Гравитационная постоянная. Гравитационную постоянную измерили с рекордно малой ошибкой

Эксперименты по измерению гравитационной постоянной G, проведенные в последние годы несколькими группами, демонстрируют поразительное несовпадение друг с другом. Опубликованное на днях новое измерение, выполненное в Международном бюро мер и весов, отличается от всех них и только усугубляет проблему. Гравитационная постоянная остается на редкость неподатливой для точного измерения величиной.

Измерения гравитационной постоянной

Гравитационная постоянная G, она же постоянная Ньютона, - одна из самых важных фундаментальных констант природы. Это та константа, которая входит в закон всемирного тяготения Ньютона; она не зависит ни от свойств притягивающихся тел, ни от окружающих условий, а характеризует интенсивность самой силы гравитации. Естественно, что такая фундаментальная характеристика нашего мира важна для физики, и она должна быть аккуратно измерена.

Однако ситуация с измерением G до сих пор остается очень необычной. В отличие от многих других фундаментальных констант, гравитационная постоянная с большим трудом поддается измерению. Дело в том, что аккуратный результат можно получить только в лабораторных экспериментах, через измерение силы притяжения двух тел известной массы. Например, в классическом опыте Генри Кавендиша (рис. 2) на тонкой нити подвешивается гантелька из двух тяжелых шаров, и когда сбоку к этим шарам пододвигают другое массивное тело, то сила гравитации стремится повернуть эту гантельку на некоторый угол, пока вращательный момент сил слегка закрученной нити не скомпенсирует гравитацию. Измеряя угол поворота гантельки и зная упругие свойства нити, можно вычислить силу гравитации, а значит, и гравитационную постоянную.

Это устройство (оно называется «крутильные весы») в разных модификациях используется и в современных экспериментах. Такое измерение очень просто по сути, но трудно по исполнению, поскольку оно требует точного знания не только всех масс и всех расстояний, но и упругих свойств нити, а также обязывает минимизировать все побочные воздействия, как механические, так и температурные. Недавно, правда, появились и первые измерения гравитационной постоянной другими, атомно-интерферометрическими методами , которые используют квантовую природу вещества. Однако точность этих измерений пока сильно уступает механическим установкам, хотя, возможно, за ними будущее (см. подробности в новости Гравитационная постоянная измерена новыми методами , «Элементы», 22.01.2007).

Так или иначе, но, несмотря на более чем двухсотлетнюю историю, точность измерений остается очень скромной. Нынешнее «официальное» значение, рекомендованное американским Национальным институтом стандартизации (NIST), составляет (6,67384 ± 0,00080)·10 –11 м 3 ·кг –1 ·с –2 . Относительная погрешность тут составляет 0,012%, или 1,2·10 –4 , или, в еще более привычных для физиков обозначениях, 120 ppm (миллионных долей), и это на несколько порядков хуже, чем точность измерения других столь же важных величин. Более того, вот уже несколько десятилетий измерение гравитационной постоянной не перестает быть источником головной боли для физиков-экспериментаторов. Несмотря на десятки проведенных экспериментов и усовершенствование самой измерительной техники, точность измерения так и осталась невысокой. Относительная погрешность на уровне 10 –4 была достигнута еще 30 лет назад, и никакого улучшения с тех пор нет.

Ситуация по состоянию на 2010 год

В последние несколько лет ситуация стала еще более драматичной. В 2008–2010 годах три группы обнародовали новые результаты измерения G. Над каждым из них команда экспериментаторов работала годами, причем не только непосредственно измеряла величину G, но и тщательно искала и перепроверяла всевозможные источники погрешностей. Каждое из этих трех измерений обладало высокой точностью: погрешности составляли 20–30 ppm. По идее, эти три измерения должны были существенно улучшить наше знание численной величины G. Беда лишь в том, что все они отличались друг от друга аж на 200–400 ppm, то есть на целый десяток заявленных погрешностей! Эта ситуация по состоянию на 2010 год показана на рис. 3 и кратко описана в заметке Неловкая ситуация с гравитационной постоянной .

