Univerzalna gravitacijska konstanta. Gravitacijska konstanta je spremenljiva količina

(Gravitacijska konstanta – velikost ni konstanta)

1. del

Slika 1

V fiziki obstaja samo ena konstanta, povezana z gravitacijo - gravitacijska konstanta (G). Ta konstanta je bila pridobljena eksperimentalno in ni povezana z drugimi konstantami. V fiziki velja za temeljno.

Tej konstanti bo posvečenih več člankov, kjer bom skušal prikazati nedoslednost njene konstantnosti in pomanjkanje temelja pod njo. Natančneje, pod njim je temelj, vendar je nekoliko drugačen.

Kaj pomeni stalna gravitacija in zakaj se meri tako natančno? Za razumevanje se je treba znova vrniti k zakonu univerzalne gravitacije. Zakaj so fiziki ta zakon sprejeli, še več, začeli so ga imenovati »največja posplošitev, ki jo je dosegel človeški um«. Njegova formulacija je preprosta: dve telesi delujeta drugo na drugo s silo, ki je obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima in premo sorazmerna z zmnožkom njunih mas.

G– gravitacijska konstanta

Iz te preproste formule izhaja veliko zelo netrivialnih zaključkov, ni pa odgovora na temeljna vprašanja: kako in zaradi česa deluje gravitacijska sila?

Ta zakon ne pove ničesar o mehanizmu, s katerim nastane sila privlačnosti; vendar se uporablja še danes in se bo očitno uporabljal še stoletja.

Nekateri znanstveniki ga zasmehujejo, drugi ga obožujejo. Oba brez tega ne moreta, saj... Nič boljšega ni bilo izumljeno ali odkrito. Praktiki pri raziskovanju vesolja, vedoč za nepopolnost tega zakona, uporabljajo korekcijske tabele, ki se po vsakem izstrelitvi vesoljskega plovila posodabljajo z novimi podatki.

Teoretiki poskušajo popraviti ta zakon z uvajanjem popravkov, dodatnih koeficientov, iščejo dokaze o obstoju napake v dimenziji gravitacijske konstante G, vendar se nič ne uveljavi in Newtonova formula ostaja v izvirni obliki.

Glede na vrsto dvoumnosti in netočnosti v izračunih s to formulo jo je treba še popraviti.

Splošno znan je Newtonov izraz: "Gravitacija je univerzalna", to pomeni, da je gravitacija univerzalna. Ta zakon opisuje gravitacijsko interakcijo med dvema telesoma, ne glede na to, kje v vesolju sta; To velja za bistvo njegovega univerzalizma. Gravitacijska konstanta G, vključena v enačbo, velja za univerzalno konstanto narave.

Konstanta G omogoča zadovoljive izračune pod zemeljskimi pogoji; logično bi morala biti odgovorna za energijsko interakcijo, toda kaj lahko vzamemo iz konstante?

Zanimivo je mnenje znanstvenika (Kostyushko V.E.), ki je izvajal resnične poskuse za razumevanje in razkrivanje naravnih zakonov, stavek: "Narava nima niti fizičnih zakonov niti fizičnih konstant z dimenzijami, ki jih je izumil človek." »Pri gravitacijski konstanti je znanost uveljavila mnenje, da je ta količina ugotovljena in numerično ocenjena. Njegov konkretni fizikalni pomen pa še ni ugotovljen, in to predvsem zato, ker je dejansko kot posledica nepravilnih dejanj oziroma hudih napak nastala nesmiselna in popolnoma nesmiselna količina absurdne razsežnosti.«

Ne bi se rad postavljal v položaj takšne kategoričnosti, vendar moramo končno razumeti pomen te konstante.

Trenutno je vrednost gravitacijske konstante odobrena s strani Odbora za temeljne fizikalne konstante: G=6,67408·10 -11 m³/(kg·s²) [CODATA 2014] . Kljub temu, da je ta konstanta natančno izmerjena, ne zadovoljuje zahtev znanosti. Gre za to, da ni natančnega ujemanja rezultatov med podobnimi meritvami, izvedenimi v različnih laboratorijih po svetu.

