Newtonovo gravitacijsko konstanto smo izmerili z metodami atomske interferometrije. Nova tehnika je brez pomanjkljivosti povsem mehanskih poskusov in bo morda kmalu omogočila preučevanje učinkov splošne teorije relativnosti v laboratoriju.
Osnovne fizikalne konstante, kot je svetlobna hitrost c, gravitacijska konstanta G, konstanta fine strukture α, masa elektrona in drugi, igrajo izjemno pomembno vlogo v sodobni fiziki. Precejšen del eksperimentalne fizike je namenjen čim natančnejšemu merjenju njihovih vrednosti in preverjanju, ali se spreminjajo v času in prostoru. Že najmanjši sum o nestabilnosti teh konstant lahko povzroči cel tok novih teoretičnih študij in revizijo splošno sprejetih načel teoretične fizike. (Glej priljubljeni članek J. Barrowa in J. Weba, Variable Constants // In the World of Science, september 2005, kot tudi izbor znanstvenih člankov, posvečenih možni variabilnosti interakcijskih konstant.)
Večina temeljnih konstant je danes znanih z izjemno visoko natančnostjo. Tako se masa elektrona meri z natančnostjo 10 -7 (to je stotisočinka odstotka), konstanta fine strukture α, ki označuje moč elektromagnetne interakcije, pa se meri z natančnostjo 7 × 10 -10 (glej opombo Konstanta fine strukture je bila izboljšana). Glede na to se morda zdi presenetljivo, da je vrednost gravitacijske konstante, ki je vključena v zakon univerzalne gravitacije, znana z natančnostjo, ki je slabša od 10 -4, torej stotinke odstotka.
To stanje odraža objektivne težave gravitacijskih poskusov. Če poskušate ugotoviti G iz gibanja planetov in satelitov je treba z visoko natančnostjo poznati mase planetov, vendar so slabo znane. Če v laboratoriju izvedete mehanski poskus, na primer izmerite silo privlačnosti dveh teles z natančno znano maso, bo imela taka meritev velike napake zaradi izjemne šibkosti gravitacijske interakcije.
Gravitacijska konstanta, Newtonova konstanta, je temeljna fizikalna konstanta, konstanta gravitacijske interakcije.
Gravitacijska konstanta se pojavlja v sodobnem zapisu zakona univerzalne gravitacije, vendar je pri Newtonu in v delih drugih znanstvenikov do začetka 19. stoletja izrecno ni bilo.
Gravitacijska konstanta v sedanji obliki je bila prvič uvedena v zakon univerzalne gravitacije, očitno šele po prehodu na enoten metrični sistem ukrepov. To je morda prvi naredil francoski fizik Poisson v svoji Razpravi o mehaniki (1809). Vsaj zgodovinarji niso identificirali nobenih prejšnjih del, v katerih bi se pojavila gravitacijska konstanta.
Leta 1798 je Henry Cavendish izvedel eksperiment za določitev povprečne gostote Zemlje z uporabo torzijske tehtnice, ki jo je izumil John Mitchell (Philosophical Transactions 1798). Cavendish je primerjal nihanje nihala testnega telesa pod vplivom gravitacije kroglic z znano maso in pod vplivom zemeljske gravitacije. Številčno vrednost gravitacijske konstante so izračunali kasneje na podlagi povprečne gostote Zemlje. Točnost izmerjene vrednosti G od časa Cavendisha se je povečal, vendar je bil njegov rezultat že precej blizu sodobnemu.
Leta 2000 je bila pridobljena vrednost gravitacijske konstante
cm 3 g -1 s -2 , z napako 0,0014 %.
Zadnjo vrednost gravitacijske konstante je leta 2013 pridobila skupina znanstvenikov, ki deluje pod okriljem Mednarodnega urada za uteži in mere, in je
cm 3 g -1 s -2 .
V prihodnosti, če bo eksperimentalno ugotovljena natančnejša vrednost gravitacijske konstante, bo morda revidirana.
