полягала в тому, що, по-перше, гравітаційне тяжіння дуже невелике, плюс на результат можуть впливати інші маси, не враховані експериментом і від яких не було можливості екрануватися.

Другий мінус, як не дивно, зводився до того, що атоми в масах, що підносяться, знаходилися в постійному русі, і при малому впливі гравітації цей ефект теж позначався.

Вчені вирішили додати до геніальної, але в даному випадку недостатньої ідеї Кавендіша свій метод і використали також інший прилад, квантовий інтерферометр, відомий у фізиці під назвою СКВІД (від англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «надпровідний квантовий інтерферометр»; у буквальному перекладі з англійської squid — «кальмар»; надчутливі магнітометри, які використовуються для вимірювання дуже слабких магнітних полів).

Цей пристрій відстежує мінімальні відхилення від магнітного поля.

Заморозивши лазером 50 кг кулі з вольфраму до температур, близьких до абсолютному нулю, відстеживши за змінами магнітного поля переміщення в цій кулі атомів і, таким чином, виключивши їх вплив на результат виміру, дослідники отримали значення гравітаційної постійної з точністю 150 частин на мільйон, тобто 15 тисячних відсотків. Тепер значення цієї постійної, заявляють вчені, дорівнює 6,67191 (99) · 10 -11 м 3 · с -2 · кг -1 . Попереднє значення Gстановило 6,67384 (80) · 10 -11 м 3 · с -2 · кг -1.

І це досить дивно.

Гравітаційна постійна є основою для переведення інших фізичних та астрономічних величин, таких, наприклад, як маси планет у Всесвіті, включаючи Землю, а також інших космічних тіл, у традиційні одиниці виміру, і поки вона весь час інша. У 2010 році, в якій американські вчені Гарольд Паркс і Джеймс Фаллер пропонували уточнене значення 6,67234 (14) · 10 -11 м 3 · с -2 · кг -1 . Це значення було отримано ними шляхом реєстрації за допомогою лазерного інтерферометра зміни відстаней між маятниками, підвішеними на струнах, при їх коливаннях щодо чотирьох вольфрамових циліндрів – джерел гравітаційного поля – з масами 120 кг кожен. Друге плече інтерферометра, що є стандартом відстані, фіксувалося між точками підвісу маятників. Отримана Парксом і Фаллером величина виявилася на три стандартні відхилення менше величини G, рекомендованою у 2008 році Комітетом даних для науки та техніки (CODATA)але відповідає більш ранньому значенню CODATA, представленому в 1986 році. Тоді повідомлялося, Що перегляд величини G, що відбувся в період з 1986 по 2008 був викликаний дослідженнями непружності ниток підвісок в крутильних вагах.

Усі спроби експериментаторів зі зменшення похибки вимірів гравітаційної постійної Землі досі зводилися нанівець. Як було зазначено раніше, з часів Кавендіша точність виміру цієї постійної практично не збільшилася. За два з лишком століття точність виміру не зрушила з місця. Таку ситуацію можна назвати за аналогією з "ультрафіолетовою катастрофою" як "катастрофа гравітаційної постійної". З ультрафіолетової катастрофи вибралися за допомогою квантів, а як вийти із катастрофи з гравітаційною постійною?

З крутильних ваг Кавендіша вже нічого не вичавиш, тому вихід можна знайти, скориставшись усередненим значенням прискорення вільного падіння та обчислити Gіз відомої формули:

Де, g – прискорення вільного падіння (g=9,78 м/с 2 – на екваторі; g=9,832 м/с 2 – на полюсах).

R- Радіус Землі, м,

M- Маса Землі, кг.

Стандартне значення прискорення вільного падіння, прийняте під час побудови систем одиниць, дорівнює: g=9,80665 . Звідси усереднене значення Gбуде одно:

Відповідно до отриманого G, уточнимо температуру з пропорції:

6,68·10 -11 ~х=1~4,392365689353438·10 12

Ця температура відповідає за шкалою Цельсія 20,4 o .

Такий компроміс, на мою думку, цілком міг би задовольнити дві сторони: експериментальну фізику та комітет (КОДАТА), щоб періодично не переглядати і не змінювати значення гравітаційної постійної для Землі.

Можна «законодавчо» затвердити нинішнє значення постійної гравітаційної для Землі G=6,67408·10 -11 Нм 2 /кг 2 , але скоригувати стандартне значення g=9,80665, дещо зменшивши його значення.

Крім того, якщо використовувати середню температуру Землі, що дорівнює 14 o С, то гравітаційна постійна дорівнюватиме G=6,53748·10 -11 .

Отже, у нас є три значення, які претендують на п'єдестал гравітаційної постійної Gдля планети 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).