Совершенно ясно, что сама гравитационная постоянная тут не виновата; она действительно обязана быть одной и той же всегда и везде. Например, есть спутниковые данные, которые хоть и не позволяют хорошо измерить численное значение константы G, зато позволяют убедиться в ее неизменности - если бы G изменилась за год хоть на одну триллионную долю (то есть на 10 –12), это уже было бы заметно. Поэтому единственный вытекающий отсюда вывод таков: в каком-то (или в каких-то) из этих трех экспериментов есть неучтенные источники погрешностей. Но вот в каком?

Единственный способ попытаться разобраться, это повторять измерения на других установках, и желательно разными методами. К сожалению, особенного разнообразия методик здесь пока достичь не удается, поскольку во всех экспериментах используется то или иное механическое устройство. Но всё же разные реализации могут обладать разными инструментальными погрешностями, и сравнение их результатов позволит разобраться в ситуации.

Новое измерение

На днях в журнале Physical Review Letters было опубликовано одно такое измерение. Небольшая группа исследователей, работающих в Международном бюро мер и весов в Париже, с нуля построила аппарат, который позволил измерить гравитационную постоянную двумя разными способами. Он представляет из себя те же крутильные весы, только не с двумя, а с четырьмя одинаковыми цилиндрами, установленными на диске, подвешенном на металлической нити (внутренняя часть установки на рис. 1). Эти четыре груза гравитационно взаимодействуют с четырьмя другими, более крупными цилиндрами, насаженными на карусель, которую можно повернуть на произвольный угол. Схема с четырьмя телами вместо двух позволяет минимизировать гравитационное взаимодействие с несимметрично расположенными предметами (например, стенками лабораторной комнаты) и сфокусироваться именно на гравитационных силах внутри установки. Сама нить имеет не круглое, а прямоугольное сечение; это, скорее, не нить, а тонкая и узкая металлическая полоска. Такой выбор позволяет ровнее передавать нагрузку по ней и минимизировать зависимость от упругих свойств вещества. Весь аппарат находится в вакууме и при определенном температурном режиме, который выдерживается с точностью до сотой доли градуса.

Это устройство позволяет выполнять три типа измерения гравитационной постоянной (см. подробности в самой статье и на страничке исследовательской группы). Во-первых, это буквальное воспроизведение опыта Кавендиша: поднесли груз, весы повернулись на некоторый угол, и этот угол измеряется оптической системой. Во-вторых, его можно запустить в режиме крутильного маятника, когда внутренняя установка периодически вращается туда-сюда, а наличие дополнительных массивных тел изменяет период колебаний (этот способ, впрочем, исследователи не использовали). Наконец, их установка позволяет выполнять измерение гравитационной силы без поворота грузиков. Это достигается с помощью электростатического сервоконтроля: к взаимодействующим телам подводятся электрические заряды так, чтобы электростатическое отталкивание полностью компенсировало гравитационное притяжение. Такой подход позволяет избавиться от инструментальных погрешностей, связанных именно с механикой поворота. Измерения показали, что два метода, классический и электростатический, дают согласующиеся результаты.

Результат нового измерения показан красной точкой на рис. 4. Видно, что это измерение не только не разрешило наболевший вопрос, но и еще сильнее усугубило проблему: оно сильно отличается от всех остальных недавних измерений. Итак, к настоящему моменту у нас имеется уже четыре (или пять, если считать неопубликованные данные калифорнийской группы) разных и при том довольно точных измерения, и все они кардинально расходятся друг с другом! Разница между двумя самыми крайними (и хронологически - самыми последними) значениями уже превышает 20(!) заявленных погрешностей .

Что касается нового эксперимента, тут надо добавить вот что. Эта группа исследователей уже выполняла аналогичный эксперимент в 2001 году. И тогда у них тоже получалось значение, близкое к нынешнему, но только чуть менее точное (см. рис. 4). Их можно было бы заподозрить в простом повторении измерений на одном и том же железе, если бы не одно «но» - тогда это была другая установка. От той старой установки они сейчас взяли только 11-килограммовые внешние цилиндры, но весь центральный прибор был сейчас построен заново. Если бы у них действительно был какой-то неучтенный эффект, связанный именно с материалами или изготовлением аппарата, то он вполне мог измениться и «утащить за собой» новый результат. Но результат остался примерно на том же месте, что и в 2001 году. Авторы работы видят в этом лишнее доказательство чистоты и достоверности их измерения.

