Domov
Dokumentácia
Akú hodnotu má gravitačná konštanta. Čo je to gravitačná konštanta, ako sa počíta a kde sa táto hodnota používa

Akú hodnotu má gravitačná konštanta. Čo je to gravitačná konštanta, ako sa počíta a kde sa táto hodnota používa

Aby sme vysvetlili pozorovaný vývoj vesmíru v rámci existujúcich teórií, musíme predpokladať, že niektoré základné konštanty sú konštantnejšie ako iné.

V sérii základných fyzikálnych konštánt - rýchlosť svetla, Planckova konštanta, náboj a hmotnosť elektrónu - sa gravitačná konštanta akosi vymyká. Dokonca aj história jeho merania je popísaná v slávnych encyklopédiách Britannica a Larousse, nehovoriac o „Physical Encyclopedia“, s chybami. Z príslušných článkov v nich sa čitateľ dozvie, že jeho číselnú hodnotu prvýkrát určil v presných experimentoch v rokoch 1797 – 1798 slávny anglický fyzik a chemik Henry Cavendish (Henry Cavendish, 1731 – 1810), vojvoda z Devonshire. V skutočnosti Cavendish zmeral priemernú hustotu Zeme (jeho údaje sa mimochodom líšia len o pol percenta od výsledkov moderných štúdií). Ak máme informácie o hustote Zeme, môžeme ľahko vypočítať jej hmotnosť a so znalosťou hmotnosti určiť gravitačnú konštantu.

Intriga spočíva v tom, že v čase Cavendisha koncept gravitačnej konštanty ešte neexistoval a zákon univerzálnej gravitácie nebol prijatý na to, aby bol napísaný v nám známom tvare. Pripomeňme, že gravitačná sila je úmerná súčinu hmotností gravitujúcich telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi týmito telesami, pričom koeficient úmernosti je práve gravitačná konštanta. Táto forma zápisu Newtonovho zákona sa objavuje až v 19. storočí. A prvé experimenty, pri ktorých sa merala gravitačná konštanta, sa uskutočnili už koncom storočia - v roku 1884.

Ako poznamenáva ruský historik vedy Konstantin Tomilin, gravitačná konštanta sa líši od iných základných konštánt aj tým, že s ňou nie je spojená prirodzená mierka žiadnej fyzikálnej veličiny. Rýchlosť svetla zároveň určuje hraničnú hodnotu rýchlosti a Planckova konštanta - minimálna zmena pôsobenia.

A len vo vzťahu ku gravitačnej konštante bola vyslovená hypotéza, že jej číselná hodnota sa môže časom meniť. Túto myšlienku prvýkrát sformuloval v roku 1933 anglický astrofyzik Edward Milne (Edward Arthur Milne, 1896-1950) a v roku 1937 slávny anglický teoretický fyzik Paul Dirac (Paul Dirac, 1902-1984), v rámci tzv. nazývaná "hypotéza veľkých čísel" naznačuje, že gravitačná konštanta klesá s kozmologickým časom. Diracova hypotéza zaujíma dôležité miesto v dejinách teoretickej fyziky 20. storočia, no nie je známe žiadne jej viac či menej spoľahlivé experimentálne potvrdenie.

S gravitačnou konštantou priamo súvisí aj takzvaná „kozmologická konštanta“, ktorá sa prvýkrát objavila v rovniciach všeobecnej teórie relativity Alberta Einsteina. Po zistení, že tieto rovnice opisujú buď rozpínajúci sa alebo zmršťujúci sa vesmír, Einstein do rovníc umelo pridal „kozmologický pojem“, ktorý zaistil existenciu stacionárnych riešení. Jeho fyzikálny význam sa zredukoval na existenciu sily, ktorá kompenzuje sily univerzálnej gravitácie a prejavuje sa len vo veľmi veľkých mierkach. Zlyhanie modelu stacionárneho vesmíru bolo Einsteinovi zrejmé po publikovaní prác amerického astronóma Edwina Hubbla (Edwin Powell Hubble, 1889–1953) a sovietskeho matematika Alexandra Friedmana, ktorí dokázali platnosť iného modelu, podľa ktorého sa Vesmír v čase rozpína. V roku 1931 Einstein opustil kozmologickú konštantu a v súkromí ju nazval „najväčšou chybou svojho života“.

Tým sa však príbeh neskončil. Po zistení, že expanzia vesmíru sa za posledných päť miliárd rokov zrýchľovala, sa otázka existencie antigravitácie opäť stala aktuálnou; spolu s ňou sa do kozmológie vrátila aj kozmologická konštanta. Moderní kozmológovia zároveň spájajú antigravitáciu s prítomnosťou takzvanej „temnej energie“ vo vesmíre.