Комітету КОДАТУ залишається винести остаточний вердикт, яку з них затвердити як постійну гравітаційну Землі.

Мені можуть заперечити, якщо гравітаційна постійна залежить від температури тіл, що взаємодіють, то сили тяжіння вдень і вночі, взимку і влітку повинні відрізнятися. Так, саме так і має бути з малими тілами. Але Земля величезна куля, що швидко обертається, має величезний запас енергії. Звідси інтегральна кількість крафонів взимку і влітку, вдень і вночі, що вилітають із Землі, однакова. Тому прискорення вільного падіння однією широті залишається завжди постійним.

Якщо переміститися на Місяць, де різниця температур денної та нічної півкуль сильно різняться, то гравіметри повинні зафіксувати різницю сили тяжіння.

Related Posts

11 коментарів

    Тільки одне питання до Вас:

    Чи у Вас у посторінці енергія не у сфері поширюється?

    І якщо Ви вже вирішили перейти до температури, то в точках центрів мас, вірніше звичайно випускають енергію, вона ж невідома (експериментально вона ніяк не може бути підтверджена), відповідно, її ще обчислити необхідно.

    Ну і самого осмисленого опису процесу гравітаційної взаємодіїтіл у Вас і близько немає, якісь «червоні фотони (крафони) прилетіли в тіло, принесли енергію, це зрозуміло, але не дає відповіді на запитання: «чому при цьому воно має почати рухатися (переміщатися) саме в той бік, з якої вони прибули, а не в протитоложну їй, тобто згідно з прикладеною силою (наданою від цих ваших крафонів імпульсу енергії)?»

    Тільки одне питання до Вас:
    Якщо Ви вже почали говорити про енергію, то чому геть-чисто забули про 4Пі перед R^2?!
    Чи у Вас у посторінці енергія не у сфері поширюється?
    І якщо Ви вже вирішили перейти до температури, то в точках центрів мас, вірніше звичайно випускають енергію, вона ж невідома (експериментально вона ніяк не може бути підтверджена), відповідно, її ще обчислити необхідно.
    Ну і самого осмисленого опису процесу гравітаційної взаємодії тіл у Вас і немає, якісь «червоні фотони (крафони) прилетіли в тіло, принесли енергію, це розуміємо, але не дає відповіді на запитання: «чому при цьому воно має почати рухатися ( переміщатися) саме в той бік, з якого вони прибули, а не в протитоложний їй, тобто згідно з прикладеною силою (наданим від цих ваших крафонів імпульсом енергії)?»
    ________________________________________________________
    Замість одного заявленого питання виявилося три, але суть не в цьому.
    1. Щодо 4π. У формулах (9) та (10) R2 – це відстань від тіла (предмета) до центру Землі. Звідки тут має з'явитись 4π – не зрозуміло.
    2. Що стосується максимальної температури речовини в природі. Ви, мабуть, полінувалися відкрити посилання наприкінці статті: «Гравітаційна стала величина – змінна».
    3. Тепер щодо «осмисленого опису процесу гравітаційної взаємодії тіл». Все осмислено та описано. Щодо того, в який бік летять ці самі крафони, читаємо статті: «». Сонячні фотони стартують із поверхні Світила без віддачі, з придбанням імпульсів надання. Фотон, на противагу матеріальному світу, не має інерції – його імпульс виникає у момент відриву від джерела без віддачі!
    Явище віддачі спостерігається лише у тілах, коли під дією внутрішніх силвоно розпадається на частини, що розлітається на протилежні сторони. Фотон не розпадається на частини, він не розлучається зі своїм набутим імпульсом до свого поглинання, тому для нього вираз (3) буде справедливим.
    «», та ч.2.
    Цитата з 2-ї частини: «Крафони з елементарної кульки вилітають спонтанно, за різними напрямками за нормаллю його поверхні. Причому, спрямовані вони, переважно, у повітря, тобто. більш розріджений електромагнітний ефір (ЕМЕ) порівняно з ЕМЕ вод Світового океану. У принципі, та сама картина спостерігається і на материках».
    Шановні читачі, на тему: як виникає гравітація, і хто її переносник, читайте весь розділ під назвою: «Гравітація». Звичайно, можна і вибірково, для цього клацніть по кнопці «Картка сайту» верхнього меню, розташованого над шапкою сайту.

    Додавання до попереднього коментаря.

    12окт.2016р. На сторінках електронного науково-практичного журналу «Сучасні наукові дослідження та інновації» опубліковано мою статтю під назвою «Фотонно-квантова гравітація». У статті викладено суть гравітації. Прочитати за посиланням:

    P.S. Олексій Ви маєте рацію, в даному журналівказаної статті немає. Читай нижче мій коментар.

