Как ни странно это может показаться, но с точным определением гравитационной постоянной у исследователей всегда были проблемы. Авторы статьи говорят о трех сотнях предыдущих попыток сделать это, но все они приводили к значениям, которые не совпадали с другими. Даже в последние десятилетия, когда точность измерений значительно возросла, ситуация оставалась прежней — данные друг с другом, как и раньше, совпадать отказывались.
Основной метод измерения G остался неизменным с 1798 года, когда Генри Кавендиш решил использовать для этого крутильные (или торсионные) весы. Из школьного курса известно, что собой представляла такая установка. В стеклянном колпаке на метровой нити из посеребренной меди висело деревянное коромысло из свинцовых шаров, каждый по 775 г.
Wikimedia Commons Вертикальный разрез установки (Копия рисунка из отчёта Г. Кавендиша «Experiments to determine the Density of the Earth», опубликованного в Трудах Лондонского Королевского Общества за 1798 г. (часть II) том 88 стр.469-526)
К ним подносили свинцовые шары массой 49,5 кг, и в результате действия гравитационных сил коромысло закручивалось на некий угол, зная который и зная жесткость нити, можно было вычислить величину гравитационной постоянной.
Проблема состояла в том, что, во-первых, гравитационное притяжение очень невелико, плюс на результат могут влиять другие массы, экспериментом не учтенные и от которых не было возможности экранироваться.
Второй минус, как ни странно, сводился к тому, что атомы в подносимых массах находились в постоянном движении, и при малом воздействии гравитации этот эффект тоже сказывался.
Ученые решили добавить к гениальной, но в данном случае недостаточной, идее Кавендиша свой метод и использовали вдобавок другой прибор, квантовый интерферометр, известный в физике под названием СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»; в буквальном переводе с английского squid — «кальмар»; сверхчувствительные магнитометры, используемые для измерения очень слабых магнитных полей ).
Этот прибор отслеживает минимальные отклонения от магнитного поля.
Заморозив лазером 50 кг шара из вольфрама до температур, близких к абсолютному нулю, отследив по изменениям магнитного поля перемещения в этом шаре атомов и, таким образом, исключив их влияние на результат измерения, исследователи получили значение гравитационной постоянной с точностью 150 частей на миллион, то есть 15 тысячных процента. Теперь значение этой постоянной, заявляют ученые, равно 6,67191(99)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 . Предыдущее значение G составляло 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 .
И это довольно странно.
Гравитационная постоянная является основой для перевода других физических и астрономических величин, таких, например, как массы планет во Вселенной, включая Землю, а также других космических тел, в традиционные единицы измерения, и пока она все время другая. В 2010 году , в которой американские ученые Гарольд Паркс и Джеймс Фаллер предлагали уточненное значение 6,67234(14)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 . Это значение было получено ими путем регистрации с помощью лазерного интерферометра изменения расстояний между маятниками, подвешенными на струнах, при их колебаниях относительно четырех вольфрамовых цилиндров — источников гравитационного поля — с массами 120 кг каждый. Второе плечо интерферометра, служащее стандартом расстояния, фиксировалось между точками подвеса маятников. Полученная Парксом и Фаллером величина оказалась на три стандартных отклонения меньше величины G , рекомендованной в 2008 году Комитетом данных для науки и техники (CODATA) , но соответствует более раннему значению CODATA, представленному в 1986 году. Тогда сообщалось , что пересмотр величины G, произошедший в период с 1986 по 2008 год был вызван исследованиями неупругости нитей подвесок в крутильных весах.
Ученые из России и Китая уточнили гравитационную постоянную, используя два независимых метода. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Гравитационная постоянная G - одна из фундаментальных констант в физике, которую применяют при расчетах гравитационного взаимодействия материальных тел. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, гравитационное взаимодействие двух материальных точек пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Также в эту формулу входит постоянный коэффициент - гравитационная постоянная G. Массы и расстояния астрономы сейчас могут измерять значительно точнее, чем гравитационную постоянную, из-за чего у всех расчетов тяготения между телами накапливалась систематическая погрешность. Предположительно, связанная с гравитационной постоянной погрешность влияет и на исследования взаимодействий атомов или элементарных частиц.
