GRAVITACIJOS KONSTANTĖ- proporcingumo koeficientas G aprašančioje formoje gravitacijos dėsnis.

Geometrinio taško skaitinė vertė ir matmenys priklauso nuo masės, ilgio ir laiko matavimo vienetų sistemos pasirinkimo. G. p. G, turintis matmenis L 3 M -1 T -2, kur ilgis L, svoris M ir laikas T išreikštas SI vienetais, įprasta vadinti Cavendish GP. Jis nustatomas atliekant laboratorinį eksperimentą. Visus eksperimentus galima suskirstyti į dvi grupes.

Pirmoje eksperimentų grupėje gravitacinė jėga. sąveika lyginama su horizontalių sukimo balansų sriegio tamprumo jėga. Tai lengvas rokeris, kurio galuose fiksuojamos vienodos bandomosios masės. Svirties svirtis yra pakabinama ant plono elastingo sriegio, veikiant gravitacijai. atskaitos masių laukas. Gravitacijos dydis bandomosios ir standartinės masės sąveiką (taigi ir G. p. reikšmę) lemia arba sriegio posūkio kampas (statinis metodas), arba sukimo balanso dažnio pokytis judant standartinės masės (dinaminis metodas). G. pirmą kartą identifikavo H. Cavendishas, naudodamas sukimo svarstykles 1798 m.

Antroje eksperimentų grupėje gravitacinė jėga. sąveikos lyginamos su, kurioms naudojamos svertinės svarstyklės. G. p. taip pirmą kartą apibrėžė F. Jolly 1878 m.

Cavendish G. p. vertė, įtraukta Tarpt. astr. sąjunga į Aster sistemą. nuolatinis (SAP) 1976 m., Krymas naudojamas iki šiol, 1942 m. gavo P. Heyl ir P. Chrzanowski iš JAV Nacionalinio priemonių ir standartų biuro. SSRS G. p. pirmą kartą buvo apibrėžtas Valstybinėje astronomijos inspekcijoje. Institutas pavadintas P. K. Sternbergas (SAI) Maskvos valstybiniame universitete.

Visuose šiuolaikiniuose Norėdami nustatyti Cavendish G. p (lentelė), buvo naudojami sukimo svarstyklės. Be aukščiau paminėtų, buvo naudojami ir kiti torsioninių svarstyklių veikimo režimai. Jei etaloninės masės sukasi aplink sukimo sriegio ašį dažniu, lygiu svarstyklių natūraliųjų virpesių dažniui, tai pagal rezonansinį sukimo virpesių amplitudės pokytį galima spręsti apie sukimo svyravimo reikšmę (rezonanso metodas). ). Dinamikos modifikavimas metodas – sukimosi metodas, kai platforma kartu su joje sumontuotomis sukimo svarstyklėmis ir atskaitos masėmis sukasi pastoviu greičiu. ang. greitis.


		Gravitacinės konstantos vertė yra 10–11 m 3 / kg * s 2
Hale, Chrzhanovskis (JAV), 1942 m	dinamiškas
Rose, Parker, Beams ir kt. (JAV), 1969 m	sukamieji
Renner (VNR), 1970 m	sukamieji
Fasi, Pontikis, Lucas (Prancūzija), 1972 m	rezonansas -	6.6714b0.0006
Sagitovas, Miljukovas, Monakhovas ir kiti (SSRS), 1978 m	dinamiškas	6.6745b0.0008
Liuteris, Towleris (JAV), 1982 m	dinamiškas	6,6726b0,0005

Pateikta lentelėje. RMS klaidos rodo vidines kiekvieno rezultato konvergencija. Tam tikras skirtingų eksperimentų metu gautų GP verčių neatitikimas atsiranda dėl to, kad GP nustatymui reikalingi absoliutūs matavimai, todėl galimi sistemingi matavimai. klaidų skyriuje rezultatus. Akivaizdu, kad patikimą G.p reikšmę galima gauti tik atsižvelgiant į skaidymą. apibrėžimai.

Tiek Niutono gravitacijos teorijoje, tiek Einšteino bendrojoje reliatyvumo teorijoje (GTR) gravitacija laikoma universalia gamtos konstanta, kuri nesikeičia erdvėje ir laike bei nepriklauso nuo fizikos. ir chem. aplinkos savybės ir gravitacinės masės. Yra gravitacijos teorijos versijų, kurios numato gravitacinio lauko kintamumą (pavyzdžiui, Dirako teorija, skaliarinio tenzoriaus gravitacijos teorijos). Kai kurie modeliai pratęsti supergravitacija(bendrosios reliatyvumo teorijos kvantinis apibendrinimas) taip pat prognozuoja magnetinio lauko priklausomybę nuo atstumo tarp sąveikaujančių masių. Tačiau šiuo metu turimi stebėjimo duomenys, taip pat specialiai sukurti laboratoriniai eksperimentai dar neleidžia nustatyti GP pakitimų.

Lit.: Sagitov M.U., Gravitacijos konstanta ir M., 1969; Sagitov M.U. ir kt., Naujas Kavendišo gravitacinės konstantos apibrėžimas, "DAN SSSR", 1979, t. 245, p. 567; Milyukovas V.K., Ar tai keičiasi? gravitacinė konstanta?, „Gamta“, 1986, Nr. 6, p. 96.

Qing Li ir kt. /Gamta

Kinijos ir Rusijos fizikai gravitacinės konstantos paklaidą sumažino keturis kartus – iki 11,6 promilės, atlikdami dvi iš esmės skirtingų eksperimentų serijas ir sumažindami sistemines klaidas, kurios iškreipia rezultatus. Straipsnis publikuotas m Gamta.