    Щось немає Вашої статті у жовтневому номері «Сучасні наукові дослідження та інновації» ((

    «Щось немає Вашої статті у жовтневому номері «Сучасні наукові дослідження та інновації» ((
    Стаття: ГРАВІТАЦІЯ ЗЕМЛІ ФОТОННО-КВАНТОВА ГРАВІТАЦІЯ переїхала до іншого журналу: 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. Чи не ускладнить Вас детальніше показати Ваші обчислення маси та радіусу Землі, які використовуються у перевірочній формулі G (9) для Землі. Чи не побоюєтеся Ви якоїсь фізичної тавтології використовуючи ці величини ВИЧИСЛЕНІ з тими самими константами? Микула

    «Чи не ускладнить Вас детальніше показати Ваші обчислення маси та радіусу Землі, які використовуються у перевірочній формулі G (9) для Землі. Чи не побоюєтеся Ви якоїсь фізичної тавтології використовуючи ці величини ВИЧИСЛЕНІ з тими самими константами? Мікула»
    ———————————
    Та куди докладніше. У формулі 9 обчислено два крайні значення G для прискорення вільного падіння (g=9,78 м/с2 – на екваторі; g=9,832 м/с2 – на полюсах). Для стандартного значення прискорення вільного падіння виконано 10. Що стосується маси і радіусу Землі, то вони практично не зміняться. У чому тавтологія, я не бачу.

    Та куди докладніше. У формулі 9 обчислено два крайні значення G для прискорення вільного падіння (g=9,78 м/с2 – на екваторі; g=9,832 м/с2 – на полюсах). Для стандартного значення прискорення вільного падіння виконано 10. Що стосується маси і радіусу Землі, то вони практично не зміняться. У чому тавтологія, я не бачу.

    «Всі тіла, які мають масу, збуджують в навколишньому просторі гравітаційні поля, подібно до того, як електрично заряджені частинки утворюють навколо себе електростатичне поле. Можна припустити, що тіла несуть у собі гравітаційний заряд, аналогічний електричному, або, по-іншому, мають гравітаційну масу. З високою точністю було встановлено, що інертна та гравітаційна маси збігаються.
    2
    Нехай є два точкові тіла масами m1 і m2. Вони віддалені один від одного на відстань r. Тоді сила гравітаційного тяжіння з-поміж них дорівнює: F=C·m1·m2/r², де З – коефіцієнт, який залежить від обраних одиниць виміру.

    3
    Якщо поверхні Землі є невелике тіло, його розмірами і масою можна знехтувати, т.к. габарити Землі набагато перевершують їх. При визначенні відстані між планетою та поверхневим тілом розглядається лише радіус Землі, т.к. висота розташування тіла дуже мала в порівнянні з ним. Виходить, що Земля притягує тіло із силою F=M/R², де M – маса Землі, R – її радіус.
    4
    Згідно Закону всесвітнього тяжіння, прискорення тіл за дії сили тяжіння лежить на поверхні Землі одно: g=G M/ R². Тут G – гравітаційна стала, чисельно дорівнює приблизно 6,6742 10^(−11).
    5
    Прискорення вільного падіння g та радіус землі R знаходяться з безпосередніх вимірів. Константа G з великою точністю визначена у дослідах Кевендіша та Йоллі. Отже, маса Землі M=5,976 10^27 г ≈ 6 10^27 г.

    Тавтологія, на мій погляд, зрозуміло помилковий, полягає в тому, що при обчисленні маси Землі використовується все той же коефіцієнт G Кавендіша Йоллі під назвою гравітаційна постійна, яка зовсім навіть не постійна, в чому я з Вами абсолютно згоден. Тому Ваш посил «З крутильних ваг Кавендіша вже нічого не вичавиш, тому вихід можна знайти, скориставшись усередненим значенням прискорення вільного падіння та обчислити G із відомої формули:» не зовсім коректний. Ваш розрахунок константи G вже використано для маси Землі. Ні в якому разі не хочу Вас докорити, просто дуже хочу розібратися з цією гравітаційною постійною, якої в законі Роберта Гука привласненого Ньютоном зовсім навіть не було. З глибокою повагою Микула.

