Yerçekimi kuvveti neye eşittir? Yerçekimi sabiti sabit bir değer değildir

YERÇEKİMİ SABİT- orantılılık katsayısı G açıklayan formda yerçekimi kanunu.

Geometrik bir noktanın sayısal değeri ve boyutu, kütle, uzunluk ve zaman ölçüm birimleri sisteminin seçimine bağlıdır. G. s. G, boyuta sahip L 3 M -1 T -2 uzunluk nerede L, ağırlık M ve zaman T SI birimlerinde ifade edilen, Cavendish GP'yi çağırmak gelenekseldir. Bir laboratuvar deneyinde belirlenir. Tüm deneyler iki gruba ayrılabilir.

Deneylerin ilk grubunda yer çekimi kuvveti. etkileşim, yatay burulma dengelerinin ipliğinin elastik kuvveti ile karşılaştırılır. Uçlarında eşit test kütlelerinin sabitlendiği hafif bir sallayıcıdırlar. Külbütör kolu, ince elastik bir iplik üzerinde yerçekimine göre asılıdır. referans kütlelerinin alanı. Yerçekiminin büyüklüğü test ve standart kütlelerin etkileşimi (ve dolayısıyla G.p.'nin değeri), ya ipliğin bükülme açısı (statik yöntem) ya da hareket ettirirken burulma dengesinin frekansındaki değişiklik ile belirlenir. standart kütleler (dinamik yöntem). G. ilk kez 1798 yılında H. Cavendish tarafından burulma terazileri kullanılarak tanımlanmıştır.

İkinci deney grubunda yer çekimi kuvveti. kaldıraç ölçeklerinin kullanıldığı etkileşimler karşılaştırılır. G. p. ilk kez 1878'de F. Jolly tarafından bu şekilde tanımlandı.

Cavendish G. p.'nin değeri Int. astr. Aster Sistemine birleşme. kalıcı (SAP) 1976, Kırım bugüne kadar kullanılıyor, 1942'de ABD Ulusal Ölçüler ve Standartlar Bürosu'ndan P. Heyl ve P. Chrzanowski tarafından elde edildi. SSCB'de G. p ilk olarak Devlet Astronomi Müfettişliği'nde tanımlandı. Adı geçen enstitü P. K. Sternberg (SAI), Moskova Devlet Üniversitesi'nde.

Tüm modern Cavendish G. s.'yi (tablo) belirlemek için burulma dengeleri kullanıldı. Yukarıda belirtilenlere ek olarak, burulma dengelerinin diğer çalışma modları da kullanılmıştır. Referans kütleleri, terazilerin doğal salınımlarının frekansına eşit bir frekansla burulma ipliğinin ekseni etrafında dönüyorsa, burulma salınımlarının genliğindeki rezonans değişikliği ile burulma salınımının değeri değerlendirilebilir (rezonans yöntemi) ). Dinamik modifikasyonu yöntemi, platformun üzerine kurulu burulma terazileri ve referans kütleleriyle birlikte sabit bir hızda döndüğü dönme yöntemidir. Ang. hız.

Yerçekimi sabitinin değeri 10 -11 m 3 / kg * s 2'dir

Hale, Khrzhanovsky (ABD), 1942

dinamik

Rose, Parker, Beams ve diğerleri (ABD), 1969.

döner

Renner (VNR), 1970

döner

Fasi, Pontikis, Lucas (Fransa), 1972

rezonans-

6.6714b0.0006

Sagitov, Milyukov, Monakhov ve diğerleri (SSCB), 1978

dinamik

6.6745b0.0008

Luther, Towler (ABD), 1982

dinamik

6.6726b0.0005

Tabloda verilmiştir. RMS hatalar dahili olduğunu gösterir her sonucun yakınsaması. Farklı deneylerde elde edilen GP değerlerinde belirli bir tutarsızlık, GP'nin belirlenmesinin mutlak ölçümler gerektirmesi ve dolayısıyla sistematik ölçümlerin mümkün olmasından kaynaklanmaktadır. departmandaki hatalar sonuçlar. Açıkçası, G.p.'nin güvenilir bir değeri yalnızca ayrışma dikkate alınarak elde edilebilir. tanımlar.

Hem Newton'un çekim teorisinde hem de Einstein'ın genel görelilik teorisinde (GTR), yerçekimi, uzayda ve zamanda değişmeyen, fizikten bağımsız, doğanın evrensel bir sabiti olarak kabul edilir. ve kimya. çevrenin özellikleri ve yerçekimi kütleleri. Yerçekimi teorisinin, yerçekimi alanının değişkenliğini tahmin eden versiyonları vardır (örneğin, Dirac'ın teorisi, skaler-tensör yerçekimi teorileri). Bazı genişletilmiş modeller süper yerçekimi(genel göreliliğin kuantum genellemesi) aynı zamanda manyetik alanın etkileşim halindeki kütleler arasındaki mesafeye bağımlılığını da öngörür. Ancak şu anda mevcut olan gözlemsel veriler ve özel olarak tasarlanmış laboratuvar deneyleri, GP'deki değişiklikleri tespit etmeyi henüz mümkün kılmamaktadır.

Aydınlatılmış.: Sagitov M.U., Yerçekimi Sabiti ve, M., 1969; Sagitov M.U. ve diğerleri, Cavendish yerçekimi sabitinin yeni tanımı, "DAN SSSR", 1979, cilt 245, s. 567; Milyukov V.K., Değişiyor mu? yerçekimi sabiti?, "Doğa", 1986, Sayı 6, s. 96.

Qing Li ve diğerleri. /Doğa

Çin ve Rusya'dan fizikçiler, iki dizi temelde farklı deney yürüterek ve sonuçları bozan sistematik hataları en aza indirerek, yerçekimi sabitindeki hatayı dört kat azaltarak milyonda 11,6 parçaya düşürdü. Makale şu tarihte yayınlandı: Doğa.