Физики неоднократно измеряли эту величину. В новой работе международный коллектив ученых, в состав которого вошли сотрудники Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ, решил уточнить гравитационную постоянную, используя два метода и крутильный маятник.
«В эксперименте по измерению гравитационной постоянной требуется произвести абсолютные измерения трех физических величин: массы, длины и времени, - комментирует один из авторов исследования, Вадим Милюков из ГАИШ. - Абсолютные измерения всегда могут быть отягощены систематическими ошибками, поэтому было важным получить два независимых результата. Если они совпадают между собой, то появляется уверенность, что они свободны от систематики. Наши результаты совпадают между собой на уровне трех стандартных отклонений».
Первый использованный авторами исследования подход - так называемый динамический метод (time-of-swing method, ToS). Исследователи вычисляли, как изменяется частота крутильных колебаний в зависимости от положения двух пробных тел, которые служили источниками масс. Если расстояние между пробными телами уменьшается, сила их взаимодействия увеличивается, что вытекает из формулы для гравитационного взаимодействия. В результате возрастает частота колебаний маятника.
Схема экспериментальной установки с крутильным маятником
Q. Li, C.Xie, J.-P. Liu et al.
Используя этот метод, исследователи учли вклад упругих свойств нити подвеса маятника в погрешности измерения и постарались сгладить их. Эксперименты проводились на двух независимых аппаратах, находящихся на расстоянии 150 м друг от друга. На первом ученые протестировали три различных вида волокна нити подвеса, чтобы проверить возможные ошибки, наведенные материалом. У второго значительно изменили конструкцию: исследователи использовали новое силикатное волокно, другой набор маятников и грузов для того, чтобы оценить ошибки, которые зависят от установки.
Второй метод, которым измеряли G, - метод компенсации угловых ускорений (Angular acceleration feedback, AAF). В нем измеряется не частота колебаний, а угловое ускорение маятника, вызванное пробными телами. Этот метод измерения G не нов, однако для того, чтобы увеличить точность вычисления, ученые кардинально изменили конструкцию экспериментальной установки: заменили алюминиевую подставку на стеклянную, чтобы материал не расширялся при нагревании. В качестве пробных масс использовали тщательно отшлифованные сферы из нержавеющей стали, близкие по форме и однородности к идеальным.
Чтобы снизить роль человеческого фактора, практически все параметры ученые измерили повторно. Также они подробно исследовали влияние температуры и вибраций при вращении на расстояние между пробными телами.
Полученные в результате экспериментов значения гравитационной постоянной (AAF - 6,674484(78)×10 -11 м 3 кг -1 с -2 ; ToS - 6,674184(78)×10 -11 м 3 кг -1 с -2) совпадают между собой на уровне трех стандартных отклонений. Кроме того, оба имеют наименьшую неопределенность из всех ранее установленных значений и согласуются со значением, которое рекомендовано Комитетом данных для науки и техники (CODATA) в 2014 году. Эти исследования, во-первых, дали большой вклад в определение гравитационной постоянной, а во-вторых, показали, какие усилия потребуются в будущем для того, чтобы достичь еще большей точности.
Понравился материал? в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@сайт.
Когда Ньютон открыл закон всемирного тяготения, он не знал ни одного числового значения масс небесных тел, в том числе и Земли. Неизвестно ему было и значение постоянной G.
Между тем гравитационная постоянная G имеет для всех тел Вселенной одно и то же значение и является одной из фундаментальных физических констант. Каким же образом можно найти ее значение?
Из закона всемирного тяготения следует, что G = Fr 2 /(m 1 m 2). Значит, для того чтобы найти G, нужно измерить силу притяжения F между телами известных масс m 1 и m 2 и расстояние r между ними.
Первые измерения гравитационной постоянной были осуществлены в середине XVIII в. Оценить, правда весьма грубо, значение G в то время удалось в результате рассмотрения притяжения маятника к горе, масса которой была определена геологическими методами.