Gravitačná konštanta, kozmologická konštanta aj „temná energia“ boli predmetom intenzívnej diskusie na nedávnej konferencii na London Imperial College o nevyriešených problémoch v štandardnom modeli kozmológie. Jedna z najradikálnejších hypotéz bola sformulovaná v správe Philipa Mannheima, časticového fyzika z University of Connecticut v Storrs. V skutočnosti Mannheim navrhol zbaviť gravitačnú konštantu štatútu univerzálnej konštanty. Podľa jeho hypotézy sa „tabuľková hodnota“ gravitačnej konštanty určuje v laboratóriu umiestnenom na Zemi a je možné ju použiť len v rámci slnečnej sústavy. V kozmologickom meradle má gravitačná konštanta inú, oveľa menšiu číselnú hodnotu, ktorú možno vypočítať metódami fyziky elementárnych častíc.

Mannheim, ktorý predstavil svoju hypotézu svojim kolegom, sa v prvom rade snažil priblížiť riešenie „problému kozmologickej konštanty“, ktorý je pre kozmológiu veľmi dôležitý. Podstata tohto problému je nasledovná. Podľa moderných konceptov kozmologická konštanta charakterizuje rýchlosť expanzie vesmíru. Jeho číselná hodnota, teoreticky zistená metódami kvantovej teórie poľa, je 10 120-krát vyššia ako hodnota získaná z pozorovaní. Teoretická hodnota kozmologickej konštanty je taká veľká, že pri vhodnej rýchlosti rozpínania vesmíru by hviezdy a galaxie jednoducho nestihli vzniknúť.

Mannheim svoju hypotézu o existencii dvoch rôznych gravitačných konštánt – pre slnečnú sústavu a pre medzigalaktické váhy – zdôvodňuje nasledovne. Podľa neho nie je v skutočnosti pri pozorovaniach určená samotná kozmologická konštanta, ale nejaká veličina úmerná súčinu kozmologickej konštanty a gravitačnej konštanty. Predpokladajme, že na intergalaktických mierkach je gravitačná konštanta veľmi malá, kým hodnota kozmologickej konštanty zodpovedá vypočítanej a je veľmi veľká. V tomto prípade môže byť súčinom dvoch konštánt malá hodnota, čo nie je v rozpore s pozorovaniami. "Možno je čas prestať považovať kozmologickú konštantu za malú," hovorí Mannheim, "len akceptujte, že je veľká a choďte odtiaľ." V tomto prípade je „problém kozmologickej konštanty“ vyriešený.

Mannheimské riešenie vyzerá jednoducho, no cena, ktorú zaň treba zaplatiť, je veľmi vysoká. Ako zdôrazňuje Zeeya Merali v knihe „Dve konštanty sú lepšie ako jedna“, ktorú zverejnil New Scientist 28. apríla 2007, zavedením dvoch rôznych číselných hodnôt pre gravitačnú konštantu musí Mannheim nevyhnutne opustiť Einsteinove rovnice všeobecnej relativity. Navyše, Mannheimova hypotéza robí pojem „temnej energie“, akceptovaný väčšinou kozmológov, nadbytočným, keďže malá hodnota gravitačnej konštanty na kozmologických mierkach je sama o sebe ekvivalentná predpokladu existencie antigravitácie.

Keith Horne z Britskej univerzity St. Andrew (University of St Andrew) víta Mannheimovu hypotézu, pretože využíva základné princípy časticovej fyziky: "Je to veľmi elegantné a bolo by skvelé, keby sa ukázalo, že je to správne." Podľa Horna by sme v tomto prípade mohli spojiť časticovú fyziku a teóriu gravitácie do jednej veľmi atraktívnej teórie.

Nie všetci s ňou však súhlasia. New Scientist tiež cituje kozmológa Toma Shanksa, ktorý povedal, že niektoré javy, ktoré veľmi dobre zapadajú do štandardného modelu, ako sú nedávne merania CMB a pohyb binárnych pulzarov, sa v Mannheimovej teórii pravdepodobne nedajú tak ľahko vysvetliť.

Sám Mannheim nepopiera problémy, ktorým jeho hypotéza čelí, pričom poznamenáva, že ich považuje za oveľa menej významné v porovnaní s ťažkosťami štandardného kozmologického modelu: „Vyvíjajú ho stovky kozmológov, no napriek tomu je neuspokojivý 120 rádov."

Treba poznamenať, že Mannheim si našiel istý počet priaznivcov, ktorí ho podporovali, aby vylúčil to najhoršie. K najhoršiemu pripisovali hypotézu, ktorú v roku 2006 predložili Paul Steinhardt (Paul Steinhardt) z Princetonskej univerzity (Princetonská univerzita) a Neil Turok (Neil Turok) z Cambridge (Cambridgeská univerzita), podľa ktorej sa vesmír periodicky rodí a zaniká. a v každom z cyklov (trvajúcom bilión rokov) má svoj vlastný Veľký tresk a zároveň v každom cykle je číselná hodnota kozmologickej konštanty menšia ako v predchádzajúcom. Mimoriadne nevýznamná hodnota kozmologickej konštanty, zaznamenaná pri pozorovaniach, potom znamená, že náš vesmír je veľmi vzdialeným článkom vo veľmi dlhom reťazci vznikajúcich a miznúcich svetov...

m 1 a m 2 na diaľku r, rovná sa: F = Gm1m2r2. (\displaystyle F=G(\frac (m_(1)m_(2))(r^(2))).) G\u003d 6,67408 (31) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 alebo N m² kg −2.

