Гравитационната константа показва силата, с която. Гравитационната константа отслабва

Експериментите за измерване на гравитационната константа G, извършени през последните години от няколко групи, показват поразително несъответствие помежду си. Наскоро публикуваното ново измерване, направено в Международното бюро за теглилки и мерки, е различно от всички тях и само изостря проблема. Гравитационната константа остава изключително неподатлива величина за прецизно измерване.

Измервания на гравитационна константа

Гравитационната константа G, известна още като константа на Нютон, е една от най-важните фундаментални константи на природата. Това е константата, която влиза в закона на Нютон за всемирното притегляне; тя не зависи от свойствата на привличащите тела, нито от околните условия, а характеризира интензивността на самата гравитационна сила. Естествено, такава фундаментална характеристика на нашия свят е важна за физиката и тя трябва да бъде точно измерена.

Ситуацията с измерването на G обаче все още е много необичайна. За разлика от много други фундаментални константи, гравитационната константа е много трудна за измерване. Факт е, че точен резултат може да се получи само при лабораторни експерименти, чрез измерване на силата на привличане на две тела с известна маса. Например, в класическия експеримент на Хенри Кавендиш (фиг. 2), гира от две тежки топки е окачена на тънка нишка и когато друго масивно тяло бъде избутано отстрани на тези топки, гравитационната сила има тенденция да завърти това дъмбел под някакъв ъгъл, докато въртящият момент на силите е леко усукана нишка няма да компенсира гравитацията. Чрез измерване на ъгъла на завъртане на дъмбела и познаване на еластичните свойства на нишката може да се изчисли силата на гравитацията, а оттам и гравитационната константа.

Това устройство (нарича се "торсионен баланс") в различни модификации се използва в съвременните експерименти. Такова измерване е много просто по същество, но трудно за изпълнение, тъй като изисква точно познаване не само на всички маси и всички разстояния, но и на еластичните свойства на нишката, а също така задължава да се сведат до минимум всички странични ефекти, както механични, така и термични . Наскоро обаче се появиха първите измервания на гравитационната константа чрез други, атомни интерферометрични методи, които използват квантовата природа на материята. Въпреки това, точността на тези измервания все още е много по-ниска от механичните инсталации, въпреки че, може би, бъдещето е с тях (за подробности вижте новините Гравитационната константа се измерва с нови методи, "Елементи", 22.01.2007 г.) .

По един или друг начин, но въпреки повече от двеста години история, точността на измерванията остава много скромна. Текущата "официална" стойност, препоръчана от Американския национален институт по стандарти (NIST), е (6,67384 ± 0,00080)·10 -11 m 3 kg -1 s -2. Относителната грешка тук е 0,012%, или 1,2 10 -4, или, в още по-позната за физиците нотация, 120 ppm (милионни), а това е с няколко порядъка по-лошо от точността на измерване на други също толкова важни величини. Освен това от няколко десетилетия измерването на гравитационната константа не е престанало да бъде източник на главоболие за експерименталните физици. Въпреки десетките проведени експерименти и усъвършенстването на самата техника на измерване, точността на измерване остава ниска. Относителна грешка от 10–4 е достигната преди 30 години и оттогава няма подобрение.

Положението към 2010г

През последните няколко години ситуацията стана още по-драматична. Между 2008 и 2010 г. три групи публикуваха нови измервания на G. Екип от експериментатори работи върху всяко от тях в продължение на години, не само директно измервайки G, но и внимателно търси и препроверява всички възможни източници на грешки. Всяко от тези три измервания беше с висока точност: грешките бяха 20–30 ppm. На теория тези три измервания трябваше значително да подобрят познанията ни за числената стойност на G. Единственият проблем е, че всички те се различаваха един от друг с цели 200–400 ppm, тоест с десетина декларирани грешки! Тази ситуация към 2010 г. е показана на фиг. 3 и накратко описана в бележката Неудобна ситуация с гравитационната константа.

Съвсем ясно е, че самата гравитационна константа не е виновна; наистина трябва да е едно и също винаги и навсякъде. Например, има сателитни данни, които, въпреки че не позволяват добро измерване на числената стойност на константата G, позволяват да се провери нейната инвариантност - ако G се промени за една година с поне една трилионна (т.е. до 10 -12), това вече би било забележимо. Следователно единственият извод, който следва от това е, че в някои (или някои) от тези три експеримента има неотчетени източници на грешки. Но в какво?

