מדידות חדשות של קבוע הכבידה הופכות את הדברים לעוד יותר מבלבלים. קבוע הכבידה

כדי להסביר את האבולוציה הנצפית של היקום במסגרת התיאוריות הקיימות, יש להניח שקבועים יסודיים מסוימים קבועים יותר מאחרים.

בין הקבועים הפיזיקליים הבסיסיים - מהירות האור, קבוע פלאנק, המטען והמסה של האלקטרון - קבוע הכבידה עומד איכשהו בנפרד. אפילו ההיסטוריה של מדידתו מתוארת באנציקלופדיות המפורסמות בריטניקה ולרוס, שלא לדבר על "האנציקלופדיה הפיזית", עם שגיאות. מהמאמרים הרלוונטיים בהם ילמד הקורא שערכו המספרי נקבע לראשונה בניסויי דיוק בשנים 1797–1798 על ידי הפיזיקאי והכימאי האנגלי המפורסם הנרי קוונדיש (הנרי קוונדיש, 1731–1810), הדוכס מדבונשייר. למעשה, קוונדיש מדד את הצפיפות הממוצעת של כדור הארץ (הנתונים שלו, אגב, שונים רק בחצי אחוז מתוצאות מחקרים מודרניים). לאחר מידע על צפיפות כדור הארץ, נוכל לחשב בקלות את המסה שלו, ובידיעה של המסה, לקבוע את קבוע הכבידה.

האינטריגה היא שבתקופתו של קוונדיש, המושג של קבוע הכבידה עדיין לא היה קיים, וחוק הכבידה האוניברסלית לא התקבל להיכתב בצורה המוכרת לנו. נזכיר שכוח הכבידה הוא פרופורציונלי למכפלת מסות הגופים הכובדים וביחס הפוך לריבוע המרחק בין הגופים הללו, בעוד שמקדם המידתיות הוא בדיוק קבוע הכבידה. צורת כתיבה זו של חוק ניוטון מופיעה רק במאה ה-19. והניסויים הראשונים שבהם נמדד קבוע הכבידה בוצעו כבר בסוף המאה - ב-1884.

כפי שמציין ההיסטוריון הרוסי של המדע קונסטנטין טומילין, קבוע הכבידה שונה מקבועים יסודיים אחרים גם בכך שהקנה מידה הטבעי של כל גודל פיזיקלי אינו קשור אליו. יחד עם זאת, מהירות האור קובעת את ערך הגבול של המהירות, והקבוע של פלאנק - השינוי המינימלי בפעולה.

ורק ביחס לקבוע הכבידה, הועלתה השערה שערכו המספרי עשוי להשתנות עם הזמן. רעיון זה נוסח לראשונה בשנת 1933 על ידי האסטרופיזיקאי האנגלי אדוארד מילן (אדוארד ארתור מילן, 1896-1950), ובשנת 1937 על ידי הפיזיקאי התיאורטי האנגלי המפורסם פול דיראק (פול דיראק, 1902-1984), במסגרת ה- המכונה "השערת מספרים גדולים", הציע כי קבוע הכבידה יורד עם הזמן הקוסמולוגי. השערת דיראק תופסת מקום חשוב בהיסטוריה של הפיזיקה התיאורטית של המאה העשרים, אך לא ידוע עליה אישור ניסיוני אמין יותר או פחות.

קשור ישירות לקבוע הכבידה הוא מה שמכונה "קבוע קוסמולוגי", שהופיע לראשונה במשוואות תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. לאחר שגילה שמשוואות אלו מתארות יקום מתרחב או מתכווץ, איינשטיין הוסיף באופן מלאכותי "מונח קוסמולוגי" למשוואות, מה שהבטיח את קיומם של פתרונות נייחים. המשמעות הפיזית שלו הצטמצמה לקיומו של כוח המפצה על כוחות הכבידה האוניברסליים ומתבטא רק בקנה מידה גדול מאוד. כישלון המודל של היקום הנייח הפך ברור לאיינשטיין לאחר פרסום עבודותיהם של האסטרונום האמריקני אדווין האבל (אדווין פאוול האבל, 1889–1953) והמתמטיקאי הסובייטי אלכסנדר פרידמן, שהוכיח את תקפותו של מודל אחר, לפיו היקום מתרחב בזמן. ב-1931 נטש איינשטיין את הקבוע הקוסמולוגי, וכינה אותו באופן פרטי "הטעות הגדולה ביותר בחייו".

