Când Newton a descoperit legea gravitației, nu a cunoscut o singură valoare numerică a maselor corpurilor cerești, inclusiv a Pământului. Valoarea constantei G îi era de asemenea necunoscută.

Între timp, constanta gravitațională G are aceeași valoare pentru toate corpurile Universului și este una dintre constantele fizice fundamentale. Cum își poate găsi sensul?

Din legea gravitației universale rezultă că G \u003d Fr 2 / (m 1 m 2). Prin urmare, pentru a găsi G, este necesar să se măsoare forța de atracție F între corpurile maselor cunoscute m 1 și m 2 și distanța r între ele.

Primele măsurători ale constantei gravitaționale au fost efectuate la mijlocul secolului XVIII. Adevărat, a fost foarte dur să estimăm valoarea lui G în acel moment ca urmare a luării în considerare a atracției pendulului către munte, a cărei masă a fost determinată prin metode geologice.

Măsurările exacte ale constantei gravitaționale au fost efectuate pentru prima dată în 1798 de remarcabilul om de știință Henry Cavendish - un lord englez bogat, care a ajuns să fie cunoscut ca o persoană excentrică și nesociabilă. Cu ajutorul așa-numitei solzi de torsiune (Fig. 101), Cavendish a putut măsura forța neglijabil de mică de atracție între bile mici și mari de metal prin unghiul de răsucire a firului A. Pentru a face acest lucru, el a trebuit să utilizeze astfel de echipamente sensibile încât chiar și curenții de aer slabi ar putea denatura măsurătorile. Prin urmare, pentru a exclude influențele străine, Cavendish și-a așezat echipamentul într-o cutie pe care a lăsat-o în cameră, iar el însuși a făcut observații ale echipamentului folosind un telescop dintr-o altă cameră.

Experimentele au arătat că

G ≈ 6,67 · 10 –11 N · m 2 / kg 2.

Sensul fizic al constantei gravitaționale este faptul că este egal numeric cu forța cu care sunt atrase două particule cu masa de 1 kg fiecare, situate la o distanță de 1 m una de cealaltă.  Prin urmare, această forță se dovedește a fi extrem de mică - doar 6,67 · 10 –11 N. Este bine sau rău? Calculele arată că, dacă constanta gravitațională din Universul nostru ar avea o valoare, să zicem, de 100 de ori mai mare decât cea de mai sus, ar duce la faptul că durata de viață a stelelor, inclusiv Soarele, ar scădea brusc și viața inteligentă pe Pământ Nu aș avea timp să apară. Cu alte cuvinte, acum nu am fi aici cu tine!

O valoare mică a G conduce la faptul că interacțiunea gravitațională între corpurile obișnuite, ca să nu mai vorbim de atomi și molecule, este foarte slabă. Două persoane care cântăresc 60 kg la o distanță de 1 m una de cealaltă sunt atrase cu o forță egală cu doar 0,24 μN.

Cu toate acestea, pe măsură ce masa corpurilor crește, rolul interacțiunii gravitaționale crește. Deci, de exemplu, forța atracției reciproce a Pământului și a Lunii ajunge la 10 20 N, iar atracția Pământului de către Soare este de 150 de ori mai puternică. Prin urmare, mișcarea planetelor și a stelelor este deja complet determinată de forțele gravitaționale.

Pe parcursul experimentelor sale, Cavendish a dovedit și pentru prima dată că nu numai planetele, ci și corpurile obișnuite care ne înconjoară în viața de zi cu zi sunt atrase de aceeași lege a gravitației pe care Newton a descoperit-o ca urmare a analizei datelor astronomice. Această lege este într-adevăr legea gravitației.

„Legea gravitației este universală. Se extinde pe distanțe vaste. Iar Newton, care era interesat de sistemul solar, ar fi putut prezice foarte bine ce va veni din experiența Cavendish, căci cântarul Cavendish, două bile atrăgătoare, este un model mic al sistemului solar. Dacă îl crești cu zece milioane de ori, atunci obținem sistemul solar. Să-l creștem cu alte zece milioane de ori - și aici aveți galaxii care sunt atrase unele de altele conform aceleiași legi. Brodându-și modelul, Natura folosește doar cele mai lungi fire și orice, chiar și cel mai mic, exemplar poate deschide ochii către structura întregului ”(R. Feynman).