    Шановний, Микуло, Ваше бажання зрозуміти та розібратися з гравітаційною постійною похвально. З огляду на те, що зрозуміти цю константу бажали багато вчених, але не багатьом вдалося це зробити.
    «Константа G з великою точністю визначена у дослідах Кавендіша та Йоллі».
    Ні! З невеликою! Інакше, навіщо б наука витрачала кошти та час для її регулярної перевірки та уточнення, тобто. усереднення результатів, чим займається КОДАТА. А потрібна вона якраз для того, щоб «зважити Землю» і дізнатися про її щільність, чим і прославився Кавендіш. Але як бачите, G гуляє від одного досвіду до іншого. Те саме і з прискоренням вільного падіння.
    Гравітаційна стала - це коефіцієнт для одного значення температури, а температура, що дишло.
    Що я пропоную? Для планети Земля раз і назавжди встановити одне значення G і зробити її дійсно постійною з урахуванням g.
    Не полінуйтеся, прочитайте всі статті в рубриці G (гравітаційна постійна), думаю, у Вас багато чого проясниться. Почніть спочатку:

    Шлях Наш у темряві… І стукаємось Ми лобами не лише об слизові стіни підземелля в пошуках проблисків до виходу, а й об лоби таких же нещасних, матюкаючись і проклинаючи… кульгаві, безрукі, сліпі жебраки… І не чуємо один одного. Простягаємо руку і отримуємо в неї плювок... і тому нескінченний Наш шлях... І все ж... ось моя рука. Це моя версія розуміння природи гравітації… та «сильної взаємодії».
    Мезенців Микола Федорович.

    Ваша рука, на жаль, мені ніяк не допомогла, а власне навіщо.

Цей сайт використовує Akismet для боротьби зі спамом. .


Ваш коментар на модерації.

Гравітаційна постійна чи інакше – постійна Ньютона – одне з основних констант, які у астрофізиці. Фундаментальна фізична стала визначає силу гравітаційної взаємодії. Як відомо, силу, з якою кожне з двох тіл, що взаємодіють за допомогою , притягується, можна вирахувати з сучасної формизаписи закону всесвітнього тяжіння Ньютона:

  • m 1 і m 2 - тіла, що взаємодіють за допомогою гравітації
  • F 1 та F 2 – вектори сили гравітаційного тяжіння, спрямовані до протилежного тіла
  • r – відстань між тілами
  • G – гравітаційна постійна

Цей коефіцієнт пропорційності дорівнює модулю сили тяжіння першого тіла, що діє на точкове друге тіло одиничної маси, при одиничній відстані між цими тілами.

G= 6,67408(31)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , або Н·м²·кг −2 .

Очевидно, що дана формулашироко застосовується у сфері астрофізики і дозволяє розрахувати гравітаційне обурення двох масивних космічних тіл, визначення подальшого їх поведінки.

Роботи Ньютона

Примітно, що у працях Ньютона (1684-1686) гравітаційна стала у явному вигляді була відсутня, як й у записах інших учених до кінця XVIII століття.

Ісаак Ньютон (1643 - 1727)

Раніше використовувався так званий гравітаційний параметр, який дорівнював добутку постійної гравітаційної на масу тіла. Знаходження такого параметра на той час було більш доступним, тому на сьогоднішній день значення гравітаційного параметра різних космічних тіл (переважно Сонячна система) Докладніше відомо, ніж окремо значення гравітаційної постійної та маси тіла.

µ = GM

Тут: µ - Гравітаційний параметр, G- гравітаційна постійна, а M- Маса об'єкта.

Розмірність гравітаційного параметра - м 3 з -2.

Слід зазначити той факт, що значення гравітаційної постійної дещо варіюється навіть до сьогоднішнього дня, а чисте значеннямас космічних тіл тоді було визначити досить складно, тому гравітаційний параметр знайшов ширше застосування.

Експеримент Кавендіша

Експеримент з визначення точного значення гравітаційної постійної вперше запропонував англійський дослідник природи Джон Мічелл, який сконструював крутильні ваги. Однак, не встигнувши провести експеримент, у 1793 році Джон Мічелл помер, а його установка перейшла до рук Генрі Кавендіша – британського фізика. Генрі Кавендіш покращив отриманий пристрій і провів досліди, результати яких були опубліковані в 1798 році в науковому журналі під назвою «Філософські праці Королівського товариства».

Генрі Кавендіш (1731 - 1810)

Установка щодо експерименту складалася з кількох елементів. Насамперед вона включала 1,8-метрове коромисло, до кінця якого кріпилися свинцеві кульки з масою 775 г і діаметром 5 см. Коромисло було підвішено на мідній 1-метровій нитці. Дещо вище кріплення нитки, рівно над її віссю обертання встановлювалася ще одна поворотна штанга, до кінців якої жорстко кріпилися дві кулі масою 49,5 кг і діаметром 20 см. Центри всіх чотирьох куль повинні були лежати в одній площині. В результаті гравітаційної взаємодії тяжіння малих куль до великих має бути помітним. При такому тяжінні нитка коромисла закручується до деякого моменту, і її сила пружності повинна дорівнювати силі тяжіння куль. Генрі Кавендіш вимірював силу тяжіння шляхом вимірювання кута відхилення плеча коромисла.