הסיפור, לעומת זאת, לא הסתיים בכך. לאחר שנקבע כי התפשטות היקום מואצת בחמשת מיליארד השנים האחרונות, שאלת קיומו של אנטי-כבידה שוב הפכה לרלוונטית; יחד איתו, הקבוע הקוסמולוגי חזר לקוסמולוגיה. במקביל, קוסמולוגים מודרניים מקשרים את האנטי-כבידה עם נוכחותה של מה שמכונה "אנרגיה אפלה" ביקום.

גם קבוע הכבידה, הקבוע הקוסמולוגי וגם "אנרגיה אפלה" היו נושא לדיון אינטנסיבי בכנס שנערך לאחרונה בלונדון אימפריאל קולג' על בעיות לא פתורות במודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה. אחת ההשערות הרדיקליות ביותר נוסחה בדו"ח של פיליפ מנהיים, פיזיקאי חלקיקים מאוניברסיטת קונטיקט בסטוררס. למעשה, מנהיים הציע לשלול מקובוע הכבידה את המעמד של קבוע אוניברסלי. לפי השערתו, "ערך הטבלה" של קבוע הכבידה נקבע במעבדה הממוקמת על פני כדור הארץ, וניתן להשתמש בו רק בתוך מערכת השמש. בסולם הקוסמולוגי, לקבוע הכבידה יש ​​ערך מספרי שונה, קטן בהרבה, אותו ניתן לחשב בשיטות של פיזיקת החלקיקים היסודיים.

בהציגו את השערתו לעמיתיו, ביקש מנהיים קודם כל לקרב את פתרון "בעיית הקבוע הקוסמולוגי", הרלוונטית מאוד לקוסמולוגיה. המהות של בעיה זו היא כדלקמן. על ידי רעיונות מודרניים, הקבוע הקוסמולוגי מאפיין את קצב ההתפשטות של היקום. ערכו המספרי, שנמצא תיאורטית בשיטות של תורת השדות הקוונטיים, גבוה פי 10-120 מזה המתקבל מתצפיות. הערך התיאורטי של הקבוע הקוסמולוגי כל כך גדול, שבקצב ההתפשטות המתאים של היקום, כוכבים וגלקסיות פשוט לא היו מספיקים להיווצר.

השערתו לגבי קיומם של שני קבועי כבידה שונים - עבור מערכת השמשולסולמות בין-גלקטיות - מנהיים מבסס כדלקמן. לדבריו, מה שנקבע בפועל בתצפיות הוא לא הקבוע הקוסמולוגי עצמו, אלא כמות כלשהי פרופורציונלית למכפלת הקבוע הקוסמולוגי וקבוע הכבידה. הבה נניח שבסולמות בין-גלקטיות קבוע הכבידה קטן מאוד, בעוד ערכו של הקבוע הקוסמולוגי מתאים לזה המחושב והוא גדול מאוד. במקרה זה, המכפלה של שני קבועים עשויה בהחלט להיות ערך קטן, שאינו סותר תצפיות. "אולי הגיע הזמן להפסיק להתייחס לקבוע הקוסמולוגי כקטן", אומר מנהיים, "פשוט קבל את זה שהוא גדול ותמשיך משם". במקרה זה, "בעיית הקבוע הקוסמולוגי" נפתרת.

