يوضح ثابت الجاذبية القوة التي بها. ثابت الجاذبية يفقد وزنه

أظهرت التجارب على قياس ثابت الجاذبية G ، التي أجرتها عدة مجموعات في السنوات الأخيرة ، تناقضًا مذهلاً مع بعضها البعض. القياس الجديد المنشور مؤخرًا ، والذي تم إجراؤه في المكتب الدولي للأوزان والمقاييس ، يختلف عنهم جميعًا ولا يؤدي إلا إلى تفاقم المشكلة. يظل ثابت الجاذبية كمية لا تلين للغاية للقياس الدقيق.

قياسات الجاذبية الثابتة

ثابت الجاذبية G ، المعروف أيضًا باسم ثابت نيوتن ، هو أحد أهم الثوابت الأساسية للطبيعة. هذا هو الثابت الذي يدخل في قانون نيوتن للجاذبية العامة ؛ لا يعتمد على خصائص جذب الأجسام ، ولا على الظروف المحيطة ، ولكنه يميز شدة قوة الجاذبية نفسها. بطبيعة الحال ، هذه الخاصية الأساسية لعالمنا مهمة للفيزياء ، ويجب قياسها بدقة.

ومع ذلك ، فإن الوضع مع قياس G لا يزال غير معتاد للغاية. على عكس العديد من الثوابت الأساسية الأخرى ، من الصعب جدًا قياس ثابت الجاذبية. الحقيقة هي أنه لا يمكن الحصول على نتيجة دقيقة إلا من خلال التجارب المعملية ، عن طريق قياس قوة الجذب لجسمين من الكتلة المعروفة. على سبيل المثال ، في التجربة الكلاسيكية لهنري كافنديش (الشكل 2) ، تم تعليق دمبل من كرتين ثقيلتين على خيط رفيع ، وعندما يتم دفع جسم هائل آخر إلى هذه الكرات من الجانب ، تميل قوة الجاذبية إلى تدوير هذا الدمبل بزاوية ما ، في حين أن لحظة دوران القوى تكون ملتوية قليلاً ، فلن يعوض الخيط عن الجاذبية. من خلال قياس زاوية دوران الدمبل ومعرفة خصائص مرونة الخيط ، يمكن للمرء حساب قوة الجاذبية ، وبالتالي ثابت الجاذبية.

يستخدم هذا الجهاز (ويسمى "ميزان الالتواء") بتعديلات مختلفة في التجارب الحديثة. مثل هذا القياس بسيط للغاية من حيث الجوهر ، ولكنه صعب التنفيذ ، لأنه يتطلب معرفة دقيقة ليس فقط بجميع الكتل وجميع المسافات ، ولكن أيضًا الخصائص المرنة للخيط ، ويلزم أيضًا بتقليل جميع الآثار الجانبية ، الميكانيكية والحرارية على حد سواء . ومع ذلك ، ظهرت مؤخرًا القياسات الأولى لثابت الجاذبية من خلال طرق قياس التداخل الذري الأخرى ، والتي تستخدم الطبيعة الكمومية للمادة. ومع ذلك ، فإن دقة هذه القياسات لا تزال أدنى بكثير من التركيبات الميكانيكية ، على الرغم من أن المستقبل ربما يكمن معهم (لمزيد من التفاصيل ، انظر الأخبار يقاس ثابت الجاذبية بطرق جديدة ، "العناصر" ، 01/22/2007) .

بطريقة أو بأخرى ، ولكن على الرغم من أكثر من مائتي عام من التاريخ ، تظل دقة القياسات متواضعة للغاية. القيمة "الرسمية" الحالية التي أوصى بها المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (NIST) هي (6.67384 ± 0.00080) · 10-11 م 3 كجم -1 ثانية -2. الخطأ النسبي هنا هو 0.012٪ ، أو 1.2 10-4 ، أو ، كما هو مألوف أكثر للفيزيائيين ، 120 جزء في المليون (جزء من المليون) ، وهذه عدة أوامر من حيث الحجم أسوأ من دقة القياس للكميات الأخرى التي لا تقل أهمية. علاوة على ذلك ، لعدة عقود حتى الآن ، لم يتوقف قياس ثابت الجاذبية عن كونه مصدرًا للصداع لعلماء الفيزياء التجريبية. على الرغم من إجراء عشرات التجارب وتحسين تقنية القياس نفسها ، إلا أن دقة القياس ظلت منخفضة. تم التوصل إلى خطأ نسبي يتراوح بين 10 و 4 قبل 30 عامًا ، ولم يطرأ أي تحسن منذ ذلك الحين.