İlk kez yer çekimi sabiti G Newton'un evrensel çekim yasasının bir parçası olan kuvvet, 1798'de İngiliz deneysel fizikçi Henry Cavendish tarafından ölçüldü. Bunu yapmak için bilim adamı, rahip John Michell tarafından oluşturulan bir burulma terazisi kullandı. Tasarımı 1777 yılında Charles Coulomb tarafından icat edilen en basit burulma terazisi, uçlarında iki ağırlık bulunan bir ışık ışınının asıldığı dikey bir iplikten oluşur. İki büyük gövdeyi yüklere getirirseniz, yerçekiminin etkisi altında külbütör dönmeye başlayacaktır; Dönme açısını ölçerek ve bunu cisimlerin kütlesiyle, ipliğin elastik özellikleriyle ve kurulumun boyutlarıyla ilişkilendirerek yerçekimi sabitinin değerini hesaplamak mümkündür. İlgili problemi çözerek burulma dengelerinin mekaniğini daha detaylı anlayabilirsiniz.

Sabit için Cavendish tarafından elde edilen değer şuydu: G= 6,754×10 −11 newton/metrekare/kilogram ve deneyin bağıl hatası yüzde biri geçmedi.

Henry Cavendish'in laboratuvar cisimleri arasındaki yerçekimsel çekimi ilk kez ölçtüğü burulma dengesi modeli

Bilim Müzesi/Bilim ve Toplum Resim Kütüphanesi

O zamandan bu yana bilim insanları yerçekimi sabitini ölçmek için iki yüzden fazla deney gerçekleştirdiler ancak bunların doğruluğunu önemli ölçüde artıramadılar. Bilim ve Teknoloji Veri Komitesi (CODATA) tarafından kabul edilen ve son 40 yılın en doğru 14 deneyinin sonuçlarından hesaplanan sabitin şu anda değeri şu şekildedir: G= 6,67408(31)×10 −11 Newton/metrekare/kilogram (mantisin son basamaklarındaki hata parantez içinde gösterilmiştir). Başka bir deyişle, göreceli hatası yaklaşık olarak milyonda 47 parçaya eşittir; bu, Cavendish deneyinin hatasından yalnızca yüz kat daha azdır ve diğer temel sabitlerin hatasından birkaç kat daha büyüktür. Örneğin, Planck sabitinin ölçülmesindeki hata milyarda 13 parçayı, Boltzmann'ın sabit ve temel yükünü - milyarda 6 parçayı ve ışık hızını - milyarda 4 parçayı geçmiyor. Aynı zamanda fizikçiler için sabitin tam değerini bilmek de çok önemlidir. G Kozmoloji, astrofizik, jeofizik ve hatta parçacık fiziğinde önemli bir rol oynadığı için. Ayrıca sabitin hatasının yüksek olması diğer fiziksel büyüklüklerin değerlerinin yeniden tanımlanmasını zorlaştırmaktadır.

Büyük olasılıkla sabitin doğruluğu düşük G Yer bazlı deneylerde ortaya çıkan yerçekimi çekim kuvvetlerinin zayıflığı ile ilişkilidir; bu, kuvvetlerin doğru bir şekilde ölçülmesini zorlaştırır ve tesislerin tasarımı nedeniyle büyük sistematik hatalara yol açar. Özellikle CODATA değerini hesaplamak için kullanılan bazı deneylerin rapor edilen hatası 14 ppm'den azdı ancak sonuçları 550 ppm'ye kadar farklılık gösteriyordu. Şu anda bu kadar geniş bir yelpazedeki sonuçları açıklayabilecek bir teori yok. Büyük olasılıkla gerçek şu ki, bazı deneylerde bilim adamları sabitin değerlerini bozan bazı faktörleri gözden kaçırmışlardır. Bu nedenle deneysel fizikçiler için geriye kalan tek şey sistematik hataları azaltmak, dış etkileri en aza indirmek ve temelde farklı tasarımlara sahip tesislerde ölçümleri tekrarlamaktır.

Bu, SAI MSU'dan Vadim Milyukov'un katılımıyla Orta Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Jun Luo liderliğindeki bir grup bilim insanı tarafından yürütülen çalışmanın tam olarak benzeridir.

Hatayı azaltmak için araştırmacılar, temelde farklı tasarımlara ve farklı parametre değerlerine sahip çeşitli kurulumlarda deneyleri tekrarladılar. Birinci tip kurulumlarda sabit, TOS (salınım süresi) yöntemi kullanılarak ölçüldü; burada değer G burulma dengesinin titreşim frekansı ile belirlenir. Doğruluğu artırmak için frekans iki farklı konfigürasyon için ölçülür: "yakın" konfigürasyonda, dış kütleler terazinin denge konumuna yakın konumlandırılır (bu konfigürasyon şekilde gösterilmiştir) ve "uzak" konfigürasyonda , denge konumuna diktirler. Sonuç olarak, "uzak" konfigürasyondaki salınım frekansı "yakın" konfigürasyona göre biraz daha düşük çıkıyor ve bu da değeri netleştirmeyi mümkün kılıyor G.

Öte yandan, ikinci tip kurulum AAF (açısal hızlanma-geribildirim) yöntemine dayanıyordu - bu yöntemde burulma kirişi ve dış kütleler bağımsız olarak dönüyor ve açısal ivmeleri, açısal ivmeyi koruyan bir geri besleme kontrol sistemi kullanılarak ölçülüyor. iplik bükülmemiş. Bu, ipliğin heterojenliği ve elastik özelliklerinin belirsizliği ile ilişkili sistematik hatalardan kurtulmanızı sağlar.

