|
Астрофизика и ее понятия. Проблемы с измерением гравитационной постоянной
Закон тяготения Ньютона в форме (1) был установлен им около 1666 года.
Ньютон вывел формулу основываясь на законах движения планет, открытых Кеплером. Числовое значение множителя G не указывалось, было ясно только, что это постоянная величина. Термин "гравитационная постоянная" множителю G был присвоен позже. Многолетние наблюдения за движением небесных тел, а затем и искусственных спутников Земли, подтверждают неизменность G. Но для вычисления значения G наблюдений за движением небесных тел недостаточно. Для вычисления нужно знать точные значения масс взаимодействующих тел, точное значение расстояния между их центрами масс и точное значение величины возникающей силы притяжения. А это достижимо только в лабораторных условиях.
Первое экспериментальное измерение гравитационной постоянной было осуществлено британским учёным Генри Кавендишем в 1797-1798 годах. Опыты проводились на установке, схематически показанной на рис.1
 Рис. 1
Установка представляла собой деревянное коромысло со свинцовыми массами на концах, подвешенное на упругой нити. К массам на концах коромысла симметрично подводились большие массы. Возникающая сила притяжения определялась по углу закручивания нити. Кавендиш получил значение G=6,754·10-11 м3/(кг·с2). Официально рекомендуемое в 2010 году значение равно G=6,67384·10-11 м3/(кг·с2). Относительная погрешность данного значения G находится на уровне 10-4. Значение G периодически корректируется. Так, на 2008 год было рекомендовано G = 6,67428(67)·10-11 м3·/(кг·с2)
Измерения гравитационной постоянной регулярно производятся со времён Кавендиша и до наших дней. Но, несмотря на тщательную подготовку экспериментов, точность найденного значения G существенно повысить не удаётся. Вернее, отдельным группам исследователей удаётся почти на порядок снизить погрешность измерения, но при сведении разрозненных результатов воедино суммарный результат оказывается ещё хуже, чем был до этого. В статье "Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию" описана сложившаяся ситуация.
На рис.2 красным цветом показаны результаты измерений, проведенных в 2008-2010 гг.
 Рис. 2
Ширина горизонтальных отрезков характеризует погрешность измерения. Хотя красные горизонтальные отрезки значительно уже зелёного отрезка, соответствующего официально рекомендуемому значению, разброс их относительно друг друга значительно превышает ширину зелёного интервала. Это сводит на нет ценность полученных результатов.
Создаётся впечатление, что измеренное значение G зависит от места проведения эксперимента. Три результата, представленные на рис.2, соответствуют следующим районам земного шара:
2010г - штат штат Нью-Йорк, крайний северо-восток США;
2008г - штат штат Калифорния, крайний юго-запад США;
2009г - Китай.
То, что измеренное значение G зависит от места проведения эксперимента, подтверждается измерениями, произведенными в Международном бюро мер и весов в Париже. Таких измерений было два. Результат первого измерения опубликован в 2001г. Результат второго измерения, произведенного на усовершенствованном оборудовании через 12 лет после первого, опубликован в 2013г. Оба результата совпали, просто точность последнего измерения стала выше. На рис.3 оба парижских результата выделены жёлтым фоном.
 Рис. 3
Причина зависимости значения измеренной гравитационной постоянной от места проведения эксперимента, объясняется результатами исследований института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. В работе "Гравитационне поле Земли" показано, что аномалии силы тяжести (т.е. вертикальной составляющей гравитационного поля Земли) создаются неоднородным распределением плотностей в земной коре и верхней мантии. На рис.4 приведен фрагмент разреза земной коры по 40º северной широты.
 Рис. 4
Лаборатории, в которых определяется значение G, расположены на поверхности Земли произвольным образом. Поэтому установка для измерения G совершенно случайно может оказаться рядом с областью аномалии гравитационного поля Земли. Современные установки для измерения G принципиально не отличаются от установки Кавендиша, показанной на рис.1. Фиксируемая ими сила притяжения между телами направлена горизонтально. Но гравитационное поле Земли имеет и горизонтальные аномалии наряду с вертикальными аномалиями. Именно эти аномалии и вызывают разброс вычисленных значений G, показанный на рис.3. По этой причине повышение точности каждого отдельного эксперимента ситуацию не улучшает, что и иллюстрируется результатами, показанными на рис.2. По-видимому, точность определения G на установках типа установки Кавендиша уже достигла своего предела. Предельное минимальное значение относительной погрешности 10-4 на таких установках сейчас определяется не качеством установки, а аномалиями гравитационного поля Земли.
Для дальнейшего уточнения значения гравитационной постоянной нужен эксперимент, в котором была бы возможность устранять влияние гравитационного поля Земли. В 2007г в печати появилось сообщение об определении G методом атомной интерферометрии. При определении G таким методом появляется возможность устранить влияние гравитационного поля Земли. Об этом см. статью "Гравитационная постоянная измерена новыми методами". В первом эксперименте по новому методу точность была всего 10-3. Сейчас готовится следующий эксперимент, в котором точность будет на порядок повышена.
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 03 октября 2013 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'
Главная страница раздела
|