Kot ugotavljata Melnikov in Pronin: »Zgodovinsko gledano je gravitacija postala prvi predmet znanstvenih raziskav. Čeprav je minilo več kot 300 let od pojava gravitacijskega zakona, ki ga dolgujemo Newtonu, ostaja konstanta gravitacijske interakcije najmanj natančno izmerjena v primerjavi z drugimi."

Poleg tega ostaja odprto glavno vprašanje o sami naravi gravitacije in njenem bistvu. Kot je znano, je bil sam Newtonov zakon univerzalne gravitacije preizkušen z veliko večjo natančnostjo kot natančnost konstante G. Glavna omejitev natančnega določanja gravitacijskih sil je gravitacijska konstanta, zato ji je tako velika pozornost.

Eno je biti pozoren, nekaj povsem drugega pa je točnost rezultatov pri merjenju G. Pri dveh najbolj natančnih meritvah lahko napaka doseže približno 1/10000. Ko pa so bile meritve izvedene na različnih točkah planeta, bi lahko vrednosti presegle eksperimentalno napako za red velikosti ali več!

Kakšna konstanta je to, ko je pri merjenju tako velika razpršenost odčitkov? Ali pa morda sploh ni konstanta, ampak meritev nekaterih abstraktnih parametrov. Ali pa so meritve, na katere vplivajo motnje, raziskovalcem neznane? Tu se pojavi nova podlaga za različne hipoteze. Nekateri znanstveniki govorijo o zemeljskem magnetnem polju: "Medsebojni vpliv zemeljskega gravitacijskega in magnetnega polja vodi do dejstva, da bo zemeljska gravitacija močnejša na tistih mestih, kjer je magnetno polje močnejše." Diracovi privrženci trdijo, da se gravitacijska konstanta s časom spreminja itd.

Nekatera vprašanja so odstranjena zaradi pomanjkanja dokazov, druga pa se pojavijo in to je naraven proces. Toda taka sramota se ne more nadaljevati v nedogled; upam, da bo moja raziskava pomagala vzpostaviti smer proti resnici.

Prvi, ki je bil zaslužen za pionirja eksperimenta z merjenjem stalne gravitacije, je bil angleški kemik Henry Cavendish, ki se je leta 1798 odločil določiti gostoto Zemlje. Za tako občutljiv eksperiment je uporabil torzijske tehtnice, ki jih je izumil J. Michell (zdaj eksponat v Narodnem muzeju Velike Britanije). Cavendish je primerjal nihanje testnega telesa pod vplivom gravitacije kroglic znane mase v gravitacijskem polju Zemlje.

Eksperimentalni podatki, kot se je kasneje izkazalo, so bili uporabni za določanje G. Rezultat, ki ga je dosegel Cavendish, je bil fenomenalen in se je le za 1% razlikoval od danes sprejetega. Treba je opozoriti, kako velik dosežek je bil to v njegovem obdobju. V več kot dveh stoletjih je eksperimentalna znanost napredovala le za 1 %? Neverjetno, a resnično. Še več, če upoštevamo nihanja in nezmožnost njihovega premagovanja, se vrednost G dodeli umetno, se izkaže, da v točnosti meritev nismo prav nič napredovali od Cavendishevih časov!

ja! Nikamor nismo napredovali, znanost je v prostatu - nerazumevanje gravitacije!

Zakaj znanost v več kot treh stoletjih praktično ni napredovala pri merjenju te konstante? Morda je vse odvisno od orodja, ki ga je Cavendish uporabil. Torzijske tehtnice, izum iz 16. stoletja, so še danes v uporabi pri znanstvenikih. Seveda to niso več iste torzijske luske, poglejte fotografijo, sl. 1. Kljub vsem prednostim sodobne mehanike in elektronike ter stabilizaciji vakuuma in temperature se rezultat skorajda ni premaknil. Očitno je tukaj nekaj narobe.