Ситуация, когда сразу четыре или пять результатов, полученных разными группами, все различаются на десяток-другой заявленных погрешностей, по-видимому, для физики беспрецедентна. Какой бы высокой ни была точность каждого измерения и как бы авторы ею ни гордились, для установления истины она сейчас не имеет никакого значения. И пока что пытаться на их основании узнать истинное значение гравитационной постоянной можно только одним способом: поставить значение где-то посередине и приписать погрешность, которая будет охватывать весь этот интервал (то есть раза в полтора-два ухудшить нынешнюю рекомендованную погрешность). Можно лишь надеяться, что следующие измерения будут попадать в этот интервал и постепенно будут давать предпочтение какому-то одному значению.

Так или иначе, но гравитационная постоянная продолжает оставаться головоломкой измерительной физики. Через сколько лет (или десятилетий) эта ситуация действительно начнет улучшаться, сейчас предсказать трудно.

Все попытки экспериментаторов по уменьшению погрешности измерений гравитационной постоянной Земли до сего времени сводились к нулю. Как было отмечено ранее, со времен Кавендиша точность измерения этой постоянной практически не увеличилась. За два с лишним столетия точность измерения не сдвинулась с места. Такую ситуацию можно назвать по аналогии с «ультрафиолетовой катастрофой» как «катастрофа гравитационной постоянной». Из ультрафиолетовой катастрофы выбрались с помощью квантов, а как выйти из катастрофы с гравитационной постоянной?

Из крутильных весов Кавендиша уже ничего не выжмешь, поэтому выход можно найти, воспользовавшись усредненным значением ускорения свободного падения и вычислить G из известной формулы:

Где, g – ускорение свободного падения (g=9,78 м/с 2 – на экваторе; g=9,832 м/с 2 – на полюсах).

R – радиус Земли, м,

M – масса Земли, кг.

Стандартное значение ускорения свободного падения, принятое при построении систем единиц, равно: g=9,80665 . Отсюда усредненное значение G будет равно:

В соответствии с полученным G , уточним температуру из пропорции:

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

Данная температура соответствует по шкале Цельсия 20,4 o .

Такой компромисс, я думаю, вполне мог бы удовлетворить две стороны: экспериментальную физику и комитет (КОДАТА), чтобы периодически не пересматривать и не изменять значение гравитационной постоянной для Земли.

Можно «законодательно» утвердить нынешнее значение гравитационной постоянной для Земли G=6,67408·10 -11 Нм 2 /кг 2 , но скорректировать стандартное значение g=9,80665, несколько уменьшив его значение.

Кроме того, если использовать среднюю температуру Земли, равную 14 o С, то гравитационная постоянная будет равна G=6,53748·10 -11 .

Итак, у нас имеются три значения, претендующих на пьедестал гравитационной постоянной G для планеты 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) .

Комитету КОДАТА остается вынести окончательный вердикт, какую из них утвердить как гравитационную постоянную Земли.

Мне могут возразить, если гравитационная постоянная зависит от температуры взаимодействующих тел, то силы притяжения днем и ночью, зимой и летом должны отличаться. Да, именно так и должно быть, с малыми телами. Но Земля огромный, быстро вращающийся шар, имеет громадный запас энергии. Отсюда, интегральное количество крафонов зимой и летом, днем и ночью, вылетающих из Земли, одинаково. Поэтому, ускорение свободного падения на одной широте остается всегда постоянным.

Если переместиться на Луну, где разность температур дневного и ночного полушарий сильно разнятся, то гравиметры должны зафиксировать разницу силы притяжения.

Related Posts

11 комментариев

Только один вопрос к Вам:

Или у Вас в постранстве энергия не в сфере распространяется?

И если Вы уж решили перейти к температуре, то в точках центров масс, правильней конечно же изпускающих энергию, она же неизвестна (экспериментально же она никак не может быть подтверждена), соответственно, её ешё вычислить необходимо.

