A gravitációs állandó azt mutatja, hogy milyen erővel. A gravitációs állandó fogy

A G gravitációs állandó mérésével kapcsolatban az elmúlt években több csoport által végzett kísérletek szembetűnő eltérést mutatnak egymással. A közelmúltban közzétett új mérés, amelyet a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Irodában készítettek, mindegyiktől eltér, és csak súlyosbítja a problémát. A gravitációs állandó rendkívül hajthatatlan mennyiség marad a pontos méréshez.

Gravitációs állandó mérések

A G gravitációs állandó, más néven Newton-állandó, a természet egyik legfontosabb alapvető állandója. Ez az az állandó, amely belép Newton egyetemes gravitációs törvényébe; nem függ a vonzó testek tulajdonságaitól, sem a környező viszonyoktól, hanem magának a gravitációs erőnek az intenzitását jellemzi. Világunk ilyen alapvető jellemzője természetesen fontos a fizika számára, és ezt pontosan meg kell mérni.

A helyzet azonban G mérésével még mindig nagyon szokatlan. Sok más alapvető állandótól eltérően a gravitációs állandót nagyon nehéz mérni. A helyzet az, hogy pontos eredményt csak laboratóriumi kísérletekben lehet elérni, két ismert tömegű test vonzási erejét megmérve. Például Henry Cavendish klasszikus kísérletében (2. ábra) két nehéz golyóból álló súlyzót függesztenek fel egy vékony cérnára, és amikor egy másik hatalmas testet löknek a golyók oldalára, a gravitációs erő hajlamos ezt elforgatni. súlyzót valamilyen szögben, míg az erők forgási nyomatéka enyhén csavart izzószál nem fogja kompenzálni a gravitációt. A súlyzó elfordulási szögének mérésével és a szál rugalmas tulajdonságainak ismeretében kiszámítható a gravitációs erő, és ezáltal a gravitációs állandó.

Ezt az eszközt (ezt "torziós egyensúlynak" nevezik) különféle módosításokkal használják a modern kísérletekben. Egy ilyen mérés lényegét tekintve nagyon egyszerű, de kivitelezése nehézkes, mivel nem csak az összes tömeg és távolság pontos ismeretét követeli meg, hanem a menet rugalmas tulajdonságait is, valamint köteles minimálisra csökkenteni az összes mellékhatást, mind a mechanikai, mind a termikus hatásokat. . A közelmúltban azonban megjelentek az első gravitációs állandó mérések más, atomi interferometrikus módszerekkel, amelyek az anyag kvantumtermészetét használják fel. Ezeknek a méréseknek a pontossága azonban még mindig jóval gyengébb, mint a mechanikus berendezéseké, bár talán a jövő rajtuk van (a részletekért lásd a hírt A gravitációs állandó mérése új módszerekkel történik, "Elemek", 2007.01.22.) .

Így vagy úgy, de a több mint kétszáz éves történelem ellenére a mérések pontossága nagyon szerény. Az US National Institute of Standards (NIST) által javasolt jelenlegi „hivatalos” érték (6,67384 ± 0,00080)·10 -11 m 3 kg -1 s -2. A relatív hiba itt 0,012%, vagy 1,2 10 -4, vagy a fizikusok számára még ismertebb jelöléssel 120 ppm (milliomod), és ez több nagyságrenddel rosszabb, mint más, hasonlóan fontos mennyiségek mérési pontossága. Ráadásul immár több évtizede a gravitációs állandó mérése nem szűnik meg fejfájást okozni a kísérleti fizikusoknak. A több tucat elvégzett kísérlet és magának a mérési technikának a fejlesztése ellenére a mérési pontosság alacsony maradt. A 10–4-es relatív hibát 30 évvel ezelőtt érték el, és azóta nincs javulás.

2010-es állapot

Az elmúlt néhány évben a helyzet még drámaibbá vált. 2008 és 2010 között három csoport publikált új G-méréseket, amelyeken egy-egy kísérletező csapat évekig dolgozott, nemcsak közvetlenül mérve G-t, hanem gondosan felkutatva és újraellenőrizve minden lehetséges hibaforrást. Mindhárom mérés nagyon pontos volt: a hiba 20-30 ppm volt. Elméletileg ennek a három mérésnek jelentősen javítania kellett volna a G számértékére vonatkozó ismereteinket. Csak az a baj, hogy mindegyik akár 200-400 ppm-el, azaz egy tucatnyi deklarált hibával különbözött egymástól! Ez a 2010-es állapot az ábrán látható. 3, és röviden leírjuk a megjegyzésben. Kínos helyzet a gravitációs állandóval.

Teljesen világos, hogy maga a gravitációs állandó nem okolható; tényleg mindig és mindenhol ugyanannak kell lennie. Például vannak olyan műholdadatok, amelyek ugyan nem teszik lehetővé a G konstans számértékének jó mérését, de lehetővé teszik az invarianciájának igazolását - ha G legalább egy trilliod részével (vagyis 10-el) megváltozik. –12) egy év múlva ez már észrevehető lenne . Ezért ebből az egyetlen következtetés az, hogy e három kísérlet közül néhányban (vagy némelyikben) vannak feltáratlan hibaforrások. De miben?