Vrednost te konstante je znana veliko manj natančno kot vrednost vseh drugih temeljnih fizikalnih konstant, rezultati poskusov za njeno izboljšanje pa se še naprej spreminjajo. Hkrati je znano, da težave niso povezane s spremembami same konstante od kraja do kraja in skozi čas, ampak jih povzročajo eksperimentalne težave pri merjenju majhnih sil ob upoštevanju velikega števila zunanjih dejavnikov.
Po astronomskih podatkih je konstanta G v zadnjih stotih milijonih let ostala skoraj nespremenjena, njena relativna sprememba ne presega 10?11 - 10?12 na leto.
Po Newtonovem zakonu univerzalne gravitacije sila gravitacijske privlačnosti F med dvema materialnima točkama z masami m 1 in m 2, ki se nahaja na daljavo r, je enako:
Faktor sorazmernosti G v tej enačbi se imenuje gravitacijska konstanta. Številčno je enak modulu gravitacijske sile, ki deluje na točkovno telo enotske mase od drugega podobnega telesa, ki se nahaja na enotni razdalji od njega.
V enotah mednarodnega sistema enot (SI) je bila priporočena vrednost Odbora za podatke za znanost in tehnologijo (CODATA) za leto 2008
G= 6,67428 (67) 11 m 3 s?
v letu 2010 je bila vrednost popravljena na:
G= 6,67384 (80) 10 ?11 m 3 s?2 kg?1 ali N mI kg?2.
Oktobra 2010 se je v reviji Physical Review Letters pojavil članek, ki je predlagal revidirano vrednost 6,67234 (14), kar je tri standardne deviacije manj kot G, ki ga je leta 2008 priporočil Odbor za podatke za znanost in tehnologijo (CODATA), vendar je skladen s prejšnjo vrednostjo CODATA, uvedeno leta 1986.
Revizija vrednosti G, ki se je zgodil med letoma 1986 in 2008, so povzročile študije neelastičnosti obešalnih niti v torzijskih tehtnicah.
Gravitacijska konstanta je osnova za pretvorbo drugih fizikalnih in astronomskih veličin, kot so mase planetov v vesolju, vključno z Zemljo, pa tudi drugih vesoljskih teles, v tradicionalne merske enote, kot so kilogrami. Poleg tega so zaradi šibkosti gravitacijskega medsebojnega delovanja in posledično nizke natančnosti meritev gravitacijske konstante razmerja mas vesoljskih teles običajno znana veliko natančneje kot posamezne mase v kilogramih.
Qing Li et al. /Narava
Fiziki iz Kitajske in Rusije so zmanjšali napako v gravitacijski konstanti za štirikrat - na 11,6 delcev na milijon, tako da so izvedli dve seriji bistveno različnih eksperimentov in zmanjšali sistematične napake, ki izkrivljajo rezultate. Članek objavljen v Narava.
Prvič gravitacijska konstanta G, del Newtonovega zakona univerzalne gravitacije, je leta 1798 izmeril britanski eksperimentalni fizik Henry Cavendish. Za to je znanstvenik uporabil torzijsko tehtnico, ki jo je zgradil duhovnik John Michell. Najenostavnejša torzijska tehtnica, katere zasnovo je leta 1777 izumil Charles Coulomb, je sestavljena iz navpične niti, na kateri je obešen svetlobni žarek z dvema utežmama na koncih. Če na obremenitve prinesete dve masivni telesi, se bo pod vplivom gravitacije rocker začel vrteti; Z merjenjem kota vrtenja in povezavo z maso teles, elastičnimi lastnostmi niti in dimenzijami napeljave je mogoče izračunati vrednost gravitacijske konstante. Mehaniko torzijskih tehtnic lahko podrobneje razumete, če rešite ustrezen problem.
Vrednost, ki jo je za konstanto dobil Cavendish, je bila G= 6,754×10 −11 newtonov na kvadratni meter na kilogram, relativna napaka poskusa pa ni presegla enega odstotka.