Yerçekimi sabitini ölçmek için deney düzeneklerinin şeması: TOS (a) ve AAF (b) yöntemi

Qing Li ve diğerleri. /Doğa

Yerçekimi sabitini ölçmek için deneysel kurulumların fotoğrafları: TOS yöntemi (a–c) ve AAF (d–f)

Qing Li ve diğerleri. /Doğa

Ayrıca fizikçiler olası sistematik hataları en aza indirmeye çalıştı. İlk olarak, deneylere katılan yerçekimi cisimlerinin gerçekten homojen ve küresel bir şekle yakın olup olmadığını kontrol ettiler; cisimlerin yoğunluğunun uzaysal dağılımını taramalı elektron mikroskobu kullanarak oluşturdular ve ayrıca geometrik merkez ile cisim arasındaki mesafeyi ölçtüler. kütle merkezi iki bağımsız yöntemle belirlenir. Sonuç olarak bilim adamları, yoğunluk dalgalanmalarının milyonda 0,5 parçayı aşmadığına ve eksantrikliğin milyonda bir parçayı aşmadığına ikna oldular. Ayrıca araştırmacılar, kusurlarını telafi etmek için her deneyden önce küreleri rastgele bir açıyla döndürdüler.

İkinci olarak fizikçiler, filamanın sıfır titreşim modlarını bastırmak için kullanılan manyetik bir sönümleyicinin sabitin ölçümüne katkıda bulunabileceğini dikkate aldılar. G ve daha sonra bu katkı milyonda birkaç parçayı aşmayacak şekilde yeniden tasarladı.

Üçüncü olarak bilim insanları, elektrostatik etkilerden kurtulmak için kütlelerin yüzeyini ince bir altın folyo tabakasıyla kapladılar ve folyoyu dikkate alarak burulma dengesinin atalet momentini yeniden hesapladılar. Deney sırasında tesisatın parçalarının elektrostatik potansiyellerini izleyen fizikçiler, elektrik yüklerinin ölçüm sonuçlarını etkilemediğini doğruladılar.

Dördüncüsü, araştırmacılar, AAF yönteminde havada burulma meydana geldiğini dikkate aldılar ve külbütör kolunun hareketini hava direncini hesaba katacak şekilde ayarladılar. TOS yönteminde kurulumun tüm parçaları vakum odasında olduğundan bu tür etkiler dikkate alınamadı.

Beşinci olarak, deneyciler deney boyunca tesisin sıcaklığını sabit tuttu (dalgalanmalar 0,1 santigrat dereceyi aşmadı) ve ayrıca ipliğin sıcaklığını sürekli olarak ölçtüler ve elastik özelliklerindeki hafif değişiklikleri hesaba katarak verileri ayarladılar.

Son olarak bilim insanları, kürelerin metal kaplamasının Dünya'nın manyetik alanıyla etkileşime girmelerine izin verdiğini dikkate aldı ve bu etkinin büyüklüğünü değerlendirdi. Deney sırasında bilim insanları, filamanın dönme açısı, sıcaklık, hava yoğunluğundaki dalgalanmalar ve sismik bozukluklar dahil olmak üzere tüm verileri her saniye okuduktan sonra tam bir resim oluşturdu ve buna dayanarak sabitin değerini hesapladı. G.

Bilim adamları deneylerin her birini defalarca tekrarladılar ve sonuçların ortalamasını aldılar, ardından kurulum parametrelerini değiştirerek döngüyü yeniden başlattılar. Araştırmacılar özellikle farklı çaplardaki dört kuvars filamanı için TOS yöntemini kullanarak deneyler yaptılar ve AAF devresiyle yapılan üç deneyde bilim adamları modülasyon sinyalinin frekansını değiştirdiler. Değerlerin her birini kontrol etmek fizikçilerin yaklaşık bir yılını aldı ve deney toplamda üç yıldan fazla sürdü.

(a) TOS yönteminde burulma dengesinin salınım periyodunun zamana bağlılığı; Lila noktalar “yakın” konfigürasyona, mavi noktalar ise “uzak” konfigürasyona karşılık gelir. (b) Farklı TOS kurulumları için ortalama yerçekimi sabiti değerleri

M 1 ve M 2 uzakta bulunan R, eşittir: 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 veya N m² kg −2.

Yerçekimi sabiti, Dünya da dahil olmak üzere Evrendeki gezegenlerin ve diğer kozmik cisimlerin kütleleri gibi diğer fiziksel ve astronomik büyüklükleri kilogram gibi geleneksel ölçü birimlerine dönüştürmenin temelini oluşturur. Üstelik, yerçekimsel etkileşimin zayıflığı ve bunun sonucunda ortaya çıkan yerçekimsel sabit ölçümlerinin düşük doğruluğu nedeniyle, kozmik cisimlerin kütle oranları genellikle kilogram cinsinden bireysel kütlelerden çok daha doğru bir şekilde bilinmektedir.

Yerçekimi sabiti, Planck birim sistemindeki temel ölçüm birimlerinden biridir.

Ölçüm geçmişi

Yerçekimi sabiti, evrensel çekim yasasının modern gösteriminde yer almaktadır, ancak 19. yüzyılın başına kadar Newton'da ve diğer bilim adamlarının çalışmalarında açıkça mevcut değildi. Mevcut haliyle yerçekimi sabiti, ilk olarak evrensel yerçekimi yasasına, görünüşe göre, ancak birleşik bir metrik ölçü sistemine geçişten sonra dahil edildi. Belki de bu ilk kez Fransız fizikçi Poisson tarafından "Mekanik Üzerine İnceleme" (1809) adlı eserinde yapılmıştır; en azından yerçekimi sabitinin yer aldığı daha önceki hiçbir çalışma tarihçiler tarafından tanımlanmamıştır. ] .

G= 6,67554(16) × 10 −11 m 3 s −2 kg −1 (standart bağıl hata 25 ppm (veya %0,0025), orijinal yayınlanan değer, bir hesaplama hatası nedeniyle nihai değerden biraz farklıydı ve daha sonra yazarlar).