Ну и самого осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел у Вас и в помине нет, какие то «красные фотоны (крафоны) прилетели в тело, принесли энергию, это понимаемо, но не даёт ответа на вопрос: «почему при этом оно должно начать двигаться (перемещаться) именно в ту сторону, с которой они прибыли, а не в противотоложную ей, то есть согласно приложенной силе (приданному от этих ваших крафонов импульсу энергии)?»

Только один вопрос к Вам:
Если Вы уже начали говорить об энергии, то почему напрочь забыли о 4Пи перед R^2?!
Или у Вас в постранстве энергия не в сфере распространяется?
И если Вы уж решили перейти к температуре, то в точках центров масс, правильней конечно же изпускающих энергию, она же неизвестна (экспериментально же она никак не может быть подтверждена), соответственно, её ешё вычислить необходимо.
Ну и самого осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел у Вас и в помине нет, какие то «красные фотоны (крафоны) прилетели в тело, принесли энергию, это понимаемо, но не даёт ответа на вопрос: «почему при этом оно должно начать двигаться (перемещаться) именно в ту сторону, с которой они прибыли, а не в противотоложную ей, то есть согласно приложенной силе (приданному от этих ваших крафонов импульсу энергии)?»
________________________________________________________
Вместо одного заявленного вопроса оказалось три, но суть не в этом.
1. Касаемо 4π. В формулах (9) и (10) R2 – это расстояние от тела (предмета) до центра Земли. Откуда здесь должна появиться 4π – не понятно.
2. Что касается максимальной температура вещества в природе. Вы, очевидно, поленились открыть ссылку в конце статьи: «Гравитационная постоянная величина – переменная».
3. Теперь относительно «осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел». Все осмыслено и описано. Относительно, в какую сторону летят эти самые крафоны, читаем статьи: « ». Солнечные фотоны стартуют с поверхности Светила без отдачи, с приобретением импульсов придачи. Фотон, в противовес материальному миру, не имеет инерции – его импульс возникает в момент отрыва от источника без отдачи!
Явление отдачи наблюдается только в телах, когда под действием внутренних сил оно распадается на части, разлетающееся в противоположные стороны. Фотон не распадается на части, он не расстается со своим приобретенным импульсом до своего поглощения, поэтому для него выражение (3) будет справедливо.
« » , и ч.2 .
Цитата из 2-й части: «Крафоны из элементарного шарика вылетают спонтанно, по разным направлениям по нормали его поверхности. Притом, направлены они, в основном, в атмосферу, т.е. в более разреженный электромагнитный эфир (ЭМЭ) по сравнению с ЭМЭ вод Мирового океана. В принципе та же картина наблюдается и на материках».
Уважаемые читатели, на тему: как возникает гравитация, и кто является ее переносчиком, читайте всю главу под названием: «Гравитация». Конечно, можно и выборочно, для этого кликайте по кнопке «Карта сайта» верхнего меню, расположенного над шапкой сайта.

Добавление к предыдущему комментарию.

12окт.2016г. На страницах электронного научно-практического журнала «Современные научные исследования и инновации» опубликована моя статья под названием: «Фотонно-квантовая гравитация». В статье изложена суть гравитации. Прочесть по ссылке:

P.S. Алексей Вы правы, в данном журнале указанной статьи нет. Читай ниже мой комментарий.

Что-то нет Вашей статьи в октябрьском номере «Современные научные исследования и инновации» ((

«Что-то нет Вашей статьи в октябрьском номере «Современные научные исследования и инновации» ((»
Статья: ГРАВИТАЦИЯ ЗЕМЛИ ФОТОННО-КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ переехала в другой журнал: «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. Не затруднит ли Вас подробнее показать Ваши вычисления массы и радиуса Земли используемые в проверочной формуле G (9) для Земли. Не опасаетесь ли Вы некоей физической тавтологии используя эти величины ВЫЧИСЛЕННЫЕ с теми же константами? Микула

«Не затруднит ли Вас подробнее показать Ваши вычисления массы и радиуса Земли используемые в проверочной формуле G (9) для Земли. Не опасаетесь ли Вы некоей физической тавтологии используя эти величины ВЫЧИСЛЕННЫЕ с теми же константами? Микула»
———————————
Да уж куда подробнее. В формуле 9 вычислены два крайние значения G для ускорения свободного падения (g=9,78 м/с2 – на экваторе; g=9,832 м/с2 – на полюсах). Для стандартного значения ускорения свободного падения выполнено в 10. Что касается массы и радиуса Земли, то они практически не изменятся. В чем тавтология, я не вижу.