Naši predniki in sodobniki so na različne načine poskušali izmeriti G na različnih geografskih širinah in na najbolj neverjetnih krajih: globokih rudnikih, ledenih jamah, vodnjakih in na televizijskih stolpih. Zasnove torzijskih tehtnic so bile izboljšane. Nove meritve, da bi razjasnili gravitacijsko konstanto, smo ponovili in preverili. Ključni eksperiment sta leta 1982 v Los Alamosu izvedla G. Luther in W. Towler. Njihova postavitev je bila podobna Cavendishevi torzijski tehtnici z volframovimi kroglicami. Rezultat teh meritev, 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (tj. 6,6726±0,0005), je bila osnova, ki jo je leta 1986 priporočil Odbor za podatke za znanost in tehnologijo (CODATA). .

Vse je bilo mirno do leta 1995, ko je skupina fizikov v nemškem laboratoriju PTB v Braunschweigu s pomočjo spremenjene naprave (luske, ki plavajo na površini živega srebra, s kroglami velike mase) dobila vrednost G (0,6 ± 0,008) %. več kot je splošno sprejeto. Zaradi tega se je leta 1998 napaka pri merjenju G povečala skoraj za red velikosti.

Trenutno se aktivno razpravlja o poskusih za preizkušanje zakona univerzalne gravitacije, ki temelji na atomski interferometriji, za merjenje mikroskopskih testnih mas in nadaljnje preizkušanje Newtonovega zakona gravitacije v mikrokozmosu.

Poskusili so tudi druge metode merjenja G, vendar korelacija med meritvami ostaja skoraj nespremenjena. Ta pojav se danes imenuje kršitev zakona inverznega kvadrata ali "peta sila". Peta sila sedaj vključuje določene Higgsove delce (polja) – božje delce.

Zdi se, da so božanski delec posneli, bolje rečeno, izračunali, tako so novico svetu senzacionalno predstavili fiziki, ki so sodelovali pri eksperimentu na velikem hadronskem trkalniku (LHC).

Zanesite se na Higgsov bozon, vendar ne naredite napake sami!

Kaj je torej ta skrivnostna stalnica, ki hodi sama od sebe in brez nje ne gre nikamor?

Preberite nadaljevanje članka

Poskusi za merjenje gravitacijske konstante G, ki jih je v zadnjih letih izvedlo več skupin, kažejo presenetljiva medsebojna odstopanja. Nova meritev, ki jo je pred kratkim objavil Mednarodni urad za uteži in mere, je drugačna od vseh in le še poslabša težavo. Gravitacijska konstanta ostaja neobičajno težko obvladljiva količina za natančno merjenje.

Meritve gravitacijske konstante

Gravitacijska konstanta G, znana tudi kot Newtonova konstanta, je ena najpomembnejših temeljnih konstant narave. To je konstanta, ki je vključena v Newtonov zakon univerzalne gravitacije; ni odvisna niti od lastnosti privlačnih teles niti od okoliških razmer, temveč označuje intenzivnost same gravitacijske sile. Seveda je tako temeljna značilnost našega sveta pomembna za fiziko in jo je treba natančno izmeriti.

Situacija z meritvijo G pa je še vedno zelo nenavadna. Za razliko od mnogih drugih temeljnih konstant je gravitacijsko konstanto zelo težko izmeriti. Dejstvo je, da je natančen rezultat mogoče dobiti le v laboratorijskih poskusih, z merjenjem sile privlačnosti dveh teles znane mase. Na primer, v klasičnem eksperimentu Henryja Cavendisha (slika 2) je ročica, sestavljena iz dveh težkih žog, obešena na tanko nit, in ko drugo masivno telo potisnemo proti tema kroglama s strani, se gravitacijska sila vrti. to bučico pod določenim kotom, dokler rotacijski moment sil ni rahlo zasukan, niti ne bodo kompenzirale gravitacije. Z merjenjem kota vrtenja ročice in poznavanjem elastičnih lastnosti niti lahko izračunate silo gravitacije in s tem gravitacijsko konstanto.

Ta naprava (imenuje se "torzijska tehtnica") se v sodobnih poskusih uporablja v različnih modifikacijah. Takšna meritev je v bistvu zelo enostavna, a težko izvedljiva, saj zahteva natančno poznavanje ne le vseh mas in vseh razdalj, temveč tudi elastičnih lastnosti niti ter zahteva minimiziranje vseh stranskih učinkov, tako mehanskih kot temperaturnih. Pred kratkim pa so se pojavile prve meritve gravitacijske konstante z uporabo drugih, atomskih interferometričnih metod, ki uporabljajo kvantno naravo materije. Vendar pa je natančnost teh meritev še vedno precej slabša od mehanskih inštalacij, čeprav so morda prihodnost (glej podrobnosti v novici Gravitacijska konstanta se meri z novimi metodami, “Elementi”, 22.1.2007).