Az egyetlen módja annak, hogy megpróbáljuk kitalálni, hogy megismételjük a méréseket más beállításokkal, lehetőleg más módszerekkel. Sajnos itt még nem sikerült különösebb módszereket megvalósítani, mivel minden kísérletben egy-egy mechanikai eszközt alkalmaznak. Ennek ellenére a különböző megvalósítások eltérő műszerhibákat tartalmazhatnak, és az eredmények összehasonlítása lehetővé teszi a helyzet megértését.

új dimenzió

A minap egy magazinban Fizikai áttekintő levelek egy ilyen mérést tettek közzé. A párizsi Nemzetközi Súly- és Mértékiroda kutatóinak egy kis csoportja a semmiből épített egy olyan készüléket, amely kétféle módon mérte a gravitációs állandót. Ugyanaz a torziós mérleg, de nem két, hanem négy egyforma hengerrel, amelyek egy fémmenetre felfüggesztett tárcsára vannak felszerelve (a beépítés belső része az 1. ábrán). Ez a négy súly gravitációs kölcsönhatásban van négy másik, tetszőleges szögben elforgatható karusszelre szerelt nagyobb hengerrel. A kettő helyett négy testet tartalmazó séma lehetővé teszi az aszimmetrikusan elhelyezkedő tárgyakkal (például egy laboratóriumi helyiség falaival) való gravitációs kölcsönhatás minimalizálását, és pontosan a berendezésen belüli gravitációs erőkre való összpontosítást. Maga a cérna nem kerek, hanem téglalap alakú; ez inkább nem egy szál, hanem egy vékony és keskeny fémcsík. Ez a választás lehetővé teszi a terhelés egyenletesebb átvitelét, és minimálisra csökkenti az anyag rugalmas tulajdonságaitól való függőséget. Az egész készülék vákuumban és egy bizonyos hőmérsékleti tartományban van, amelyet század fokos pontossággal tartanak fenn.

Ez az eszköz lehetővé teszi a gravitációs állandó háromféle mérésének elvégzését (a részleteket lásd magában a cikkben és a kutatócsoport oldalán). Először is, ez a Cavendish-kísérlet szó szerinti reprodukciója: felvittek egy terhelést, a mérleget egy bizonyos szögben elfordították, és ezt a szöget az optikai rendszer méri. Másodszor, torziós inga üzemmódban indítható, amikor a belső berendezés periodikusan előre-hátra forog, és további masszív testek jelenléte megváltoztatja az oszcilláció időtartamát (a kutatók azonban nem alkalmazták ezt a módszert). Végül beépítésük lehetővé teszi a gravitációs erő mérését nincs fordulat súlyok. Ezt elektrosztatikus szervovezérlés segítségével érik el: elektromos töltések kerülnek az egymással kölcsönhatásban lévő testekre oly módon, hogy az elektrosztatikus taszítás teljes mértékben kompenzálja a gravitációs vonzást. Ez a megközelítés lehetővé teszi számunkra, hogy megszabaduljunk a kifejezetten a forgatás mechanikájához kapcsolódó műszeres hibáktól. A mérések azt mutatták, hogy a két módszer, a klasszikus és az elektrosztatikus, konzisztens eredményeket ad.

Az új mérés eredménye piros pontként látható az ábrán. 4. Látható, hogy ez a mérés nemhogy nem oldotta meg a fájó pontot, hanem még tovább súlyosbította a problémát: nagyon eltér az összes többi friss méréstől. Tehát mostanra már négy (vagy öt, ha a kaliforniai csoport kiadatlan adatait számoljuk) különböző és egyben meglehetősen pontos mérésünk van, ill. mind drasztikusan eltérnek egymástól! A két legszélsőségesebb (és időrendileg a legfrissebb) érték közötti különbség már meghaladja 20(!) deklarált hiba.

Ami az új kísérletet illeti, itt van, amit hozzá kell adni. Ez a kutatócsoport 2001-ben már végzett hasonló kísérletet. És akkor ezek is a jelenlegihez közeli értéket kaptak, de csak valamivel kevésbé pontosak (lásd 4. ábra). Gyaníthatóan egyszerűen megismételték a méréseket ugyanazon a hardveren, ha nem is egy "de" - akkor az egy másik telepítés. Abból a régi üzemből mára csak a 11 kg-os külső hengereket vették el, de mára a teljes központi berendezést újjáépítették. Ha valóban volt valamilyen megmagyarázhatatlan hatásuk, amely kifejezetten a készülék anyagaihoz vagy gyártásához kötődik, akkor az megváltozhat, és új eredményt „húzhat magával”. De az eredmény nagyjából ugyanott maradt, mint 2001-ben. A munka szerzői ebben extra bizonyítékot látnak méréseik tisztaságára és megbízhatóságára.

