La constante gravitationnelle de Newton a été mesurée à l'aide de méthodes d'interférométrie atomique. La nouvelle technique s'affranchit des inconvénients des expériences purement mécaniques et permettra peut-être bientôt d'étudier les effets de la relativité générale en laboratoire.
Constantes physiques fondamentales telles que la vitesse de la lumière c, constante gravitationnelle G, la constante de structure fine α, la masse électronique et d'autres jouent un rôle extrêmement important dans la physique moderne. Une partie importante de la physique expérimentale est consacrée à mesurer leurs valeurs aussi précisément que possible et à vérifier si elles évoluent dans le temps et dans l'espace. Le moindre soupçon de l'instabilité de ces constantes peut donner lieu à tout un flot de nouvelles études théoriques et à une révision des principes généralement acceptés de la physique théorique. (Voir l'article populaire de J. Barrow et J. Web, Variable Constants // In the World of Science, septembre 2005, ainsi qu'une sélection d'articles scientifiques consacrés à la variabilité possible des constantes d'interaction.)
La plupart des constantes fondamentales sont aujourd’hui connues avec une précision extrêmement élevée. Ainsi, la masse électronique est mesurée avec une précision de 10 -7 (c'est-à-dire un cent millième de pour cent) et la constante de structure fine α, qui caractérise la force de l'interaction électromagnétique, est mesurée avec une précision de 7 × 10. -10 (voir remarque La constante de structure fine a été affinée). À la lumière de cela, il peut paraître surprenant que la valeur de la constante gravitationnelle, qui fait partie de la loi de la gravitation universelle, soit connue avec une précision inférieure à 10 -4, soit un centième de pour cent.
Cet état de fait reflète les difficultés objectives des expériences gravitationnelles. Si vous essayez de déterminer Gà partir du mouvement des planètes et des satellites, il est nécessaire de connaître les masses des planètes avec une grande précision, mais elles sont mal connues. Si vous effectuez une expérience mécanique en laboratoire, par exemple si vous mesurez la force d'attraction de deux corps avec une masse connue avec précision, une telle mesure comportera de grandes erreurs en raison de l'extrême faiblesse de l'interaction gravitationnelle.
La constante gravitationnelle, la constante de Newton, est une constante physique fondamentale, une constante d'interaction gravitationnelle.
La constante gravitationnelle apparaît dans la notation moderne de la loi de la gravitation universelle, mais était explicitement absente chez Newton et dans les travaux d'autres scientifiques jusqu'au début du XIXe siècle.
La constante gravitationnelle dans sa forme actuelle n'a été introduite pour la première fois dans la loi de la gravitation universelle qu'après la transition vers un système de mesures métriques unifié. C'est peut-être le physicien français Poisson qui l'a fait pour la première fois dans son Traité de mécanique (1809). Au moins, les historiens n’ont identifié aucun travail antérieur dans lequel la constante gravitationnelle apparaîtrait.
En 1798, Henry Cavendish a mené une expérience pour déterminer la densité moyenne de la Terre à l'aide d'une balance à torsion inventée par John Mitchell (Philosophical Transactions 1798). Cavendish a comparé les oscillations pendulaires d'un corps d'essai sous l'influence de la gravité de boules de masse connue et sous l'influence de la gravité terrestre. La valeur numérique de la constante gravitationnelle a été calculée plus tard sur la base de la densité moyenne de la Terre. Précision de la valeur mesurée G depuis l'époque de Cavendish, il a augmenté, mais son résultat était déjà assez proche du résultat moderne.
En 2000, la valeur de la constante gravitationnelle a été obtenue
cm 3 g -1 s -2 , avec une erreur de 0,0014 %.
La dernière valeur de la constante gravitationnelle a été obtenue par un groupe de scientifiques en 2013, travaillant sous les auspices du Bureau international des poids et mesures.
cm 3 g -1 s -2 .
À l’avenir, si une valeur plus précise de la constante gravitationnelle est établie expérimentalement, elle pourra être révisée.
La valeur de cette constante est connue avec beaucoup moins de précision que celle de toutes les autres constantes physiques fondamentales, et les résultats des expériences visant à l’affiner continuent de varier. Dans le même temps, on sait que les problèmes ne sont pas associés à des changements dans la constante elle-même d'un endroit à l'autre et dans le temps, mais sont causés par des difficultés expérimentales dans la mesure de petites forces prenant en compte un grand nombre de facteurs externes.