Gravitačná konštanta je základom pre prevod iných fyzikálnych a astronomických veličín, ako sú hmotnosti planét vo vesmíre vrátane Zeme, ako aj iných kozmických telies na tradičné merné jednotky, ako sú kilogramy. Zároveň vzhľadom na slabosť gravitačnej interakcie a z toho vyplývajúcu nízku presnosť meraní gravitačnej konštanty sú pomery hmotností kozmických telies zvyčajne známe oveľa presnejšie ako jednotlivé hmotnosti v kilogramoch.

Gravitačná konštanta je jednou zo základných jednotiek merania v Planckovom systéme jednotiek.

História merania

Gravitačná konštanta sa objavuje v moderných záznamoch zákona univerzálnej gravitácie, ale až do začiatku 19. storočia výslovne chýbala v Newtonovi a v prácach iných vedcov. Gravitačná konštanta vo svojej súčasnej podobe bola prvýkrát zavedená do zákona univerzálnej gravitácie, zrejme až po prechode na jednotný metrický systém mier. Možno po prvýkrát to urobil francúzsky fyzik Poisson v Pojednaní o mechanike (1809), prinajmenšom historici nepoznali žiadne skoršie práce, v ktorých by sa gravitačná konštanta objavila [ ] .

G\u003d 6,67554(16) × 10 −11 m 3 s −2 kg −1 (štandardná relatívna chyba 25 ppm (alebo 0,0025 %), pôvodná publikovaná hodnota sa mierne líšila od konečnej v dôsledku chyby vo výpočtoch a bola neskoršia opravené autormi).

pozri tiež

Poznámky

  1. Vo všeobecnej teórii relativity, zápis pomocou písmena G, sa používajú zriedka, pretože tam sa toto písmeno zvyčajne používa na označenie Einsteinovho tenzora.
  2. Podľa definície sú hmotnosti zahrnuté v tejto rovnici gravitačné hmotnosti, avšak rozdiel medzi veľkosťou gravitačnej a zotrvačnej hmotnosti žiadneho telesa zatiaľ nebol experimentálne zistený. Teoreticky sa v rámci moderných predstáv takmer nelíšia. To bol vo všeobecnosti štandardný predpoklad od Newtonových čias.
  3. Nové merania gravitačnej konštanty ešte viac zamotajú situáciu // Elementy.ru, 09/13/2013
  4. CODATA Medzinárodne odporúčané hodnoty základných fyzikálnych konštánt(Angličtina) . Získané 30. júna 2015.
  5. Rôzni autori uvádzajú rôzne výsledky, od 6,754⋅10 −11 m²/kg² do (6,60 ± 0,04)⋅10 −11 m³/(kg s³) – pozri Cavendishov experiment#Vypočítaná hodnota.
  6. Igor Ivanov. Nové merania gravitačnej konštanty ešte viac zamotajú situáciu (neurčité) (13. septembra 2013). Získané 14. septembra 2013.
  7. Je gravitačná konštanta taká konštantná? Archívna kópia zo 14. júla 2014 na Wayback Machine
  8. Brooks, Michael Môže magnetické pole Zeme ovplyvniť gravitáciu? (neurčité) . New Scientist (21. september 2002). [Archivované na Wayback Machine Archived] 8. februára 2011.
  9. Eroshenko Yu. N. Fyzikálne novinky na internete (založené na elektronickej predtlači), UFN, 2000, ročník 170, č. 6, s. 680
  10. Phys. Rev. Lett. 105 110801 (2010) na ArXiv.org
  11. Novinky z fyziky na október 2010
  12. Quinn Terry, Parks Harold, Speake Clive, Davis Richard. Vylepšené stanovenie G Použitie dvoch metód // Fyzické kontrolné listy. - 2013. - 5. september (roč. 111, č. 10). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.111.101102.
  13. Quinn Terry, Speake Clive, Parks Harold, Davis Richard. Erratum: Vylepšené stanovenie G Použitie dvoch metód // Fyzické kontrolné listy. - 2014. - 15. júl (roč. 113, č. 3). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.113.039901.
  14. Rosi G., Sorrentino F., Cacciapuoti L., Prevedelli M., Tino G.M.

Experimenty s meraním gravitačnej konštanty G, ktoré v posledných rokoch uskutočnilo niekoľko skupín, vykazujú medzi sebou nápadný nesúlad. Nedávno zverejnené nové meranie, ktoré vykonal Medzinárodný úrad pre váhy a miery, sa od všetkých líši a problém len zhoršuje. Gravitačná konštanta zostáva extrémne nepoddajnou veličinou pre presné meranie.

Merania gravitačných konštánt

Gravitačná konštanta G, známa aj ako Newtonova konštanta, je jednou z najdôležitejších základných konštánt prírody. Toto je konštanta, ktorá vstupuje do Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie; nezávisí od vlastností priťahovania telies, ani od okolitých podmienok, ale charakterizuje intenzitu samotnej gravitačnej sily. Prirodzene, takáto základná charakteristika nášho sveta je pre fyziku dôležitá a treba ju presne zmerať.