הפתרון של מנהיים נראה פשוט, אבל המחיר שיש לשלם עבורו גבוה מאוד. כפי שמציינת Zeeya Merali במאמר "שני קבועים טובים מאחד" שפורסם על ידי New scientist ב-28 באפריל 2007, על ידי הצגת שני ערכים מספריים שונים עבור קבוע הכבידה, מנהיים חייבת בהכרח לנטוש את המשוואות תיאוריה כלליתתורת היחסות של איינשטיין. בנוסף, השערת מנהיים מייתרת את המושג "אנרגיה אפלה" המקובלת על רוב הקוסמולוגים, שכן ערך קטן של קבוע הכבידה בסולמות קוסמולוגיים שווה ערך כשלעצמו להנחה של קיומה של אנטי-כבידה.

קית' הורן מהאוניברסיטה הבריטית של St. אנדרו (אוניברסיטת סנט אנדרו) מברך על ההשערה של מנהיים מכיוון שהיא משתמשת בעקרונות היסוד של פיזיקת החלקיקים: "זה מאוד אלגנטי, וזה יהיה פשוט נהדר אם זה יתברר כנכון." לפי הורן, במקרה זה, נוכל לשלב את פיזיקת החלקיקים ואת תורת הכבידה לתיאוריה אחת מאוד מושכת.

אבל לא כולם מסכימים איתה. New Scientist מצטט את הקוסמולוג טום שאנקס שאומר שכמה תופעות שמתאימות מאוד למודל הסטנדרטי, כמו מדידות עדכניות של ה-CMB ותנועת פולסרים בינאריים, לא צפויות להיות מוסברות באותה קלות בתיאוריה של מנהיים.

מנהיים עצמו אינו מכחיש את הבעיות שעומדות בפני ההשערה שלו, תוך שהוא מציין כי הוא רואה בהן הרבה פחות משמעותיות בהשוואה לקשיים של המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי: "מאות קוסמולוגים מפתחים אותו, ובכל זאת הוא אינו מספק ב-120 סדרי גודל ."

יש לציין כי מנהיים מצא מספר מסוים של תומכים שתמכו בו על מנת להוציא את הגרועים מכל. לגרוע מכל, הם ייחסו את ההשערה שהעלו ב-2006 פול שטיינהרדט (פול שטיינהרדט) מאוניברסיטת פרינסטון (אוניברסיטת פרינסטון) וניל טורוק (ניל טורוק) מקיימברידג' (אוניברסיטת קיימברידג'), לפיה היקום נולד ונעלם מעת לעת , ובכל אחד מהמחזורים (שנמשכים טריליון שנים) יש את המפץ הגדול שלו, ובמקביל בכל מחזור הערך המספרי של הקבוע הקוסמולוגי קטן יותר מאשר בקודמו. הערך הבלתי משמעותי ביותר של הקבוע הקוסמולוגי, שנרשם בתצפיות, אומר אם כן שהיקום שלנו הוא חוליה רחוקה מאוד בשרשרת ארוכה מאוד של עולמות מתעוררים ונעלמים...

קבוע הכבידה, קבוע ניוטון הוא קבוע פיזיקלי בסיסי, קבוע של אינטראקציה כבידה.

קבוע הכבידה מופיע בתיעוד המודרני של חוק הכבידה האוניברסלית, אך נעדר במפורש מניוטון ובעבודותיהם של מדענים אחרים עד מוקדם XIXמֵאָה.

קבוע הכבידה בצורתו הנוכחית הוכנס לראשונה לחוק הכבידה האוניברסלית, ככל הנראה, רק לאחר המעבר למערכת מטרית אחת של מדדים. זה אולי נעשה לראשונה על ידי הפיזיקאי הצרפתי פויסון במסכתו על מכניקה (1809). לפחות לא זוהו יצירות קודמות שבהן קבוע הכבידה היה מופיע על ידי היסטוריונים.

