La constante gravitacional de Newton se midió mediante métodos de interferometría atómica. La nueva técnica no presenta los inconvenientes de los experimentos puramente mecánicos y pronto permitirá estudiar los efectos de la relatividad general en el laboratorio.
Constantes físicas fundamentales como la velocidad de la luz. C, constante gravitacional GRAMO, la constante de estructura fina α, la masa del electrón y otras, juegan un papel extremadamente importante en la física moderna. Una parte importante de la física experimental se dedica a medir sus valores con la mayor precisión posible y comprobar si cambian en el tiempo y el espacio. Incluso la más mínima sospecha de la inestabilidad de estas constantes puede dar lugar a toda una corriente de nuevos estudios teóricos y a una revisión de los principios generalmente aceptados de la física teórica. (Consulte el popular artículo de J. Barrow y J. Web, Variable Constants // In the World of Science, septiembre de 2005, así como una selección de artículos científicos dedicados a la posible variabilidad de las constantes de interacción).
La mayoría de las constantes fundamentales se conocen hoy con una precisión extremadamente alta. Por lo tanto, la masa del electrón se mide con una precisión de 10 -7 (es decir, una cienmilésima de porcentaje), y la constante de estructura fina α, que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética, se mide con una precisión de 7 × 10 -10 (ver nota La constante de estructura fina ha sido refinada). En vista de esto, puede parecer sorprendente que el valor de la constante gravitacional, que forma parte de la ley de la gravitación universal, se conozca con una precisión inferior a 10 -4, es decir, una centésima de por ciento.
Este estado de cosas refleja las dificultades objetivas de los experimentos gravitacionales. Si intentas determinar GRAMO A partir del movimiento de planetas y satélites, es necesario conocer con gran precisión las masas de los planetas, pero son poco conocidas. Si realiza un experimento mecánico en un laboratorio, por ejemplo, mide la fuerza de atracción de dos cuerpos con una masa conocida con precisión, dicha medición tendrá grandes errores debido a la extrema debilidad de la interacción gravitacional.
La constante gravitacional, la constante de Newton, es una constante física fundamental, una constante de interacción gravitacional.
La constante gravitacional aparece en la notación moderna de la ley de la gravitación universal, pero estuvo ausente explícitamente en Newton y en los trabajos de otros científicos hasta principios del siglo XIX.
La constante gravitacional en su forma actual se introdujo por primera vez en la ley de la gravitación universal, aparentemente, solo después de la transición a un sistema métrico unificado de medidas. Quizás esto lo hizo por primera vez el físico francés Poisson en su Tratado de Mecánica (1809). Al menos, los historiadores no han identificado ningún trabajo anterior en el que apareciera la constante gravitacional.
En 1798, Henry Cavendish realizó un experimento para determinar la densidad media de la Tierra utilizando una balanza de torsión inventada por John Mitchell (Philosophical Transactions 1798). Cavendish comparó las oscilaciones del péndulo de un cuerpo de prueba bajo la influencia de la gravedad de bolas de masa conocida y bajo la influencia de la gravedad de la Tierra. El valor numérico de la constante gravitacional se calculó posteriormente basándose en la densidad media de la Tierra. Precisión del valor medido GRAMO Desde la época de Cavendish ha aumentado, pero su resultado ya se acercaba bastante al moderno.
En 2000 se obtuvo el valor de la constante gravitacional.
cm 3 g -1 s -2 , con un error del 0,0014%.
El último valor de la constante gravitacional lo obtuvo un grupo de científicos en 2013, trabajando bajo los auspicios de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, y es
cm 3 g -1 s -2 .
En el futuro, si se establece experimentalmente un valor más preciso de la constante gravitacional, es posible que se revise.
El valor de esta constante se conoce con mucha menos precisión que el de todas las demás constantes físicas fundamentales, y los resultados de los experimentos para refinarla siguen variando. Al mismo tiempo, se sabe que los problemas no están asociados con cambios en la constante misma de un lugar a otro y a lo largo del tiempo, sino que son causados por dificultades experimentales para medir pequeñas fuerzas teniendo en cuenta una gran cantidad de factores externos.
Según datos astronómicos, la constante G se ha mantenido prácticamente sin cambios durante los últimos cientos de millones de años; su cambio relativo no supera los 10?11 - 10?12 por año;
Según la ley de gravitación universal de Newton, la fuerza de atracción gravitacional F entre dos puntos materiales con masas metro 1 y metro 2 ubicados a distancia r, es igual a:
Factor de proporcionalidad GRAMO en esta ecuación se llama constante gravitacional. Numéricamente, es igual al módulo de la fuerza gravitacional que actúa sobre un cuerpo puntual de masa unitaria desde otro cuerpo similar ubicado a una distancia unitaria de él.