Tako ali drugače ostaja natančnost meritev kljub več kot dvestoletni zgodovini zelo skromna. Trenutna "uradna" vrednost, ki jo priporoča Ameriški nacionalni inštitut za standarde (NIST), je (6,67384 ± 0,00080) 10 –11 m 3 kg –1 s –2. Relativna napaka je tukaj 0,012 % ali 1,2·10 –4 ali, v še bolj znanem zapisu za fizike, 120 ppm (delcev na milijon), kar je za več velikosti slabše od natančnosti merjenja drugih enako pomembnih količine. Poleg tega merjenje gravitacijske konstante že nekaj desetletij ne preneha biti vir preglavic za eksperimentalne fizike. Kljub desetinam izvedenih poskusov in izboljšavam same merilne opreme je natančnost meritev ostala nizka. Relativna napaka 10 –4 je bila dosežena pred 30 leti in od takrat ni bilo nobenega izboljšanja.

Stanje od leta 2010

V zadnjih letih je situacija postala še bolj dramatična. V letih 2008–2010 so tri skupine objavile nove rezultate za merjenje G. Skupina eksperimentatorjev je leta delala na vsakem od njih, pri čemer niso le neposredno merili vrednosti G, ampak tudi skrbno iskali in dvakrat preverjali vse vrste virov napak. . Vsaka od teh treh meritev je bila zelo natančna: napake so bile 20–30 ppm. V teoriji naj bi te tri meritve bistveno izboljšale naše poznavanje številčne vrednosti G. Težava je le v tem, da so se vse med seboj razlikovale kar za 200–400 ppm, torej za cel ducat navedenih napak! To stanje od leta 2010 je prikazano na sl. 3 in je na kratko opisano v opombi Nerodna situacija z gravitacijsko konstanto.

Popolnoma jasno je, da sama gravitacijska konstanta ni kriva; res mora biti vedno in povsod enako. Na primer, obstajajo satelitski podatki, ki sicer ne omogočajo natančnega merjenja numerične vrednosti konstante G, vendar omogočajo preverjanje njene invariantnosti – če se je G čez leto spremenila celo za bilijontino (to je za 10–12), bi bilo to že opazno. Zato je edini zaključek, ki sledi iz tega, ta: v enem (ali nekaterih) od teh treh poskusov obstajajo neupoštevani viri napak. Toda katerega?

Edini način, da poskusite ugotoviti, je, da ponovite meritve na drugih napravah in po možnosti z uporabo drugih metod. Na žalost tu še ni bilo mogoče doseči posebne raznolikosti tehnik, saj vsi poskusi uporabljajo eno ali drugo mehansko napravo. Kljub temu imajo lahko različne izvedbe različne instrumentalne napake in primerjava njihovih rezultatov nam bo omogočila razumevanje situacije.

Nova dimenzija

Drugi dan v reviji Physical Review Letters ena taka meritev je bila objavljena. Majhna skupina raziskovalcev, ki je delala na Mednarodnem uradu za uteži in mere v Parizu, je iz nič zgradila aparat, ki je omogočil merjenje gravitacijske konstante na dva različna načina. Gre za isto torzijsko lestvico, le da ne z dvema, ampak s štirimi enakimi valji, nameščenimi na disku, obešenem na kovinski niti (notranji del napeljave na sliki 1). Te štiri uteži gravitacijsko delujejo s štirimi drugimi, večjimi valji, nameščenimi na vrtiljaku, ki ga je mogoče zavrteti pod katerimkoli kotom. Shema s štirimi telesi namesto dveh nam omogoča, da zmanjšamo gravitacijsko interakcijo z asimetrično lociranimi predmeti (na primer stene laboratorijske sobe) in se osredotočimo posebej na gravitacijske sile znotraj instalacije. Sam navoj ima pravokoten in ne okrogel prerez; Nasprotno, to ni nit, temveč tanek in ozek kovinski trak. Ta izbira omogoča bolj gladek prenos obremenitve vzdolž nje in zmanjša odvisnost od elastičnih lastnosti snovi. Celoten aparat je v vakuumu in na določeni temperaturi, ki se vzdržuje s točnostjo stotinke stopinje.