Model torzijske tehtnice, s katerim je Henry Cavendish prvi izmeril gravitacijsko privlačnost med laboratorijskimi telesi
Znanstveni muzej/Knjižnica slik znanosti in družbe
Od takrat so znanstveniki izvedli več kot dvesto poskusov za merjenje gravitacijske konstante, vendar jim ni uspelo bistveno izboljšati njihove natančnosti. Trenutno je vrednost konstante, ki jo je sprejel Odbor za podatke za znanost in tehnologijo (CODATA) in izračunana iz rezultatov 14 najbolj natančnih eksperimentov v zadnjih 40 letih, G= 6,67408(31)×10 −11 newtonov na kvadratni meter na kilogram (napaka zadnjih števk mantise je navedena v oklepaju). Z drugimi besedami, njegova relativna napaka je približno 47 delcev na milijon, kar je le stokrat manj od napake Cavendishevega eksperimenta in za veliko redov velikosti večja od napake drugih temeljnih konstant. Na primer, napaka pri merjenju Planckove konstante ne presega 13 delov na milijardo, Boltzmannova konstanta in osnovni naboj - 6 delov na milijardo, hitrost svetlobe pa 4 dele na milijardo. Hkrati pa je za fizike zelo pomembno, da poznajo natančno vrednost konstante G, saj ima ključno vlogo v kozmologiji, astrofiziki, geofiziki in celo fiziki delcev. Poleg tega visoka napaka konstante otežuje ponovno določitev vrednosti drugih fizikalnih količin.
Najverjetneje nizka natančnost konstante G je povezana s šibkostjo gravitacijskih privlačnih sil, ki nastanejo pri zemeljskih poskusih - to otežuje natančno merjenje sil in vodi do velikih sistematičnih napak zaradi zasnove naprav. Zlasti nekateri poskusi, uporabljeni za izračun vrednosti CODATA, so poročali o napaki manj kot 14 ppm, vendar so se njihovi rezultati razlikovali za do 550 ppm. Trenutno ni teorije, ki bi lahko pojasnila tako širok razpon rezultatov. Najverjetneje je dejstvo, da so znanstveniki v nekaterih poskusih spregledali nekatere dejavnike, ki so izkrivljali vrednosti konstante. Zato eksperimentalnim fizikom preostane le še zmanjšanje sistematičnih napak, minimiziranje zunanjih vplivov in ponavljanje meritev na napravah z bistveno drugačnimi zasnovami.
Točno takšno delo je opravila skupina znanstvenikov pod vodstvom Jun Lua z Univerze za znanost in tehnologijo Srednje Kitajske ob sodelovanju Vadima Miljukova iz SAI MSU.
Da bi zmanjšali napako, so raziskovalci ponovili poskuse na več napravah z bistveno drugačnimi zasnovami in različnimi vrednostmi parametrov. V napravah prvega tipa je bila konstanta izmerjena z metodo TOS (time-of-swing), pri kateri je vrednost G določena s frekvenco nihanja torzijske tehtnice. Za izboljšanje natančnosti se frekvenca meri za dve različni konfiguraciji: v konfiguraciji "blizu" so zunanje mase nameščene blizu ravnotežnega položaja tehtnice (ta konfiguracija je prikazana na sliki), v konfiguraciji "daleč" pa , so pravokotne na ravnotežni položaj. Posledično se frekvenca nihanja v konfiguraciji "daleč" izkaže za nekoliko nižjo kot v konfiguraciji "blizu", kar omogoča razjasnitev vrednosti G.
Po drugi strani pa je druga vrsta namestitve temeljila na metodi AAF (angular-acceleration-feedback) - pri tej metodi se torzijski nosilec in zunanje mase vrtijo neodvisno, njihov kotni pospešek pa se meri s povratnim krmilnim sistemom, ki ohranja nit nezapletena. To vam omogoča, da se znebite sistematičnih napak, povezanih s heterogenostjo niti in negotovostjo njenih elastičnih lastnosti.