Більш наочний опис експерименту доступний у відео нижче:

Для отримання точного значення константи Кавендішу довелося вдатися до ряду заходів, що знижують вплив сторонніх фізичних факторів на точність експерименту. Насправді Генрі Кавендіша проводив експеримент не для того, щоб з'ясувати значення постійної гравітаційної, а для розрахунку середньої щільності Землі. І тому він порівнював коливання тіла, викликані гравітаційним обуренням кулі відомої маси, і коливання, викликані тяжінням Землі. Він досить точно обчислив значення густини Землі – 5,47 г/см 3 (сьогодні точніші розрахунки дають 5,52 г/см 3 ). Згідно з різними джерелами, значення гравітаційної постійної, вираховане з гравітаційного параметра з урахуванням щільності Землі, отриманої Кавердишем, склало G=6,754·10 −11 м³/(кг·с²), G = 6,71·10 −11 м³/(кг· с²) або G = (6,6 ± 0,04)·10 −11 м³/(кг·с²). Досі невідомо, хто вперше набув чисельного значення постійної Ньютона з робіт Генрі Кавердіша.

Вимірювання гравітаційної постійної

Найбільш ранню згадку про гравітаційну постійну, як окрему константу, що визначає гравітаційну взаємодію, знайдено в «Трактаті з механіки», написаному 1811-го року французьким фізиком і математиком — Сімеоном Дені Пуассоном.

Вимір гравітаційної постійної проводиться різними групами вчених і по сьогодні. У цьому, попри розмаїття доступних дослідникам технологій, результати експериментів дають різні значення цієї константи. З цього можна було б зробити висновок, що, можливо, гравітаційна стала насправді непостійна, а здатна змінювати своє значення, з часом або від місця до місця. Проте, якщо значення константи за результатами експериментів різняться, то незмінність цих значень у межах цих експериментів перевірено з точністю до 10 -17 . Крім того, згідно з астрономічними даними, постійна G не змінилася значною мірою за кілька останніх сотень мільйонів років. Якщо постійна Ньютона і здатна змінюватися, її зміна не перевищила б відхилення на число 10 -11 – 10 -12 на рік.

Примітно, що влітку 2014-го спільно група італійських та нідерландських фізиків провели експеримент із вимірювання гравітаційної постійної зовсім іншого вигляду. В експерименті використовувалися атомні інтерферометри, які дають змогу відстежити вплив земної гравітації на атоми. Значення константи, одержане таким чином, має похибку 0,015% і дорівнює G= 6.67191(99) × 10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 .

Qing Li та ін. / Nature

Фізики з Китаю та Росії зменшили похибку гравітаційної постійної вчетверо - до 11,6 частин на мільйон, поставивши дві серії принципово різних дослідіві зменшивши до мінімуму систематичні похибки, що спотворюють результати. Стаття опублікована в Nature.

Вперше гравітаційну постійну G, що входить до закону всесвітнього тяжіння Ньютона, виміряв у 1798 році британський фізик-експериментатор Генрі Кавендіш. Для цього вчений використовував крутильні ваги, збудовані священиком Джоном Мічеллом. Найпростіші крутильні ваги, конструкція яких була придумана в 1777 Шарлем Кулоном, складаються з вертикальної нитки, на якій підвішено легке коромисло з двома вантажами на кінцях. Якщо піднести до вантажів два масивні тіла, під дією сили тяжіння коромисло почне повертатися; вимірюючи кут повороту і пов'язуючи його з масою тіл, пружними властивостями нитки та розмірами установки, можна обчислити значення постійної гравітаційної. Докладніше з механікою крутильних ваг можна розібратися, вирішуючи відповідне завдання.

Отримане Кавендішем значення для постійної становило G= 6,754×10 −11 ньютонів на квадратний метр на кілограм, а відносна похибка досвіду не перевищувала одного відсотка.

Модель крутильної ваги, за допомогою якої Генрі Кавендіш вперше виміряв гравітаційне тяжіння між лабораторними тілами.

Science Museum / Science & Society Picture Library

З того часу вчені поставили понад двісті експериментів щодо вимірювання гравітаційної постійної, проте так і не змогли суттєво покращити їхню точність. В даний час значення постійної, прийняте Комітетом даних для науки і техніки (CODATA) і розраховане за результатами 14 найбільш точних експериментів останніх 40 років, становить G= 6,67408(31)×10 −11 ньютонів на квадратний метр на кілограм (у дужках зазначена похибка останніх цифр мантиси). Іншими словами, її відносна погрішністьприблизно дорівнює 47 частин на мільйон, що в сто разів менше, ніж похибка досвіду Кавендиша і багато порядків більше, ніж похибка інших фундаментальних констант. Наприклад, помилка вимірювання постійної Планки не перевищує 13 частин на мільярд, постійної Больцмана та елементарного заряду - 6 частин на мільярд, швидкості світла - 4 частин на мільярд. У той же час, фізикам дуже важливо знати точне значенняпостійною Gоскільки воно відіграє ключову роль у космології, астрофізиці, геофізиці і навіть у фізиці частинок. З іншого боку, висока похибка постійної заважає перевизначити значення інших фізичних величин.