Да уж куда подробнее. В формуле 9 вычислены два крайние значения G для ускорения свободного падения (g=9,78 м/с2 – на экваторе; g=9,832 м/с2 – на полюсах). Для стандартного значения ускорения свободного падения выполнено в 10. Что касается массы и радиуса Земли, то они практически не изменятся. В чем тавтология, я не вижу.

«Все тела, обладающие массой, возбуждают в окружающем пространстве гравитационные поля, подобно тому, как электрически заряженные частицы образуют вокруг себя электростатическое поле. Можно предположить, что тела несут в себе гравитационный заряд, аналогичный электрическому, или, по-другому, обладают гравитационной массой. С высокой точностью было установлено, что инертная и гравитационная массы совпадают.
2
Пусть имеется два точечных тела массами m1 и m2. Они удалены друг от друга на расстояние r. Тогда сила гравитационного притяжения между ними равна: F=C·m1·m2/r², где С – коэффициент, который зависит лишь от выбранных единиц измерения.

3
Если на поверхности Земли имеется небольшое тело, его размерами и массой можно пренебречь, т.к. габариты Земли намного превосходят их. При определении расстояния между планетой и поверхностным телом рассматривается только радиус Земли, т.к. высота расположения тела пренебрежимо мала в сравнении с ним. Получается, что Земля притягивает тело с силой F=M/R², где M – масса Земли, R – ее радиус.
4
Согласно закону всемирного тяготения, ускорение тел при действии силы тяжести на поверхности Земли равно: g=G M/ R². Здесь G – гравитационная постоянная, численно равная примерно 6,6742 10^(−11).
5
Ускорение свободного падения g и радиус земли R находятся из непосредственных измерений. Константа G с большой точностью определена в опытах Кэвендиша и Йолли. Итак, масса Земли M=5,976 10^27 г ≈ 6 10^27 г.

фТавтология, на мой взгляд, разумеется ошибочный, заключается в том, что при вычислении массы Земли используется все тот же коэффициент G Кавендиша Йолли под названием гравитационная постоянная, которая совсем даже не постоянная, в чем я с Вами абсолютно согласен. Поэтому Ваш посыл «Из крутильных весов Кавендиша уже ничего не выжмешь, поэтому выход можно найти, воспользовавшись усредненным значением ускорения свободного падения и вычислить G из известной формулы:» не совсем корректен. Ваш расчет константы G уже использован в расчете массы Земли. Ни в коей мере не хочу Вас укорить, просто очень хочу разобраться с этой гравитационной постоянной, которой в законе Роберта Гука присвоенного Ньютоном совсем даже не было. С глубоким уважением Микула.

Уважаемый, Микула, Ваше желание понять и разобраться с гравитационной постоянной похвально. Учитывая, что понять данную константу желали многие ученые, но не многим удалось это сделать.
«Константа G с большой точностью определена в опытах Кавендиша и Йолли».
Нет! С не большой! Иначе, зачем бы наука тратила средства и время для ее регулярной перепроверки и уточнения, т.е. усреднения результатов, чем и занимается КОДАТА. А нужна она как раз для того чтобы «взвесить Землю» и узнать ее плотность, чем и прославился Кавендиш. Но как видите, G гуляет от одного опыта к другому. Тоже самое и с ускорением свободного падения.
Гравитационная постоянная – это коэффициент для одного значения температуры, а температура, что дышло.
Что предлагаю я? Для планеты Земля раз и навсегда установить одно значение G и сделать ее действительно постоянной c учетом g.
Не поленитесь, прочтите все статьи в рубрике G (гравитационная постоянная), думаю, у Вас многое прояснится. Начните сначала:

Путь Наш во мраке… И стукаемся Мы лбами не только об осклизлые стены подземелья в поисках проблесков к выходу, но и об лбы таких же несчастных, матерясь и проклиная… хромые, безрукие, слепые нищие … И не слышим друг друга. Протягиваем руку и получаем в неё плевок… и потому бесконечен Наш путь… И тем не менее… вот моя рука. Это моя версия понимания природы гравитации… и «сильного взаимодействия».
Мезенцев Николай Фёдорович.