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. Genel görelilikte harfi kullanan gösterimler G, nadiren kullanılır, çünkü orada bu harf genellikle Einstein tensörünü belirtmek için kullanılır.
  2. Tanım gereği, bu denklemin içerdiği kütleler yerçekimi kütleleridir, ancak herhangi bir cismin yerçekimi ve eylemsizlik kütlesinin büyüklüğü arasındaki tutarsızlıklar henüz deneysel olarak keşfedilmemiştir. Teorik olarak, modern fikirler çerçevesinde farklılık göstermeleri pek olası değildir. Bu genellikle Newton'un zamanından beri standart varsayım olmuştur.
  3. Yerçekimi sabitinin yeni ölçümleri durumu daha da karıştırıyor // Elements.ru, 09.13.2013
  4. CODATA Temel Fiziksel Sabitlerin uluslararası olarak önerilen değerleri(İngilizce) . Erişim tarihi: 30 Haziran 2015.
  5. Farklı yazarlar 6,754⋅10−11 m²/kg² ile (6,60 ± 0,04)⋅10−11 m³/(kg s³) arasında farklı sonuçlar belirtmektedir - bkz. Cavendish deneyi#Hesaplanan değer.
  6. Igor Ivanov. Yerçekimi sabitinin yeni ölçümleri durumu daha da karıştırıyor (Tanımsız) (13 Eylül 2013). Erişim tarihi: 14 Eylül 2013.
  7. Yerçekimi sabiti gerçekten sabit midir? Cnews.ru portalındaki Wayback Machine Science haberlerinin 14 Temmuz 2014 tarihli arşivlenmiş kopyası // 26 Eylül 2002 tarihli yayın
  8. Brooks, Michael Dünyanın manyetik alanı yer çekimini etkileyebilir mi? (Tanımsız) . NewScientist (21 Eylül 2002). [Wayback Machine'de arşivlenen kopya Arşivlendi] 8 Şubat 2011.
  9. Eroshenko Yu. N. İnternetteki fizik haberleri (elektronik ön baskılara dayalı), UFN, 2000, v. 170, no. 680
  10. Fizik. Rev. Lett. 105 110801 (2010) ArXiv.org'da
  11. Ekim 2010 için fizik haberleri
  12. Quinn Terry, Parks Harold, Speake Clive, Davis Richard. Geliştirilmiş Tayin Gİki Yöntem Kullanmak (İngilizce) // Fiziksel İnceleme Mektupları. - 2013. - 5 Eylül (cilt 111, sayı 10). -ISSN 0031-9007. -DOI:10.1103/PhysRevLett.111.101102.
  13. Quinn Terry, Speake Clive, Parks Harold, Davis Richard. Erratum: Geliştirilmiş Belirleme Gİki Yöntem Kullanmak (İngilizce) // Fiziksel İnceleme Mektupları. - 2014. - 15 Temmuz (cilt 113, sayı 3). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.113.039901.
  14. Rosi G., Sorrentino F., Cacciapuoti L., Prevedelli M., Tino G.M.

Newton'un yerçekimi teorisinde ve Einstein'ın görelilik teorisinde, yerçekimi sabiti ( G) çevrenin fiziksel ve kimyasal özelliklerinden ve yerçekimi kütlelerinden bağımsız, uzayda ve zamanda değişmeyen, doğanın evrensel bir sabitidir.

Newton formülündeki orijinal haliyle katsayı G yoktu. Kaynağın belirttiği gibi: “Yerçekimi sabiti ilk kez evrensel çekim yasasına dahil edildi, görünüşe göre ancak birleşik bir metrik ölçü sistemine geçişten sonra. Belki de bunu ilk kez Fransız fizikçi S.D. Poisson'un "Mekanik Üzerine İncelemesi" (1809) adlı eserinde, tarihçiler en azından kütleçekim sabitinin ortaya çıkacağı daha önceki herhangi bir eseri tespit edemediler.

Katsayının tanıtılması G Bunun iki nedeni vardı: Doğru boyutu belirleme ihtiyacı ve yerçekimi kuvvetlerini gerçek verilerle uzlaştırma ihtiyacı. Ancak evrensel çekim yasasında bu katsayının varlığı, Newton'un çağdaşları tarafından eleştirildiği karşılıklı çekim sürecinin fiziğine hala ışık tutmadı.

Newton ciddi bir nedenden dolayı suçlandı: Eğer cisimler birbirini çekiyorsa, o zaman buna enerji harcamaları gerekir, ancak teoride enerjinin nereden geldiği, nasıl harcandığı ve hangi kaynaklardan yenilendiği açık değildir. Bazı araştırmacıların belirttiği gibi: Bu yasanın keşfi, Descartes tarafından ortaya atılan momentumun korunumu ilkesinden sonra meydana geldi, ancak Newton'un teorisinden, çekimin, yenilenmeden enerji harcayan ve daha az olmayan etkileşimli vücut kütlelerinin doğasında var olan bir özellik olduğu ortaya çıktı! Bu bir tür tükenmez yerçekimi enerjisi kaynağıdır!

Leibniz, Newton'un yerçekimi ilkesini "maddi olmayan ve açıklanamaz bir kuvvet" olarak adlandırdı. Kusursuz bir boşlukta yerçekimi önerisi Bernoulli tarafından "çirkin" olarak tanımlandı; ve “actio in distans” (uzaktan eylem) ilkesi o zamanlar şimdi olduğundan pek rağbet görmüyordu.

Fizikçilerin Newton'un formülüne düşmanca yaklaşması muhtemelen bir anda olmadı; bu formül aslında kütleçekimsel etkileşimin enerjisini yansıtmıyor. Neden farklı gezegenlerin yerçekimi farklıdır ve G Dünyadaki ve Uzaydaki tüm cisimler için sabit mi? Belki G cisimlerin kütlesine bağlıdır, ancak saf haliyle kütlenin herhangi bir yerçekimi yoktur.