בשנת 1798, הנרי קוונדיש הקים ניסוי לקביעת הצפיפות הממוצעת של כדור הארץ באמצעות מאזן פיתול שהומצא על ידי ג'ון מיטשל (עסקאות פילוסופיות 1798). קוונדיש השווה את תנודות המטוטלת של גוף ניסוי בהשפעת כוח המשיכה של כדורים בעלי מסה ידועה ותחת השפעת כוח המשיכה של כדור הארץ. הערך המספרי של קבוע הכבידה חושב מאוחר יותר על בסיס הצפיפות הממוצעת של כדור הארץ. דיוק ערך נמדד גגדל מאז תקופת קוונדיש, אבל התוצאה שלו כבר הייתה די קרובה לזו המודרנית.

בשנת 2000 התקבל ערך קבוע הכבידה

cm 3 g -1 s -2 , עם שגיאה של 0.0014%.

הערך האחרון של קבוע הכבידה התקבל על ידי קבוצת מדענים בשנת 2013, שעבדה בחסות הלשכה הבינלאומית למשקלים ומידות, והוא

ס"מ 3 גרם -1 ש -2 .

בעתיד, אם ערך מדויק יותר של קבוע הכבידה ייקבע באופן אמפירי, אז ניתן לתקן אותו.

ערכו של קבוע זה ידוע בהרבה פחות מדויק מזה של כל הקבועים הפיזיקליים הבסיסיים האחרים, ותוצאות הניסויים לחידודו ממשיכות להיות שונות. יחד עם זאת, ידוע כי הבעיות אינן קשורות לשינוי בקבוע עצמו ממקום למקום ובזמן, אלא נגרמות מקשיים ניסיוניים במדידת כוחות קטנים תוך התחשבות מספר גדולגורמים חיצוניים.

לפי נתונים אסטרונומיים, הקבוע G כמעט ולא השתנה במאות מיליוני השנים האחרונות; השינוי היחסי שלו אינו עולה על 10 -11 - 10 -12 בשנה.

על פי חוק הכבידה האוניברסלית של ניוטון, כוח המשיכה הכבידה ובין שתי נקודות חומריות עם מסות M 1 ו M 2 במרחק ר, שווה ל:

גורם מידתיות גבמשוואה זו נקרא קבוע הכבידה. מבחינה מספרית, הוא שווה למודול כוח הכבידה הפועל עליו גוף נקודתייחידת מסה מהצד של גוף דומה אחר הממוקם במרחק יחידה ממנו.

ביחידות של מערכת היחידות הבינלאומית (SI), הערך שהומלץ על ידי הוועדה לנתונים למדע וטכנולוגיה (CODATA) לשנת 2008 היה

ג\u003d 6.67428 (67) 10? 11 מ' 3 ש'? 2 ק"ג? 1

בשנת 2010 תוקן הערך ל:

ג\u003d 6.67384 (80) 10? 11 m 3 s? 2 kg? 1, או N m² kg? 2.

באוקטובר 2010 הופיע מאמר בכתב העת Physical Review Letters המציע ערך מעודכן של 6.67234 (14), שהוא שלוש סטיות תקן פחות מהערך גהומלץ ב-2008 על ידי הוועדה לנתונים למדע וטכנולוגיה (CODATA), אך מתאים לערך ה-CODATA הקודם שהוצג ב-1986.

עדכון ערך ג, שהתרחשה בין 1986 ל-2008, נגרמה על ידי מחקרים על חוסר הגמישות של חוטי מתלה במאזני פיתול.

קבוע הכבידה הוא הבסיס להמרת גדלים פיזיים ואסטרונומיים אחרים, כמו מסות כוכבי הלכת ביקום, כולל כדור הארץ, כמו גם גופים קוסמיים אחרים, ליחידות מדידה מסורתיות, כמו קילוגרמים. יחד עם זאת, בשל חולשת האינטראקציה הכבידתית והדיוק הנמוך של המדידות של קבוע הכבידה כתוצאה מכך, היחסים בין המסות של הגופים הקוסמיים ידועים בדרך כלל בצורה מדויקת הרבה יותר מאשר מסות בודדות בקילוגרמים.