1. Care este sensul fizic al constantei gravitaționale? 2. Cine a făcut prima dată măsurători exacte ale acestei constante? 3. La ce duce valoarea mică a constantei gravitaționale? 4. De ce, stând lângă un prieten la un birou, nu simți atracție față de el?

Constanța gravitațională a lui Newton a fost măsurată prin interferometrie atomică. Noua tehnică nu este lipsită de lipsurile experimentelor pur mecanice și, posibil, va permite în curând studierea efectelor teoriei generale a relativității în laborator.

Constante fizice fundamentale, cum ar fi viteza luminii cconstantă gravitațională G, constanta de structură fină α, masa electronului și altele, joacă un rol extrem de important în fizica modernă. O parte notabilă a fizicii experimentale este dedicată măsurării cât mai exacte a valorilor lor și verificării dacă se schimbă în timp și spațiu. Chiar și cea mai mică suspiciune a inconstanței acestor constante poate da naștere unui întreg flux de noi cercetări teoretice și o revizuire a principiilor general acceptate ale fizicii teoretice. (A se vedea articolul popular de J. Barrow și J. Web. Constante neconstante // „În lumea științei”, septembrie 2005, precum și o selecție de articole științifice privind posibila inconsecvență a constantelor de interacțiune.)

Majoritatea constantelor fundamentale sunt cunoscute astăzi cu o precizie extrem de ridicată. Deci, masa electronilor a fost măsurată cu o precizie de 10 -7 (adică o sută mii de procente), iar constanta de structură fină α, care caracterizează rezistența interacțiunii electromagnetice, este exactă până la 7 × 10-10 (vezi nota Constanța fină a structurii este rafinată). Având în vedere acest lucru, poate părea surprinzător faptul că valoarea constantei gravitaționale, care este inclusă în legea gravitației universale, este cunoscută cu o precizie mai mică decât 10 -4, adică o sută la sută.

Această stare de lucruri reflectă dificultățile obiective ale experimentelor gravitaționale. Dacă încercați să determinați G  din mișcarea planetelor și sateliților este necesar să cunoaștem masele planetelor cu o precizie ridicată și ele sunt doar puțin cunoscute. Dacă introduceți un experiment mecanic în laborator, de exemplu, măsurați forța atractivă a două corpuri cu o masă cunoscută cu exactitate, atunci o astfel de măsurare va avea erori mari datorită slăbiciunii extreme a interacțiunii gravitaționale.

Oamenii de știință din Rusia și China au specificat constanta gravitațională folosind două metode independente. Rezultatele studiului sunt publicate în revista Nature.

Constanta gravitațională G este una dintre constantele fundamentale în fizică, care este utilizată la calcularea interacțiunii gravitaționale a corpurilor materiale. Conform legii gravitației universale a lui Newton, interacțiunea gravitațională a două puncte materiale este proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. De asemenea, această formulă include un coeficient constant - constanta gravitațională G. Masele și distanțele astronomilor pot măsura acum mult mai precis decât constanta gravitațională, motiv pentru care toate calculele gravitației dintre corpuri au acumulat o eroare sistematică. Probabil, eroarea asociată constantei gravitaționale afectează și studiul interacțiunilor de atomi sau particule elementare.

Fizicienii au măsurat în mod repetat această valoare. În noua lucrare, o echipă internațională de oameni de știință, care a inclus angajați ai P.K. Sternberg (GAISH) Universitatea de Stat din Moscova, a decis să clarifice constanta gravitațională folosind două metode și un pendul de torsiune.

„În experimentul de măsurare a constantei gravitaționale, este necesar să se facă măsurări absolute a trei cantități fizice: masa, lungimea și timpul”, comentează unul dintre autorii studiului, Vadim Milyukov de la SAI. - Măsurările absolute pot fi întotdeauna cântărite prin erori sistematice, de aceea a fost important să obținem două rezultate independente. Dacă acestea coincid, atunci există încredere că sunt lipsiți de sistematică. Rezultatele noastre coincid la nivelul a trei abateri standard. "

Prima abordare folosită de autorii studiului este așa-numita metodă dinamică (metoda timpului de balansare, ToS). Cercetătorii au calculat modul în care se schimbă frecvența vibrațiilor de torsiune în funcție de poziția a două corpuri de testare care au servit ca surse de masă. Dacă distanța dintre corpurile de test scade, forța interacțiunii lor crește, care rezultă din formula interacțiunii gravitaționale. Ca urmare, frecvența de oscilație a pendulului crește.