Situácia s meraním G je však stále veľmi nezvyčajná. Na rozdiel od mnohých iných základných konštánt je gravitačná konštanta veľmi ťažko merateľná. Faktom je, že presný výsledok možno získať iba laboratórnymi experimentmi, a to meraním sily príťažlivosti dvoch telies so známou hmotnosťou. Napríklad v klasickom experimente Henryho Cavendisha (obr. 2) je činka zložená z dvoch ťažkých guľôčok zavesená na tenkej niti, a keď sa na stranu týchto gúľ zatlačí ďalšie masívne teleso, gravitačná sila má tendenciu túto guľu otáčať. činka o nejaký uhol, pričom rotačný moment síl je mierne skrútený vlákno nebude kompenzovať gravitáciu. Meraním uhla natočenia činky a poznaním elastických vlastností vlákna je možné vypočítať gravitačnú silu, a teda aj gravitačnú konštantu.

Toto zariadenie (nazýva sa to torzná rovnováha) v rôznych modifikáciách sa používa v moderných experimentoch. Takéto meranie je vo svojej podstate veľmi jednoduché, ale náročné na realizáciu, pretože vyžaduje presné znalosti nielen o všetkých hmotnostiach a všetkých vzdialenostiach, ale aj o elastických vlastnostiach nite a tiež zaväzuje minimalizovať všetky vedľajšie účinky, mechanické aj tepelné. . Nedávno sa však objavili prvé merania gravitačnej konštanty inými, atómovými interferometrickými metódami, ktoré využívajú kvantovú povahu hmoty. Presnosť týchto meraní je však stále oveľa nižšia ako pri mechanických inštaláciách, hoci v nich je možno budúcnosť (podrobnosti nájdete v novinke Gravitačná konštanta sa meria novými metódami, "Elements", 22.1.2007) .

Tak či onak, ale napriek viac ako dvestoročnej histórii zostáva presnosť meraní veľmi skromná. Aktuálna „oficiálna“ hodnota odporúčaná Americkým národným inštitútom pre štandardy (NIST) je (6,67384 ± 0,00080)·10 -11 m 3 kg -1 s -2. Relatívna chyba je tu 0,012 % alebo 1,2 10 -4 alebo, pre fyzikov ešte známejších, 120 ppm (milióntin), čo je o niekoľko rádov horšie ako presnosť merania iných rovnako dôležitých veličín. Navyše, už niekoľko desaťročí neprestáva byť meranie gravitačnej konštanty pre experimentálnych fyzikov zdrojom bolesti hlavy. Napriek desiatkam uskutočnených experimentov a zdokonaľovaniu samotnej meracej techniky zostala presnosť merania nízka. Relatívna chyba 10–4 sa dosiahla pred 30 rokmi a odvtedy nedošlo k žiadnemu zlepšeniu.

Stav z roku 2010

V posledných rokoch sa situácia ešte viac zdramatizovala. V rokoch 2008 až 2010 publikovali tri skupiny nové merania G. Na každom z nich roky pracoval tím experimentátorov, ktorí nielen priamo merali G, ale aj starostlivo hľadali a preverovali všetky možné zdroje chýb. Každé z týchto troch meraní bolo vysoko presné: chyby boli 20–30 ppm. Teoreticky mali tieto tri merania výrazne zlepšiť naše znalosti o číselnej hodnote G. Jediným problémom je, že sa všetky navzájom líšili až o 200–400 ppm, teda o tucet deklarovaných chýb! Táto situácia z roku 2010 je znázornená na obr. 3 a stručne popísané v poznámke Nepríjemná situácia s gravitačnou konštantou.

Je celkom jasné, že za to nemôže samotná gravitačná konštanta; naozaj to musí byť vždy a všade rovnaké. Napríklad existujú satelitné údaje, ktoré síce neumožňujú dobré meranie číselnej hodnoty konštanty G, ale umožňujú overiť jej nemennosť - ak sa G za rok zmenilo aspoň o jednu bilióninu (t.j. o 10 -12), to by už bolo viditeľné. Z toho teda vyplýva jediný záver, že v niektorých (alebo niektorých) z týchto troch experimentov existujú nevysvetliteľné zdroje chýb. Ale v čom?