Her özel durumda cisimlerin etkileşiminin (çekiminin) farklı bir kuvvetle (çabayla) gerçekleştiği göz önüne alındığında, bu kuvvetin çekim yapan kütlelerin enerjisine bağlı olması gerekir. Yukarıdakilerle bağlantılı olarak Newton formülü, kütleleri çeken enerjiden sorumlu bir enerji katsayısı içermelidir. Cisimlerin çekimsel çekiciliği konusunda daha doğru bir ifade, kütlelerin etkileşiminden değil, bu kütlelerin içerdiği enerjilerin etkileşiminden bahsetmek olacaktır. Yani enerjinin, onsuz var olamayacağı maddi bir taşıyıcısı vardır.

Cisimlerin enerji doygunluğu onların ısısına (sıcaklığına) bağlı olduğundan, katsayı bu karşılığı yansıtmalıdır, çünkü ısı yer çekimini yaratır!

G.'nin istikrarsızlığına ilişkin bir başka argüman, bir retro fizik ders kitabından alıntı yapacağım: “Genel olarak, E = mc 2 oranı, herhangi bir cismin kütlesinin, onun toplam enerjisiyle orantılı olduğunu gösterir. Bu nedenle bir cismin enerjisindeki herhangi bir değişime aynı zamanda kütlesinde de bir değişim eşlik eder. Yani örneğin bir cisim ısınırsa kütlesi artar.”

Isıtılan iki cismin kütlesi artarsa, evrensel çekim yasasına göre karşılıklı çekim kuvvetinin de artması gerekir. Ancak burada ciddi bir sorun var. Sıcaklık sonsuza doğru arttıkça kütle çekimi yapan cisimler arasındaki kütleler ve kuvvetler de sonsuza doğru yönelecektir. Sıcaklığın sonsuz olduğunu ve bazen bu tür özgürlüklere izin verildiğini iddia edersek, o zaman iki cisim arasındaki yerçekimi de sonsuz olacaktır, sonuç olarak, ısıtıldığında cisimler genişlememeli, sıkışmalı! Ama gördüğünüz gibi doğa saçmalık noktasına ulaşmıyor!

Bu zorluğun üstesinden nasıl gelinir? Bu önemsizdir - doğadaki bir maddenin maksimum sıcaklığını bulmanız gerekir. Soru: nasıl bulunur?

Sıcaklık sonludur

Yerçekimi sabitinin çok sayıda laboratuvar ölçümünün aşağıdakilere eşit oda sıcaklığında yapıldığına ve yapıldığına inanıyorum: Θ=293 K(20 0 C) veya bu sıcaklığa yakın olduğundan Cavendish burulma terazisi olan aletin kendisi çok dikkatli bir kullanım gerektirir (Şekil 2). Ölçümler sırasında, özellikle titreşim ve sıcaklık değişiklikleri olmak üzere tüm parazitler hariç tutulmalıdır. Ölçümler vakumda yüksek doğrulukla gerçekleştirilmelidir; bu, ölçülen miktarın çok küçük olması nedeniyle gereklidir.

“Evrensel Çekim Yasasının” evrensel ve dünya çapında olabilmesi için onu termodinamik sıcaklık ölçeğine bağlamak gerekir. Aşağıda sunulan hesaplamalar ve grafikler bunu yapmamıza yardımcı olacaktır.

Kartezyen koordinat sistemini OX – OU'yu ele alalım. Bu koordinatlarda başlangıç ​​fonksiyonunu G=ƒ( oluştururuz. Θ ).

Apsis ekseninde sıfır Kelvin dereceden başlayarak sıcaklığı çiziyoruz. Değerlerinin sıfırdan bire kadar olması gerektiğini dikkate alarak G katsayısının değerlerini ordinat eksenine çizelim.

İlk referans noktasını (A) işaretleyelim, bu noktayı koordinatlarla işaretleyelim: x=293.15 K (20⁰С); y=6,67408·10-11 Nm2/kg2(G). Bu noktayı koordinatların orijinine bağlayalım ve G=ƒ( bağımlılığının grafiğini elde edelim. Θ ), (Şek. 3)

Pirinç. 3

Bu grafiği tahmin ediyoruz ve düz çizgiyi bire eşit olan ordinat değeriyle (y=1) kesişene kadar uzatıyoruz. Grafiği oluştururken teknik zorluklar yaşandı. Grafiğin ilk kısmını çizmek için ölçeğin büyük ölçüde arttırılması gerekiyordu çünkü parametre Gçok küçük bir değere sahiptir. Grafiğin yükseklik açısı küçük olduğundan onu tek bir sayfaya sığdırmak için logaritmik x ekseni ölçeğine başvuracağız. (Şekil 4).

Pirinç. 4

Şimdi dikkat edin!

Bir grafik fonksiyonunun bir koordinatla kesişimi G=1, ikinci referans noktasını (B) verir. Bu noktadan itibaren koordinat değerini elde ettiğimiz apsis eksenine dik olanı indiriyoruz. x=4,39 10 12K.

Bu değer nedir ve ne anlama gelir? İnşaat durumuna göre bu sıcaklıktır. (B) noktasının “x” eksenine izdüşümü şunu yansıtır: Doğadaki bir maddenin mümkün olan maksimum sıcaklığı!

Algılama kolaylığı için aynı grafiği çift logaritmik koordinatlarda sunalım ( Şekil 5).

Katsayı G tanımı gereği birden büyük bir değere sahip olamaz. Bu nokta, Lord Kelvin'in 1848'de başlattığı mutlak termodinamik sıcaklık ölçeğini kapattı.

Grafik, G katsayısının vücut sıcaklığıyla orantılı olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, yerçekimi sabiti değişken bir miktardır ve evrensel çekim yasasında (1) aşağıdaki ilişki ile belirlenmelidir:

G E – evrensel katsayı (UC), G ile karıştırılmaması için bir indeksle yazıyoruz e(Enerji – enerji). Etkileşen cisimlerin sıcaklıkları farklıysa ortalama değerleri alınır.

Θ 1– ilk cismin sıcaklığı

Θ 2– ikinci cismin sıcaklığı.

Θ maks– Doğadaki bir maddenin mümkün olan maksimum sıcaklığı.