Selon les données astronomiques, la constante G est restée pratiquement inchangée au cours des dernières centaines de millions d'années ; sa variation relative ne dépasse pas 10 ? 11 - 10 ? 12 par an.
Selon la loi de la gravitation universelle de Newton, la force d'attraction gravitationnelle F entre deux points matériels avec des masses m 1 et m 2 situé à distance r, est égal à :
Facteur de proportionnalité G dans cette équation est appelée la constante gravitationnelle. Numériquement, il est égal au module de la force gravitationnelle agissant sur un corps ponctuel de masse unitaire à partir d'un autre corps similaire situé à une unité de distance de lui.
Dans les unités du Système international d'unités (SI), la valeur recommandée par le Comité des données pour la science et la technologie (CODATA) pour 2008 était
G= 6,67428 (67) 10 ? 11 m 3 s ?
en 2010, la valeur a été corrigée comme suit :
G= 6,67384 (80) 10 ?11 m 3 s?2 kg?1, ou N mI kg?2.
En octobre 2010, un article paru dans la revue Physical Review Letters propose une valeur révisée de 6,67234 (14), soit trois écarts types de moins que G, recommandée en 2008 par le Comité des données pour la science et la technologie (CODATA), mais cohérente avec la valeur CODATA antérieure présentée en 1986.
Révision de la valeur G, survenu entre 1986 et 2008, a été provoqué par des études sur l'inélasticité des fils de suspension dans les balances de torsion.
La constante gravitationnelle sert de base à la conversion d'autres grandeurs physiques et astronomiques, telles que les masses des planètes de l'Univers, y compris la Terre, ainsi que d'autres corps cosmiques, en unités de mesure traditionnelles, telles que les kilogrammes. De plus, en raison de la faiblesse de l'interaction gravitationnelle et de la faible précision des mesures de la constante gravitationnelle qui en résulte, les rapports de masse des corps cosmiques sont généralement connus avec beaucoup plus de précision que les masses individuelles en kilogrammes.
Qing Li et coll. /Nature
Des physiciens de Chine et de Russie ont réduit de quatre fois l'erreur de la constante gravitationnelle, à 11,6 parties par million, en menant deux séries d'expériences fondamentalement différentes et en minimisant les erreurs systématiques qui faussent les résultats. Article publié dans Nature.
Pour la première fois la constante gravitationnelle G, qui fait partie de la loi de la gravitation universelle de Newton, a été mesurée en 1798 par le physicien expérimental britannique Henry Cavendish. Pour ce faire, le scientifique a utilisé une balance à torsion construite par le prêtre John Michell. La balance à torsion la plus simple, dont la conception a été inventée en 1777 par Charles Coulomb, est constituée d'un fil vertical sur lequel est suspendue une poutre lumineuse avec deux poids aux extrémités. Si vous portez deux corps massifs aux charges, sous l'influence de la gravité, la bascule commencera à tourner ; En mesurant l'angle de rotation et en le rapportant à la masse des corps, aux propriétés élastiques du fil et aux dimensions de l'installation, il est possible de calculer la valeur de la constante gravitationnelle. Vous pouvez comprendre plus en détail la mécanique des balances de torsion en résolvant le problème correspondant.
La valeur obtenue par Cavendish pour la constante était G= 6,754×10 −11 newtons par mètre carré par kilogramme, et l'erreur relative de l'expérience n'a pas dépassé un pour cent.
Modèle de la balance de torsion avec laquelle Henry Cavendish a mesuré pour la première fois l'attraction gravitationnelle entre des corps de laboratoire
Musée des sciences/Photothèque science et société
Depuis lors, les scientifiques ont réalisé plus de deux cents expériences pour mesurer la constante gravitationnelle, mais n'ont pas pu améliorer significativement leur précision. Actuellement, la valeur de la constante, adoptée par le Comité des données pour la science et la technologie (CODATA) et calculée à partir des résultats des 14 expériences les plus précises des 40 dernières années, est G= 6,67408(31)×10 −11 newtons par mètre carré par kilogramme (l'erreur dans les derniers chiffres de la mantisse est indiquée entre parenthèses). En d’autres termes, son erreur relative est d’environ 47 parties par million, ce qui est seulement cent fois inférieur à l’erreur de l’expérience Cavendish et plusieurs ordres de grandeur supérieur à l’erreur d’autres constantes fondamentales. Par exemple, l'erreur de mesure de la constante de Planck ne dépasse pas 13 parties par milliard, la charge constante et élémentaire de Boltzmann - 6 parties par milliard et la vitesse de la lumière - 4 parties par milliard. Dans le même temps, il est très important pour les physiciens de connaître la valeur exacte de la constante G, car il joue un rôle clé en cosmologie, en astrophysique, en géophysique ou encore en physique des particules. De plus, l'erreur élevée de la constante rend difficile la redéfinition des valeurs d'autres grandeurs physiques.