Jediný spôsob, ako sa to pokúsiť zistiť, je zopakovať merania na iných nastaveniach, najlepšie s inými metódami. Bohužiaľ tu ešte nebolo možné dosiahnuť konkrétnu rozmanitosť metód, pretože pri všetkých experimentoch sa používa jedno alebo druhé mechanické zariadenie. Rôzne implementácie však môžu mať rôzne inštrumentálne chyby a porovnanie ich výsledkov umožní pochopiť situáciu.

nový rozmer

Na druhý deň v časopise Fyzické kontrolné listy jedno takéto meranie bolo publikované. Malá skupina výskumníkov pracujúcich v Medzinárodnom úrade pre váhy a miery v Paríži postavila prístroj od nuly, ktorý meral gravitačnú konštantu dvoma rôznymi spôsobmi. Ide o rovnaké torzné vyváženie, ale nie s dvoma, ale so štyrmi rovnakými valcami uloženými na kotúči zavesenom na kovovom závite (vnútorná časť inštalácie na obr. 1). Tieto štyri závažia gravitačne interagujú so štyrmi ďalšími väčšími valcami namontovanými na karuseli, ktorý možno otáčať do ľubovoľného uhla. Schéma so štyrmi telesami namiesto dvoch umožňuje minimalizovať gravitačnú interakciu s asymetricky umiestnenými objektmi (napríklad steny laboratórnej miestnosti) a zamerať sa špecificky na gravitačné sily vo vnútri inštalácie. Samotný závit nemá okrúhlu, ale obdĺžnikovú časť; nie je to skôr závit, ale tenký a úzky kovový pásik. Táto voľba umožňuje rovnomernejšie prenášať zaťaženie pozdĺž nej a minimalizovať závislosť od elastických vlastností látky. Celý prístroj je vo vákuu a v určitom teplotnom režime, ktorý sa udržiava s presnosťou na stotinu stupňa.

Toto zariadenie umožňuje vykonávať tri typy meraní gravitačnej konštanty (podrobnosti pozri v samotnom článku a na stránke výskumnej skupiny). Po prvé, toto je doslovná reprodukcia Cavendishovho experimentu: náklad sa zdvihol, váhy sa otočili o určitý uhol a tento uhol sa meral optickým systémom. Po druhé, môže byť spustený v režime torzného kyvadla, keď sa vnútorná inštalácia periodicky otáča tam a späť a prítomnosť ďalších masívnych telies mení periódu oscilácie (výskumníci však túto metódu nepoužili). Nakoniec ich inštalácia umožňuje merať gravitačnú silu žiadna odbočka závažia. To je dosiahnuté pomocou elektrostatického servoriadenia: elektrické náboje sú aplikované na interagujúce telesá takým spôsobom, že elektrostatické odpudzovanie plne kompenzuje gravitačnú príťažlivosť. Tento prístup nám umožňuje zbaviť sa inštrumentálnych chýb spojených špecificky s mechanikou rotácie. Merania ukázali, že tieto dve metódy, klasická a elektrostatická, poskytujú konzistentné výsledky.

Výsledok nového merania je znázornený ako červená bodka na obr. 4. Je vidieť, že toto meranie nielenže nevyriešilo boľavé miesto, ale problém ešte viac zhoršilo: je veľmi odlišné od všetkých ostatných nedávnych meraní. Takže už teraz máme štyri (alebo päť, ak spočítate nepublikované údaje z Kalifornskej skupiny) rôzne a zároveň pomerne presné merania a všetky sa od seba drasticky rozchádzajú! Rozdiel medzi dvoma najextrémnejšími (a chronologicky najnovšími) hodnotami už presahuje 20(!) deklarovaných chýb.

Čo sa týka nového experimentu, tu je potrebné pridať. Táto skupina výskumníkov už vykonala podobný experiment v roku 2001. A potom dostali aj hodnotu blízku tej súčasnej, no len o niečo menej presnú (pozri obr. 4). Mohli by byť podozriví z jednoduchého opakovania meraní na rovnakom hardvéri, ak nie pre jedno "ale" - potom to bolo ďalší inštalácia. Z tohto starého závodu teraz zobrali len 11 kg vonkajšie valce, ale celý centrálny aparát je teraz prestavaný. Ak by skutočne mali nejaký nezohľadnený efekt spojený špecificky s materiálmi alebo výrobou zariadenia, potom by sa to mohlo zmeniť a „potiahnuť“ nový výsledok. Ale výsledok zostal približne na rovnakom mieste ako v roku 2001. Autori práce to považujú za ďalší dôkaz čistoty a spoľahlivosti ich meraní.

Situácia, keď štyri alebo päť výsledkov získaných rôznymi skupinami naraz všetky sa líšia o tucet alebo dve z deklarovaných chýb, čo je pre fyziku zjavne bezprecedentné. Bez ohľadu na to, aká vysoká je presnosť každého merania a bez ohľadu na to, akí hrdí môžu byť autori, teraz to nie je dôležité pre zistenie pravdy. A nateraz sa pokúsiť zistiť na ich základe skutočnú hodnotu gravitačnej konštanty možno len jedným spôsobom: dať hodnotu niekde do stredu a pripísať chybu, ktorá pokryje celý tento interval (teda jedna a pol až dva krát zhoršiť aktuálna odporúčaná chyba). Ostáva len dúfať, že ďalšie merania budú spadať do tohto intervalu a postupne budú uprednostňovať nejakú jednu hodnotu.

Tak či onak, ale gravitačná konštanta je naďalej hádankou fyziky meraní. O koľko rokov (či desaťročí) sa táto situácia skutočne začne zlepšovať, je teraz ťažké predpovedať.