Точные измерения гравитационной постоянной впервые были проведены в 1798 г. замечательным ученым Генри Кавендишем - богатым английским лордом, прослывшим чудаковатым и нелюдимым человеком. С помощью так называемых крутильных весов (рис. 101) Кавендиш по углу закручивания нити А сумел измерить ничтожно малую силу притяжения между маленькими и большими металлическими шарами. Для этого ему пришлось использовать столь чувствительную аппаратуру, что даже слабые воздушные потоки могли исказить измерения. Поэтому, чтобы исключить посторонние влияния, Кавендиш разместил свою аппаратуру в ящике, который оставил в комнате, а сам проводил наблюдения за аппаратурой с помощью телескопа из другого помещения.
Опыты показали, что
G ≈ 6,67 · 10 –11 Н · м 2 /кг 2 .
Физический смысл гравитационной постоянной заключается в том, что она численно равна силе, с которой притягиваются две частицы с массой по 1 кг каждая, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга. Эта сила, таким образом, оказывается чрезвычайно малой - всего лишь 6,67 · 10 –11 Н. Хорошо это или плохо? Расчеты показывают, что если бы гравитационная постоянная в нашей Вселенной имела значение, скажем, в 100 раз большее, чем приведенное выше, то это привело бы к тому, что время существования звезд, в том числе Солнца, резко уменьшилось бы и разумная жизнь на Земле появиться бы не успела. Другими словами, нас бы с вами сейчас не было!
Малое значение G приводит к тому, что гравитационное взаимодействие между обычными телами, не говоря уже об атомах и молекулах, является очень слабым. Два человека массой по 60 кг на расстоянии 1 м друг от друга притягиваются с силой, равной всего лишь 0,24 мкН.
Однако по мере увеличения масс тел роль гравитационного взаимодействия возрастает. Так, например, сила взаимного притяжения Земли и Луны достигает 10 20 Н, а притяжение Земли Солнцем еще в 150 раз сильнее. Поэтому движение планет и звезд уже полностью определяется гравитационными силами.
В ходе своих опытов Кавендиш также впервые доказал, что не только планеты, но и обычные, окружающие нас в повседневной жизни тела притягиваются по тому же закону тяготения, который был открыт Ньютоном в результате анализа астрономических данных. Этот закон действительно является законом всемирного тяготения.
«Закон тяготения универсален. Он простирается на огромные расстояния. И Ньютон, которого интересовала Солнечная система, вполне мог бы предсказать, что получится из опыта Кавендиша, ибо весы Кавендиша, два притягивающихся шара, - это маленькая модель Солнечной системы. Если увеличить ее в десять миллионов миллионов раз, то мы получим Солнечную систему. Увеличим еще в десять миллионов миллионов раз - и вот вам галактики, которые притягиваются друг к другу по тому же самому закону. Вышивая свой узор, Природа пользуется лишь самыми длинными нитями, и всякий, даже самый маленький, образчик его может открыть нам глаза на строение целого» (Р. Фейнман).
1. В чем заключается физический смысл гравитационной постоянной? 2. Кем впервые были проделаны точные измерения этой постоянной? 3. К чему приводит малость значения гравитационной постоянной? 4. Почему, сидя рядом с товарищем за партой, вы не ощущаете притяжение к нему?
Qing Li et al. / Nature
Физики из Китая и России уменьшили погрешность гравитационной постоянной в четыре раза - до 11,6 частей на миллион, поставив две серии принципиально разных опытов и уменьшив до минимума систематические погрешности, искажающие результаты. Статья опубликована в Nature .
Впервые гравитационную постоянную G , входящую в закон всемирного тяготения Ньютона, измерил в 1798 году британский физик-экспериментатор Генри Кавендиш . Для этого ученый использовал крутильные весы, построенные священником Джоном Мичеллом . Простейшие крутильные весы, конструкция которых была придумана в 1777 году Шарлем Кулоном , состоят из вертикальной нити, на которой подвешено легкое коромысло с двумя грузами на концах. Если поднести к грузам два массивных тела, под действием силы притяжения коромысло начнет поворачиваться; измеряя угол поворота и связывая его с массой тел, упругими свойствами нити и размерами установки, можно вычислить значение гравитационной постоянной. Более подробно с механикой крутильных весов можно разобраться, решая соответствующую задачу .