Единственият начин да се опитате да го разберете е да повторите измерванията на други настройки, за предпочитане с различни методи. За съжаление, все още не е възможно да се постигне определено разнообразие от методи тук, тъй като във всички експерименти се използва едно или друго механично устройство. Но все пак различните реализации може да имат различни инструментални грешки и сравняването на техните резултати ще направи възможно да се разбере ситуацията.

ново измерение

Онзи ден в списание Писма за физически прегледедно такова измерване е публикувано. Малка група изследователи, работещи в Международното бюро за мерки и теглилки в Париж, изградиха апарат от нулата, който позволи гравитационната константа да бъде измерена по два различни начина. Това е същият торсионен баланс, но не с два, а с четири еднакви цилиндъра, монтирани върху диск, окачен върху метална резба (вътрешна част на инсталацията на фиг. 1). Тези четири тежести взаимодействат гравитационно с четири други, по-големи цилиндъра, монтирани на въртележка, която може да се завърта до произволен ъгъл. Схемата с четири тела вместо две дава възможност да се сведе до минимум гравитационното взаимодействие с асиметрично разположени обекти (например стените на лабораторна стая) и да се фокусира конкретно върху гравитационните сили вътре в инсталацията. Самата нишка има не кръгло, а правоъгълно сечение; по-скоро не е конец, а тънка и тясна метална лента. Този избор дава възможност за по-равномерно прехвърляне на натоварването по него и свеждане до минимум на зависимостта от еластичните свойства на веществото. Целият апарат е във вакуум и при определен температурен режим, който се поддържа с точност до стотна от градуса.

Това устройство ви позволява да извършвате три вида измервания на гравитационната константа (вижте подробности в самата статия и на страницата на изследователската група). Първо, това е буквално възпроизвеждане на експеримента на Кавендиш: беше повдигнат товар, везните се обърнаха под определен ъгъл и този ъгъл се измерва от оптичната система. Второ, той може да бъде стартиран в режим на торсионно махало, когато вътрешната инсталация периодично се върти напред-назад, а наличието на допълнителни масивни тела променя периода на трептене (изследователите обаче не са използвали този метод). И накрая, тяхната инсталация ви позволява да измерите гравитационната сила няма завойтежести. Това се постига с помощта на електростатично серво управление: електрически заряди се прилагат към взаимодействащите тела по такъв начин, че електростатичното отблъскване напълно компенсира гравитационното привличане. Този подход ни позволява да се отървем от инструментални грешки, свързани конкретно с механиката на въртене. Измерванията показват, че двата метода, класически и електростатичен, дават последователни резултати.

Резултатът от новото измерване е показан като червена точка на фиг. 4. Вижда се, че това измерване не само не разреши болезнената точка, но и изостри проблема още повече: то е много различно от всички други скорошни измервания. И така, досега вече имаме четири (или пет, ако броим непубликуваните данни от калифорнийската група) различни и в същото време доста точни измервания и всички те драстично се разминават един от друг!Разликата между двете най-крайни (и хронологично най-новите) стойности вече надвишава 20(!) декларирани грешки.

Що се отнася до новия експеримент, ето какво трябва да се добави. Тази група изследователи вече е извършила подобен експеримент през 2001 г. И тогава те също получиха стойност, близка до текущата, но само малко по-малко точна (виж фиг. 4). Те могат да бъдат заподозрени, че просто повтарят измервания на един и същ хардуер, ако не за едно "но" - тогава беше другинсталация. От този стар завод сега са взели само външните цилиндри от 11 кг, но целият централен апарат вече е възстановен. Ако наистина имаха някакъв неотчетен ефект, свързан конкретно с материалите или производството на апарата, тогава той може да се промени и да „влачи“ нов резултат. Но резултатът остава приблизително на същото място като през 2001 г. Авторите на работата виждат това като допълнително доказателство за чистотата и надеждността на техните измервания.

Ситуацията, когато четири или пет резултата, получени от различни групи наведнъж всичкосе различават с десетина-две от декларираните грешки, очевидно безпрецедентни за физиката. Колкото и да е висока точността на всяко измерване и колкото и да се гордеят авторите, сега това е без значение за установяване на истината. И засега опитът да се установи на тяхна основа истинската стойност на гравитационната константа може да се направи само по един начин: поставете стойността някъде по средата и припишете грешка, която ще покрие целия този интервал (тоест единица и половин до два пъти влошават сетекуща препоръчителна грешка). Може само да се надяваме, че следващите измервания ще попаднат в този интервал и постепенно ще дадат предпочитание на някаква стойност.