Shema eksperimentalnih postavitev za merjenje gravitacijske konstante: metoda TOS (a) in AAF (b)
Qing Li et al. /Narava
Fotografije eksperimentalnih naprav za merjenje gravitacijske konstante: metoda TOS (a–c) in AAF (d–f)
Qing Li et al. /Narava
Poleg tega so fiziki poskušali zmanjšati možne sistematske napake na minimum. Najprej so preverili, ali so gravitacijska telesa, vključena v poskuse, res homogena in blizu sferične oblike – z vrstičnim elektronskim mikroskopom so zgradili prostorsko porazdelitev gostote teles, izmerili pa so tudi razdaljo med geometrijskim središčem in telesom. središče mase z dvema neodvisnima metodama. Posledično so bili znanstveniki prepričani, da nihanja gostote ne presegajo 0,5 delcev na milijon, ekscentričnost pa ne presega enega dela na milijon. Poleg tega so raziskovalci pred vsakim poskusom zavrteli krogle pod naključnim kotom, da bi nadomestili njihove nepopolnosti.
Drugič, fiziki so upoštevali, da lahko magnetni dušilec, ki se uporablja za zatiranje ničelnih načinov nihanja žarilne nitke, prispeva k merjenju konstante G, nato pa ga je preoblikoval tako, da ta prispevek ni presegel nekaj delcev na milijon.
Tretjič, znanstveniki so površino mas prekrili s tanko plastjo zlate folije, da bi se znebili elektrostatičnih učinkov, in ob upoštevanju folije preračunali vztrajnostni moment torzijske tehtnice. S spremljanjem elektrostatičnih potencialov delov instalacije med poskusom so fiziki potrdili, da električni naboji ne vplivajo na rezultate meritev.
Četrtič, raziskovalci so upoštevali, da pri metodi AAF pride do torzije v zraku, in prilagodili gibanje gugalnice, da upošteva zračni upor. Pri metodi TOS so bili vsi deli instalacije v vakuumski komori, zato takšnih učinkov ni bilo mogoče upoštevati.
Petič, eksperimentatorji so med poskusom vzdrževali konstantno temperaturo namestitve (nihanja niso presegla 0,1 stopinje Celzija), poleg tega pa so stalno merili temperaturo niti in prilagajali podatke ob upoštevanju subtilnih sprememb v njenih elastičnih lastnostih.
Nazadnje so znanstveniki upoštevali, da kovinska prevleka krogel omogoča interakcijo z zemeljskim magnetnim poljem, in ocenili obseg tega učinka. Med eksperimentom so znanstveniki vsako sekundo prebrali vse podatke, vključno s kotom vrtenja žarilne nitke, temperaturo, nihanjem gostote zraka in potresnimi motnjami, nato pa zgradili celotno sliko in na podlagi nje izračunali vrednost konstante. G.
Znanstveniki so večkrat ponovili vsak poskus in povprečili rezultate, nato pa spremenili parametre namestitve in cikel zagnali znova. Zlasti so raziskovalci izvedli poskuse z metodo TOS za štiri kvarčne filamente različnih premerov, v treh poskusih z vezjem AAF pa so znanstveniki spremenili frekvenco modulirajočega signala. Fiziki so potrebovali približno eno leto, da so preverili vsako od vrednosti, skupno pa je poskus trajal več kot tri leta.
(a) Časovna odvisnost nihajne dobe torzijske tehtnice pri metodi TOS; Lila točke ustrezajo konfiguraciji "blizu", modre pa konfiguraciji "daleč". (b) Povprečne vrednosti gravitacijske konstante za različne naprave TOS
Čeprav se zdi čudno, so imeli raziskovalci vedno težave z natančno določitvijo gravitacijske konstante. Avtorji članka govorijo o tristo prejšnjih poskusih tega, vendar so vsi privedli do vrednosti, ki se niso ujemale z drugimi. Tudi v zadnjih desetletjih, ko se je natančnost meritev močno povečala, je stanje ostalo enako - podatki, kot prej, niso hoteli sovpadati med seboj.
Osnovna merilna metoda G je ostala nespremenjena od leta 1798, ko se je Henry Cavendish odločil za ta namen uporabiti torzijsko (oz. torzijsko) tehtnico. Iz šolskega tečaja vemo, kakšna je bila taka namestitev. V steklenem pokrovu je na metrski niti iz posrebrenega bakra viselo leseno kolebnico iz svinčenih kroglic, vsaka težka 775 g.