En unidades del Sistema Internacional de Unidades (SI), el valor recomendado por el Comité de Datos para Ciencia y Tecnología (CODATA) para 2008 fue
GRAMO= 6.67428 (67) 10 ? 11 m 3 s 2 kg?
en 2010 el valor se corrigió a:
GRAMO= 6,67384 (80) 10 ?11 m 3 s?2 kg?1, o N mI kg?2.
En octubre de 2010, apareció un artículo en la revista Physical Review Letters proponiendo un valor revisado de 6,67234 (14), que es tres desviaciones estándar menos que GRAMO, recomendado en 2008 por el Comité de Datos para Ciencia y Tecnología (CODATA), pero consistente con el valor CODATA anterior introducido en 1986.
Revisión de valor GRAMO, ocurrido entre 1986 y 2008, fue causado por estudios de inelasticidad de hilos de suspensión en balanzas de torsión.
La constante gravitacional es la base para convertir otras cantidades físicas y astronómicas, como las masas de los planetas del Universo, incluida la Tierra, así como de otros cuerpos cósmicos, en unidades de medida tradicionales, como el kilogramo. Además, debido a la debilidad de la interacción gravitacional y la consiguiente baja precisión de las mediciones de la constante gravitacional, las proporciones de masa de los cuerpos cósmicos suelen conocerse con mucha más precisión que las masas individuales en kilogramos.
Qing Li et al. /Naturaleza
Físicos de China y Rusia redujeron el error en la constante gravitacional cuatro veces, a 11,6 partes por millón, realizando dos series de experimentos fundamentalmente diferentes y minimizando los errores sistemáticos que distorsionan los resultados. Artículo publicado en Naturaleza.
Por primera vez la constante gravitacional GRAMO, parte de la ley de gravitación universal de Newton, fue medida en 1798 por el físico experimental británico Henry Cavendish. Para ello, el científico utilizó una balanza de torsión construida por el sacerdote John Michell. La balanza de torsión más sencilla, cuyo diseño fue inventado en 1777 por Charles Coulomb, consiste en un hilo vertical del que se suspende una viga luminosa con dos pesos en los extremos. Si coloca dos cuerpos masivos sobre las cargas, bajo la influencia de la gravedad, el balancín comenzará a girar; Midiendo el ángulo de rotación y relacionándolo con la masa de los cuerpos, las propiedades elásticas del hilo y las dimensiones de la instalación, es posible calcular el valor de la constante gravitacional. Podrás comprender con más detalle la mecánica de las balanzas de torsión resolviendo el problema correspondiente.
El valor obtenido por Cavendish para la constante fue GRAMO= 6,754×10 −11 newtons por metro cuadrado por kilogramo, y el error relativo del experimento no superó el uno por ciento.
Modelo de balanza de torsión con la que Henry Cavendish midió por primera vez la atracción gravitacional entre cuerpos de laboratorio
Museo de Ciencias/Biblioteca de Imágenes de Ciencia y Sociedad
Desde entonces, los científicos han realizado más de doscientos experimentos para medir la constante gravitacional, pero no han podido mejorar significativamente su precisión. Actualmente, el valor de la constante, adoptado por el Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología (CODATA) y calculado a partir de los resultados de los 14 experimentos más precisos de los últimos 40 años, es GRAMO= 6,67408(31)×10 −11 newtons por metro cuadrado por kilogramo (el error en los últimos dígitos de la mantisa se indica entre paréntesis). En otras palabras, su error relativo es de aproximadamente 47 partes por millón, que es sólo cien veces menor que el error del experimento de Cavendish y muchos órdenes de magnitud mayor que el error de otras constantes fundamentales. Por ejemplo, el error al medir la constante de Planck no supera las 13 partes por mil millones, la carga elemental y constante de Boltzmann, 6 partes por mil millones, y la velocidad de la luz, 4 partes por mil millones. Al mismo tiempo, es muy importante que los físicos conozcan el valor exacto de la constante. GRAMO, ya que juega un papel clave en cosmología, astrofísica, geofísica e incluso física de partículas. Además, el elevado error de la constante dificulta la redefinición de los valores de otras cantidades físicas.