Ta naprava vam omogoča izvajanje treh vrst meritev gravitacijske konstante (glejte podrobnosti v samem članku in na strani raziskovalne skupine). Prvič, to je dobesedna reprodukcija Cavendishevega eksperimenta: vnesli smo breme, tehtnico smo obrnili pod določenim kotom in ta kot je izmeril optični sistem. Drugič, zažene se lahko v načinu torzijskega nihala, ko se notranja instalacija občasno vrti naprej in nazaj, prisotnost dodatnih masivnih teles pa spremeni obdobje nihanja (vendar te metode raziskovalci niso uporabili). Končno njihova namestitev omogoča merjenje gravitacijske sile brez obračanja uteži. To dosežemo z elektrostatičnim servo krmiljenjem: električni naboji se dovajajo medsebojno delujočim telesom, tako da elektrostatični odboj popolnoma kompenzira gravitacijsko privlačnost. Ta pristop vam omogoča, da se znebite instrumentalnih napak, povezanih posebej z mehaniko vrtenja. Meritve so pokazale, da obe metodi, klasična in elektrostatična, dajeta konsistentne rezultate.

Rezultat nove meritve je prikazan z rdečo piko na sl. 4. Jasno je, da ta meritev ne samo da ni rešila perečega vprašanja, ampak je problem še dodatno zaostrila: zelo se razlikuje od vseh zadnjih meritev. Tako imamo do zdaj že štiri (oz. pet, če štejemo še neobjavljene podatke kalifornijske skupine) različne in precej natančne meritve ter Vsi so radikalno sprti med seboj! Razlika med dvema skrajnima (in kronološko najnovejšima) vrednostma že presega 20(!) navedenih napak.

Kar se tiče novega poskusa, je treba dodati nekaj. Ta skupina raziskovalcev je podoben poskus izvedla že leta 2001. In potem so dobili tudi vrednost, ki je blizu trenutni, a le nekoliko manj natančna (glej sliko 4). Lahko bi jih sumili, da preprosto ponavljajo meritve na isti strojni opremi, če ne za en "ampak" - potem je bilo drugo namestitev. Iz te stare instalacije so zdaj vzeli samo 11 kg zunanje jeklenke, vendar je celoten centralni aparat zdaj zgrajen na novo. Če so res imeli nek neupoštevan učinek, povezan posebej z materiali ali izdelavo aparata, potem bi se to lahko spremenilo in "povleklo s seboj" nov rezultat. Toda rezultat je ostal približno enak kot leta 2001. Avtorji dela to vidijo kot dodaten dokaz čistosti in zanesljivosti svojih meritev.

Situacija, ko štiri ali pet rezultatov, pridobljenih s strani različnih skupin hkrati Vse razlikujejo z ducatom ali dvema navedenima napakama, kar je za fiziko očitno brez primere. Ne glede na to, kako visoka je natančnost vsake meritve in ne glede na to, kako ponosni so avtorji nanjo, zdaj nima nobenega pomena za ugotavljanje resnice. In zaenkrat obstaja le en način, da na njihovi podlagi poskušamo ugotoviti pravo vrednost gravitacijske konstante: vrednost postavimo nekje na sredino in pripišemo napako, ki bo zajela ves ta interval (to je ena in pol do dvakrat poslabšati trenutna priporočena negotovost). Lahko le upamo, da bodo nadaljnje meritve padle v ta interval in postopoma dajale prednost eni vrednosti.

Tako ali drugače gravitacijska konstanta še naprej ostaja uganka v merilni fiziki. Koliko let (ali desetletij) bo trajalo, da se bo stanje dejansko začelo izboljševati, je zdaj težko napovedati.

m 1 in m 2, ki se nahaja na daljavo r, je enako: 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 ali N m² kg −2.