По един или друг начин, но гравитационната константа продължава да бъде пъзел на физиката на измерванията. След колко години (или десетилетия) тази ситуация всъщност ще започне да се подобрява, сега е трудно да се предвиди.

Гравитационната константа, константата на Нютон е фундаментална физическа константа, константа на гравитационно взаимодействие.

Гравитационната константа се появява в съвременните записи на закона за универсалното привличане, но отсъстваше изрично от Нютон и в трудовете на други учени до началото на 19 век.

Гравитационната константа в сегашния си вид е въведена за първи път в закона за универсалното привличане, очевидно едва след прехода към единна метрична система от мерки. Това може би е направено за първи път от френския физик Поасон в неговия Трактат по механика (1809). Поне нито една по-ранна работа, в която би се появила гравитационната константа, не е била идентифицирана от историците.

През 1798 г. Хенри Кавендиш поставя експеримент за определяне на средната плътност на Земята с помощта на торсионен баланс, изобретен от Джон Мичъл (Philosophical Transactions 1798). Кавендиш сравнява трептенията на махалото на тестово тяло под влияние на гравитацията на топки с известна маса и под влиянието на земната гравитация. Числената стойност на гравитационната константа е изчислена по-късно на базата на средната плътност на Земята. Точност на измерената стойност гсе е увеличил от времето на Кавендиш, но резултатът му вече е доста близък до съвременния.

През 2000 г. е получена стойността на гравитационната константа

cm 3 g -1 s -2 , с грешка от 0,0014%.

Най-новата стойност за гравитационната константа е получена от група учени през 2013 г., работещи под егидата на Международното бюро за теглилки и мерки, и е

cm 3 g -1 s -2 .

В бъдеще, ако по-точна стойност на гравитационната константа се установи емпирично, тогава тя може да бъде ревизирана.

Стойността на тази константа е известна много по-малко точно от тази на всички други фундаментални физически константи и резултатите от експериментите за нейното прецизиране продължават да се различават. В същото време е известно, че проблемите не са свързани с промяната на самата константа от място на място и във времето, а са причинени от експериментални трудности при измерване на малки сили, като се вземат предвид голям брой външни фактори.

Според астрономическите данни константата G практически не се е променила през последните стотици милиони години, относителната й промяна не надвишава 10 -11 - 10 -12 годишно.

Според закона на Нютон за всемирното привличане, силата на гравитационното привличане Фмежду две материални точки с маси м 1 и м 2 от разстояние r, е равно на:

Коефициент на пропорционалност гв това уравнение се нарича гравитационна константа. Числено, той е равен на модула на гравитационната сила, действаща върху точково тяло с единица маса от страната на друго подобно тяло, разположено на единично разстояние от него.

В единици от Международната система от единици (SI), препоръчаната от Комитета за данни за наука и технологии (CODATA) стойност за 2008 г. беше

г\u003d 6,67428 (67) 10? 11 m 3 s? 2 kg? 1

през 2010 г. стойността е коригирана на:

г\u003d 6,67384 (80) 10? 11 m 3 s? 2 kg? 1, или N m² kg? 2.

През октомври 2010 г. в списание Physical Review Letters се появи статия, предлагаща актуализирана стойност от 6,67234 (14), което е с три стандартни отклонения по-малко от стойността гпрепоръчан през 2008 г. от Комитета за данни за наука и технологии (CODATA), но съответства на по-ранната стойност на CODATA, представена през 1986 г.

Ревизия на стойността г, което се случи между 1986 и 2008 г., е причинено от изследвания на нееластичността на нишките на окачването в торсионни везни.

Гравитационната константа е основата за преобразуване на други физически и астрономически величини, като масите на планетите във Вселената, включително Земята, както и други космически тела, в традиционни мерни единици, като килограми. В същото време, поради слабостта на гравитационното взаимодействие и произтичащата от това ниска точност на измерванията на гравитационната константа, съотношенията на масите на космическите тела обикновено се познават много по-точно от индивидуалните маси в килограми.