צ'ינג לי וחב'. / טבע

פיזיקאים מסין ורוסיה הפחיתו את השגיאה של קבוע הכבידה בפקטור של ארבע - ל-11.6 חלקים למיליון, על ידי הקמת שתי סדרות של ניסויים שונים מהותית ומזעור טעויות שיטתיות שמעוותות את התוצאות. מאמר שפורסם ב טֶבַע.

בפעם הראשונה, קבוע הכבידה ג, שהוא חלק מחוק הכבידה האוניברסלית של ניוטון, נמדד ב-1798 על ידי הפיזיקאי הניסיוני הבריטי הנרי קוונדיש. לשם כך השתמש המדען במאזן פיתול שנבנה על ידי הכומר ג'ון מישל. מאזן הפיתול הפשוט ביותר, שעיצובו הומצא בשנת 1777 על ידי צ'ארלס קולומב, מורכב מחוט אנכי שעליו תלויה קרן אור עם שני משקלים בקצוות. אם תביאו שני גופים מסיביים למשקולות, בהשפעת כוח המשיכה, הנדנדה יתחיל להסתובב; על ידי מדידת זווית הסיבוב וקישורה למסת הגופים, לתכונות האלסטיות של החוט ולמידות המתקן, ניתן לחשב את ערך קבוע הכבידה. אתה יכול להבין את המכניקה של איזוני פיתול ביתר פירוט על ידי פתרון הבעיה המתאימה.

הערך שקיבל קוונדיש עבור הקבוע היה ג\u003d 6.754 × 10 -11 ניוטון למ"ר לקילוגרם, והשגיאה היחסית של הניסוי לא עלתה על אחוז אחד.

דגם של מאזן הפיתול שבאמצעותו מדד הנרי קוונדיש לראשונה את המשיכה הכבידה בין גופי מעבדה

מוזיאון המדע / ספריית תמונות מדע וחברה

מאז, מדענים ביצעו יותר ממאתיים ניסויים למדידת קבוע הכבידה, אך לא הצליחו לשפר משמעותית את דיוקם. נכון להיום, ערכו של הקבוע, שאומץ על ידי הוועדה לנתונים למדע וטכנולוגיה (CODATA) ומחושב מתוצאות 14 הניסויים המדויקים ביותר של 40 השנים האחרונות, הוא ג\u003d 6.67408 (31) × 10 -11 ניוטון למ"ר לקילוגרם (השגיאה של הספרות האחרונות של המנטיסה מצוינת בסוגריים). במילים אחרות, השגיאה היחסית שלו שווה בערך ל-47 חלקים למיליון, שזה רק פי מאה פחות מהשגיאה של ניסוי קוונדיש וסדרי גודל רבים מהשגיאה של הקבועים היסודיים האחרים. למשל, טעות המדידה לקבוע של פלאנק אינה עולה על 13 חלקים למיליארד, קבוע בולצמן והמטען האלמנטרי - 6 חלקים למיליארד, מהירות האור - 4 חלקים למיליארד. יחד עם זאת, חשוב מאוד לפיסיקאים לדעת את הערך המדויק של הקבוע ג, מכיוון שהוא ממלא תפקיד מפתח בקוסמולוגיה, אסטרופיזיקה, גיאופיזיקה ואפילו פיזיקת חלקיקים. בנוסף, השגיאה הגבוהה של הקבוע מקשה על הגדרה מחדש של ערכים של כמויות פיזיקליות אחרות.