Bu yazıda katsayı GE onu orantılılık ve evrensellik katsayısı olarak doğrulayan hiçbir boyutu yoktur.

İfade (1)'de G E'yi yerine koyalım ve evrensel çekim yasasını genel formda yazalım:

Ancak kütlelerin içerdiği enerji sayesinde karşılıklı çekim gerçekleşir. Enerji, maddi dünyanın iş yapabilme özelliğidir.

Ancak çekimden kaynaklanan enerji kaybı nedeniyle kozmik cisimler arasında etkileşim meydana gelir. Enerji kaybı soğutma ile tespit edilebilir.

Herhangi bir cisim (madde) soğutulduğunda enerji kaybeder ve bu nedenle garip bir şekilde diğer cisimler tarafından çekilir. Bedenlerin yerçekiminin fiziksel doğası, en az iç enerjiye sahip en kararlı durum arzusudur - bu, doğanın doğal durumudur.

Newton'un formülü (4) sistematik bir biçim aldı. Bu, yapay uyduların ve gezegenler arası istasyonların uzay uçuşlarını hesaplamak için çok önemlidir ve aynı zamanda her şeyden önce Güneş'in kütlesinin daha doğru bir şekilde hesaplanmasını mümkün kılacaktır. İş G Açık M uyduların etrafındaki hareketleri yüksek doğrulukla ölçülen gezegenler için bilinir. Gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketlerinden hesaplayabiliriz G ve Güneş'in kütlesi. Dünya ve Güneş'in kütlelerindeki hatalar hata tarafından belirlenir. G.

Yeni katsayı nihayet ilk uyduların (öncülerin) yörünge yörüngelerinin şu ana kadar hesaplananlarla neden eşleşmediğini anlamayı ve açıklamayı mümkün kılacak. Uydular fırlatılırken kaçan gazların sıcaklığı dikkate alınmadı. Hesaplamalar roket itiş gücünün daha düşük olduğunu gösterdi ve uydular daha yüksek bir yörüngeye yükseldi; örneğin Explorer-1 yörüngesinin hesaplanandan 360 km daha yüksek olduğu ortaya çıktı. Von Braun bu olguyu anlayamadan vefat etti.

Şimdiye kadar kütleçekim sabitinin fiziksel bir anlamı yoktu; bu yalnızca evrensel kütleçekim yasasında boyutları birbirine bağlamaya yarayan bir yardımcı katsayıydı. Bu sabitin mevcut sayısal değeri, yasayı evrensel değil, tek bir sıcaklık değeri için özel bir yasaya dönüştürdü!

Yerçekimi sabiti değişken bir miktardır. Daha fazlasını söyleyeceğim, yerçekimi sabiti, yerçekimi sınırları içinde bile sabit bir değer değildir çünkü Yerçekimi çekimine katılan cisimlerin kütleleri değil, ölçülen cisimlerin içerdiği enerjilerdir. Yerçekimi sabitinin ölçümünde yüksek doğruluk elde etmenin mümkün olmamasının nedeni budur.

Yerçekimi kanunu

Newton'un Evrensel Çekim Yasası ve evrensel katsayı (GE =UC).

Bu katsayı boyutsuz olduğundan, evrensel yerçekimi formülü dim kg2 / m2 boyutunu aldı - bu, vücut kütlelerinin kullanılması sonucu ortaya çıkan ekstra bir sistem birimidir. Boyutla birlikte formülün Newton tarafından belirlenen orijinal formuna geldik.

Formül (4) SI sisteminde Newton cinsinden ölçülen çekim kuvvetini tanımladığından, Coulomb yasasında olduğu gibi boyut katsayısını (K) kullanabiliriz.

Burada K, 1'e eşit bir katsayıdır. Boyutu SI'ya dönüştürmek için aynı boyutu kullanabilirsiniz. G, yani K= m 3 kg -1 s -2.

Deneyler şunu kanıtlıyor: yerçekimi kütle (madde) tarafından üretilmiyor, yerçekimi bu kütlelerin içerdiği enerjilerin yardımıyla gerçekleştiriliyor! Yerçekimi alanındaki cisimlerin ivmesi kütlelerine bağlı değildir, dolayısıyla tüm cisimler aynı ivmeyle yere düşer. Bir yandan cisimlerin ivmesi, onlara etki eden kuvvetle ve dolayısıyla yerçekimi kütleleriyle orantılıdır. O halde akıl yürütme mantığına göre evrensel çekim yasasının formülü şöyle görünmelidir:

Nerede E 1 Ve E 2– etkileşen cisimlerin kütlelerinde bulunan enerji.

Hesaplamalarda cisimlerin enerjisini belirlemek çok zor olduğundan, Newton formülünde (4) sabit yerine kütleleri bırakıyoruz. G enerji katsayısına göre GE.

Maksimum sıcaklık aşağıdaki ilişkiden matematiksel olarak daha doğru bir şekilde hesaplanabilir:

Bu oranı (Gmax =1) dikkate alarak sayısal olarak yazalım:

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

Θ maks– bu, doğadaki bir maddenin mümkün olan maksimum sıcaklığıdır ve bunun üzerinde hiçbir değer mümkün değildir!

Bunun soyut bir figür olmaktan çok uzak olduğunu hemen belirtmek isterim; bu, fiziksel doğada her şeyin sonlu olduğunu akla getirir! Fizik, dünyayı sonlu bölünebilirlik, ışığın sonlu hızı gibi temel kavramlara dayanarak tanımlar ve buna göre sıcaklığın da sonlu olması gerekir!

Θ maksimum 4,4 trilyon derece (4,4 teraKelvin). Dünya standartlarımıza (duyularımıza) göre bu kadar yüksek bir sıcaklığı hayal etmek zordur, ancak sonlu değeri, sonsuzluğuyla spekülasyona yasak koyar. Bu ifade bizi yerçekiminin de sonsuz olamayacağı, G E =Θ/Θmax oranının her şeyi yerli yerine koyduğu sonucuna götürüyor.