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 posledične nizke natančnosti meritev gravitacijske konstante razmerja mas vesoljskih teles navadno znana veliko natančneje kot posamezne mase v kilogramih.

Gravitacijska konstanta je ena od osnovnih merskih enot v Planckovem sistemu enot.

Zgodovina meritev

G= 6,67554(16) × 10 −11 m 3 s −2 kg −1 (standardna relativna napaka 25 ppm (ali 0,0025 %), prvotno objavljena vrednost se je nekoliko razlikovala od končne vrednosti zaradi računske napake in jo je kasneje popravil avtorji).

Poglej tudi

Opombe

V splošni teoriji relativnosti zapisi s črko G, se redko uporabljajo, saj se tam ta črka običajno uporablja za označevanje Einsteinovega tenzorja.
Po definiciji so mase, vključene v to enačbo, gravitacijske mase, vendar odstopanja med velikostjo gravitacijske in vztrajnostne mase katerega koli telesa še niso bila eksperimentalno odkrita. Teoretično se v okviru sodobnih idej verjetno ne razlikujejo. To je na splošno standardna domneva že od Newtonovih časov.
Nove meritve gravitacijske konstante še bolj zmedejo situacijo // Elements.ru, 13.09.2013
CODATA Mednarodno priporočene vrednosti temeljnih fizikalnih konstant(Angleščina) . Pridobljeno 30. junija 2015.
Različni avtorji navajajo različne rezultate, od 6,754⋅10−11 m²/kg² do (6,60 ± 0,04)⋅10−11 m³/(kg s³) - glej Cavendishev poskus#Izračunana vrednost.
Igor Ivanov. Nove meritve gravitacijske konstante dodatno zmedejo situacijo (nedoločeno) (13. september 2013). Pridobljeno 14. septembra 2013.
Ali je gravitacijska konstanta res konstantna? Arhivirana kopija z dne 14. julija 2014 o novicah Wayback Machine Science na portalu cnews.ru // objava z dne 26. septembra 2002
Brooks, Michael Ali lahko zemeljsko magnetno polje vpliva na gravitacijo? (nedoločeno) . NewScientist (21. september 2002). [Arhivirana kopija na Wayback Machine Archived] 8. februar 2011.
Eroshenko N. Novice o fiziki na internetu (na podlagi elektronskih prednatisov), 2000, v. 170, str. 680
Phys. Rev. Lett. 105 110801 (2010) na ArXiv.org
Fizikalne novice za oktober 2010
Quinn Terry, Parks Harold, Speake Clive, Davis Richard. Izboljšano določanje G Uporaba dveh metod (angleščina) // Physical Review Letters. - 2013. - 5. september (let. 111, št. 10). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.111.101102.
Quinn Terry, Speake Clive, Parks Harold, Davis Richard. Napaka: izboljšano določanje G Uporaba dveh metod (angleščina) // Physical Review Letters. - 2014. - 15. julij (let. 113, št. 3). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.113.039901.

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

Da bi razložili opazovani razvoj vesolja v okviru obstoječih teorij, moramo domnevati, da so nekatere temeljne konstante bolj konstantne od drugih

Med temeljnimi fizikalnimi konstantami - svetlobno hitrostjo, Planckovo konstanto, nabojem in maso elektrona - gravitacijska konstanta stoji nekako ločeno. Tudi zgodovina njegovega merjenja je z napakami predstavljena v znanih enciklopedijah Britannica in Larousse, da ne omenjamo "Physical Encyclopedia". Iz ustreznih člankov v njih bralec izve, da je njegovo številčno vrednost v natančnih poskusih v letih 1797–1798 prvi določil slavni angleški fizik in kemik Henry Cavendish (1731–1810), vojvoda Devonshirski. Pravzaprav je Cavendish izmeril povprečno gostoto Zemlje (mimogrede, njegovi podatki se le za pol odstotka razlikujejo od rezultatov sodobnih raziskav). Če imamo podatke o gostoti Zemlje, lahko enostavno izračunamo njeno maso in ob poznavanju mase določimo gravitacijsko konstanto.