Pirmą kartą gravitacinė konstanta G 1798 m. išmatavo britų eksperimentinis fizikas Henry Cavendish. Tam mokslininkas panaudojo kunigo Johno Michello sukonstruotą torsioninį balansą. Paprasčiausias sukimo balansas, kurio konstrukciją 1777 metais išrado Charlesas Coulombas, susideda iš vertikalaus sriegio, ant kurio pakabinamas šviesos spindulys su dviem svarmenimis galuose. Jei prie krovinių atnešite du masyvius kūnus, veikiama gravitacijos svirtis pradės suktis; Išmatavus sukimosi kampą ir susiejant jį su kūnų mase, sriegio tamprumo savybėmis ir instaliacijos matmenimis, galima apskaičiuoti gravitacinės konstantos reikšmę. Išspręsdami atitinkamą problemą, galite išsamiau suprasti sukimo svarstyklių mechaniką.

Cavendish gauta konstantos vertė buvo G= 6,754×10 −11 niutonų kvadratiniam metrui vienam kilogramui, o eksperimento santykinė paklaida neviršijo vieno procento.

Sukimo balanso modelis, kuriuo Henry Cavendish pirmą kartą išmatavo gravitacinį trauką tarp laboratorinių kūnų

Mokslo muziejus / Mokslo ir visuomenės paveikslų biblioteka

Nuo to laiko mokslininkai atliko daugiau nei du šimtus eksperimentų, skirtų išmatuoti gravitacinę konstantą, tačiau jų tikslumo ženkliai pagerinti nepavyko. Šiuo metu Mokslo ir technologijų duomenų komiteto (CODATA) priimta konstantos reikšmė, apskaičiuota iš 14 tiksliausių pastarųjų 40 metų eksperimentų rezultatų, yra G= 6,67408(31)×10 −11 niutonų kvadratiniam metrui vienam kilogramui (skliausteliuose nurodyta paskutinių mantisos skaitmenų paklaida). Kitaip tariant, jo santykinė paklaida yra apytiksliai lygi 47 dalims iš milijono, o tai tik šimtą kartų mažesnė už Cavendish eksperimento paklaidą ir daugybe eilučių didesnė už kitų pagrindinių konstantų paklaidą. Pavyzdžiui, išmatuojant Planko konstantą paklaida neviršija 13 dalių per milijardą, Boltzmanno pastovaus ir elementariojo krūvio – 6 dalys per milijardą, o šviesos greitį – 4 dalių per milijardą. Tuo pačiu metu fizikai labai svarbu žinoti tikslią konstantos reikšmę G, nes ji atlieka pagrindinį vaidmenį kosmologijoje, astrofizikoje, geofizikoje ir net dalelių fizikoje. Be to, dėl didelės konstantos paklaidos sunku iš naujo apibrėžti kitų fizinių dydžių vertes.

Greičiausiai mažas konstantos tikslumas G yra susijęs su gravitacinės traukos jėgų, atsirandančių atliekant antžeminius eksperimentus, silpnumu – dėl to sunku tiksliai išmatuoti jėgas ir dėl įrenginių projektavimo atsiranda didelių sisteminių klaidų. Visų pirma, kai kurių eksperimentų, naudojamų CODATA vertei apskaičiuoti, pranešta paklaida buvo mažesnė nei 14 ppm, tačiau jų rezultatai skyrėsi iki 550 ppm. Šiuo metu nėra teorijos, kuri galėtų paaiškinti tokį platų rezultatų spektrą. Labiausiai tikėtina, kad kai kuriuose eksperimentuose mokslininkai nepastebėjo kai kurių veiksnių, kurie iškraipė konstantos reikšmes. Todėl eksperimentuojantiems fizikams belieka sumažinti sistemines klaidas, kuo labiau sumažinti išorinį poveikį ir pakartotinai atlikti matavimus iš esmės skirtingos konstrukcijos įrenginiuose.

Būtent tokį darbą atliko mokslininkų grupė, vadovaujama Juno Luo iš Centrinės Kinijos mokslo ir technologijų universiteto, dalyvaujant Vadimui Milyukovui iš SAI MSU.

Siekdami sumažinti klaidą, mokslininkai pakartojo eksperimentus su keliomis instaliacijomis su iš esmės skirtinga konstrukcija ir skirtingomis parametrų reikšmėmis. Pirmojo tipo įrenginiuose konstanta buvo matuojama naudojant TOS (svyravimo laiko) metodą, kuriame vertė G nustatomas pagal sukimo balanso virpesių dažnį. Siekiant pagerinti tikslumą, dažnis matuojamas esant dviem skirtingoms konfigūracijoms: „artimoje“ konfigūracijoje išorinės masės yra arti svarstyklių pusiausvyros padėties (ši konfigūracija parodyta paveikslėlyje), o „toli“ konfigūracijoje. , jie yra statmeni pusiausvyros padėčiai. Dėl to svyravimų dažnis „toli“ konfigūracijoje pasirodo šiek tiek mažesnis nei „artimoje“ konfigūracijoje, ir tai leidžia paaiškinti vertę G.

Kita vertus, antrojo tipo įrengimas rėmėsi AAF (kampinis pagreitis-grįžtamasis ryšys) metodu – šiuo metodu sukimo sija ir išorinės masės sukasi nepriklausomai, o jų kampinis pagreitis matuojamas naudojant grįžtamojo ryšio valdymo sistemą, kuri palaiko siūlas nesusuktas. Tai leidžia atsikratyti sisteminių klaidų, susijusių su sriegio nevienalytiškumu ir jo elastinių savybių neapibrėžtumu.