Schema configurației experimentale cu pendul de torsiune

Q. Li, C. Xie, J.-P. Liu și colab.

Folosind această metodă, cercetătorii au ținut cont de contribuția proprietăților elastice ale firului de suspensie a pendulului la erorile de măsurare și au încercat să le netezească. Experimentele au fost efectuate pe două dispozitive independente situate la o distanță de 150 m unul de celălalt. La început, oamenii de știință au testat trei tipuri diferite de fire de suspensie de fibre pentru a verifica posibile erori induse de material. Al doilea a schimbat semnificativ designul: cercetătorii au folosit o nouă fibră de silicat, un alt set de pendule și greutăți pentru a evalua erorile care depind de instalație.

A doua metodă folosită pentru măsurarea G este metoda feedbackului cu accelerație unghiulară (AAF). Nu măsoară frecvența oscilațiilor, ci accelerația unghiulară a pendulului cauzată de corpurile de testare. Această metodă de măsurare G nu este nouă, cu toate acestea, pentru a crește precizia calculului, oamenii de știință au schimbat radical designul montării experimentale: au înlocuit suportul din aluminiu cu unul din sticlă, astfel încât materialul să nu se extindă atunci când este încălzit. Ca mase de testare, s-au folosit sfere din oțel inoxidabil lustruit cu atenție, apropiate ca formă și uniformitate față de cele ideale.

Pentru a reduce rolul factorului uman, aproape toți parametrii au fost re-măsurați de către oamenii de știință. De asemenea, au investigat în detaliu efectul temperaturii și vibrațiilor în timpul rotirii pe distanța dintre corpurile de testare.

Valorile constantei gravitaționale obținute ca urmare a experimentelor (AAF - 6.674484 (78) × 10 -11 m 3 kg -1 s -2; ToS - 6.674184 (78) × 10-11 m 3 kg -1 s -2) coincid la nivelul a trei abateri standard. În plus, ambele au cea mai mică incertitudine dintre toate valorile stabilite anterior și sunt în concordanță cu valoarea recomandată de Comitetul pentru Știința și Tehnologia Datelor (CODATA) în 2014. Aceste studii, în primul rând, au adus o contribuție mare la determinarea constantei gravitaționale și, în al doilea rând, au arătat ce eforturi vor fi necesare în viitor pentru a obține o precizie și mai mare.

Îți plac lucrurile? în „Sursele mele” Yandex.News și ne citește mai des.

Comunicate de presă privind cercetarea științifică, informații despre cele mai recente articole științifice publicate și anunțuri ale conferinței, precum și date despre subvenții și premii câștigate, trimite la adresa [email protected]site-ul.

CONSTANT GRAVITATIV   - coeficient de proporționalitate G  în f-le care descrie legea gravitației.

Valoarea numerică și dimensiunea G. a unei subsecțiuni depind de alegerea unui sistem de unități pentru măsurarea masei, lungimii și timpului. G. Sec. G având dimensiune L 3 M -1 T -2unde lungimea L, greutate M  și timpul T  exprimat în unități SI, se obișnuiește să se numească Cavendish G. G. p. Este determinat într-un experiment de laborator. Toate experimentele pot fi împărțite în două grupuri.

În primul grup de experimente, forța gravitației. interacțiunea este comparată cu forța elastică a firelor unui echilibru de torsiune orizontală. Sunt un balansoar ușor, la capetele căruia sunt întărite mase de încercare egale. Pe un fir subțire elastic, fasciculul este suspendat în greutate. câmp de masă de referință. Mărimea gravitației. interacțiunea maselor de testare și de referință (și, în consecință, amploarea forței gravitaționale) este determinată fie de unghiul de răsucire a firului (metoda statică), fie de modificarea frecvenței greutăților de torsiune la deplasarea masei de referință (metoda dinamică). Pentru prima dată articol G. cu ajutorul solzelor de torsiune determinate în 1798 G. Cavendish (H. Cavendish).