Intriga je v tem, da v času Cavendisha koncept gravitacijske konstante še ni obstajal in zakona univerzalne gravitacije ni bilo običajno zapisati v obliki, ki nam je znana. Naj spomnimo, da je gravitacijska sila sorazmerna zmnožku mas gravitacijskih teles in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med temi telesi, medtem ko je sorazmernostni koeficient ravno gravitacijska konstanta. Ta oblika zapisa Newtonovega zakona se pojavi šele v 19. stoletju. In prvi poskusi, v katerih je bila izmerjena gravitacijska konstanta, so bili izvedeni že ob koncu stoletja - leta 1884.

Kot ugotavlja ruski znanstveni zgodovinar Konstantin Tomilin, se gravitacijska konstanta razlikuje od drugih temeljnih konstant tudi po tem, da z njo ni povezana naravna lestvica katere koli fizikalne količine. Hkrati svetlobna hitrost določa največjo vrednost hitrosti, Planckova konstanta pa minimalno spremembo delovanja.

In le v zvezi z gravitacijsko konstanto je bila postavljena hipoteza, da se lahko njena numerična vrednost s časom spreminja. To idejo je leta 1933 prvi oblikoval angleški astrofizik Edward Milne (Edward Arthur Milne, 1896–1950), leta 1937 pa slavni angleški teoretični fizik Paul Dirac (1902–1984) v okviru tako imenovane »velike številčna hipoteza«, je predlagal, da se gravitacijska konstanta zmanjšuje s tekom kozmološkega časa. Diracova hipoteza zavzema pomembno mesto v zgodovini teoretične fizike dvajsetega stoletja, vendar zanjo ni znana nobena bolj ali manj zanesljiva eksperimentalna potrditev.

Z gravitacijsko konstanto je neposredno povezana tako imenovana "kozmološka konstanta", ki se je prvič pojavila v enačbah splošne teorije relativnosti Alberta Einsteina. Ko je odkril, da te enačbe opisujejo bodisi širitev ali krčenje vesolja, je Einstein enačbam umetno dodal "kozmološki člen", ki je zagotovil obstoj stacionarnih rešitev. Njen fizični pomen se je zvedel do obstoja sile, ki kompenzira sile univerzalne gravitacije in se manifestira le v zelo velikih merilih. Nekonsistentnost modela stacionarnega vesolja je Einsteinu postala očitna po objavi del ameriškega astronoma Edwina Hubbla (Edwin Powell Hubble, 1889–1953) in sovjetskega matematika Aleksandra Friedmana, ki sta dokazala veljavnost drugačnega modela, po katerem se vesolje širi v času. Leta 1931 je Einstein kozmološko konstanto opustil in jo v zasebnem pogovoru označil za »največjo napako v svojem življenju«.

Zgodba pa se s tem ni končala. Potem ko je bilo ugotovljeno, da se širitev vesolja zadnjih pet milijard let pospešuje, je ponovno postalo aktualno vprašanje obstoja antigravitacije; z njim se je v kozmologijo vrnila tudi kozmološka konstanta. Hkrati sodobni kozmologi antigravitacijo povezujejo s prisotnostjo tako imenovane "temne energije" v vesolju.

Gravitacijska konstanta, kozmološka konstanta in "temna energija" sta bili predmet intenzivne razprave na nedavni konferenci na London Imperial College o nerešenih problemih v standardnem modelu kozmologije. Eno najbolj radikalnih hipotez je v poročilu oblikoval Philip Mannheim, fizik delcev na univerzi Connecticut v Storrsu. Pravzaprav je Mannheim predlagal, da se gravitacijski konstanti odvzame njen status univerzalne konstante. Po njegovi hipotezi je bila "tabelna vrednost" gravitacijske konstante določena v laboratoriju na Zemlji in se lahko uporablja samo v Osončju. V kozmološkem merilu ima gravitacijska konstanta drugačno, bistveno manjšo numerično vrednost, ki jo lahko izračunamo z metodami fizike osnovnih delcev.