Gravitacinės konstantos matavimo eksperimentinių sąrankų schema: TOS (a) ir AAF (b) metodas

Qing Li ir kt. /Gamta

Eksperimentinių įrenginių, skirtų gravitacijos konstantai matuoti, nuotraukos: TOS metodas (a–c) ir AAF (d–f)

Qing Li ir kt. /Gamta

Be to, fizikai stengėsi iki minimumo sumažinti galimas sistemines klaidas. Pirma, jie patikrino, ar eksperimentuose dalyvaujantys gravitaciniai kūnai iš tiesų yra vienalyčiai ir artimi sferinei formai – naudodamiesi skenuojančiu elektroniniu mikroskopu jie sukūrė kūnų tankio erdvinį pasiskirstymą, taip pat išmatavo atstumą tarp geometrinio centro ir masės centras dviem nepriklausomais metodais. Dėl to mokslininkai buvo įsitikinę, kad tankio svyravimai neviršija 0,5 promilės, o ekscentriškumas neviršija vienos milijoninės dalies. Be to, prieš kiekvieną eksperimentą mokslininkai sferas pasuko atsitiktiniu kampu, kad kompensuotų jų trūkumus.

Antra, fizikai atsižvelgė į tai, kad magnetinis slopintuvas, naudojamas nuliniams gijos vibracijos režimams slopinti, gali prisidėti prie konstantos matavimo. G, o vėliau jį perkūrė taip, kad šis įnašas neviršytų kelių promilių.

Trečia, mokslininkai masių paviršių padengė plonu aukso folijos sluoksniu, kad atsikratytų elektrostatinio poveikio, ir, atsižvelgdami į foliją, perskaičiavo sukimo balanso inercijos momentą. Eksperimento metu stebėdami įrenginio dalių elektrostatinius potencialus, fizikai patvirtino, kad elektros krūviai neturi įtakos matavimo rezultatams.

Ketvirta, mokslininkai atsižvelgė į tai, kad taikant AAF metodą ore atsiranda sukimasis, ir pakoregavo svirties judėjimą, kad atsižvelgtų į oro pasipriešinimą. Taikant TOS metodą, visos instaliacijos dalys buvo vakuuminėje kameroje, todėl į tokius efektus nebuvo galima atsižvelgti.

Penkta, eksperimento dalyviai viso eksperimento metu palaikė pastovią instaliacijos temperatūrą (svyravimai neviršijo 0,1 laipsnio Celsijaus), taip pat nuolat matavo sriegio temperatūrą ir koregavo duomenis atsižvelgdami į subtilius jo elastingumo savybių pokyčius.

Galiausiai mokslininkai atsižvelgė į tai, kad metalinė rutulių danga leidžia joms sąveikauti su Žemės magnetiniu lauku, ir įvertino šio poveikio mastą. Eksperimento metu mokslininkai kas sekundę perskaitė visus duomenis, įskaitant kaitinamojo siūlelio sukimosi kampą, temperatūrą, oro tankio svyravimus ir seisminius trikdžius, o paskui sukūrė pilną vaizdą ir pagal jį apskaičiavo konstantos vertę. G.

Mokslininkai kiekvieną eksperimentą pakartojo daug kartų ir suvidurkino rezultatus, o tada pakeitė įrengimo parametrus ir pradėjo ciklą iš naujo. Visų pirma, mokslininkai atliko eksperimentus naudodami TOS metodą keturiems skirtingo skersmens kvarciniams siūlams, o trijuose eksperimentuose su AAF grandine mokslininkai pakeitė moduliuojančio signalo dažnį. Kiekvienai vertei patikrinti fizikai prireikė maždaug metų, o iš viso eksperimentas truko daugiau nei trejus metus.

a) sukimo balanso svyravimo laikotarpio priklausomybė nuo laiko, taikant TOS metodą; Alyviniai taškai atitinka „artimą“, o mėlyni – „toli“ konfigūraciją. b) skirtingų TOS įrenginių vidutinės gravitacinės konstantos vertės

m 1 ir m 2 esantis atokiau r, yra lygus: F = G m 1 m 2 r 2 . (\displaystyle F=G(\frac (m_(1)m_(2))(r^(2))).) G= 6.67408(31) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 arba N m² kg −2.

Gravitacinė konstanta yra pagrindas paversti kitus fizinius ir astronominius dydžius, tokius kaip Visatos planetų, įskaitant Žemę, ir kitų kosminių kūnų mases į tradicinius matavimo vienetus, tokius kaip kilogramai. Be to, dėl gravitacinės sąveikos silpnumo ir dėl to mažo gravitacinės konstantos matavimų tikslumo kosminių kūnų masės santykiai paprastai žinomi daug tiksliau nei atskiros masės kilogramais.

Gravitacinė konstanta yra vienas iš pagrindinių Plancko vienetų sistemos matavimo vienetų.

Matavimo istorija

Gravitacinė konstanta pateikiama šiuolaikiniame visuotinės gravitacijos dėsnio žymėjime, tačiau Niutono ir kitų mokslininkų darbuose iki XIX amžiaus pradžios jos aiškiai nebuvo. Gravitacinė konstanta dabartine forma pirmą kartą buvo įtraukta į visuotinės gravitacijos dėsnį, matyt, tik perėjus prie vieningos metrinės matų sistemos. Galbūt pirmasis tai padarė prancūzų fizikas Puasonas savo „Traktate apie mechaniką“ (1809), bent jau jokie ankstesni darbai, kuriuose atsirastų gravitacijos konstanta, istorikų nebuvo identifikuoti. ] .