În al doilea grup de experimente, forța gravitației. interacțiunea este comparată cu, pentru care se utilizează cântarele. În acest fel, G. p. A fost determinat pentru prima dată de F. Jolly în 1878.

Valoarea așezării lui Cavendish G. inclusă în Intern. asters. unire în sistemul astr. Permanent (SAP) 1976, Crimeea obișnuită până în prezent, primită în 1942 de P. Heyl (P. Heyl) și P. Khrzhanovsky (P. Chrzanowski) în Biroul Național al Măsurilor și Standardelor. În URSS, G. p. A fost definit pentru prima dată în statul Astr. in-te-le. P.K.Sternberg (GAISH) la Universitatea de Stat din Moscova.

În toate sovr. În definițiile lui Cavendish G. G. ale articolului (tabel), s-au folosit cântare de torsiune. În plus față de cele de mai sus, au fost utilizate și alte moduri de operare a balansului de torsiune. Dacă masele de referință se rotesc în jurul axei filamentului torsional cu o frecvență egală cu frecvența oscilațiilor naturale ale greutăților, atunci prin modificarea rezonantă a amplitudinii vibrațiilor de torsiune se poate judeca magnitudinea undei gravitaționale (metoda rezonanței). O modificare a dinamicii. Metoda este metoda de rotație, în care platforma, împreună cu cântarele de torsiune și masele de referință instalate pe ea, se rotește de pe stâlp. ang. viteză.

			Valoarea constantei gravitaționale de 10 -11 m 3 / kg * s 2
	Hale, Khrzhanovsky (SUA), 1942	dinamic
	Rose, Parker, Beams și colab. (SUA), 1969	rotativ
	Renner (Ungaria), 1970	rotativ
	Fasi, Ponticis, Lucas (Franța), 1972	rezonanță	6,6714b0,0006
	Sagitov, Milyukov, Călugări și alții (URSS), 1978	dinamic	6,6745b0,0008
	Luther, Towler (SUA), 1982	dinamic	6,6726b0,0005

Date în tabel. RMS. erorile indică intern. convergența fiecărui rezultat. O anumită discrepanță în valorile lui G. p. Obținute în diferite experimente se datorează faptului că determinarea lui G. p. Necesită măsurători absolute și deci sistematice. Erori în Dep. rezultate. Evident, o valoare fiabilă a lui G. p. Poate fi obținută doar luând în considerare dec. definiții.

Atât în \u200b\u200bteoria gravitației lui Newton, cât și în teoria generală a relativității (GR), teoria geometriei lui Einstein este considerată o constantă universală a naturii care nu se schimbă în spațiu și timp și este independentă de fizică. și chim. proprietățile maselor medii și gravitante. Există versiuni ale teoriei gravitației care prevăd variabilitatea undelor gravitaționale (de exemplu, teoria lui Dirac, teoriile tensorilor scalare ale gravitației). Câteva modele avansate supergravitatie  (generalizarea cuantică a relativității generale) prezice, de asemenea, dependența undelor gravitaționale de distanța dintre masele care interacționează. Cu toate acestea, datele de observație disponibile în prezent, precum și experimentele de laborator special instituite, nu permit încă detectarea modificărilor la G.

Lit .:  Sagitov M. U., Constanta gravitației și, M., 1969; Sagitov M. U. și colab., O nouă definiție a constantei gravitaționale Cavendish, „DAN SSSR”, 1979, v. 245, p. 567; Milyukov V.K., se schimbă? constantă gravitațională?, „Natura”, 1986, nr. 6, p. 96.

m  1 și m  2 la distanță reste egal cu:    F \u003d G m 1 m 2 r 2. (\\ displaystyle F \u003d G (\\ frac (m_ (1) m_ (2)) (r ^ (2))).) G   \u003d 6.67408 (31) · 10 −11 m 3 · s −2 · kg −1 sau N · m² · kg −2.