Ko je Mannheim svojim kolegom predstavil svojo hipotezo, je najprej želel približati rešitev »problema kozmološke konstante«, ki je bil za kozmologijo zelo pomemben. Bistvo tega problema je naslednje. Po sodobnih konceptih kozmološka konstanta označuje hitrost širjenja vesolja. Njegova numerična vrednost, ugotovljena teoretično z metodami kvantne teorije polja, je 10.120-krat višja od tiste, pridobljene z opazovanji. Teoretična vrednost kozmološke konstante je tako velika, da z ustrezno hitrostjo širjenja vesolja zvezde in galaksije preprosto ne bi imele časa za nastanek.

Mannheim svojo hipotezo o obstoju dveh različnih gravitacijskih konstant - za sončni sistem in za medgalaktične lestvice - utemeljuje takole. Po njegovem mnenju pri opazovanjih dejansko ni določena kozmološka konstanta sama, temveč določena količina, ki je sorazmerna zmnožku kozmološke konstante in gravitacijske konstante. Predpostavimo, da je v medgalaktičnem merilu gravitacijska konstanta zelo majhna, vrednost kozmološke konstante pa ustreza izračunani vrednosti in je zelo velika. V tem primeru je produkt dveh konstant lahko majhen, kar ni v nasprotju z opazovanji. "Morda je čas, da prenehamo razmišljati o kozmološki konstanti kot o majhni," pravi Mannheim, "in preprosto sprejmemo, da je velika, in nadaljujemo s tem." V tem primeru je "problem kozmološke konstante" rešen.

Rešitev, ki jo predlaga Mannheim, je videti preprosta, vendar je cena zanjo zelo visoka. Kot ugotavlja Zeeya Merali v članku "Dve konstanti sta boljši od ene", ki ga je objavil New scientist 28. aprila 2007, mora Mannheim z uvedbo dveh različnih numeričnih vrednosti za gravitacijsko konstanto neizogibno opustiti enačbe Einsteinove splošne teorije o relativnost. Poleg tega hipoteza iz Mannheima naredi idejo o "temni energiji", ki jo sprejema večina kozmologov, odvečno, saj je majhna vrednost gravitacijske konstante na kozmoloških lestvicah sama po sebi enakovredna predpostavki o obstoju antigravitacije.

Keith Horne z britanske univerze St. Andrew (Univerza St Andrew) pozdravlja Mannheimovo hipotezo, ker uporablja temeljna načela fizike delcev: "Je zelo elegantna in bilo bi čudovito, če bi bila pravilna." Po Hornu bi lahko v tem primeru združili fiziko delcev in gravitacijo v eno zelo privlačno teorijo.

A z njo se ne strinjajo vsi. New Scientist navaja tudi mnenje kozmologa Toma Shanksa, da nekateri pojavi, ki se zelo dobro ujemajo s standardnim modelom - na primer nedavne meritve sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja in gibanja dvojnih pulsarjev - verjetno ne bodo tako enostavno razloženi v Mannheimovi teoriji .

Mannheim sam ne zanika težav, s katerimi se sooča njegova hipoteza, in ugotavlja, da jih ima za veliko manj pomembne v primerjavi s težavami standardnega kozmološkega modela: »Razvija ga na stotine kozmologov, vendar je nezadovoljiv za 120 vrst velikost.”

Treba je opozoriti, da je Mannheim našel številne pristaše, ki so ga podpirali, da bi izključili najhujše. Najslabšemu so pripisali hipotezo, ki sta jo leta 2006 postavila Paul Steinhardt z Univerze Princeton in Neil Turok z Univerze Cambridge, po kateri se vesolje periodično rojeva in izginja, v vsakem od ciklov (v trajanju bilijon let) pa je velikega poka in v vsakem ciklu se izkaže, da je numerična vrednost kozmološke konstante manjša kot v prejšnjem. Izredno nepomembna vrednost kozmološke konstante, zabeležena v opazovanjih, torej pomeni, da je naše vesolje zelo oddaljen člen v zelo dolgi verigi nastajajočih in izginjajočih svetov...

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.

Poglej tudi

Opombe

Povezave

Gravitacijska konstanta- članek iz Velike sovjetske enciklopedije

Fundacija Wikimedia. 2010.

Oglejte si, kaj je "gravitacijska konstanta" v drugih slovarjih:

GRAVITACIJSKA KONSTANTA- (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...