Az a helyzet, amikor négy vagy öt eredményt kaptak különböző csoportok egyszerre minden egy-két tucatnyi bejelentett hibával különbözik, ami láthatóan példátlan a fizikában. Bármilyen nagy is az egyes mérések pontossága, és bármennyire is büszkék a szerzők, ennek most nincs jelentősége az igazság megállapítása szempontjából. És egyelőre a gravitációs állandó valódi értékének kiderítése ezek alapján csak egyféleképpen lehetséges: tegye az értéket valahova a közepére, és adjon hozzá egy hibát, amely lefedi ezt az egész intervallumot (vagyis egy és egy fél-kétszer rosszabbodik aktuális javasolt hiba). Csak remélni lehet, hogy a következő mérések ebbe az intervallumba esnek, és fokozatosan előnyben részesítenek valamilyen értéket.

Így vagy úgy, de a gravitációs állandó továbbra is a mérésfizika rejtvénye. Hogy ez a helyzet hány év (vagy évtized) múlva kezd ténylegesen javulni, azt ma már nehéz megjósolni.

A gravitációs állandó, a Newton-állandó egy alapvető fizikai állandó, a gravitációs kölcsönhatás állandója.

A gravitációs állandó megjelenik az egyetemes gravitáció törvényének modern feljegyzésében, de Newtontól és más tudósok munkáitól a 19. század elejéig kifejezetten hiányzott.

A gravitációs állandó jelenlegi formájában először került be az egyetemes gravitáció törvényébe, nyilvánvalóan csak az egységes metrikus mértékrendszerre való áttérés után. Ezt talán először Poisson francia fizikus tette meg a Mechanikai traktátusában (1809). Legalábbis olyan korábbi műveket, amelyekben a gravitációs állandó megjelent volna, nem azonosítottak volna a történészek.

1798-ban Henry Cavendish kísérletet állított fel a Föld átlagos sűrűségének meghatározására a John Mitchell által feltalált torziós mérleg segítségével (Philosophical Transactions 1798). Cavendish egy teszttest ingarezgéseit hasonlította össze ismert tömegű golyók gravitációja és a Föld gravitációja hatására. A gravitációs állandó számértékét később a Föld átlagos sűrűsége alapján számították ki. Mért érték pontossága G A Cavendish ideje óta nőtt, de eredménye már elég közel volt a modernhez.

2000-ben megkaptuk a gravitációs állandó értékét

cm 3 g -1 s -2, 0,0014%-os hibával.

A gravitációs állandó legutóbbi értékét a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda égisze alatt dolgozó tudósok egy csoportja szerezte meg 2013-ban.

cm 3 g -1 s -2 .

A jövőben, ha empirikusan meghatározzák a gravitációs állandó pontosabb értékét, akkor az felülvizsgálható.

Ennek az állandónak az értéke sokkal kevésbé pontosan ismert, mint az összes többi alapvető fizikai állandóé, és a finomítási kísérletek eredményei továbbra is eltérőek. Ugyanakkor ismeretes, hogy a problémák nem magának az állandónak helyről helyre és időben történő változásával kapcsolatosak, hanem a kis erők mérésének kísérleti nehézségei okozzák, nagyszámú külső tényező figyelembevételével.

Csillagászati ​​adatok szerint a G állandó gyakorlatilag nem változott az elmúlt több száz millió évben, relatív változása nem haladja meg az évi 10 -11 - 10 -12 értéket.

Newton egyetemes gravitációs törvénye szerint a gravitációs vonzás ereje F két anyagi pont között tömegekkel m 1 és m 2 távolról r, egyenlő:

Arányossági tényező G ebben az egyenletben gravitációs állandónak nevezzük. Számszerűen egyenlő annak a gravitációs erőnek a modulusával, amely egy egységnyi tömegű ponttestre hat egy másik hasonló test oldaláról, amely egységnyi távolságra van tőle.

A Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) egységeiben a Tudományos és Technológiai Adatok Bizottsága (CODATA) által 2008-ra javasolt érték

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

2010-ben az értéket a következőre korrigálták:

G\u003d 6,67384 (80) 10 - 11 m 3 s - 2 kg - 1 vagy N m² kg 2.

2010 októberében egy cikk jelent meg a Physical Review Letters folyóiratban, amelyben 6,67234 (14) frissített értéket javasoltak, ami három szórással kisebb az értéknél. G a Tudományos és Technológiai Adatügyi Bizottság (CODATA) 2008-ban javasolta, de megfelel a korábbi, 1986-ban bemutatott CODATA értéknek.

Értékrevízió G 1986 és 2008 között történt, a torziós mérlegben lévő felfüggesztési menetek rugalmatlanságának vizsgálata okozta.

A gravitációs állandó az alapja annak, hogy más fizikai és csillagászati ​​mennyiségeket, például a világegyetem bolygóinak tömegét, beleértve a Földet, valamint más kozmikus testeket hagyományos mértékegységekre, például kilogrammokra alakítsák át. Ugyanakkor a gravitációs kölcsönhatás gyengesége és a gravitációs állandó mérésének ebből adódó alacsony pontossága miatt a kozmikus testek tömegeinek arányai általában sokkal pontosabban ismertek, mint az egyes kilogrammokban mért tömegek.