Швидше за все, низька точність постійної Gпов'язана зі слабкістю сил гравітаційного тяжіння, що виникають у наземних експериментах, - це заважає точно виміряти сили і призводить до великих систематичних похибок, обумовлених конструкцією установок. Зокрема, заявлена ​​похибка деяких експериментів, використаних при розрахунку значення CODATA, не перевищувала 14 частин на мільйон, проте різниця між їхніми результатами сягала 550 частин на мільйон. Нині немає теорії, яка б пояснити такий великий розкид результатів. Швидше за все, річ у тому, що в деяких експериментах вчені упускали з уваги якісь фактори, які спотворювали значення постійної. Тому все, що залишається фізикам-експериментаторам – зменшувати систематичні похибки, мінімізуючи зовнішні впливи, і повторювати вимірювання на установках з принципово різною конструкцією.

Саме таку роботу провела група вчених під керівництвом Цзюнь Ло (Jun luo) з Університету науки та технологій Центрального Китаю за участю Вадима Мілюкова з ДАІШ МДУ.

Для зменшення похибки дослідники повторювали досліди на кількох установках з принципово різною конструкцією та різними значеннямипараметрів. На установках першого типу стала вимірювана за допомогою методу TOS (time-of-swing), в якому величина Gвизначається за частотою коливань крутильних ваг. Щоб підвищити точність, частота вимірюється для різних конфігурацій: у «ближньої» зміни зовнішні маси перебувають поблизу рівноважного становища терезів (ця конфігурація представлена ​​малюнку), а «дальньої» - перпендикулярно рівноважному становищу. Через війну частоти коливань у «дальшої» конфігурації виявляється трохи менше, ніж у «ближньої» конфігурації, і це дозволяє уточнити значення G.

З іншого боку, установки другого типу покладалися на метод AAF (angular-acceleration-feedback) - у цьому методі коромисло крутильних ваг і зовнішні маси обертаються незалежно, а їхнє кутове прискорення вимірюється за допомогою системи керування із зворотним зв'язком, яка підтримує нитку незакрученої. Це дозволяє позбавитися систематичних помилок, пов'язаних з неоднорідністю нитки і невизначеністю її пружних властивостей.

Схема експериментальних установок з вимірювання постійної гравітаційної: метод TOS (a) і AAF (b)

Qing Li та ін. / Nature

Фотографії експериментальних установок із вимірювання гравітаційної постійної: метод TOS (a–c) та AAF (d–f)

Qing Li та ін. / Nature

Крім того, фізики намагалися до мінімуму скоротити можливі систематичні помилки. По-перше, вони перевірили, що гравітуючі тіла, що беруть участь у дослідах, дійсно однорідні та близькі до сферичної форми - побудували просторовий розподіл щільності тіл за допомогою електронного скануючого мікроскопа , а також виміряли відстань між геометричним центром і центром мас двома незалежними методами. В результаті вчені переконалися, що коливання густини не перевищують 0,5 частини на мільйон, а ексцентриситет - однієї частини на мільйон. Крім того, дослідники повертали сфери на випадковий кут перед кожним досвідом, щоб компенсувати їх неідеальності.

По-друге, фізики врахували, що магнітний демпфер, який використовується для придушення нульових мод коливань нитки, може робити внесок у вимір постійної G, а потім змінили його конструкцію таким чином, щоб цей внесок не перевищував кількох частин на мільйон.

По-третє, вчені покрили поверхню мас тонким шаром золотої фольги, щоб позбавитися електростатичних ефектів, і перерахували момент інерції крутильних ваг з урахуванням фольги. Відслідковуючи електростатичні потенціали частин установки під час досвіду, фізики підтвердили, що електричні зарядине впливають на результати вимірів.

По-четверте, дослідники врахували, що у методі AAF кручення відбувається у повітрі, і скоригували рух коромисла з урахуванням опору повітря. У методі TOS всі частини установки перебували у вакуумній камері, тому подібних ефектів можна було не враховувати.

По-п'яте, експериментатори підтримували температуру постійної установки протягом досвіду (коливання не перевищували 0,1 градуса Цельсія), а також безперервно вимірювали температуру нитки і коригували дані з урахуванням ледь помітних змін її пружних властивостей.

Нарешті, вчені врахували, що металеве покриттясфер дозволяє їм взаємодіяти з магнітним полемЗемлі і оцінили величину цього ефекту. В ході експерименту вчені кожну секунду зчитували всі дані, включаючи кут повороту нитки, температуру, коливання щільності повітря та сейсмічні обурення, а потім будували повну картину та розраховували на її підставі значення постійної. G.