Başka bir şey, eğer pay (3) termodinamik sıcaklık ölçeğinin sıfırına (mutlak sıfır) eşitse, o zaman kuvvet F formül (5)'teki sıfıra eşit olacaktır. Cisimler arasındaki çekim durmalı, cisimler ve nesneler kendilerini oluşturan parçacıklara, moleküllere ve atomlara parçalanmaya başlayacak.

Devamı bir sonraki yazıda...

(Yerçekimi sabiti - boyut sabit değil)

Bölüm 1

Şekil 1

Fizikte yerçekimiyle ilgili tek bir sabit vardır; yerçekimi sabiti (G). Bu sabit deneysel olarak elde edilmiştir ve diğer sabitlerle hiçbir bağlantısı yoktur. Fizikte temel kabul edilir.

Bu sabite birkaç makale ayrılacak, burada istikrarının tutarsızlığını ve altında bir temelin olmadığını göstermeye çalışacağım. Daha doğrusu altında bir temel var ama biraz farklı.

Sabit yerçekiminin anlamı nedir ve neden bu kadar dikkatli ölçülüyor? Anlamak için tekrar evrensel çekim yasasına dönmek gerekiyor. Fizikçiler bu yasayı neden kabul ettiler, üstelik bunu "insan aklının ulaştığı en büyük genelleme" olarak adlandırmaya başladılar. Formülasyonu basittir: iki cisim birbirlerine, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı ve kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı bir kuvvetle etki eder.

G- yerçekimi sabiti

Bu basit formülden çok önemsiz olmayan pek çok sonuç çıkıyor, ancak temel soruların cevabı yok: Yer çekimi kuvveti nasıl ve neye göre hareket ediyor?

Bu yasa, çekim kuvvetinin ortaya çıktığı mekanizma hakkında hiçbir şey söylemez; ancak günümüzde hala kullanılmaktadır ve önümüzdeki yüzyıllarda da kullanılmaya devam edeceği açıktır.

Bazı bilim adamları onunla alay ediyor, bazıları ise onu putlaştırıyor. İkisi de onsuz yapamaz çünkü... Daha iyi bir şey icat edilmedi veya keşfedilmedi. Bu yasanın kusurlarını bilen uzay araştırmaları uygulayıcıları, her uzay aracı fırlatılmasından sonra yeni verilerle güncellenen düzeltme tablolarını kullanıyor.

Teorisyenler, düzeltmeler, ek katsayılar ekleyerek, yerçekimi sabiti G'nin boyutunda bir hatanın varlığına dair kanıt arayarak bu yasayı düzeltmeye çalışıyorlar, ancak hiçbir şey kök salmıyor ve Newton'un formülü orijinal biçiminde kalıyor.

Bu formül kullanılarak yapılan hesaplamalardaki belirsizliklerin ve yanlışlıkların çeşitliliği göz önüne alındığında, bunun hala düzeltilmesi gerekmektedir.

Newton'un şu sözü herkesçe bilinmektedir: "Yerçekimi Evrenseldir", yani yerçekimi evrenseldir. Bu yasa, Evrenin neresinde olursa olsun, iki cisim arasındaki çekimsel etkileşimi tanımlar; Bu onun evrenselliğinin özü olarak kabul edilir. Denklemde yer alan yerçekimi sabiti G, doğanın evrensel bir sabiti olarak kabul edilir.

G sabiti karasal koşullar altında tatmin edici hesaplamalara izin verir; mantıksal olarak enerji etkileşiminden sorumlu olmalıdır, ancak sabitten ne çıkarabiliriz?

Doğa yasalarını anlamak ve ortaya çıkarmak için gerçek deneyler yapan bir bilim adamının (Kostyushko V.E.) görüşü ilginçtir: "Doğanın ne fiziksel yasaları ne de insan tarafından icat edilen boyutlarda fiziksel sabitler vardır." “Yerçekimi sabiti söz konusu olduğunda bilim, bu miktarın bulunduğu ve sayısal olarak tahmin edildiği görüşünü ortaya koymuştur. Ancak spesifik fiziksel anlamı henüz belirlenmedi ve bu her şeyden önce, aslında yanlış eylemler veya daha doğrusu büyük hatalar sonucunda anlamsız ve tamamen anlamsız, saçma boyutu olan bir niceliğin elde edilmesidir.

Kendimi bu kadar kategorik bir duruma sokmak istemem ama sonunda bu sabitin anlamını anlamamız gerekiyor.

Şu anda yerçekimi sabitinin değeri Temel Fiziksel Sabitler Komitesi tarafından onaylanmıştır: G=6.67408·10 -11 m³/(kg·s²) [CODATA 2014] . Bu sabit her ne kadar dikkatle ölçülse de bilimin gereklerini karşılamamaktadır. Sorun şu ki, dünya çapında farklı laboratuvarlarda yapılan benzer ölçümler arasında sonuçların tam olarak eşleşmesi mümkün değil.

Melnikov ve Pronin'in belirttiği gibi: “Tarihsel olarak yerçekimi, bilimsel araştırmanın ilk konusu oldu. Newton'a borçlu olduğumuz yerçekimi yasasının ortaya çıkışından bu yana 300 yıldan fazla zaman geçmesine rağmen, yerçekimi etkileşim sabiti diğerlerine kıyasla en az doğru ölçülen sabittir."

Ayrıca yerçekiminin doğası ve özü hakkındaki ana soru açık kalıyor. Bilindiği gibi, Newton'un evrensel çekim yasası, G sabitinin doğruluğundan çok daha büyük bir doğrulukla test edilmiştir. Yerçekimi kuvvetlerinin doğru belirlenmesindeki ana sınırlama, yerçekimi sabiti tarafından empoze edilir, dolayısıyla ona bu kadar dikkat edilir.