סביר להניח, הדיוק הנמוך של הקבוע גקשורה לחולשת כוחות המשיכה הכבידה המתעוררים בניסויים קרקעיים - הדבר מקשה על מדידת הכוחות במדויק ומוביל לטעויות שיטתיות גדולות עקב תכנון המתקנים. בפרט, השגיאה המדווחת של חלק מהניסויים ששימשו לחישוב ערך CODATA לא עלתה על 14 חלקים למיליון, אך ההבדל בין תוצאותיהם הגיע ל-550 חלקים למיליון. נכון לעכשיו, אין תיאוריה שיכולה להסביר פיזור כה גדול של תוצאות. סביר להניח, העובדה היא שבניסויים מסוימים, מדענים התעלמו מכמה גורמים שעיוותו את ערכי הקבוע. לכן, כל מה שנותר לפיזיקאים ניסיוניים הוא להפחית טעויות שיטתיות על ידי מזעור השפעות חיצוניות, וחזור על המדידות בהגדרות עם ביסודו עיצוב שונה.

זה בדיוק סוג העבודה שבוצע על ידי קבוצת מדענים בראשות ג'ון לואו מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין המרכזית בהשתתפות ואדים מיליוקוב מה-SAI של אוניברסיטת מוסקבה.

כדי לצמצם את השגיאה, החוקרים חזרו על ניסויים בכמה מכשירים עם עיצובים שונים מהותית וערכי פרמטרים שונים. בהתקנות מהסוג הראשון נמדד הקבוע בשיטת TOS (זמן התנופה) שבה הערך גנקבע על ידי תדירות התנודה של מאזן הפיתול. כדי לשפר את הדיוק, התדירות נמדדת עבור שתי תצורות שונות: בתצורת "קרוב", המסות החיצוניות קרובות למיקום שיווי המשקל של המאזן (תצורה זו מוצגת באיור), ובתצורה "רחוק". הם מאונכים למיקום שיווי המשקל. כתוצאה מכך, תדירות התנודה בתצורת "רחוק" מתבררת מעט פחותה מאשר בתצורת "קרוב", וזה מאפשר לנו לחדד את הערך ג.

מנגד, מתקנים מהסוג השני הסתמכו על שיטת AAF (זווית-האצה-משוב) - בשיטה זו עול מאזן הפיתול והמסה החיצונית מסתובבים באופן עצמאי, ותאוצת הזווית שלהם נמדדת באמצעות מערכת בקרה. עם מָשׁוֹב, מה ששומר על החוט לא מסובב. זה מאפשר להיפטר משגיאות שיטתיות הקשורות לאי-הומוגניות של החוט וחוסר הוודאות של התכונות האלסטיות שלו.

ערכת מערכי ניסוי למדידת קבוע הכבידה: שיטת TOS (א) ו-AAF (ב)

צ'ינג לי וחב'. / טבע

צילומים של מערכי ניסוי למדידת קבוע הכבידה: שיטות TOS (a–c) ו-AAF (d–f)

צ'ינג לי וחב'. / טבע

בנוסף, פיזיקאים ניסו למזער טעויות שיטתיות אפשריות. ראשית, הם בדקו שהגופים הכובדים שמשתתפים בניסויים הם אכן הומוגניים וקרובים לצורה כדורית - הם בנו את התפלגות הצפיפות המרחבית של הגופים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק, וכן מדדו את המרחק בין המרכז הגיאומטרי למרכז מסה בשתי שיטות עצמאיות. כתוצאה מכך, מדענים היו משוכנעים שתנודות הצפיפות אינן עולות על 0.5 חלקים למיליון, והאקסצנטריות - חלק למיליון. בנוסף, החוקרים סובבו את הכדורים בזווית אקראית לפני כל ניסוי כדי לפצות על פגמים.

שנית, פיזיקאים לקחו בחשבון שהבולם המגנטי, המשמש לדיכוי תנודות מצב האפס של החוט, יכול לתרום למדידת הקבוע ג, ולאחר מכן שינה את עיצובו באופן שהתרומה הזו לא עלתה על כמה חלקים למיליון.

שלישית, המדענים כיסו את פני ההמונים בשכבה דקה של נייר זהב כדי להיפטר מהשפעות אלקטרוסטטיות, וחישבו מחדש את רגע האינרציה של מאזן הפיתול כדי לקחת את הרדיד בחשבון. על ידי ניטור הפוטנציאלים האלקטרוסטטיים של חלקי המתקן במהלך הניסוי, פיסיקאים אישרו שמטענים חשמליים אינם משפיעים על תוצאות המדידה.