Ваша рука, к сожалению, мне никак не помогла, а собственно зачем.

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. .

Ваш комментарий на модерации.

История измерения

Гравитационная постоянная фигурирует в современной записи закона всемирного тяготения , однако отсутствовала в явном виде у Ньютона и в работах других ученых вплоть до начала XIX века. Гравитационная постоянная в нынешнем виде впервые была введена в закон всемирного тяготения, по-видимому, только после перехода к единой метрической системе мер. Возможно впервые это было сделано французским физиком Пуассоном в «Трактате по механике» (1809), по крайней мере никаких более ранних работ, в которых фигурировала бы гравитационная постоянная, историками не выявлено. В 1798 году Генри Кавендиш поставил эксперимент с целью определения средней плотности Земли с помощью крутильных весов , изобретённых Джоном Мичеллом (Philosophical Transactions 1798). Кавендиш сравнивал маятниковые колебания пробного тела под действием тяготения шаров известной массы и под действием тяготения Земли. Численное значение гравитационной постоянной было вычислено позже на основе значения средней плотности Земли. Точность измеренного значения G со времён Кавендиша увеличилась, но и его результат был уже достаточно близок к современному.

См. также

Примечания

Ссылки

• Гравитационная постоянная - статья из Большой советской энциклопедии

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гравитационная постоянная" в других словарях:

ГРАВИТАЦИОННАЯ ПОСТОЯННАЯ - (тяготения постоянная) (γ, G) универсальная физ. постоянная, входящая в формулу (см.) … Большая политехническая энциклопедия

- (обозначается G) коэффициент пропорциональности в законе тяготения Ньютона (см. Всемирного тяготения закон), G = (6,67259.0,00085).10 11 Н.м²/кг² … Большой Энциклопедический словарь

- (обозначение G), коэффициент закона ГРАВИТАЦИИ Ньютона. Равен 6,67259.10 11 Н.м2.кг 2 … Научно-технический энциклопедический словарь

Фундаментальная физ. константа G, входящая в закон тяготения Ньютона F=GmM/r2, где m и М массы притягивающихся тел (матер. точек), r расстояние между ними, F сила притяжения, G= 6,6720(41)X10 11 Н м2 кг 2(на 1980). Наиболее точно значение Г. п.… … Физическая энциклопедия

гравитационная постоянная - — Тематики нефтегазовая промышленность EN gravitational constant … Справочник технического переводчика

гравитационная постоянная - gravitacijos konstanta statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gravitation constant; gravity constant vok. Gravitationskonstante, f rus. гравитационная постоянная, f; постоянная всемирного тяготения, f pranc. constante de la gravitation, f … Fizikos terminų žodynas

- (обозначается G), коэффициент пропорциональности в законе тяготения Ньютона (см. Всемирного тяготения закон), G = (6,67259 + 0,00085)·10 11 Н·м2/кг2. * * * ГРАВИТАЦИОННАЯ ПОСТОЯННАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ ПОСТОЯННАЯ (обозначается G), коэффициент… … Энциклопедический словарь

Тяготения постоянная, универс. физ. постоянная G, входящая в ф лу, выражающую ньютоновский закон тяготения: G = (6,672 59 ± 0,000 85)*10 11Н*м2/кг2 … Большой энциклопедический политехнический словарь

Коэффициент пропорциональности G в формуле, выражающей закон тяготения Ньютона F = G mM / r2 , где F сила притяжения, М и m массы притягивающихся тел, r расстояние между телами. Другие обозначения Г. п.: γ или f (реже k2). Числовое… … Большая советская энциклопедия

- (обозначается G), коэф. пропорциональности в законе тяготения Ньютона (см. Всемирного тяготения закон), G = (6,67259±0,00085) х 10 11 Н х м2/кг2 … Естествознание. Энциклопедический словарь

Книги

• Вселенная и физика без "темной энергии" (открытия, идеи, гипотезы). В 2 томах. Том 1 , О. Г. Смирнов. Книги посвящены проблемам физики и астрономии, существующим в науке десятки и сотни лет от Г. Галилея, И. Ньютона, А. Эйнштейна до наших дней. Мельчайшие частицы материи и планеты, звезды и…

ГРАВИТАЦИОННАЯ ПОСТОЯННАЯ - коэффициент пропорциональности G в ф-ле, описывающей всемирного тяготения закон .