Très probablement, une faible précision de la constante G est associé à la faiblesse des forces d'attraction gravitationnelles qui surviennent dans les expériences au sol - cela rend difficile la mesure précise des forces et conduit à d'importantes erreurs systématiques dues à la conception des installations. En particulier, certaines des expériences utilisées pour calculer la valeur CODATA présentaient une erreur signalée inférieure à 14 ppm, mais leurs résultats différaient jusqu'à 550 ppm. Il n’existe actuellement aucune théorie permettant d’expliquer un éventail aussi large de résultats. Très probablement, le fait est que dans certaines expériences, les scientifiques ont négligé certains facteurs qui ont faussé les valeurs de la constante. Il ne reste donc aux physiciens expérimentateurs que de réduire les erreurs systématiques, de minimiser les influences externes et de répéter les mesures sur des installations de conception fondamentalement différente.
C'est exactement le genre de travail réalisé par un groupe de scientifiques dirigé par Jun Luo de l'Université des sciences et technologies de Chine centrale avec la participation de Vadim Milyukov du SAI MSU.
Pour réduire l'erreur, les chercheurs ont répété les expériences sur plusieurs installations avec des conceptions fondamentalement différentes et des valeurs de paramètres différentes. Dans les installations du premier type, la constante a été mesurée selon la méthode TOS (time of-swing), dans laquelle la valeur G déterminé par la fréquence de vibration de la balance de torsion. Pour améliorer la précision, la fréquence est mesurée pour deux configurations différentes : dans la configuration « proche », les masses externes sont situées à proximité de la position d'équilibre du balancier (cette configuration est représentée sur la figure), et dans la configuration « lointaine » , ils sont perpendiculaires à la position d’équilibre. De ce fait, la fréquence d'oscillation en configuration « lointaine » s'avère légèrement inférieure à celle en configuration « proche », ce qui permet de préciser la valeur G.
En revanche, le deuxième type d'installation s'appuyait sur la méthode AAF (angular-acceleration-feedback) : dans cette méthode, la poutre de torsion et les masses externes tournent indépendamment, et leur accélération angulaire est mesurée à l'aide d'un système de contrôle par rétroaction qui maintient la fil sans torsion. Cela permet de s'affranchir des erreurs systématiques liées à l'hétérogénéité du fil et à l'incertitude de ses propriétés élastiques.
Schéma des montages expérimentaux de mesure de la constante gravitationnelle : méthode TOS (a) et AAF (b)
Qing Li et coll. /Nature
Photos d'installations expérimentales de mesure de la constante gravitationnelle : méthode TOS (a–c) et AAF (d–f)
Qing Li et coll. /Nature
De plus, les physiciens ont essayé de réduire au minimum les erreurs systématiques possibles. Dans un premier temps, ils ont vérifié que les corps gravitants participant aux expériences sont bien homogènes et proches d'une forme sphérique - ils ont construit la distribution spatiale de la densité des corps à l'aide d'un microscope électronique à balayage, et ont également mesuré la distance entre le centre géométrique et le centre de masse par deux méthodes indépendantes. En conséquence, les scientifiques étaient convaincus que les fluctuations de densité ne dépassaient pas 0,5 partie par million et que l'excentricité ne dépassait pas une partie par million. De plus, les chercheurs ont fait pivoter les sphères selon un angle aléatoire avant chaque expérience pour compenser leurs imperfections.
Deuxièmement, les physiciens ont pris en compte qu'un amortisseur magnétique, utilisé pour supprimer les modes de vibration nuls du filament, peut contribuer à la mesure de la constante G, puis l'a repensé pour que cette contribution ne dépasse pas quelques parties par million.