Кожен із дослідів вчені повторювали багато разів і усереднювали результати, а потім змінювали параметри установки та розпочинали цикл спочатку. Зокрема, досліди з використанням методу TOS дослідники провели для чотирьох кварцових ниток різного діаметра, а в трьох експериментах зі схемою AAF вчені змінювали частоту сигналу, що модулює. На перевірку кожного із значень фізикам знадобилося близько року, а сумарно експеримент тривав понад три роки.

(a) Залежність від часу періоду коливань крутильних ваг у методі TOS; бузкові точки відповідають «ближньої» конфігурації, сині – «дальшою». (b) Середні значення гравітаційної постійної для різних установок TOS

(Gravitational constant – size not a constant)

Частина 1

Рис.1

У фізиці є лише одна константа, що з гравітацією – це гравітаційна стала (G). Ця постійна отримана експериментально і немає зв'язку з іншими постійними. У фізиці вона вважається фундаментальною.

Цій константі буде присвячено кілька статей, де я постараюся показати неспроможність її сталості та відсутність фундаменту під нею. Точніше сказати фундамент під нею є, але дещо інший.

Яке значення постійної гравітації та чому її так ретельно вимірюють? Щоб розібратися, необхідно знову повернутись до закону всесвітнього тяжіння. Чому фізики ухвалили цей закон, мало того, вони почали називати його «найбільшим узагальненням, досягнутим людським розумом». Його формулювання просте: два тіла діють один на одного з силою, яка обернено пропорційна квадрату відстані між ними і прямо пропорційна добутку їх мас.

G- гравітаційна постійна

З цієї простої формули випливає безліч вельми нетривіальних висновків, але немає відповіді на основні питання: яким чином і за рахунок чого діє сила тяжіння?

Цей закон нічого не говорить про механізм виникнення сили тяжіння, проте ним користуються досі і, очевидно, користуватимуться ще не одне століття.

Одні вчені його охаюють, інші обожнюють. І ті та інші без нього не обходяться, т.к. краще нічого не вигадали і не відкрили. Практики, освоєння Космосу, знаючи недосконалість цього закону, використовують поправочні таблиці, які поповнюються новими даними після кожного запуску космічних апаратів.

Теоретики намагаються виправити цей закон шляхом введення поправок, додаткових коефіцієнтів, шукають доказу факту існування помилки у розмірності гравітаційної константи G, але нічого не приживається, а формула Ньютона залишається в початковому вигляді.

Враховуючи те різноманіття неоднозначностей, неточностей при розрахунках за цією формулою, її все ж таки потрібно виправляти.

Широко відомий вислів Ньютона: "Gravity is Universal", тобто тяжіння всесвітньо. Цей закон описує гравітаційне взаємодія між двома тілами, де вони перебували у Всесвіті; у цьому вважається суть його універсалізму. Гравітаційна стала G, що входить в рівняння, розглядається як універсальна константа природи.

Константа G дозволяє проводити задовільні розрахунки в земних умовах, за логікою, вона і повинна відповідати за енергетичну взаємодію, але взяти з константи.

Цікавою є думка вченого (Костюшка В.Є), який ставив реальні дослідидля розуміння та розкриття законів природи, фраза: «У природи немає ні фізичних законів, ні фізичних констант із вигаданими людиною розмірностями». «У випадку з гравітаційною константою у науці утвердилася думка, що ця величина знайдена та чисельно оцінена. Однак досі не встановлено її конкретний фізичний зміст і це, перш за все, тому, що насправді, внаслідок некоректних дій, а точніше грубих помилок, було отримано нічого не значущого і абсолютно безглуздого розміру з абсурдною розмірністю» .

Я б не хотів ставити себе в позу такої категоричності, але треба нарешті зрозуміти зміст цієї постійної.

В даний час значення гравітаційної постійної затверджено комітетом із фундаментальних фізичним константам: G=6,67408·10 -11 м³/(кг·с²) [КОДАТА 2014] . Незважаючи на те, що цю константу ретельно вимірюють, вона не відповідає вимогам науки. Вся справа в тому, що немає точного стикування результатів між аналогічними вимірами, що проводяться у різних лабораторіях світу.

Як відзначають Мельников та Пронін: «Історично гравітація стала першою предметом наукових досліджень. Хоча минуло вже понад 300 років з моменту появи закону тяжіння, яким ми зобов'язані Ньютону, константа гравітаційної взаємодії залишається найменш точно виміряною порівняно з іншими» .

Крім того, залишається відкритим головне питання про саму природу гравітації та її сутність. Як відомо, сам закон всесвітнього тяжіння Ньютона перевірений набагато з більшою точністю, ніж точність константи G. Основне обмеження на точне визначеннягравітаційних сил накладає гравітаційна константа, звідси до неї така пильна увага.