Полученное Кавендишем значение для постоянной составило G = 6,754×10 −11 ньютонов на метр квадратный на килограмм, а относительная погрешность опыта не превышала одного процента.
Модель крутильных весов, с помощью которых Генри Кавендиш впервые измерил гравитационное притяжение между лабораторными телами
Science Museum / Science & Society Picture Library
С тех пор ученые поставили более двухсот экспериментов по измерению гравитационной постоянной, однако так и не смогли существенно улучшить их точность. В настоящее время значение постоянной, принятое Комитетом данных для науки и техники (CODATA) и рассчитанное по результатам 14 наиболее точных экспериментов последних 40 лет, составляет G = 6,67408(31)×10 −11 ньютонов на метр квадратный на килограмм (в скобках указана погрешность последних цифр мантиссы). Другими словами, ее относительная погрешность примерно равна 47 частей на миллион, что всего в сто раз меньше, чем погрешность опыта Кавендиша и на много порядков больше, чем погрешность остальных фундаментальных констант. Например, ошибка измерения постоянной Планка не превышает 13 частей на миллиард, постоянной Больцмана и элементарного заряда - 6 частей на миллиард, скорости света - 4 частей на миллиард. В то же время, физикам очень важно знать точное значение постоянной G , поскольку оно играет ключевую роль в космологии, астрофизике, геофизике и даже в физике частиц. Кроме того, высокая погрешность постоянной мешает переопределить значения других физических величин.
Скорее всего, низкая точность постоянной G связана со слабостью сил гравитационного притяжения, которые возникают в наземных экспериментах, - это мешает точно измерить силы и приводит к большим систематическим погрешностям , обусловленным конструкцией установок. В частности, заявленная погрешность некоторых экспериментов, использованных при расчете значения CODATA, не превышала 14 частей на миллион, однако различие между их результатами достигало 550 частей на миллион. В настоящее время не существует теории, которая могла бы объяснить такой большой разброс результатов. Скорее всего, дело в том, что в некоторых экспериментах ученые упускали из виду какие-то факторы, которые искажали значения постоянной. Поэтому все, что остается физикам-экспериментаторам - уменьшать систематические погрешности, минимизируя внешние воздействия, и повторять измерения на установках с принципиально разной конструкцией.
Именно такую работу провела группа ученых под руководством Цзюнь Ло (Jun luo) из Университета науки и технологий Центрального Китая при участии Вадима Милюкова из ГАИШ МГУ .
Для уменьшения погрешности исследователи повторяли опыты на нескольких установках с принципиально разной конструкцией и различными значениями параметров. На установках первого типа постоянная измерялась с помощью метода TOS (time-of-swing), в котором величина G определяется по частоте колебаний крутильных весов. Чтобы повысить точность, частота измеряется для двух различных конфигураций: в «ближней» конфигурации внешние массы находятся поблизости от равновесного положения весов (эта конфигурация представлена на рисунке), а в «дальней» - перпендикулярно равновесному положению. В результате частоты колебаний в «дальней» конфигурации оказывается немного меньше, чем в «ближней» конфигурации, и это позволяет уточнить значение G .
С другой стороны, установки второго типа полагались на метод AAF (angular-acceleration-feedback) - в этом методе коромысло крутильных весов и внешние массы вращаются независимо, а их угловое ускорение измеряется с помощью системы управления с обратной связью, которая поддерживает нить незакрученной. Это позволяет избавиться от систематических ошибок, связанных с неоднородностью нити и неопределенностью ее упругих свойств.
Схема экспериментальных установок по измерению гравитационной постоянной: метод TOS (a) и AAF (b)
Qing Li et al. / Nature
Фотографии экспериментальных установок по измерению гравитационной постоянной: метод TOS (a–c) и AAF (d–f)
Qing Li et al. / Nature
Кроме того, физики постарались до минимума сократить возможные систематические ошибки. Во-первых, они проверили, что гравитирующие тела, участвующие в опытах, действительно однородны и близки к сферической форме - построили пространственное распределение плотности тел с помощью сканирующего электронного микроскопа , а также измерили расстояние между геометрическим центром и центром масс двумя независимыми методами. В результате ученые убедились, что колебания плотности не превышают 0,5 части на миллион, а эксцентриситет - одной части на миллион. Кроме того, исследователи поворачивали сферы на случайный угол перед каждым из опытов, чтобы скомпенсировать их неидеальности.