G= 6,67554(16) × 10 -11 m 3 s -2 kg -1 (standartinė santykinė paklaida 25 ppm (arba 0,0025%)), pradinė paskelbta vertė šiek tiek skyrėsi nuo galutinės vertės dėl skaičiavimo klaidos ir vėliau buvo ištaisyta autoriai).

taip pat žr

Pastabos

Bendrojoje reliatyvumo teorijoje žymėjimai naudojant raidę G, naudojami retai, nes ten ši raidė paprastai naudojama Einšteino tenzoriui žymėti.
Pagal apibrėžimą į šią lygtį įtrauktos masės yra gravitacinės masės, tačiau neatitikimai tarp bet kurio kūno gravitacinės ir inercinės masės dydžio dar nebuvo eksperimentiškai aptikti. Teoriškai šiuolaikinių idėjų rėmuose vargu ar jie skirsis. Tai paprastai buvo standartinė prielaida nuo Niutono laikų.
Nauji gravitacinės konstantos matavimai dar labiau sujaukia situaciją // Elements.ru, 2013-13-09
CODATA Tarptautiniu mastu rekomenduojamos pagrindinių fizinių konstantų reikšmės(Anglų) . Žiūrėta 2015 m. birželio 30 d.
Skirtingi autoriai nurodo skirtingus rezultatus, nuo 6,754⋅10–11 m²/kg² iki (6,60 ± 0,04)⋅10–11 m³/(kg s³) – žr. Cavendish eksperimentą #Apskaičiuota vertė.
Igoris Ivanovas. Nauji gravitacinės konstantos matavimai dar labiau painioja situaciją (neapibrėžtas) (2013 m. rugsėjo 13 d.). Žiūrėta 2013 m. rugsėjo 14 d.
Ar tikrai gravitacinė konstanta yra pastovi? 2014 m. liepos 14 d. archyvuota kopija „Wayback Machine Science“ naujienose portale cnews.ru // publikacija 2002 m. rugsėjo 26 d.
Brooksas, Maiklas Ar Žemės magnetinis laukas gali paveikti gravitaciją? (neapibrėžtas) . NewScientist (2002 m. rugsėjo 21 d.). [Archyvuota kopija „Wayback Machine“ archyvuota] 2011 m. vasario 8 d.
Eroshenko Yu N. Fizikos naujienos internete (remiantis elektroniniais spaudiniais), UFN, 2000, t. 170, Nr. 680
Fizik. Rev. Lett. 105 110801 (2010) adresu ArXiv.org
2010 m. spalio fizikos naujienos
Quinn Terry, Parks Harold, Speake Clive, Davis Richard. Patobulintas nustatymas G Naudojant du metodus (anglų kalba) // Fizinės apžvalgos laiškai. - 2013. - rugsėjo 5 d. (t. 111, Nr. 10). - ISSN 0031-9007. – DOI:10.1103/PhysRevLett.111.101102.
Quinn Terry, Speake Clive, Parks Harold, Davis Richard. Erratum: geresnis nustatymas G Naudojant du metodus (anglų kalba) // Fizinės apžvalgos laiškai. - 2014. - liepos 15 d. (t. 113, nr. 3). - ISSN 0031-9007. – DOI:10.1103/PhysRevLett.113.039901.

Rosi G., Sorrentino F., Cacciapuoti L., Prevedelli M., Tino G. M.

Niutono gravitacijos teorijoje ir Einšteino reliatyvumo teorijoje gravitacinė konstanta ( G) yra universali gamtos konstanta, nekintanti erdvėje ir laike, nepriklausoma nuo aplinkos fizikinių ir cheminių savybių bei gravituojančių masių.

Pradinė Niutono formulės forma – koeficientas G nebuvo. Kaip nurodo šaltinis: „Gravitacinė konstanta pirmą kartą buvo įtraukta į visuotinės gravitacijos dėsnį, matyt, tik perėjus prie vieningos metrinės matų sistemos. Galbūt pirmą kartą tai padarė prancūzų fizikas S.D. Poissonas savo „Traktate apie mechaniką“ (1809 m.), bent jau istorikai nenustatė jokių ankstesnių darbų, kuriuose atsirastų gravitacinė konstanta.

Koeficiento įvedimas G atsirado dėl dviejų priežasčių: poreikio nustatyti teisingą matmenį ir suderinti gravitacijos jėgas su tikrais duomenimis. Tačiau šio koeficiento buvimas visuotinės gravitacijos dėsnyje vis tiek neatskleidė abipusio traukos proceso fizikos, dėl kurios Niutonas buvo kritikuojamas jo amžininkų.

Niutonas buvo apkaltintas dėl vienos rimtos priežasties: jei kūnai traukia vienas kitą, jie turi tam išleisti energiją, tačiau iš teorijos neaišku, iš kur energija gaunama, kaip ji išleidžiama ir iš kokių šaltinių papildoma. Kaip pastebi kai kurie tyrinėtojai: šis dėsnis buvo atrastas po Dekarto įvesto impulso išsaugojimo principo, tačiau iš Niutono teorijos išplaukė, kad trauka yra savybė, būdinga sąveikaujančioms kūnų masėms, kurios išeikvoja energiją be papildymo ir netampa mažesnės! Tai kažkoks neišsenkantis gravitacinės energijos šaltinis!

Leibnicas Niutono gravitacijos principą pavadino „nematerialia ir nepaaiškinama jėga“. Gravitacijos įtaiga tobuloje tuštumoje Bernoulli buvo apibūdinta kaip „pasipiktinantis“; o „actio in distans“ (veiksmo per atstumą) principas tuomet nebuvo palankesnis nei dabar.

Tikriausiai ne iš niekur fizikai sutiko Niutono formulę priešiškai. Kodėl skirtingos planetos turi skirtingą gravitaciją ir G pastovus visiems kūnams Žemėje ir Kosmose? Gal būt G priklauso nuo kūnų masės, bet gryna forma masė neturi jokios gravitacijos.