Lo más probable es que la precisión de la constante sea baja. GRAMO está asociado con la debilidad de las fuerzas de atracción gravitacional que surgen en los experimentos terrestres; esto dificulta la medición precisa de las fuerzas y conduce a grandes errores sistemáticos debido al diseño de las instalaciones. En particular, algunos de los experimentos utilizados para calcular el valor CODATA tuvieron un error informado de menos de 14 ppm, pero sus resultados diferían hasta en 550 ppm. Actualmente no existe ninguna teoría que pueda explicar una gama tan amplia de resultados. Lo más probable es que en algunos experimentos los científicos pasaran por alto algunos factores que distorsionaron los valores de la constante. Por lo tanto, a los físicos experimentales sólo les queda reducir los errores sistemáticos, minimizar las influencias externas y repetir las mediciones en instalaciones con diseños fundamentalmente diferentes.
Este es exactamente el tipo de trabajo que llevó a cabo un grupo de científicos dirigido por Jun Luo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China Central con la participación de Vadim Milyukov de la EFS MSU.
Para reducir el error, los investigadores repitieron los experimentos en varias instalaciones con diseños fundamentalmente diferentes y valores de parámetros diferentes. En instalaciones del primer tipo, la constante se midió mediante el método TOS (tiempo de oscilación), en el que el valor GRAMO determinado por la frecuencia de vibración de la balanza de torsión. Para mejorar la precisión, la frecuencia se mide para dos configuraciones diferentes: en la configuración "cerca", las masas externas están ubicadas cerca de la posición de equilibrio de la balanza (esta configuración se muestra en la figura), y en la configuración "lejana" , son perpendiculares a la posición de equilibrio. Como resultado, la frecuencia de oscilación en la configuración "lejana" resulta ser ligeramente menor que en la configuración "cerca", y esto permite aclarar el valor GRAMO.
Por otro lado, el segundo tipo de instalación se basó en el método AAF (retroalimentación de aceleración angular): en este método, la viga de torsión y las masas externas giran de forma independiente y su aceleración angular se mide utilizando un sistema de control de retroalimentación que mantiene la hilo desenroscado. Esto le permite deshacerse de errores sistemáticos asociados con la heterogeneidad del hilo y la incertidumbre de sus propiedades elásticas.
Esquema de configuraciones experimentales para medir la constante gravitacional: método TOS (a) y AAF (b)
Qing Li et al. /Naturaleza
Fotos de instalaciones experimentales para medir la constante gravitacional: método TOS (a–c) y AAF (d–f)
Qing Li et al. /Naturaleza
Además, los físicos intentaron reducir al mínimo los posibles errores sistemáticos. En primer lugar, comprobaron que los cuerpos gravitantes que participaron en los experimentos son realmente homogéneos y tienen una forma casi esférica: construyeron la distribución espacial de la densidad de los cuerpos utilizando un microscopio electrónico de barrido y también midieron la distancia entre el centro geométrico y el centro de masa mediante dos métodos independientes. Como resultado, los científicos se convencieron de que las fluctuaciones de densidad no superaban las 0,5 partes por millón y la excentricidad no superaba una parte por millón. Además, los investigadores rotaron las esferas en un ángulo aleatorio antes de cada experimento para compensar sus imperfecciones.
En segundo lugar, los físicos tuvieron en cuenta que un amortiguador magnético, que se utiliza para suprimir los modos cero de vibración del filamento, puede contribuir a la medición de la constante. GRAMO, y luego lo rediseñó para que esta contribución no excediera unas pocas partes por millón.
En tercer lugar, los científicos cubrieron la superficie de las masas con una fina capa de lámina de oro para eliminar los efectos electrostáticos y recalcularon el momento de inercia de la balanza de torsión teniendo en cuenta la lámina. Al monitorear los potenciales electrostáticos de partes de la instalación durante el experimento, los físicos confirmaron que las cargas eléctricas no afectan los resultados de las mediciones.
En cuarto lugar, los investigadores tuvieron en cuenta que en el método AAF, la torsión se produce en el aire y ajustaron el movimiento del balancín para tener en cuenta la resistencia del aire. En el método TOS, todas las partes de la instalación estaban en una cámara de vacío, por lo que tales efectos no podían tenerse en cuenta.
En quinto lugar, los experimentadores mantuvieron constante la temperatura de la instalación durante el experimento (las fluctuaciones no superaron los 0,1 grados Celsius), y también midieron continuamente la temperatura del hilo y ajustaron los datos teniendo en cuenta cambios sutiles en sus propiedades elásticas.
Finalmente, los científicos tuvieron en cuenta que el revestimiento metálico de las esferas les permite interactuar con el campo magnético terrestre y evaluaron la magnitud de este efecto. Durante el experimento, los científicos leyeron todos los datos cada segundo, incluido el ángulo de rotación del filamento, la temperatura, las fluctuaciones en la densidad del aire y las perturbaciones sísmicas, y luego construyeron una imagen completa y calcularon el valor de la constante basándose en ella. GRAMO.