(gravitačná konštanta – veľkosť nie konštanta)

Časť 1

Obr.1

Vo fyzike je s gravitáciou spojená len jedna konštanta, a to gravitačná konštanta (G). Táto konštanta sa získa experimentálne a nemá žiadnu súvislosť s inými konštantami. Vo fyzike sa považuje za základ.

Tejto konštante bude venovaných niekoľko článkov, kde sa pokúsim ukázať zlyhanie jej stálosti a chýbajúci základ pod ňou. Presnejšie povedané, je pod ním základ, ale trochu iný.

Aký význam má konštantná gravitácia a prečo sa tak starostlivo meria? Pre pochopenie je potrebné sa opäť vrátiť k zákonu univerzálnej gravitácie. Prečo fyzici tento zákon prijali, navyše ho začali nazývať „najväčším zovšeobecnením dosiahnutým ľudskou mysľou“. Jeho formulácia je jednoduchá: dve telesá na seba pôsobia silou, ktorá je nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi a priamo úmerná súčinu ich hmotností.

G je gravitačná konštanta

Z tohto jednoduchého vzorca vyplýva veľa veľmi netriviálnych záverov, no neexistuje odpoveď na zásadné otázky: ako a vďaka čomu pôsobí gravitačná sila?

Tento zákon nehovorí nič o mechanizme vzniku príťažlivej sily, ale stále sa používa a zrejme sa bude používať viac ako jedno storočie.

Niektorí vedci ho nadávajú, iní ho zbožňujú. Tí, ani ostatní sa bez toho nezaobídu, pretože. lepšie ako čokoľvek, s čím prišli a neotvorili. Praktizujúci pri prieskume vesmíru, vediac o nedokonalosti tohto zákona, používajú korekčné tabuľky, ktoré sa aktualizujú o nové údaje po každom štarte kozmickej lode.

Teoretici sa snažia tento zákon napraviť zavádzaním opráv, dodatočných koeficientov, hľadajúc dôkazy o existencii chyby v dimenzii gravitačnej konštanty G, no nič sa neujme a Newtonov vzorec ostáva v pôvodnej podobe.

Vzhľadom na množstvo nejednoznačností a nepresností vo výpočtoch pomocou tohto vzorca je potrebné ho ešte opraviť.

Newtonov výraz je všeobecne známy: „Gravity is Universal“, čiže gravitácia je univerzálna. Tento zákon popisuje gravitačnú interakciu medzi dvoma telesami, nech sú kdekoľvek vo vesmíre; to je podstata jeho univerzalizmu. Gravitačná konštanta G, zahrnutá v rovnici, sa považuje za univerzálnu prírodnú konštantu.

Konštanta G nám umožňuje uskutočňovať uspokojivé výpočty v pozemských podmienkach, logicky by mala byť zodpovedná za energetickú interakciu, ale čo si z konštanty vziať.

Zaujímavý je názor vedca (V.E. Kostyushko), ktorý robil skutočné experimenty na pochopenie a odhalenie zákonov prírody, veta: „Príroda nemá ani fyzikálne zákony, ani fyzikálne konštanty s rozmermi, ktoré vymyslel človek. „V prípade gravitačnej konštanty sa vo vede ustálil názor, že táto hodnota bola nájdená a numericky odhadnutá. Jeho konkrétny fyzikálny význam sa však zatiaľ nepodarilo stanoviť, a to predovšetkým preto, že v skutočnosti sa v dôsledku nesprávneho konania, či skôr hrubých chýb, získala nezmyselná a úplne nezmyselná hodnota s absurdným rozmerom.

Nerád by som sa postavil do takejto kategorickej pozície, ale musíme konečne pochopiť význam tejto konštanty.

V súčasnosti je hodnota gravitačnej konštanty schválená Výborom pre základné fyzikálne konštanty: G=6,67408·10 -11 m³/(kg·s²) [KODATA 2014] . Napriek tomu, že táto konštanta je starostlivo meraná, nespĺňa požiadavky vedy. Ide o to, že neexistuje presná zhoda výsledkov medzi podobnými meraniami vykonanými v rôznych laboratóriách sveta.

Ako poznamenávajú Melnikov a Pronin: „Historicky bola gravitácia prvým predmetom vedeckého výskumu. Hoci od vzniku gravitačného zákona, za ktorý vďačíme Newtonovi, uplynulo viac ako 300 rokov, konštanta gravitačnej interakcie zostáva v porovnaní so zvyškom najmenej presne meraná.

Okrem toho zostáva otvorená hlavná otázka o samotnej podstate gravitácie a jej podstate. Ako viete, samotný Newtonov zákon univerzálnej gravitácie bol overený s oveľa väčšou presnosťou ako presnosť konštanty G. Hlavným obmedzením presného určenia gravitačných síl je gravitačná konštanta, preto sa jej venuje veľká pozornosť.

Jedna vec je venovať pozornosť a druhá - presnosť zhody výsledkov pri meraní G. Pri dvoch najpresnejších meraniach môže chyba dosiahnuť rádovo 1/10000. Ale keď sa merania uskutočnili na rôznych miestach planéty, hodnoty mohli prekročiť experimentálnu chybu o rádovo alebo viac!