Atsižvelgiant į tai, kad kiekvienu konkrečiu atveju kūnų sąveika (trauka) vyksta su skirtinga jėga (pastangomis), ši jėga turi priklausyti nuo gravituojančių masių energijos. Atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta aukščiau, Niutono formulėje turi būti energijos koeficientas, atsakingas už masių pritraukimo energiją. Teisingesnis teiginys apie kūnų gravitacinį trauką būtų kalbėti ne apie masių sąveiką, o apie šiose masėse esančių energijų sąveiką. Tai yra, energija turi materialų nešiklį, be kurio ji negali egzistuoti.

Kadangi kūnų energetinis prisotinimas yra susijęs su jų šiluma (temperatūra), koeficientas turėtų atspindėti šį atitikimą, nes šiluma sukuria gravitaciją!

Kitas argumentas dėl G nepastovumo. Cituosiu iš retro fizikos vadovėlio: „Apskritai santykis E = mc 2 rodo, kad bet kurio kūno masė yra proporcinga jo bendrajai energijai. Todėl bet koks kūno energijos pokytis kartu keičiasi ir jo masė. Taigi, pavyzdžiui, jei kūnas įkaista, jo masė didėja.

Jei dviejų įkaitusių kūnų masė didėja, tai pagal visuotinės gravitacijos dėsnį turėtų padidėti ir jų tarpusavio traukos jėga. Tačiau čia yra rimta problema. Kylant temperatūrai, linkusiai į begalybę, masės ir jėgos tarp gravituojančių kūnų taip pat linkusios į begalybę. Jeigu teigsime, kad temperatūra yra begalinė, o dabar kartais tokios laisvės leidžiamos, tai gravitacija tarp dviejų kūnų taip pat bus begalinė, dėl to kaitinant kūnai turėtų susispausti, o ne plėstis! Tačiau gamta, kaip matote, nepasiekia absurdo!

Kaip apeiti šį sunkumą? Tai nereikšminga – reikia rasti maksimalią medžiagos temperatūrą gamtoje. Klausimas: kaip jį rasti?

Temperatūra yra ribota

Manau, kad daugybė laboratorinių gravitacinės konstantos matavimų buvo ir yra atliekami kambario temperatūroje, lygioje: Θ = 293 K(20 0 C) arba artima šiai temperatūrai, nes pats instrumentas, Cavendish torsioninis balansas, reikalauja labai atsargaus tvarkymo (2 pav.). Atliekant matavimus, reikia atmesti bet kokius trukdžius, ypač vibraciją ir temperatūros pokyčius. Matavimai turi būti atliekami vakuume su dideliu tikslumu, to reikalauja labai mažas išmatuoto kiekio dydis.

Kad „Visuotinės gravitacijos dėsnis“ būtų universalus ir pasaulinis, būtina jį susieti su termodinamine temperatūros skale. Žemiau pateikti skaičiavimai ir grafikai padės mums tai padaryti.

Paimkime Dekarto koordinačių sistemą OX – OU. Šiose koordinatėse sudarome pradinę funkciją G=ƒ( Θ ).

Ant abscisių ašies brėžiame temperatūrą, pradedant nuo nulio Kelvino laipsnių. Nubraižykime koeficiento G reikšmes ant ordinačių ašies, atsižvelgdami į tai, kad jo reikšmės turi būti diapazone nuo nulio iki vieneto.

Pažymėkime pirmąjį atskaitos tašką (A), šį tašką koordinatėmis: x=293,15 K (20⁰С); y = 6,67408 · 10 -11 Nm 2 /kg 2 (G). Sujungkime šį tašką su koordinačių pradžia ir gaukime priklausomybės G=ƒ( Θ ), (3 pav.)

Ryžiai. 3

Ekstrapoliuojame šį grafiką ir pratęsiame tiesę, kol ji susikerta su ordinačių reikšme, lygia vienetui, y=1. Kuriant grafiką iškilo techninių sunkumų. Norint nubraižyti pradinę grafiko dalį, reikėjo gerokai padidinti skalę, nes parametras G turi labai mažą vertę. Grafikas turi nedidelį aukščio kampą, todėl norėdami jį pritaikyti viename lape, naudosime logaritminę x ašies skalę (4 pav).

Ryžiai. 4

Dabar atkreipkite dėmesį!

Grafo funkcijos sankirta su ordinate G=1, suteikia antrą atskaitos tašką (B). Iš šio taško nuleidžiame statmeną abscisių ašiai, kurioje gauname koordinačių reikšmę x = 4,39 10 12 K.

Kas yra ši vertė ir ką ji reiškia? Pagal konstrukcijos būklę tai yra temperatūra. Taško (B) projekcija į „x“ ašį atspindi maksimali galima medžiagos temperatūra gamtoje!

Kad būtų lengviau suvokti, pateiksime tą patį grafiką dvigubomis logaritminėmis koordinatėmis ( 5 pav).

Koeficientas G pagal apibrėžimą negali būti didesnės už vieną reikšmę. Šis taškas uždarė absoliučią termodinaminę temperatūros skalę, kurią lordas Kelvinas pradėjo 1848 m.

Grafikas rodo, kad G koeficientas yra proporcingas kūno temperatūrai. Todėl gravitacinė konstanta yra kintamas dydis, o universaliosios gravitacijos dėsnyje (1) ji turėtų būti nustatoma pagal ryšį:

G E – universalus koeficientas (UC), kad nebūtų painiojamas su G, rašome jį su indeksu E(Eergy – energija). Jei sąveikaujančių kūnų temperatūros skiriasi, tada imama jų vidutinė vertė.