Los científicos repitieron cada uno de los experimentos muchas veces y promediaron los resultados, luego cambiaron los parámetros de instalación y comenzaron el ciclo nuevamente. En particular, los investigadores realizaron experimentos utilizando el método TOS con cuatro filamentos de cuarzo de diferentes diámetros, y en tres experimentos con el circuito AAF, los científicos cambiaron la frecuencia de la señal moduladora. Los físicos tardaron aproximadamente un año en comprobar cada uno de los valores y, en total, el experimento duró más de tres años.
(a) Dependencia temporal del período de oscilación de la balanza de torsión en el método TOS; Los puntos lilas corresponden a la configuración “cerca”, los azules a la configuración “lejana”. (b) Valores constantes gravitacionales promediados para diferentes instalaciones TOS
Por extraño que parezca, los investigadores siempre han tenido problemas con la determinación exacta de la constante gravitacional. Los autores del artículo hablan de trescientos intentos anteriores de hacer esto, pero todos dieron como resultado valores que no coincidían con los demás. Incluso en las últimas décadas, cuando la precisión de las mediciones ha aumentado significativamente, la situación sigue siendo la misma: los datos, como antes, se negaron a coincidir entre sí.
Método de medición básico GRAMO Se ha mantenido sin cambios desde 1798, cuando Henry Cavendish decidió utilizar una balanza de torsión (o torsión) para este propósito. Por el curso escolar sabemos cómo era una instalación así. En una tapa de cristal, de un hilo de cobre plateado de un metro de largo, colgaba un balancín de madera hecho de bolas de plomo, cada una de las cuales pesaba 775 g.
Wikimedia Commons Sección vertical de la instalación (Copia de la figura del informe de G. Cavendish “Experimentos para determinar la densidad de la Tierra”, publicado en las Actas de la Royal Society de Londres de 1798 (parte II) volumen 88 págs. 469-526)
Se les llevaron bolas de plomo que pesaban 49,5 kg y, como resultado de la acción de las fuerzas gravitacionales, el balancín se torció en un cierto ángulo, sabiendo cuál y conociendo la rigidez del hilo, fue posible calcular el valor de la gravedad. constante.
El problema fue que, en primer lugar, la atracción gravitacional es muy pequeña, además el resultado puede verse influenciado por otras masas que no fueron tomadas en cuenta en el experimento y de las cuales no fue posible protegerse.
La segunda desventaja, curiosamente, fue que los átomos de las masas transferidas estaban en constante movimiento y, con poca influencia de la gravedad, este efecto también tuvo su efecto.
Los científicos decidieron añadir su propio método a la ingeniosa, pero en este caso insuficiente, idea de Cavendish y utilizaron además otro dispositivo, un interferómetro cuántico, conocido en física como SQUID. (del inglés SQUID, dispositivo de interferencia cuántica superconductora - "interferómetro cuántico superconductor"; traducido literalmente del inglés squid - "squid"; magnetómetros ultrasensibles utilizados para medir campos magnéticos muy débiles).
Este dispositivo monitorea desviaciones mínimas del campo magnético.
Después de congelar una bola de tungsteno de 50 kg con un láser a temperaturas cercanas al cero absoluto, siguiendo los movimientos de los átomos en esta bola mediante cambios en el campo magnético y eliminando así su influencia en el resultado de la medición, los investigadores obtuvieron el valor de la gravedad. constante con una precisión de 150 partes por millón, entonces hay 15 milésimas de porcentaje. Ahora bien, el valor de esta constante, dicen los científicos, es igual a 6,67191(99)·10−11 m3·s−2·kg−1. Valor anterior GRAMO fue 6.67384(80)·10-11 m3·s-2·kg-1.
Y es bastante extraño.
La constante gravitacional es la base para convertir otras cantidades físicas y astronómicas, como las masas de los planetas del Universo, incluida la Tierra, así como otros cuerpos cósmicos, en unidades de medida tradicionales, y hasta ahora siempre es diferente. En 2010, los científicos estadounidenses Harold Parks y James Faller propusieron un valor refinado de 6,67234(14)·10−11 m3·s−2·kg−1. Obtuvieron este valor utilizando un interferómetro láser para registrar cambios en las distancias entre péndulos suspendidos de cuerdas mientras oscilaban en relación con cuatro cilindros de tungsteno (fuentes del campo gravitacional) con masas de 120 kg cada uno. El segundo brazo del interferómetro, que sirve como patrón de distancia, se fijó entre los puntos de suspensión de los péndulos. El valor obtenido por Parks y Faller fue tres desviaciones estándar menor que GRAMO, recomendado en 2008 Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología (CODATA), pero consistente con el valor CODATA anterior introducido en 1986. Entonces reportado que la revisión del valor G ocurrida entre 1986 y 2008 fue provocada por estudios de inelasticidad de hilos de suspensión en balanzas de torsión.