Во-вторых, физики учли, что магнитный демпфер , который используется для подавлений нулевых мод колебаний нити, может вносить вклад в измерение постоянной G , а затем изменили его конструкцию таким образом, чтобы этот вклад не превышал нескольких частей на миллион.
В-третьих, ученые покрыли поверхность масс тонким слоем золотой фольги, чтобы избавиться от электростатических эффектов, и пересчитали момент инерции крутильных весов с учетом фольги. Отслеживая электростатические потенциалы частей установки в ходе опыта, физики подтвердили, что электрические заряды не влияют на результаты измерений.
В-четвертых, исследователи учли, что в методе AAF кручение происходит в воздухе, и скорректировали движение коромысла с учетом сопротивления воздуха. В методе TOS все части установки находились в вакуумной камере, поэтому подобные эффекты можно было не учитывать.
В-пятых, экспериментаторы поддерживали температуру установки постоянной в течение опыта (колебания не превышали 0,1 градуса Цельсия), а также непрерывно измеряли температуру нити и корректировали данные с учетом едва заметных изменений ее упругих свойств.
Наконец, ученые учли, что металлическое покрытие сфер позволяет им взаимодействовать с магнитным полем Земли, и оценили величину этого эффекта. В ходе эксперимента ученые каждую секунду считывали все данные, включая угол поворота нити, температуру, колебания плотности воздуха и сейсмические возмущения, а затем строили полную картину и рассчитывали на ее основании значение постоянной G .
Каждый из опытов ученые повторяли много раз и усредняли результаты, а затем изменяли параметры установки и начинали цикл сначала. В частности, опыты с использованием метода TOS исследователи провели для четырех кварцевых нитей различного диаметра, а в трех экспериментах со схемой AAF ученые изменяли частоту модулирующего сигнала. На проверку каждого из значений физикам понадобилось около года, а суммарно эксперимент продлился более трех лет.
(a) Зависимость от времени периода колебаний крутильных весов в методе TOS; сиреневые точки отвечают «ближней» конфигурации, синие - «дальней». (b) Усредненные значения гравитационной постоянной для различных установок TOS
Гравитационная константа Ньютона измерена методами атомной интерферометрии. Новая методика свободна от недостатков чисто механических экспериментов и, возможно, позволит скоро изучать эффекты общей теории относительности в лаборатории.
Фундаментальные физические постоянные, такие как скорость света c , гравитационная постоянная G , постоянная тонкой структуры α, масса электрона и другие, играют чрезвычайно важную роль в современной физике. Заметная часть экспериментальной физики посвящена как можно более точному измерению их значений и проверке того, не изменяются ли они во времени и пространстве. Даже малейшие подозрения в непостоянности этих констант могут породить целый поток новых теоретических исследований и пересмотр общепринятых положений теоретической физики. (См. популярную статью Дж. Бэрроу и Дж. Веба Непостоянные постоянные // «В мире науки», сентябрь 2005 г., а также подборку научных статей , посвященных возможной непостоянности констант взаимодействия.)
Большинство фундаментальных констант известны сегодня с чрезвычайно высокой точностью. Так, масса электрона измерена с точностью 10 -7 (то есть стотысячная доля процента), а постоянная тонкой структуры α, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, — с точностью 7 × 10 -10 (см. заметку Уточнена постоянная тонкой структуры). В свете этого может показаться удивительным, что значение гравитационной постоянной, которая входит в закон всемирного тяготения , известно с точностью хуже, чем 10 -4 , то есть одна сотая доля процента.
Такое положение вещей отражает объективные трудности гравитационных экспериментов. Если пытаться определить G из движения планет и спутников, то необходимо с высокой точностью знать массы планет, а они-то как раз известны плохо. Если же поставить механический эксперимент в лаборатории, например измерить силу притяжения двух тел с точно известной массой, то такое измерение будет иметь большие погрешности из-за чрезвычайной слабости гравитационного взаимодействия.