Одна справа приділяти увагу, і зовсім інша – точність збігу результатів при вимірі G. У двох найточніших вимірах помилка може досягати близько 1/10000. Але коли виміри проводилися в різних точкахпланети, то значення могли перевищувати експериментальну помилку на порядок і більше!

Що ж це за постійна, коли такий величезний розкид показань під час її вимірів? А може, це зовсім не постійна, а вимір якихось абстрактних параметрів. Чи на виміри накладаються перешкоди, невідомі дослідникам? Ось тут з'являється новий ґрунт для різних гіпотез. Одні вчені посилаються на магнітне поле Землі: «Взаємовплив гравітаційного та магнітного полів Землі призводить до того, що земне тяжіння буде сильнішим у тих місцях, де сильніше магнітне поле» . Послідовники Дірака стверджують, що гравітаційна стала змінюється з часом і т.д.

Одні питання знімають через недоведеність, інші з'являються і це закономірний процес. Але таке неподобство не може продовжуватись нескінченно, сподіваюся, моє дослідження допоможе встановити напрямок до істини.

Першим, кому приписують першість експерименту у вимірі постійної гравітації, був англійський хімік Генрі Кавендіш, який у 1798 році поставив за мету визначити щільність Землі. Для такого тонкого експерименту ним були використані ваги, винайдені Дж. Мічеллом (зараз є експонатом у національному музеї Великобританії). Кавендіш порівнював маятникові коливання пробного тіла під дією тяжіння куль відомої маси в полі тяжіння Землі.

Експериментальні дані, як виявилося згодом, стали в нагоді для визначення G. Отриманий Кавендішем результат - феноменальний, відрізнявся всього на 1% від прийнятого сьогодні. Слід зазначити яке це було велике досягнення у його епоху. За два з лишком століття наука експерименту просунулась лише на 1%? Це неймовірно, але факт. До того ж, якщо врахувати флуктуації і неможливість їх подолати, значення G присвоюється штучно, то виходить, що ми взагалі не просунулися точно вимірів з часів Кавендіша!

Так! Нікуди ми не просунулися, наука перебуває у прострації – не розуміючи гравітації!

Чому наука за три з лишком століття мало просунулося точно виміру цієї константи? Може вся справа в інструменті, використаному Кавендішем. Крутильна вага - винахід 16 століття, залишилися на озброєнні вчених і донині. Звичайно, це вже не ті крутильні ваги, подивіться на фотографію, рис. 1. Незважаючи на навороти сучасної механіки та електроніки, плюс вакуум, стабілізація температури, результат практично не зрушив з місця. Очевидно, тут щось не так.

Наші предки та сучасники робили різні спроби вимірювань G у різних географічних широтахі в найнеймовірніших місцях: глибоких шахтах, крижаних печерах, свердловинах, на телевежах. Було вдосконалено конструкції крутильних ваг. Нові виміри з метою уточнення гравітаційної постійної повторювалися і повірялися. Ключовий експеримент був поставлений у Лос-Аламосі в 1982 році Г. Лютером (G. Luther) і У. Таулером (W. Towler). Їхня установка нагадувала крутильні ваги Кавендіша, з кулями з вольфраму. Результат цих вимірювань 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (тобто 6,6726±0,0005), був покладений в основу, рекомендованих комітетом даних для науки та техніки (CODATA) значень у 1986-му році.

Все було спокійно до 1995 року, коли група фізиків у німецькій лабораторії PTB у Брауншвейзі, використовуючи модифіковану установку (ваги плавали на поверхні ртуті, з кулями великої маси), отримали значення G на (0.6±0,008)% більше загальноприйнятих. В результаті в 1998 похибка вимірювання G була збільшена майже на порядок.

В даний час активно обговорюються експерименти щодо перевірки закону всесвітнього тяжіння, засновані на атомній інтерферометрії, для вимірювання мікроскопічних пробних мас та чергового тестування ньютоновського закону тяжіння в мікросвіті.

Були спроби застосування інших способів виміру G, але кореляція між вимірами практично не змінюється. Цей феномен сьогодні називають порушенням закону обернених квадратів або «п'ятою силою». До п'ятої сили тепер відносять деякі частинки (поля) Хіггса – частки Бога.

Здається, божественну частку вдалося зафіксувати, а точніше сказати, обчислити, так сенсаційно піднесли Світу звістку фізики, які брали участь в експерименті на Великому адронному колайдері (БАК) (LHC).

На бозон Хіггса сподівайся, але сам не лишай!

То що ж це за таємнича постійна, яка гуляє сама собою, а без неї нікуди?

Читаємо продовження статті

Подібні публікації