Θ 1– pirmojo kūno temperatūra

Θ 2– antrojo kūno temperatūra.

Θ maks– maksimali galima medžiagos temperatūra gamtoje.

Šiame rašte koeficientas G E neturi dimensijos, o tai patvirtina kaip proporcingumo ir universalumo koeficientą.

Pakeiskime G E į išraišką (1) ir parašykime visuotinės gravitacijos dėsnį bendra forma:

Tik masėse esančios energijos dėka atsiranda jų tarpusavio trauka. Energija yra materialaus pasaulio savybė dirbti.

Tik dėl energijos praradimo dėl traukos atsiranda sąveika tarp kosminių kūnų. Energijos nuostolius galima atpažinti su vėsinimu.

Bet koks kūnas (medžiaga), atvėsęs, netenka energijos ir dėl to, kaip bebūtų keista, traukiasi prie kitų kūnų. Fizinė kūnų gravitacijos prigimtis yra stabiliausios būsenos su mažiausiai vidinės energijos troškimas – tai natūrali gamtos būsena.

Niutono formulė (4) įgavo sisteminę formą. Tai labai svarbu apskaičiuojant dirbtinių palydovų ir tarpplanetinių stočių kosminius skrydžius, taip pat leis tiksliau apskaičiuoti, visų pirma, Saulės masę. Darbas Gįjungta Mžinomas dėl tų planetų, aplink kurias buvo labai tiksliai matuojamas palydovų judėjimas. Iš pačių planetų judėjimo aplink Saulę galime apskaičiuoti G ir Saulės masė. Žemės ir Saulės masių paklaidas lemia paklaida G.

Naujasis koeficientas pagaliau leis suprasti ir paaiškinti, kodėl pirmųjų palydovų (pionierių) orbitos trajektorijos iki šiol neatitiko apskaičiuotųjų. Paleidžiant palydovus nebuvo atsižvelgta į išeinančių dujų temperatūrą. Skaičiavimai parodė mažesnę raketos trauką, o palydovai pakilo į aukštesnę orbitą, pavyzdžiui, „Explorer-1“ orbita buvo 360 km aukštesnė už apskaičiuotą. Von Braunas mirė nesupratęs šio reiškinio.

Iki šiol gravitacinė konstanta neturėjo jokios fizinės reikšmės, tai buvo tik pagalbinis visuotinės gravitacijos dėsnio koeficientas, skirtas sujungti matmenis. Esama šios konstantos skaitinė reikšmė pavertė dėsnį ne universaliu, o konkrečiu, vienai temperatūros vertei!

Gravitacijos konstanta yra kintamas dydis. Pasakysiu daugiau, gravitacinė konstanta net ir gravitacijos ribose nėra pastovi reikšmė, nes Gravitacinėje traukoje dalyvauja ne kūnų masės, o išmatuotuose kūnuose esančios energijos. Tai yra priežastis, kodėl neįmanoma pasiekti didelio tikslumo matuojant gravitacinę konstantą.

Gravitacijos dėsnis

Niutono visuotinės gravitacijos dėsnis ir universalus koeficientas (G E =UC).

Kadangi šis koeficientas yra bematis, universaliosios gravitacijos formulė gavo matmenis dim kg 2 / m 2 - tai papildomas sistemos vienetas, atsiradęs dėl kūno masės naudojimo. Su matmenimis priėjome prie pradinės formulės formos, kurią nustatė Niutonas.

Kadangi (4) formulė identifikuoja traukos jėgą, kuri SI sistemoje matuojama niutonais, galime naudoti matmenų koeficientą (K), kaip ir Kulono įstatyme.

Kur K yra koeficientas, lygus 1. Norėdami konvertuoti matmenį į SI, galite naudoti tą patį matmenį kaip G, t.y. K= m 3 kg -1 s -2.

Eksperimentai liudija: gravitaciją generuoja ne masė (medžiaga), gravitacija vykdoma šiose masėse esančių energijų pagalba! Kūnų pagreitis gravitaciniame lauke nepriklauso nuo jų masės, todėl visi kūnai ant žemės krenta vienodu pagreičiu. Viena vertus, kūnų pagreitis yra proporcingas juos veikiančiai jėgai, taigi, proporcingas jų gravitacinei masei. Tada, remiantis samprotavimo logika, visuotinės gravitacijos dėsnio formulė turėtų atrodyti taip:

Kur E 1 Ir E 2– energija, esanti sąveikaujančių kūnų masėse.

Kadangi skaičiavimais labai sunku nustatyti kūnų energiją, mases paliekame Niutono formulėje (4), pakeičiant konstantą G pagal energijos koeficientą G E.

Maksimalią temperatūrą galima tiksliau apskaičiuoti matematiškai pagal ryšį:

Parašykime šį santykį skaitine forma, atsižvelgdami į tai (G max =1):

Iš čia: Θ maks=4,392365689353438 10 12 K (8)

Θ maks– tai maksimali galima medžiagos temperatūra gamtoje, kurią viršijus jokia vertė neįmanoma!

Iš karto norėčiau pastebėti, kad tai toli gražu nėra abstrakti figūra, tai rodo, kad fizinėje prigimtyje viskas yra baigtinė! Fizika pasaulį apibūdina remdamasi pagrindinėmis baigtinio dalijimosi, baigtinio šviesos greičio sąvokomis ir atitinkamai, temperatūra turi būti baigtinė!

Θ maks. 4,4 trilijono laipsnių (4,4 teraKelvino). Pagal mūsų žemiškus standartus (sensacijas) sunku įsivaizduoti tokią aukštą temperatūrą, tačiau jos baigtinė vertė uždraudžia spėlioti su jos begalybe. Šis teiginys leidžia daryti išvadą, kad gravitacija taip pat negali būti begalinė, santykis G E =Θ/Θ max viską sustato į savo vietas.