Troisièmement, les scientifiques ont recouvert la surface des masses d'une fine couche de feuille d'or pour éliminer les effets électrostatiques et ont recalculé le moment d'inertie de la balance de torsion en tenant compte de la feuille. En surveillant les potentiels électrostatiques de certaines parties de l'installation pendant l'expérience, les physiciens ont confirmé que les charges électriques n'affectent pas les résultats de mesure.
Quatrièmement, les chercheurs ont pris en compte le fait que dans la méthode AAF, la torsion se produit dans l'air et ont ajusté le mouvement du culbuteur pour tenir compte de la résistance de l'air. Dans la méthode TOS, toutes les parties de l’installation se trouvaient dans une chambre à vide, de tels effets ne pouvaient donc pas être pris en compte.
Cinquièmement, les expérimentateurs ont maintenu la température de l'installation constante pendant l'expérience (les fluctuations n'ont pas dépassé 0,1 degrés Celsius), ont également mesuré en continu la température du fil et ajusté les données en tenant compte des changements subtils dans ses propriétés élastiques.
Enfin, les scientifiques ont pris en compte le fait que le revêtement métallique des sphères leur permet d'interagir avec le champ magnétique terrestre et ont évalué l'ampleur de cet effet. Au cours de l'expérience, les scientifiques ont lu toutes les données chaque seconde, y compris l'angle de rotation du filament, la température, les fluctuations de la densité de l'air et les perturbations sismiques, puis ont construit une image complète et calculé la valeur de la constante sur cette base. G.
Les scientifiques ont répété chacune des expériences plusieurs fois et ont fait la moyenne des résultats, puis ont modifié les paramètres d'installation et ont recommencé le cycle. En particulier, les chercheurs ont mené des expériences en utilisant la méthode TOS sur quatre filaments de quartz de diamètres différents, et dans trois expériences avec le circuit AAF, les scientifiques ont modifié la fréquence du signal de modulation. Il a fallu environ un an aux physiciens pour vérifier chacune des valeurs, et au total l'expérience a duré plus de trois ans.
(a) Dépendance temporelle de la période d'oscillation de la balance de torsion dans la méthode TOS ; Les points lilas correspondent à la configuration « proche », les bleus à la configuration « lointaine ». (b) Valeurs moyennes des constantes gravitationnelles pour différentes installations TOS
Aussi étrange que cela puisse paraître, les chercheurs ont toujours eu des problèmes avec la détermination exacte de la constante gravitationnelle. Les auteurs de l'article parlent de trois cents tentatives précédentes pour y parvenir, mais toutes ont abouti à des valeurs qui ne correspondaient pas aux autres. Même au cours des dernières décennies, lorsque la précision des mesures a considérablement augmenté, la situation est restée la même: les données, comme auparavant, ont refusé de coïncider les unes avec les autres.
Méthode de mesure de base G est resté inchangé depuis 1798, lorsque Henry Cavendish a décidé d'utiliser une balance de torsion (ou de torsion) à cet effet. Grâce au cursus scolaire, nous savons à quoi ressemblait une telle installation. Dans un couvercle en verre, sur un fil d'un mètre de cuivre argenté, était suspendue une bascule en bois composée de billes de plomb pesant chacune 775 g.
Wikimedia Commons Section verticale de l'installation (Copie de la figure du rapport de G. Cavendish « Experiments to détermine the Density of the Earth », publié dans les Proceedings of the Royal Society of London for 1798 (Part II) volume 88 pp. 469-526)
Des boules de plomb pesant 49,5 kg leur ont été apportées et, sous l'action des forces gravitationnelles, le culbuteur s'est tordu selon un certain angle, sachant lequel et connaissant la rigidité du fil, il a été possible de calculer la valeur de la force gravitationnelle. constante.
Le problème était que, premièrement, l’attraction gravitationnelle est très faible et que le résultat peut être influencé par d’autres masses qui n’ont pas été prises en compte par l’expérience et contre lesquelles il n’a pas été possible de se protéger.
Le deuxième inconvénient, assez curieusement, était que les atomes dans les masses transférées étaient en mouvement constant, et avec peu d'influence de la gravité, cet effet avait également un effet.