Dikkat edilmesi gereken bir şey, G ölçülürken sonuçların doğruluğu ise bambaşka bir şeydir. En doğru iki ölçümde hata yaklaşık 1/10000'e ulaşabilir. Ancak gezegenin farklı noktalarında ölçümler yapıldığında, değerler deneysel hatayı bir kat veya daha fazla aşabilir!

Ölçerken bu kadar büyük bir okuma dağılımı varken bu nasıl bir sabittir? Veya belki de bu bir sabit değil de bazı soyut parametrelerin ölçümüdür. Yoksa ölçümler girişimden etkileniyor mu araştırmacılar tarafından bilinmiyor mu? Çeşitli hipotezler için yeni zeminin ortaya çıktığı yer burasıdır. Bazı bilim adamları Dünya'nın manyetik alanından şöyle söz ediyor: "Dünya'nın yerçekimi ve manyetik alanlarının karşılıklı etkisi, manyetik alanın daha güçlü olduğu yerlerde Dünya'nın yerçekiminin daha güçlü olmasına yol açıyor." Dirac'ın takipçileri yer çekimi sabitinin zamanla vs. değiştiğini iddia ediyor.

Bazı sorular delil yetersizliğinden dolayı kaldırılırken bazıları ortaya çıkıyor ve bu doğal bir süreç. Ancak bu rezalet sonsuza kadar devam edemez; araştırmamın gerçeğe doğru bir yön belirlemeye yardımcı olacağını umuyorum.

Sabit yerçekimini ölçme deneyine öncülük eden ilk kişi, 1798'de Dünya'nın yoğunluğunu belirlemek için yola çıkan İngiliz kimyager Henry Cavendish'ti. Böylesine hassas bir deney için, J. Michell tarafından icat edilen (şu anda Büyük Britanya Ulusal Müzesi'nde sergilenmektedir) burulma dengelerini kullandı. Cavendish, Dünya'nın yerçekimi alanında bilinen kütleye sahip topların yerçekiminin etkisi altında bir test gövdesinin sarkaç salınımlarını karşılaştırdı.

Daha sonra ortaya çıktığı üzere, deneysel veriler G'yi belirlemek için faydalıydı. Cavendish'in elde ettiği sonuç olağanüstüydü ve bugün kabul edilenden yalnızca %1 farklıydı. Bunun onun döneminde ne kadar büyük bir başarı olduğunu belirtmek gerekir. İki yüzyıldan fazla bir süredir deney bilimi yalnızca %1 mi ilerledi? İnanılmaz ama gerçek. Üstelik dalgalanmaları ve bunların üstesinden gelinemeyi hesaba katarsak, G değeri yapay olarak atanır, Cavendish zamanından bu yana ölçümlerin doğruluğu konusunda hiç ilerlemediğimiz ortaya çıkar!

Evet! Hiçbir yere ilerlemedik, bilim secdede - yerçekimini anlamıyor!

Bilim neden üç yüzyılı aşkın süredir bu sabiti ölçme konusunda neredeyse hiç ilerleme kaydedemedi? Belki de mesele Cavendish'in kullandığı araçla ilgilidir. 16. yüzyılın bir icadı olan burulma terazileri bugüne kadar bilim adamlarının hizmetinde olmaya devam ediyor. Elbette bunlar artık aynı burulma ölçekleri değil, fotoğrafa bakın, Şek. 1. Modern mekaniğin ve elektroniğin tüm özelliklerine, ayrıca vakum ve sıcaklık stabilizasyonuna rağmen sonuç neredeyse hiç değişmedi. Burada bir şeylerin yanlış olduğu açık.

Atalarımız ve çağdaşlarımız, farklı coğrafi enlemlerde ve en inanılmaz yerlerde G'yi ölçmek için çeşitli girişimlerde bulundular: derin madenler, buz mağaraları, kuyular ve televizyon kuleleri. Burulma dengelerinin tasarımları iyileştirildi. Yerçekimi sabitini açıklığa kavuşturmak için yeni ölçümler tekrarlandı ve doğrulandı. Anahtar deney 1982'de Los Alamos'ta G. Luther ve W. Towler tarafından gerçekleştirildi. Kurulumları tungsten bilyeli Cavendish burulma terazisine benziyordu. Bu ölçümlerin sonucu olan 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (yani 6,6726±0,0005), 1986 yılında Bilim ve Teknoloji Veri Komitesi (CODATA) değerleri tarafından önerilen temeldi. .

1995 yılına kadar, Braunschweig'deki Alman PTB laboratuvarındaki bir grup fizikçi, değiştirilmiş bir kurulum (büyük kütleli toplarla cıva yüzeyinde yüzen ölçekler) kullanarak % (0,6 ± 0,008) G değeri elde edene kadar her şey sakindi. genel kabul görmüş olandan daha fazlası. Sonuç olarak, 1998'de G ölçümündeki hata neredeyse bir kat arttı.

Atomik interferometriye dayanan evrensel çekim yasasını test etmek, mikroskobik test kütlelerini ölçmek ve Newton'un çekim yasasını mikrokozmosta daha ileri düzeyde test etmek için yapılan deneyler şu anda aktif olarak tartışılmaktadır.

G'yi ölçmenin diğer yöntemleri denenmiştir, ancak ölçümler arasındaki korelasyon neredeyse değişmeden kalmıştır. Bu olguya bugün ters kare yasasının ihlali veya “beşinci kuvvet” deniyor. Beşinci kuvvet artık belirli Higgs parçacıklarını (alanlarını) - Tanrı'nın parçacıklarını da içeriyor.

Öyle görünüyor ki, ilahi parçacık kaydedildi, daha doğrusu hesaplandı, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki (LHC) deneye katılan fizikçiler bu haberi sansasyonel bir şekilde Dünya'ya böyle sundular.

Higgs bozonuna güvenin ama kendiniz de hata yapmayın!

Peki kendi kendine yürüyen ve onsuz hiçbir yere gidemeyeceğiniz bu gizemli sabit nedir?

Makalenin devamını okuyun