Historial de mediciones
La constante gravitacional aparece en la notación moderna de la ley de la gravitación universal, pero estuvo ausente explícitamente en Newton y en el trabajo de otros científicos hasta principios del siglo XIX. La constante gravitacional en su forma actual se introdujo por primera vez en la ley de la gravitación universal, aparentemente, solo después de la transición a un sistema métrico unificado de medidas. Quizás esto fue hecho por primera vez por el físico francés Poisson en su “Tratado de Mecánica” (1809), al menos los historiadores no han identificado ningún trabajo anterior en el que apareciera la constante gravitacional. En 1798, Henry Cavendish realizó un experimento para determinar la densidad media de la Tierra utilizando una balanza de torsión inventada por John Michell (Philosophical Transactions 1798). Cavendish comparó las oscilaciones del péndulo de un cuerpo de prueba bajo la influencia de la gravedad de bolas de masa conocida y bajo la influencia de la gravedad de la Tierra. El valor numérico de la constante gravitacional se calculó posteriormente basándose en la densidad media de la Tierra. Precisión del valor medido GRAMO Desde la época de Cavendish ha aumentado, pero su resultado ya se acercaba bastante al moderno.
ver también
Notas
Enlaces
- Constante gravitacional- artículo de la Gran Enciclopedia Soviética
Fundación Wikimedia.
2010.
Vea qué es "Constante gravitacional" en otros diccionarios:- (constante de gravedad) (γ, G) física universal. constante incluida en la fórmula (ver) ... Gran Enciclopedia Politécnica
- (denotado por G) coeficiente de proporcionalidad en la ley de gravitación de Newton (ver Ley universal de gravedad), G = (6.67259.0.00085).10 11 N.m²/kg² … Gran diccionario enciclopédico
- (designación G), coeficiente de la ley de GRAVEDAD de Newton. Igual a 6.67259.10 11 N.m2.kg 2 ... Diccionario enciclopédico científico y técnico.
Física Fundamental. constante G, incluida en la ley de gravedad de Newton F=GmM/r2, donde m y M son las masas de los cuerpos que se atraen (puntos materiales), r es la distancia entre ellos, F es la fuerza de atracción, G= 6,6720(41) X10 11 N m2 kg 2 (a partir de 1980). El valor más exacto de G. p.... ... Enciclopedia física
constante gravitacional- - Temas industria del petróleo y el gas EN constante gravitacional ... Guía del traductor técnico
constante gravitacional- gravitacijos konstanta statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. constante de gravedad; constante de gravedad vok. Gravitaciones konstante, f rus. constante gravitacional, f; constante de gravitación universal, f pranc. constante de la gravitación, f … Fizikos terminų žodynas
- (denotado por G), el coeficiente de proporcionalidad en la ley de gravitación de Newton (ver Ley de Gravitación Universal), G = (6,67259 + 0,00085)·10 11 N·m2/kg2. * * * CONSTANTE GRAVITACIONAL CONSTANTE GRAVITACIONAL (indicada por G), coeficiente... ... diccionario enciclopédico
La gravedad es constante, universal. físico constante G, incluida en la gripe, que expresa la ley de gravedad de Newton: G = (6,672 59 ± 0,000 85) * 10 11 N * m2 / kg2 ... Gran Diccionario Politécnico Enciclopédico
El coeficiente de proporcionalidad G en la fórmula que expresa la ley de gravitación de Newton F = G mM / r2, donde F es la fuerza de atracción, M y m son las masas de los cuerpos que se atraen, r es la distancia entre los cuerpos. Otras designaciones para G. p.: γ o f (con menos frecuencia k2). Numérico... ... Gran enciclopedia soviética
- (denotado por G), coeficiente. proporcionalidad en la ley de gravitación de Newton (ver Ley de gravitación universal), G = (6,67259±0,00085) x 10 11 N x m2/kg2 ... Ciencias Naturales. diccionario enciclopédico
Libros
- El Universo y la física sin “energía oscura” (descubrimientos, ideas, hipótesis). En 2 volúmenes. Volumen 1, O. G. Smirnov. Los libros están dedicados a los problemas de la física y la astronomía que han existido en la ciencia durante decenas y cientos de años desde G. Galileo, I. Newton, A. Einstein hasta nuestros días. Las partículas más pequeñas de materia y planetas, estrellas y...