Les scientifiques ont décidé d’ajouter leur propre méthode à l’idée ingénieuse, mais dans ce cas insuffisante, de Cavendish et ont utilisé en plus un autre appareil, un interféromètre quantique, connu en physique sous le nom de SQUID. (de l'anglais SQUID, Superconducting Quantum Interference Device - « interféromètre quantique supraconducteur » ; traduit littéralement de l'anglais squid - « squid » ; magnétomètres ultra-sensibles utilisés pour mesurer des champs magnétiques très faibles).
Cet appareil surveille les écarts minimes par rapport au champ magnétique.
Après avoir congelé une boule de tungstène de 50 kg avec un laser à des températures proches du zéro absolu, suivant les mouvements des atomes dans cette boule par les changements du champ magnétique et éliminant ainsi leur influence sur le résultat de la mesure, les chercheurs ont obtenu la valeur de l'attraction gravitationnelle. constante avec une précision de 150 parties par million, alors il y a 15 millièmes de pour cent. Or, selon les scientifiques, la valeur de cette constante est égale à 6,67191(99)·10−11 m3·s−2·kg−1. Valeur précédente Gétait de 6,67384(80)·10−11 m3·s−2·kg−1.
Et c'est assez étrange.
La constante gravitationnelle est la base pour convertir d'autres grandeurs physiques et astronomiques, telles que les masses des planètes de l'Univers, y compris la Terre, ainsi que d'autres corps cosmiques, en unités de mesure traditionnelles, et jusqu'à présent, elle est toujours différente. En 2010, les scientifiques américains Harold Parks et James Faller ont proposé une valeur révisée de 6,67234(14)·10−11 m 3 s−2 kg−1. Ils ont obtenu cette valeur en utilisant un interféromètre laser pour enregistrer les changements de distances entre des pendules suspendus à des cordes lorsqu'ils oscillaient par rapport à quatre cylindres de tungstène, sources du champ gravitationnel, pesant chacun 120 kg. Le deuxième bras de l'interféromètre, servant d'étalon de distance, était fixé entre les points de suspension des pendules. La valeur obtenue par Parks et Faller était inférieure de trois écarts types à celle obtenue par Parks et Faller. G, recommandé en 2008 Comité des données pour la science et la technologie (CODATA), mais cohérent avec la valeur CODATA antérieure introduite en 1986. Alors signalé que la révision de la valeur G intervenue entre 1986 et 2008 a été provoquée par des études sur l'inélasticité des fils de suspension dans les balances de torsion.
Historique des mesures
La constante gravitationnelle apparaît dans la notation moderne de la loi de la gravitation universelle, mais était explicitement absente de Newton et des travaux d'autres scientifiques jusqu'au début du 19e siècle. La constante gravitationnelle dans sa forme actuelle n'a été introduite pour la première fois dans la loi de la gravitation universelle qu'après la transition vers un système de mesures métriques unifié. Peut-être que cela a été fait pour la première fois par le physicien français Poisson dans son « Traité de mécanique » (1809), du moins aucun ouvrage antérieur dans lequel la constante gravitationnelle apparaîtrait n'a été identifié par les historiens. En 1798, Henry Cavendish a mené une expérience pour déterminer la densité moyenne de la Terre à l'aide d'une balance à torsion inventée par John Michell (Philosophical Transactions 1798). Cavendish a comparé les oscillations pendulaires d'un corps d'essai sous l'influence de la gravité de boules de masse connue et sous l'influence de la gravité terrestre. La valeur numérique de la constante gravitationnelle a été calculée plus tard sur la base de la densité moyenne de la Terre. Précision de la valeur mesurée G depuis l'époque de Cavendish, il a augmenté, mais son résultat était déjà assez proche du résultat moderne.
Voir aussi
Remarques
Links
- Constante gravitationnelle- article de la Grande Encyclopédie Soviétique
Fondation Wikimédia.
2010.
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Livres
- L'Univers et la physique sans « énergie noire » (découvertes, idées, hypothèses). En 2 tomes. Tome 1, O.G. Smirnov. Les livres sont consacrés aux problèmes de physique et d'astronomie qui existent dans la science depuis des dizaines et des centaines d'années depuis G. Galileo, I. Newton, A. Einstein jusqu'à nos jours. Les plus petites particules de matière et les planètes, les étoiles et...