الوضع اعتبارًا من عام 2010

في السنوات القليلة الماضية ، أصبح الوضع أكثر مأساوية. بين عامي 2008 و 2010 ، نشرت ثلاث مجموعات قياسات G جديدة ، وعمل فريق من المجربين على كل منها لسنوات ، ليس فقط بقياس G بشكل مباشر ، ولكن أيضًا يبحثون بعناية عن جميع مصادر الخطأ المحتملة ويعيدون فحصها. كان كل من هذه القياسات الثلاثة دقيقًا للغاية: كانت الأخطاء 20-30 جزء في المليون. من الناحية النظرية ، كان من المفترض أن تكون هذه القياسات الثلاثة قد حسنت بشكل كبير معرفتنا بالقيمة العددية لـ G. المشكلة الوحيدة هي أنها جميعًا اختلفت عن بعضها البعض بما يصل إلى 200-400 جزء في المليون ، أي بمقدار اثني عشر خطأً مُعلنًا! يظهر هذا الوضع اعتبارًا من عام 2010 في الشكل. 3 ووصف بإيجاز في الملاحظة حالة حرج مع ثابت الجاذبية.

من الواضح تمامًا أن ثابت الجاذبية نفسه لا يقع عليه اللوم ؛ يجب أن تكون هي نفسها دائمًا وفي كل مكان. على سبيل المثال ، هناك بيانات أقمار صناعية ، على الرغم من أنها لا تسمح بقياس جيد للقيمة العددية للثابت G ، فإنها تجعل من الممكن التحقق من ثباتها - إذا تغيرت G خلال عام بمقدار تريليون واحد على الأقل (أي ، بحلول 10-12) ، سيكون هذا ملحوظًا بالفعل. لذلك ، فإن الاستنتاج الوحيد الذي يتبع ذلك هو أنه في بعض (أو بعض) هذه التجارب الثلاثة توجد مصادر أخطاء غير محسوبة. لكن في ماذا؟

الطريقة الوحيدة لمحاولة اكتشاف ذلك هي تكرار القياسات على الإعدادات الأخرى ، ويفضل أن يكون ذلك بطرق مختلفة. لسوء الحظ ، لم يكن من الممكن حتى الآن تحقيق مجموعة متنوعة من الأساليب هنا ، حيث يتم استخدام جهاز ميكانيكي واحد أو آخر في جميع التجارب. ولكن مع ذلك ، قد تحتوي التطبيقات المختلفة على أخطاء آلية مختلفة ، ومقارنة نتائجها ستجعل من الممكن فهم الموقف.

بعدا جديدا

اليوم الآخر في مجلة رسائل المراجعة البدنيةتم نشر أحد هذه القياسات. قامت مجموعة صغيرة من الباحثين العاملين في المكتب الدولي للأوزان والمقاييس في باريس ببناء جهاز من الصفر لقياس ثابت الجاذبية بطريقتين مختلفتين. إنه نفس توازن الالتواء ، ولكن ليس مع اثنين ، ولكن مع أربع أسطوانات متطابقة مثبتة على قرص معلق على خيط معدني (الجزء الداخلي من التثبيت في الشكل 1). تتفاعل هذه الأوزان الأربعة جاذبيًا مع أربع أسطوانات أخرى أكبر مثبتة على دائري يمكن تدويره بزاوية اعتباطية. يتيح المخطط الذي يحتوي على أربع أجسام بدلاً من جثتين تقليل تفاعل الجاذبية مع الكائنات الموجودة بشكل غير متماثل (على سبيل المثال ، جدران غرفة المختبر) والتركيز بشكل خاص على قوى الجاذبية داخل المنشأة. لا يحتوي الخيط نفسه على قسم دائري ، بل قسم مستطيل ؛ إنه بالأحرى ليس خيطًا ، ولكنه شريط معدني رفيع وضيق. يتيح هذا الاختيار إمكانية نقل الحمل بشكل متساوٍ بشكل أكبر وتقليل الاعتماد على الخصائص المرنة للمادة. الجهاز بأكمله في فراغ وفي نظام درجة حرارة معينة ، والذي يتم صيانته بدقة تصل إلى جزء من مائة درجة.