Čo je to za konštantu, keď pri jej meraniach je taký obrovský rozptyl nameraných hodnôt? Alebo možno toto vôbec nie je konštanta, ale meranie nejakých abstraktných parametrov. Alebo sú merania prekryté interferenciou, ktorú výskumníci nepoznajú? Tu sa objavuje nová pôda pre rôzne hypotézy. Niektorí vedci sa odvolávajú na magnetické pole Zeme: "Vzájomné ovplyvňovanie zemského gravitačného a magnetického poľa vedie k tomu, že zemská príťažlivosť bude silnejšia na tých miestach, kde je silnejšie magnetické pole." Stúpenci Diraca tvrdia, že gravitačná konštanta sa mení s časom atď.

Niektoré otázky sú odstránené kvôli nedostatku dôkazov, zatiaľ čo iné sa objavujú, a to je prirodzený proces. Ale takáto hanba nemôže pokračovať donekonečna, dúfam, že môj výskum pomôže určiť smer k pravde.

Prvý, komu sa pripísalo prvenstvo experimentu v meraní konštantnej gravitácie, bol anglický chemik Henry Cavendish, ktorý sa v roku 1798 pustil do určovania hustoty Zeme. Na takýto delikátny experiment použil torznú rovnováhu, ktorú vynašiel J. Michell (teraz je vystavená v Národnom múzeu Veľkej Británie). Cavendish porovnával kmity kyvadla testovacieho telesa pod vplyvom gravitácie guľôčok známej hmotnosti v gravitačnom poli Zeme.

Experimentálne údaje, ako sa neskôr ukázalo, boli užitočné na určenie G. Výsledok získaný Cavendishom je fenomenálny, líši sa len o 1 % od toho, ktorý je dnes akceptovaný. Treba poznamenať, aký veľký úspech to bol v jeho ére. Za viac ako dve storočia pokročila veda o experimente len o 1 %? Je to neuveriteľné, ale je to tak. Navyše, ak sa zohľadnia výkyvy a nemožnosť ich prekonať, hodnota G sa priradí umelo, ukazuje sa, že od čias Cavendisha sme v presnosti meraní vôbec nepokročili!

Áno! Nikam sme nepokročili, veda je v páde – nechápe gravitáciu!

Prečo veda prakticky nepokročila v presnosti merania tejto konštanty za viac ako tri storočia? Možno je to všetko o nástroji, ktorý používa Cavendish. Torzné váhy – vynález 16. storočia, zostali vedcom v prevádzke dodnes. Samozrejme, toto už nie je torzné vyváženie, pozrite sa na fotografiu, obr. 1. Napriek zvončekom a píšťalkám modernej mechaniky a elektroniky, plus vákuum, teplotná stabilizácia, výsledok sa prakticky nepohol. Očividne tu niečo nie je v poriadku.

Naši predkovia a súčasníci robili rôzne pokusy zmerať G v rôznych zemepisných šírkach a na tých najneuveriteľnejších miestach: hlboké bane, ľadové jaskyne, studne, na televíznych vežiach. Konštrukcia torzných vyvážení bola vylepšená. Nové merania za účelom objasnenia gravitačnej konštanty boli zopakované a overené. Kľúčový experiment založili v Los Alamos v roku 1982 G. Luther a W. Towler. Ich inštalácia pripomínala Cavendishove torzné váhy s volfrámovými guličkami. Výsledok týchto meraní, 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (t.j. 6,6726 ± 0,0005), bol braný ako základ pre údaje odporúčané Výborom pre vedu a techniku ​​(CODATA) hodnoty v roku 1986.

Všetko bolo pokojné až do roku 1995, kedy skupina fyzikov v nemeckom PTB laboratóriu v Braunschweigu pomocou upraveného nastavenia (váhy plávajúce na povrchu ortuti, s guľôčkami veľkej hmotnosti) získala hodnotu G (0,6 ± 0,008) % vyššiu. než je všeobecne akceptované. V dôsledku toho sa v roku 1998 chyba merania G zvýšila takmer o jeden rád.

V súčasnosti sa aktívne diskutuje o experimentoch na testovanie zákona univerzálnej gravitácie založenom na atómovej interferometrii, na meranie mikroskopických testovacích hmotností a ďalší test Newtonovho gravitačného zákona v mikrokozme.

Boli urobené pokusy použiť iné metódy merania G, ale korelácia medzi meraniami zostáva prakticky nezmenená. Tento jav sa teraz nazýva porušenie zákona o inverznom štvorci alebo „piata sila“. Piata sila teraz zahŕňa aj určité častice (polia) Higgsa - častice Boha.

Zdá sa, že božskú časticu sa im podarilo zafixovať, či skôr vypočítať, keďže fyzici zúčastňujúci sa experimentu na Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) (LHC) senzačne predstavili svetu správu.

Spoľahnite sa na Higgsov bozón, no nerobte chybu!

Čo je teda táto tajomná konštanta, ktorá kráča sama od seba a nikde bez nej?