Числовое значение и размерность Г. п. зависят от выбора системы единиц измерения массы, длины и времени. Г. п. G, имеющую размерность L 3 M -1 T -2 , где длина L , масса M и время T выражены в единицах СИ, принято называть кавендишевой Г. п. Она определяется в лабораторном эксперименте. Все эксперименты можно условно разделить на две группы.

В первой группе экспериментов сила гравитац. взаимодействия сравнивается с упругой силой нити горизонтальных крутильных весов. Они представляют собой лёгкое коромысло, на концах к-рого укреплены равные пробные массы. На тонкой упругой нити коромысло подвешено в гравитац. поле эталонных масс. Величина гравитац. взаимодействия пробных и эталонных масс (а следовательно, и величина Г. п.) определяется либо по углу закручивания нити (статич. метод), либо по изменению частоты крутильных весов при перемещении эталонных масс (динамич. метод). Впервые Г. п. с помощью крутильных весов определил в 1798 Г. Кавендиш (H. Cavendish).

Во второй группе экспериментов сила гравитац. взаимодействия сравнивается с , для чего используются рычажные весы. Этим способом Г. п. была впервые определена Ф. Йолли (Ph. Jolly) в 1878.

Значение кавендишевой Г. п., включённое Междунар. астр. союзом в Систему астр. постоянных (САП) 1976, к-рым пользуются до настоящего времени, получено в 1942 П. Хейлом (P. Heyl) и П. Хржановским (P. Chrzanowski) в Национальном бюро мер и стандартов США. В СССР Г. п. впервые была определена в Государственном астр. ин-те им. П. К. Штернберга (ГАИШ) при МГУ.

Во всех совр. определениях кавендишевой Г. п. (табл.) были использованы крутильные весы. Помимо названных выше, применялись и др. режимы работы крутильных весов. Если эталонные массы вращаются вокруг оси крутильной нити с частотой, равной частоте собственных колебаний весов, то по резонансному изменению амплитуды крутильных колебаний можно судить о величине Г. п. (резонансный метод). Модификацией динамич. метода является ротационный метод, в к-ром платформа вместе с установленными на ней крутильными весами и эталонными массами вращается с пост. угл. скоростью.

Приведённые в табл. среднеквадратич. ошибки указывают на внутр. сходимость каждого результата. Нек-рое расхождение значений Г. п., полученных в разных экспериментах, связано с тем, что определение Г. п. требует абсолютных измерений и поэтому возможны систематич. ошибки в отд. результатах. Очевидно, достоверное значение Г. п. может быть получено только при учёте разл. определений.

Как в теории тяготения Ньютона, так и в общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна Г. п. рассматривается как универсальная константа природы, не меняющаяся в пространстве и времени и независящая от физ. и хим. свойств среды и гравитирующих масс. Существуют варианты теории гравитации, предсказывающие переменность Г. п. (напр., теория Дирака, скалярно-тензорные теории гравитации). Нек-рые модели расширенной супергравитации (квантового обобщения ОТО) также предсказывают зависимость Г. п. от расстояния между взаимодействующими массами. Однако имеющиеся в настоящее время наблюдательные данные, а также специально поставленные лабораторные эксперименты пока не позволяют обнаружить изменения Г. п.

Лит.: Сагитов M. У., Постоянная тяготения и , M., 1969; Сагитов M. У. и др., Новое определение кавендишевой гравитационной постоянной, "ДАН СССР", 1979, т. 245, с. 567; Милюков В. К., Изменяется ли гравитационная постоянная ?, "Природа", 1986, № 6, с. 96.