Constanta gravitațională stă la baza traducerii altor cantități fizice și astronomice, cum ar fi, de exemplu, masele planetelor din Univers, inclusiv Pământul, precum și alte corpuri cosmice, în unități de măsură tradiționale, de exemplu, kilograme. Mai mult, datorită slăbiciunii interacțiunii gravitaționale și a preciziei scăzute rezultate a măsurătorilor constantei gravitaționale, raporturile de masă ale corpurilor cosmice sunt de obicei mult mai precise decât masele individuale în kilograme.

Constanta gravitațională este una dintre principalele unități de măsură în sistemul Planck de unități.

Istoricul măsurătorilor

Constanta gravitațională apare în registrul modern al legii gravitației universale, însă nu a fost prezentă în mod explicit la Newton și în lucrările altor oameni de știință până la începutul secolului al XIX-lea. Constanta gravitațională în forma sa actuală a fost introdusă pentru prima dată în legea gravitației universale, aparent, abia după trecerea la un sistem de măsuri unificate. Poate prima dată când acest lucru a fost realizat de fizicianul francez Poisson în A Treatise on Mechanics (1809), cel puțin nici o lucrare anterioară care prezenta o constantă gravitațională nu a fost identificată de istorici [ ] .

G   \u003d 6.67554 (16) × 10 −11 m 3 · s −2 · kg −1 (eroare relativă standard de 25 ppm (sau 0,0025%), valoarea publicată inițial a fost ușor diferită de cea finală din cauza unei erori de calcul și a fost ulterior fixate de autori).

Vezi și

notițe

1. În teoria generală a relativității, notația folosind litera Gsunt rareori utilizate, deoarece această scrisoare este de obicei folosită pentru a denumi tensorul Einstein.
2. Prin definiție, masele incluse în această ecuație sunt mase gravitaționale, dar discrepanțele dintre mărimea gravitațională și masa inerțială a oricărui corp nu au fost încă descoperite experimental. Teoretic, în cadrul ideilor moderne, acestea sunt cu greu diferite. Aceasta a fost, în general, o presupunere standard de la Newton.
3. Noile măsurători ale constantei gravitaționale confundă situația și mai mult // Elements.ru, 13/09/2013
4. CODATA Valorile recomandate internațional ale constantelor fizice fundamentale  (Eng.). Preluat 30 iunie 2015.
5. Diferiți autori indică rezultate diferite, de la 6.754⋅10 −11 m² / kg² la (6.60 ± 0.04) ⋅10 −11 m³ / (kg · s³) - vezi Experimentul Cavendish # Valoarea calculată.
6. Igor Ivanov. Noile dimensiuni ale constantei gravitaționale confundă și mai mult situația (Neopren).   (13 septembrie 2013). Preluat pe 14 septembrie 2013.
7. Este constantă gravitațională atât de constantă? Arhivat pe 14 iulie 2014 pe Wayback Machine Science News la cnews.ru // publicarea din 26.09.2002
8. Brooks michael Câmpul magnetic al Pământului poate influența gravitația? (Neopren). . NewScientist (21 septembrie 2002). [Arhivat pe Wayback Machine Archived] 8 februarie 2011.
9. Eroshenko Yu. N. Știri despre fizică pe Internet (bazate pe imprimeuri electronice), Physics-Uspekhi, 2000, v. 170, nr. 6, p. 680
10. Phys. Rev. Lett. 105 110801 (2010) la ArXiv.org
11. Știri despre fizică octombrie 2010
12. Quinn Terry, Parks Harold, Speake Clive, Davis Richard.  Determinarea îmbunătățită a G Folosind două metode // Scrisori de recenzie fizică. - 2013 .-- 5 septembrie (vol. 111, nr. 10). - ISSN 0031-9007. - DOI: 10.1103 / PhysRevLett. 1111.101102.
13. Quinn Terry, Speake Clive, Parks Harold, Davis Richard.  Erratum: determinarea îmbunătățită a G   Folosind două metode // Scrisori de recenzie fizică. - 2014 .-- 15 iulie (vol. 113, nr. 3). - ISSN 0031-9007. - DOI: 10.1103 / PhysRevLett. 1113.039901.
14. Rosi G., Sorrentino F., Cacciapuoti L., Prevedelli M., Tino G. M.