Prečítali sme si pokračovanie článku

História merania

Gravitačná konštanta sa objavuje v moderných záznamoch zákona univerzálnej gravitácie, ale až do začiatku 19. storočia výslovne chýbala v Newtonovi a v prácach iných vedcov. Gravitačná konštanta vo svojej súčasnej podobe bola prvýkrát zavedená do zákona univerzálnej gravitácie, zrejme až po prechode na jednotný metrický systém mier. Možno po prvýkrát to urobil francúzsky fyzik Poisson v Pojednaní o mechanike (1809), prinajmenšom historici nepoznali žiadne skoršie práce, v ktorých by sa gravitačná konštanta objavila. V roku 1798 Henry Cavendish uskutočnil experiment na určenie priemernej hustoty Zeme pomocou torznej váhy, ktorú vynašiel John Michell (Philosophical Transactions 1798). Cavendish porovnal oscilácie kyvadla testovacieho telesa pod vplyvom gravitácie guľôčok známej hmotnosti a pod vplyvom zemskej gravitácie. Číselná hodnota gravitačnej konštanty bola vypočítaná neskôr na základe priemernej hustoty Zeme. Presnosť nameraných hodnôt G sa od čias Cavendisha zväčšila, no jej výsledok sa už celkom približoval tomu modernému.

pozri tiež

Poznámky

Odkazy

  • Gravitačná konštanta- článok z Veľkej sovietskej encyklopédie

Nadácia Wikimedia. 2010.

  • Darwin (vesmírny projekt)
  • Multiplikačný faktor rýchlych neutrónov

Pozrite sa, čo je „gravitačná konštanta“ v iných slovníkoch:

    GRAVITAČNÁ KONŠTANTA- (gravitačná konštanta) (γ, G) univerzálna fyzikálna. konštanta zahrnutá vo vzorci (pozri) ... Veľká polytechnická encyklopédia

    GRAVITAČNÁ KONŠTANTA- (označený G) koeficient úmernosti v Newtonovom gravitačnom zákone (pozri Univerzálny gravitačný zákon), G = (6,67259,0,00085).10 11 N.m²/kg² … Veľký encyklopedický slovník

    GRAVITAČNÁ KONŠTANTA- (označenie G), koeficient Newtonovho gravitačného zákona. Rovná sa 6,67259,10 11 N.m2.kg 2 ... Vedecko-technický encyklopedický slovník

    GRAVITAČNÁ KONŠTANTA- základný telesný konštanta G zahrnutá do Newtonovho gravitačného zákona F=GmM/r2, kde m a M sú hmotnosti priťahujúcich sa telies (hmotných bodov), r je vzdialenosť medzi nimi, F je sila príťažlivosti, G= 6,6720(41)X10 11 N m2 kg 2 (pre rok 1980). Najpresnejšia hodnota G. p. ... ... Fyzická encyklopédia

    gravitačná konštanta- — Témy ropný a plynárenský priemysel EN gravitačná konštanta … Technická príručka prekladateľa

    gravitačná konštanta- gravitacijos konstanta statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. gravitačná konštanta; gravitačná konštanta vok. Gravitationskonstante, fr rus. gravitačná konštanta, f; univerzálna gravitačná konštanta, f pranc. Constante de la gravitation, f … Fizikos terminų žodynas

    gravitačná konštanta- (označené G), koeficient úmernosti v Newtonovom gravitačnom zákone (pozri Zákon univerzálnej gravitácie), G \u003d (6,67259 + 0,00085) 10 11 N m2 / kg2. * * * GRAVITAČNÁ KONŠTANTA GRAVITAČNÁ KONŠTANTA (označené G), faktor… … encyklopedický slovník

    GRAVITAČNÁ KONŠTANTA- gravitačná konštanta, univers. fyzické konštanta G, zahrnutá v chrípke, vyjadrujúca Newtonov gravitačný zákon: G = (6,672 59 ± 0,000 85)*10 11N*m2/kg2 … Veľký encyklopedický polytechnický slovník

    Gravitačná konštanta- koeficient úmernosti G vo vzorci vyjadrujúcom Newtonov gravitačný zákon F = G mM / r2, kde F je sila príťažlivosti, M a m sú hmotnosti priťahovaných telies, r je vzdialenosť medzi telesami. Iné označenia G. p.: γ alebo f (menej často k2). Číselné ... ... Veľká sovietska encyklopédia

    GRAVITAČNÁ KONŠTANTA- (označené G), koeficient. proporcionalita v Newtonovom gravitačnom zákone (pozri. Univerzálny gravitačný zákon), G \u003d (6,67259 ± 0,00085) x 10 11 N x m2 / kg2 ... Prírodná veda. encyklopedický slovník

knihy

  • Vesmír a fyzika bez „temnej energie“ (objavy, nápady, hypotézy). V 2 zväzkoch. Zväzok 1, O. G. Smirnov. Knihy sú venované problémom fyziky a astronómie, ktoré existujú vo vede desaťročia a stovky rokov od G. Galilea, I. Newtona, A. Einsteina až po súčasnosť. Najmenšie častice hmoty a planét, hviezd a ...


Sekcie