Wikimedia Commons Navpični del instalacije (Kopija slike iz poročila G. Cavendisha »Poskusi za določanje gostote Zemlje«, objavljenega v Zborniku Kraljeve družbe v Londonu za leto 1798 (II. del), zvezek 88 str. 469-526)
K njim so pripeljali svinčene krogle, ki tehtajo 49,5 kg, in zaradi delovanja gravitacijskih sil se je nihajna roka zasukala pod določenim kotom, ob poznavanju katerega in ob poznavanju togosti niti je bilo mogoče izračunati vrednost gravitacijskega konstantna.
Težava je bila v tem, da je, prvič, gravitacijska privlačnost zelo majhna, poleg tega pa lahko na rezultat vplivajo druge mase, ki jih poskus ni upošteval in pred katerimi se ni bilo mogoče zaščititi.
Druga pomanjkljivost, kar je nenavadno, je bila, da so bili atomi v prenesenih masah v stalnem gibanju in z majhnim vplivom gravitacije je imel tudi ta učinek učinek.
Znanstveniki so se odločili Cavendishevi genialni, a v tem primeru nezadostni ideji dodati še svojo metodo in poleg tega uporabili še eno napravo, kvantni interferometer, v fiziki poznan kot SQUID. (iz angleškega SQUID, Superconducting Quantum Interference Device - "superprevodni kvantni interferometer"; dobesedno prevedeno iz angleškega lignja - "lignji"; ultra občutljivi magnetometri, ki se uporabljajo za merjenje zelo šibkih magnetnih polj).
Ta naprava spremlja minimalna odstopanja od magnetnega polja.
Ko so raziskovalci z laserjem zamrznili 50-kilogramsko kroglo volframa na temperature blizu absolutne ničle, sledili gibanju atomov v tej krogli s spremembami magnetnega polja in tako odpravili njihov vpliv na rezultat meritve, so dobili vrednost gravitacijskega konstanta z natančnostjo 150 delcev na milijon, potem je tu 15 tisočink odstotka. Zdaj je vrednost te konstante, pravijo znanstveniki, enaka 6,67191(99)·10−11 m3·s−2·kg−1. Prejšnja vrednost G je bila 6,67384(80)·10−11 m3·s−2·kg−1.
In to je precej čudno.
Gravitacijska konstanta je osnova za pretvorbo drugih fizikalnih in astronomskih veličin, kot so mase planetov v vesolju, vključno z Zemljo, pa tudi drugih kozmičnih teles, v tradicionalne merske enote in je doslej vedno drugačna. Leta 2010, v katerem sta ameriška znanstvenika Harold Parks in James Faller predlagala revidirano vrednost 6,67234(14)·10−11 m 3 s−2 kg−1. To vrednost so pridobili z uporabo laserskega interferometra za beleženje sprememb v razdaljah med nihali, obešenimi na vrvicah, ko so nihali glede na štiri volframove valje - vire gravitacijskega polja - z maso 120 kg vsak. Drugi krak interferometra, ki je služil kot standard razdalje, je bil pritrjen med obesnimi točkami nihal. Vrednost, ki sta jo pridobila Parks in Faller, je bila tri standardne deviacije manjša od G, priporočen leta 2008 Odbor za podatke za znanost in tehnologijo (CODATA), vendar v skladu s prejšnjo vrednostjo CODATA, uvedeno leta 1986. Potem poročali da je bila revizija vrednosti G, ki se je zgodila med letoma 1986 in 2008, posledica študij neelastičnosti obešalnih niti v torzijskih tehtnicah.