Kitas dalykas, jei skaitiklis (3) yra lygus termodinaminės temperatūros skalės nuliui (absoliučiam nuliui), tada jėga F formulėje (5) bus lygus nuliui. Potraukis tarp kūnų turi nutrūkti, kūnai ir objektai pradės byrėti į juos sudarančias daleles, molekules ir atomus.

Tęsinys kitame straipsnyje...

(Gravitacinė konstanta – dydis ne konstanta)

1 dalis

1 pav

Fizikoje yra tik viena su gravitacija susijusi konstanta – gravitacinė konstanta (G). Ši konstanta buvo gauta eksperimentiniu būdu ir neturi ryšio su kitomis konstantomis. Fizikoje tai laikoma pagrindine.

Šiai konstantai bus skirti keli straipsniai, kuriuose pabandysiu parodyti jos pastovumo nenuoseklumą ir pagrindo po ja nebuvimą. Tiksliau, po juo yra pagrindas, bet jis kiek kitoks.

Ką reiškia nuolatinė gravitacija ir kodėl ji taip kruopščiai matuojama? Norint suprasti, būtina vėl grįžti prie visuotinės gravitacijos dėsnio. Kodėl fizikai priėmė šį dėsnį, be to, jie pradėjo jį vadinti „didžiausiu žmogaus proto pasiektu apibendrinimu“. Jo formuluotė paprasta: du kūnai veikia vienas kitą jėga, kuri yra atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui ir tiesiogiai proporcinga jų masių sandaugai.

G– gravitacinė konstanta

Iš šios paprastos formulės išplaukia daug labai nereikšmingų išvadų, tačiau nėra atsakymo į esminius klausimus: kaip ir dėl ko veikia gravitacijos jėga?

Šis dėsnis nieko nepasako apie traukos jėgos atsiradimo mechanizmą, tačiau jis vis dar naudojamas šiandien ir, žinoma, bus naudojamas dar šimtmečius.

Vieni mokslininkai iš jo tyčiojasi, kiti jį dievina. Abu be jo neapsieina, nes... Nieko geresnio nebuvo išrasta ar atrasta. Kosmoso tyrinėjimų praktikai, žinodami šio dėsnio netobulumą, naudoja taisymo lenteles, kurios po kiekvieno erdvėlaivio paleidimo atnaujinamos naujais duomenimis.

Teoretikai bando ištaisyti šį dėsnį įvesdami pataisymus, papildomus koeficientus, ieško įrodymų, kad gravitacinės konstantos G matmenyje yra paklaida, tačiau niekas neįsišaknija, o Niutono formulė išlieka pradine forma.

Atsižvelgiant į daugybę neaiškumų ir netikslumų atliekant skaičiavimus naudojant šią formulę, ją dar reikia ištaisyti.

Niutono posakis yra plačiai žinomas: „Gravitacija yra universali“, ty gravitacija yra universali. Šis dėsnis apibūdina gravitacinę dviejų kūnų sąveiką, nesvarbu, kurioje Visatoje jie būtų; Tai laikoma jo universalizmo esme. Gravitacinė konstanta G, įtraukta į lygtį, laikoma universalia gamtos konstanta.

Konstanta G leidžia atlikti patenkinamus skaičiavimus antžeminėmis sąlygomis, logiškai ji turėtų būti atsakinga už energijos sąveiką, bet ką galime paimti iš konstantos?

Įdomi mokslininko (Kostyushko V.E.), atlikusio tikrus eksperimentus, siekdama suprasti ir atskleisti gamtos dėsnius, nuomonė yra tokia: „Gamta neturi nei fizinių dėsnių, nei fizinių konstantų, kurių matmenys būtų žmogaus sugalvoti“. „Kalbant apie gravitacinę konstantą, mokslas nustatė nuomonę, kad šis dydis buvo rastas ir skaičiais įvertintas. Tačiau jo konkreti fizinė prasmė dar nenustatyta, ir taip yra visų pirma todėl, kad iš tikrųjų dėl neteisingų veiksmų, o tiksliau – grubių klaidų, buvo gautas beprasmis ir visiškai beprasmis absurdo dimensijos dydis.

Nenorėčiau atsidurti tokioje kategoriškumo pozicijoje, bet reikia pagaliau suprasti šios konstantos prasmę.

Šiuo metu gravitacinės konstantos reikšmė yra patvirtinta Pagrindinių fizinių konstantų komiteto: G=6,67408·10 -11 m³/(kg·s²) [CODATA 2014]. Nepaisant to, kad ši konstanta yra kruopščiai matuojama, ji neatitinka mokslo reikalavimų. Reikalas tas, kad nėra tikslaus rezultatų atitikimo tarp panašių matavimų, atliktų skirtingose pasaulio laboratorijose.

Kaip pažymi Melnikovas ir Proninas: „Istoriškai gravitacija tapo pirmuoju mokslinių tyrimų objektu. Nors praėjo daugiau nei 300 metų nuo gravitacijos dėsnio, kurį esame skolingi Niutonui, atsiradimo, gravitacinės sąveikos konstanta išlieka mažiausiai tiksliai išmatuota, palyginti su kitomis.

Be to, pagrindinis klausimas apie pačią gravitacijos prigimtį ir jos esmę lieka atviras. Kaip žinoma, pats Niutono visuotinės gravitacijos dėsnis buvo išbandytas daug tiksliau nei konstantos G tikslumas. Pagrindinis apribojimas tiksliai nustatyti gravitacijos jėgas yra gravitacijos konstanta, todėl jai skiriamas toks didelis dėmesys.