يتيح لك هذا الجهاز إجراء ثلاثة أنواع من قياسات ثابت الجاذبية (انظر التفاصيل في المقالة نفسها وعلى صفحة مجموعة البحث). أولاً ، هذا استنساخ حرفي لتجربة كافنديش: تم رفع الحمل ، وتدور المقاييس بزاوية معينة ، ويتم قياس هذه الزاوية بواسطة نظام بصري. ثانيًا ، يمكن إطلاقه في وضع بندول الالتواء ، عندما يدور التثبيت الداخلي بشكل دوري ذهابًا وإيابًا ، ويغير وجود أجسام ضخمة إضافية فترة التذبذب (ومع ذلك ، لم يستخدم الباحثون هذه الطريقة). أخيرًا ، يتيح لك تركيبها قياس قوة الجاذبية ليس هناك منعطفالأوزان. يتم تحقيق ذلك بمساعدة التحكم المؤازر الكهروستاتيكي: يتم تطبيق الشحنات الكهربائية على الأجسام المتفاعلة بحيث يعوض التنافر الكهروستاتيكي تمامًا عن الجاذبية. يتيح لنا هذا النهج التخلص من الأخطاء الآلية المرتبطة تحديدًا بآليات الدوران. أظهرت القياسات أن الطريقتين ، الكلاسيكية والكهرباء الساكنة ، تعطي نتائج متسقة.

تظهر نتيجة القياس الجديد كنقطة حمراء في الشكل. 4. يمكن ملاحظة أن هذا القياس لم يحل النقطة المؤلمة فحسب ، بل أدى أيضًا إلى تفاقم المشكلة أكثر: إنه مختلف تمامًا عن جميع القياسات الحديثة الأخرى. لذلك ، لدينا الآن أربعة (أو خمسة ، إذا كنت تحسب البيانات غير المنشورة من مجموعة كاليفورنيا) مختلفة ، وفي الوقت نفسه ، قياسات دقيقة إلى حد ما ، و كلهم يتباعدون بشكل جذري عن بعضهم البعض!الفرق بين القيمتين الأكثر تطرفًا (والأحدث ترتيبًا زمنيًا) يتجاوز بالفعل 20 (!) أخطاء مُعلنة.

بالنسبة للتجربة الجديدة ، فإليك ما يجب إضافته. كانت هذه المجموعة من الباحثين قد أجرت بالفعل تجربة مماثلة في عام 2001. ثم حصلوا أيضًا على قيمة قريبة من القيمة الحالية ، ولكنها أقل دقة بقليل (انظر الشكل 4). يمكن أن يُشتبه في قيامهم ببساطة بتكرار القياسات على نفس الجهاز ، إن لم يكن لأحد "ولكن" - فقد كان كذلك آخرتثبيت. من هذا المصنع القديم لم يأخذوا الآن سوى الأسطوانات الخارجية التي يبلغ وزنها 11 كجم ، ولكن تمت إعادة بناء الجهاز المركزي بالكامل الآن. إذا كان لديهم بالفعل نوع من التأثير غير المحسوب المرتبط على وجه التحديد بمواد أو تصنيع الجهاز ، فيمكن أن يتغير و "يسحب" نتيجة جديدة. لكن النتيجة بقيت في نفس المكان كما كانت في عام 2001. يرى مؤلفو العمل هذا كدليل إضافي على نقاء وموثوقية قياساتهم.

الحالة عند أربع أو خمس نتائج حصلت عليها مجموعات مختلفة في وقت واحد الجميعتختلف بعشرات أو اثنتين من الأخطاء المُعلنة ، والتي لم يسبق لها مثيل على ما يبدو بالنسبة للفيزياء. بغض النظر عن مدى دقة كل قياس وبغض النظر عن مدى فخر المؤلفين ، فهو الآن غير مهم لإثبات الحقيقة. وفي الوقت الحالي ، لا يمكن محاولة معرفة القيمة الحقيقية لثابت الجاذبية على أساسها إلا بطريقة واحدة: ضع القيمة في مكان ما في المنتصف وعزو الخطأ الذي سيغطي هذه الفترة بأكملها (أي واحد و a نصف إلى مرتين تزداد سوءايوصى بالخطأ الحالي). يمكن للمرء أن يأمل فقط في أن تندرج القياسات التالية في هذه الفترة الزمنية وستعطي بشكل تدريجي الأفضلية لقيمة ما.

بطريقة أو بأخرى ، لا يزال ثابت الجاذبية يمثل لغزًا لفيزياء القياس. في كم سنة (أو عقود) سيبدأ هذا الوضع في التحسن بالفعل ، من الصعب الآن التنبؤ به.

ثابت الجاذبية ، ثابت نيوتن هو ثابت فيزيائي أساسي ، ثابت من تفاعل الجاذبية.

يظهر ثابت الجاذبية في السجل الحديث لقانون الجاذبية الكونية ، لكنه كان غائبًا صراحةً عن نيوتن وفي أعمال العلماء الآخرين حتى بداية القرن التاسع عشر.