Zgodovina meritev
Gravitacijska konstanta se pojavlja v sodobnem zapisu zakona univerzalne gravitacije, vendar je do začetka 19. stoletja izrecno ni bilo pri Newtonu in delu drugih znanstvenikov. Gravitacijska konstanta v sedanji obliki je bila prvič uvedena v zakon univerzalne gravitacije, očitno šele po prehodu na enoten metrični sistem ukrepov. Morda je to prvi naredil francoski fizik Poisson v svoji »Razpravi o mehaniki« (1809), vsaj zgodovinarji niso identificirali nobenih prejšnjih del, v katerih bi se pojavila gravitacijska konstanta. Leta 1798 je Henry Cavendish izvedel poskus za določitev povprečne gostote Zemlje z uporabo torzijske tehtnice, ki jo je izumil John Michell (Philosophical Transactions 1798). Cavendish je primerjal nihanje nihala testnega telesa pod vplivom gravitacije kroglic z znano maso in pod vplivom zemeljske gravitacije. Številčno vrednost gravitacijske konstante so izračunali kasneje na podlagi povprečne gostote Zemlje. Točnost izmerjene vrednosti G od časa Cavendisha se je povečal, vendar je bil njegov rezultat že precej blizu sodobnemu.
Glej tudi
Opombe
Povezave
- Gravitacijska konstanta- članek iz Velike sovjetske enciklopedije
Fundacija Wikimedia.
2010.
Oglejte si, kaj je "gravitacijska konstanta" v drugih slovarjih:- (gravitacijska konstanta) (γ, G) univerzalna fizikalna. konstanta vključena v formulo (glej) ... Velika politehnična enciklopedija
- (označeno z G) sorazmernostni koeficient v Newtonovem gravitacijskem zakonu (glej univerzalni gravitacijski zakon), G = (6,67259.0,00085).10 11 N.m²/kg² … Veliki enciklopedični slovar
- (oznaka G), koeficient Newtonovega zakona GRAVITACIJE. Enako 6,67259,10 11 N.m2.kg 2 ... Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar
Fundamentalna fizika konstanta G, vključena v Newtonov gravitacijski zakon F=GmM/r2, kjer sta m in M masi teles, ki se privlačijo (materialnih točk), r je razdalja med njimi, F je sila privlačnosti, G= 6,6720(41) X10 11 N m2 kg 2 (od leta 1980). Najbolj natančna vrednost G. p.... ... Fizična enciklopedija
gravitacijska konstanta- - Teme naftna in plinska industrija EN gravitacijska konstanta ... Priročnik za tehnične prevajalce
gravitacijska konstanta- gravitacijos konstanta statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. gravitacijska konstanta; gravitacijska konstanta vok. Gravitacije konstante, f rus. gravitacijska konstanta, f; konstanta univerzalne gravitacije, f pranc. konstante gravitacije, f … Fizikos terminų žodynas
- (označeno z G), sorazmernostni koeficient v Newtonovem zakonu gravitacije (glej Zakon univerzalne gravitacije), G = (6,67259 + 0,00085)·10 11 N·m2/kg2. * * * GRAVITACIJSKA KONSTANTA GRAVITACIJSKA KONSTANTA (označena z G), koeficient... ... Enciklopedični slovar
Gravitacija je konstantna, univerzalna. fizično konstanta G, vključena v gripo, ki izraža Newtonov zakon gravitacije: G = (6,672 59 ± 0,000 85) * 10 11 N * m2 / kg2 ... Veliki enciklopedični politehnični slovar
Proporcionalni koeficient G v formuli, ki izraža Newtonov gravitacijski zakon F = G mM / r2, kjer je F sila privlačnosti, M in m sta masi teles, ki se privlačijo, r je razdalja med telesi. Druge oznake za G. p .: γ ali f (manj pogosto k2). Številčno... ... Velika sovjetska enciklopedija
- (označeno z G), koeficient. sorazmernost v Newtonovem gravitacijskem zakonu (glej Univerzalni gravitacijski zakon), G = (6,67259±0,00085) x 10 11 N x m2/kg2 ... Naravoslovje. Enciklopedični slovar
knjige
- Vesolje in fizika brez “temne energije” (odkritja, ideje, hipoteze). V 2 zvezkih. 1. zvezek, O. G. Smirnov. Knjige so posvečene problemom fizike in astronomije, ki so v znanosti obstajali desetine in stotine let od G. Galilea, I. Newtona, A. Einsteina do danes. Najmanjši delci snovi in planeti, zvezde in...