Viena yra atkreipti dėmesį, o visai kas kita – rezultatų tikslumas matuojant G. Atliekant du tiksliausius matavimus paklaida gali siekti apie 1/10000. Bet kai matavimai buvo atlikti skirtinguose planetos taškuose, vertės gali viršyti eksperimentinę paklaidą dydžiu ar daugiau!

Kokia čia konstanta, kai ją matuojant yra tokia didžiulė rodmenų sklaida? O gal tai visai ne konstanta, o kažkokių abstrakčių parametrų matavimas. Arba tyrėjams nežinomi matavimai, paveikti trukdžių? Čia atsiranda naujas pagrindas įvairioms hipotezėms. Kai kurie mokslininkai nurodo Žemės magnetinį lauką: „Žemės gravitacinio ir magnetinio lauko abipusė įtaka lemia tai, kad Žemės gravitacija bus stipresnė tose vietose, kur stipresnis magnetinis laukas“. Dirako pasekėjai teigia, kad gravitacinė konstanta kinta laikui bėgant ir kt.

Kai kurie klausimai pašalinami dėl įrodymų trūkumo, o kiti atsiranda ir tai yra natūralus procesas. Tačiau tokia gėda negali tęstis be galo, tikiuosi, kad mano tyrimas padės nustatyti tiesos kryptį.

Pirmasis nuolatinės gravitacijos matavimo eksperimento pradininkas buvo anglų chemikas Henry Cavendish, kuris 1798 m. ėmėsi nustatyti Žemės tankį. Tokiam subtiliam eksperimentui jis panaudojo J. Michell išrastus torsioninius svarstykles (dabar eksponatas Didžiosios Britanijos nacionaliniame muziejuje). Cavendish palygino bandomojo kūno švytuoklės svyravimus, veikiant žinomos masės rutuliukų gravitacijai Žemės gravitaciniame lauke.

Eksperimentiniai duomenys, kaip vėliau paaiškėjo, buvo naudingi nustatant G. Cavendish gautas rezultatas buvo fenomenalus, nuo šiandien priimto skyrėsi tik 1%. Reikia pažymėti, koks didelis pasiekimas tai buvo jo eroje. Daugiau nei du šimtmečius eksperimentų mokslas pažengė tik 1%? Tai neįtikėtina, bet tiesa. Be to, jei atsižvelgsime į svyravimus ir nesugebėjimą jų įveikti, G reikšmė priskiriama dirbtinai, paaiškėja, kad nuo Cavendish laikų matavimų tikslumu nė kiek nepažengėme į priekį!

Taip! Mes niekur nepasistūmėjome į priekį, mokslas slegia – nesupranta gravitacijos!

Kodėl per daugiau nei tris šimtmečius mokslas praktiškai nepadarė jokios pažangos matuodamas šią konstantą? Galbūt viskas dėl Cavendish naudojamo įrankio. Torsioniniai svarstyklės, XVI amžiaus išradimas, mokslininkų naudojami iki šiol. Žinoma, tai nebėra tos pačios torsioninės svarstyklės, pažiūrėkite į nuotrauką, pav. 1. Nepaisant šiuolaikinės mechanikos ir elektronikos varpelių ir švilpukų bei vakuumo ir temperatūros stabilizavimo, rezultatas beveik nepasikeitė. Akivaizdu, kad čia kažkas ne taip.

Mūsų protėviai ir amžininkai įvairiai bandė išmatuoti G įvairiose geografinėse platumose ir neįtikėtiniausiose vietose: giliose kasyklose, ledo urvuose, šuliniuose ir televizijos bokštuose. Torsioninių svarstyklių konstrukcijos buvo patobulintos. Nauji matavimai, siekiant išsiaiškinti gravitacinę konstantą, buvo pakartoti ir patikrinti. Pagrindinį eksperimentą 1982 m. Los Alamose atliko G. Lutheris ir W. Towleris. Jų sąranka priminė Cavendish sukimo balansą su volframo rutuliais. Šių matavimų rezultatas 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (t. y. 6,6726±0,0005) buvo pagrindas, kurį rekomendavo Mokslo ir technologijų duomenų komiteto (CODATA) 1986 m. .

Viskas buvo ramu iki 1995 m., kai Vokietijos PTB laboratorijoje Braunšveige fizikų grupė, naudodama modifikuotą instaliaciją (svarstyklės, plaukiojančios gyvsidabrio paviršiuje, su didelės masės kamuoliukais), gavo (0,6 ± 0,008)% G reikšmę. daugiau nei visuotinai priimtas. Dėl to 1998 m. paklaida matuojant G padidėjo beveik eilės tvarka.

Šiuo metu aktyviai aptariami eksperimentai, skirti išbandyti visuotinės gravitacijos dėsnį, pagrįstą atomine interferometrija, matuoti mikroskopines bandomąsias mases ir toliau tirti Niutono gravitacijos dėsnį mikrokosme.

Buvo bandomi kiti G matavimo metodai, tačiau koreliacija tarp matavimų beveik nepasikeitė. Šis reiškinys šiandien vadinamas atvirkštinio kvadrato dėsnio arba „penktosios jėgos“ pažeidimu. Penktoji jėga dabar apima ir tam tikras Higso daleles (laukus) – Dievo daleles.

Panašu, kad dieviškoji dalelė buvo užfiksuota, o tiksliau – apskaičiuota, taip sensacingai naujieną Pasauliui pristatė eksperimente prie Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) dalyvavę fizikai.

Pasikliaukite Higso bozonu, bet patys nedarykite klaidos!

Taigi, kas yra ši paslaptinga konstanta, kuri vaikšto pati, o be jos niekur negali išeiti?

Skaitykite straipsnio tęsinį