Когда Ньютон открыл закон всемирного тяготения, он не знал ни одного числового значения масс небесных тел, в том числе и Земли. Неизвестно ему было и значение постоянной G.

Между тем гравитационная постоянная G имеет для всех тел Вселенной одно и то же значение и является одной из фундаментальных физических констант. Каким же образом можно найти ее значение?

Из закона всемирного тяготения следует, что G = Fr 2 /(m 1 m 2). Значит, для того чтобы найти G, нужно измерить силу притяжения F между телами известных масс m 1 и m 2 и расстояние r между ними.

Первые измерения гравитационной постоянной были осуществлены в середине XVIII в. Оценить, правда весьма грубо, значение G в то время удалось в результате рассмотрения притяжения маятника к горе, масса которой была определена геологическими методами.

Точные измерения гравитационной постоянной впервые были проведены в 1798 г. замечательным ученым Генри Кавендишем - богатым английским лордом, прослывшим чудаковатым и нелюдимым человеком. С помощью так называемых крутильных весов (рис. 101) Кавендиш по углу закручивания нити А сумел измерить ничтожно малую силу притяжения между маленькими и большими металлическими шарами. Для этого ему пришлось использовать столь чувствительную аппаратуру, что даже слабые воздушные потоки могли исказить измерения. Поэтому, чтобы исключить посторонние влияния, Кавендиш разместил свою аппаратуру в ящике, который оставил в комнате, а сам проводил наблюдения за аппаратурой с помощью телескопа из другого помещения.

Опыты показали, что

G ≈ 6,67 · 10 –11 Н · м 2 /кг 2 .

Физический смысл гравитационной постоянной заключается в том, что она численно равна силе, с которой притягиваются две частицы с массой по 1 кг каждая, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга. Эта сила, таким образом, оказывается чрезвычайно малой - всего лишь 6,67 · 10 –11 Н. Хорошо это или плохо? Расчеты показывают, что если бы гравитационная постоянная в нашей Вселенной имела значение, скажем, в 100 раз большее, чем приведенное выше, то это привело бы к тому, что время существования звезд, в том числе Солнца, резко уменьшилось бы и разумная жизнь на Земле появиться бы не успела. Другими словами, нас бы с вами сейчас не было!

Малое значение G приводит к тому, что гравитационное взаимодействие между обычными телами, не говоря уже об атомах и молекулах, является очень слабым. Два человека массой по 60 кг на расстоянии 1 м друг от друга притягиваются с силой, равной всего лишь 0,24 мкН.

Однако по мере увеличения масс тел роль гравитационного взаимодействия возрастает. Так, например, сила взаимного притяжения Земли и Луны достигает 10 20 Н, а притяжение Земли Солнцем еще в 150 раз сильнее. Поэтому движение планет и звезд уже полностью определяется гравитационными силами.

В ходе своих опытов Кавендиш также впервые доказал, что не только планеты, но и обычные, окружающие нас в повседневной жизни тела притягиваются по тому же закону тяготения, который был открыт Ньютоном в результате анализа астрономических данных. Этот закон действительно является законом всемирного тяготения.

«Закон тяготения универсален. Он простирается на огромные расстояния. И Ньютон, которого интересовала Солнечная система, вполне мог бы предсказать, что получится из опыта Кавендиша, ибо весы Кавендиша, два притягивающихся шара, - это маленькая модель Солнечной системы. Если увеличить ее в десять миллионов миллионов раз, то мы получим Солнечную систему. Увеличим еще в десять миллионов миллионов раз - и вот вам галактики, которые притягиваются друг к другу по тому же самому закону. Вышивая свой узор, Природа пользуется лишь самыми длинными нитями, и всякий, даже самый маленький, образчик его может открыть нам глаза на строение целого» (Р. Фейнман).

1. В чем заключается физический смысл гравитационной постоянной? 2. Кем впервые были проделаны точные измерения этой постоянной? 3. К чему приводит малость значения гравитационной постоянной? 4. Почему, сидя рядом с товарищем за партой, вы не ощущаете притяжение к нему?

Главная » Значение слов » Гравитационная постоянная. Гравитационную постоянную измерили с рекордно малой ошибкой