تم إدخال ثابت الجاذبية في شكله الحالي لأول مرة في قانون الجاذبية العامة ، على ما يبدو ، فقط بعد الانتقال إلى نظام قياس متري واحد. ربما كان هذا هو أول من قام به الفيزيائي الفرنسي بواسون في أطروحته في الميكانيكا (1809). على الأقل لم يتم تحديد أي أعمال سابقة يظهر فيها ثابت الجاذبية من قبل المؤرخين.

في عام 1798 ، أجرى هنري كافنديش تجربة لتحديد متوسط ​​كثافة الأرض باستخدام ميزان الالتواء الذي اخترعه جون ميتشل (المعاملات الفلسفية 1798). قارن كافنديش تذبذبات البندول لجسم اختبار تحت تأثير جاذبية الكرات ذات الكتلة المعروفة وتحت تأثير جاذبية الأرض. تم حساب القيمة العددية لثابت الجاذبية لاحقًا على أساس متوسط ​​كثافة الأرض. دقة القيمة المقاسة جيازداد منذ زمن كافنديش ، لكن نتيجته كانت بالفعل قريبة جدًا من النتيجة الحديثة.

في عام 2000 ، تم الحصول على قيمة ثابت الجاذبية

سم 3 جم -1 ث -2 ، مع خطأ 0.0014٪.

تم الحصول على أحدث قيمة لثابت الجاذبية من قبل مجموعة من العلماء في عام 2013 ، تحت رعاية المكتب الدولي للأوزان والمقاييس ، وهي

سم 3 جم -1 ث -2.

في المستقبل ، إذا تم تحديد قيمة أكثر دقة لثابت الجاذبية تجريبياً ، فيمكن مراجعتها.

تُعرف قيمة هذا الثابت بدقة أقل بكثير من قيمة جميع الثوابت الفيزيائية الأساسية الأخرى ، ولا تزال نتائج التجارب لتنقيحها مختلفة. في الوقت نفسه ، من المعروف أن المشاكل لا تتعلق بالتغير في الثابت نفسه من مكان إلى مكان وفي الزمان ، ولكنها ناتجة عن صعوبات تجريبية في قياس القوى الصغيرة ، مع مراعاة عدد كبير من العوامل الخارجية.

وفقًا للبيانات الفلكية ، لم يتغير الثابت G عمليًا على مدار مئات الملايين من السنين الماضية ؛ لا يتجاوز التغير النسبي 10 11-10 12 سنويًا.

وفقًا لقانون الجذب العام لنيوتن ، قوة الجاذبية Fبين نقطتين ماديتين مع كتل م 1 و م 2 على مسافة ص، مساوي ل:

عامل التناسب جيفي هذه المعادلة يسمى ثابت الجاذبية. عدديًا ، إنها تساوي مقياس قوة الجاذبية المؤثرة على نقطة جسم من وحدة كتلة من جسم آخر مشابه يقع على مسافة وحدة منه.

في وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) ، كانت القيمة التي أوصت بها لجنة بيانات العلوم والتكنولوجيا (CODATA) لعام 2008 هي

جي= 6.67428 (67) 10؟ 11 م 3 ث؟ 2 كجم؟ 1

في عام 2010 تم تصحيح القيمة إلى:

جي\ u003d 6.67384 (80) 10؟ 11 م 3 ث؟ 2 كجم؟ 1 ، أو N م 2 كجم 2.

في أكتوبر 2010 ، ظهر مقال في مجلة Physical Review Letters يقترح قيمة محدثة تبلغ 6.67234 (14) ، وهي ثلاثة انحرافات معيارية أقل من القيمة جيأوصت به لجنة بيانات العلوم والتكنولوجيا (CODATA) في عام 2008 ، ولكنها تتوافق مع قيمة CODATA السابقة المقدمة في عام 1986.

مراجعة القيمة جي، التي حدثت بين عامي 1986 و 2008 ، بسبب دراسات عدم مرونة خيوط التعليق في موازين الالتواء.

ثابت الجاذبية هو الأساس لتحويل الكميات الفيزيائية والفلكية الأخرى ، مثل كتل الكواكب في الكون ، بما في ذلك الأرض ، وكذلك الأجسام الكونية الأخرى ، إلى وحدات قياس تقليدية ، مثل الكيلوجرامات. في الوقت نفسه ، نظرًا لضعف تفاعل الجاذبية والدقة المنخفضة الناتجة عن قياسات ثابت الجاذبية ، تُعرف نسب كتل الأجسام الكونية عادةً بدقة أكبر بكثير من الكتل الفردية بالكيلوجرام.