רביעית, החוקרים לקחו בחשבון שבשיטת AAF מתרחש פיתול באוויר, והתאימו את תנועת הנדנדה כדי להתחשב בהתנגדות האוויר. בשיטת TOS, כל חלקי ההתקנה היו בתא ואקום, כך שניתן היה להתעלם מהשפעות כאלה.

חמישית, הנסיינים שמרו על טמפרטורת ההגדרה קבועה לאורך כל הניסוי (התנודות לא עלו על 0.1 מעלות צלזיוס), וגם מדדו ברציפות את טמפרטורת החוט ותיקנו את הנתונים תוך התחשבות בשינויים שכמעט ולא מורגשים בתכונות האלסטיות שלו.

לבסוף, מדענים לקחו בחשבון שציפוי המתכת של הכדורים מאפשר להם אינטראקציה שדה מגנטיכדור הארץ, והעריך את גודל ההשפעה הזו. במהלך הניסוי, מדענים קראו את כל הנתונים בכל שנייה, כולל זווית סיבוב החוט, טמפרטורה, תנודות בצפיפות האוויר והפרעות סיסמיות, ולאחר מכן בנו תמונה מלאה וחישבו את ערך הקבוע ג.

המדענים חזרו על כל אחד מהניסויים פעמים רבות ועשו ממוצע של התוצאות, ולאחר מכן שינו את פרמטרי ההגדרה והחלו את המחזור מחדש. בפרט, החוקרים ערכו ניסויים בשיטת TOS עבור ארבעה חוטי קוורץ בקטרים ​​שונים, ובשלושה ניסויים עם ערכת AAF שינו מדענים את תדירות האות המווסת. לפיסיקאים נדרשו כשנה לאמת כל אחד מהערכים, ובסך הכל נמשך הניסוי יותר משלוש שנים.

(א) תלות בזמן של תקופת התנודה של מאזן הפיתול בשיטת TOS; הנקודות הלילך מתאימות לתצורת "קרוב", הנקודות הכחולות מתאימות ל"רחוק". (ב) ערכים ממוצעים של קבוע הכבידה עבור הגדרות TOS שונות

ניסויים למדידת קבוע הכבידה G, שבוצעו ב השנים האחרונותמספר קבוצות מראות פער בולט זו לזו. המדידה החדשה שפורסמה לאחרונה, שנעשתה בלשכה הבינלאומית למשקלים ומידות, שונה מכולן ורק מחמירה את הבעיה. קבוע הכבידה נשאר כמות בלתי מתפשרת במיוחד למדידה מדויקת.

מדידות קבועות כבידה

קבוע הכבידה G, הידוע גם כקבוע של ניוטון, הוא אחד הקבועים היסודיים החשובים ביותר של הטבע. זהו הקבוע שנכנס לחוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון; הוא אינו תלוי בתכונות של משיכת גופים, ולא בתנאי הסביבה, אלא מאפיין את עוצמת כוח הכבידה עצמו. מטבע הדברים, מאפיין כה בסיסי של העולם שלנו חשוב לפיזיקה, ויש למדוד אותו במדויק.

עם זאת, המצב עם מדידת G עדיין חריג מאוד. בניגוד לקבועים יסודיים רבים אחרים, קשה מאוד למדוד את קבוע הכבידה. העובדה היא שניתן להשיג תוצאה מדויקת רק בניסויי מעבדה, על ידי מדידת כוח המשיכה של שני גופים בעלי מסה ידועה. לדוגמה, בניסוי הקלאסי של הנרי קוונדיש (איור 2), משקולת של שני כדורים כבדים תלויה על חוט דק, וכאשר גוף מאסיבי נוסף נדחק אל הכדורים הללו מהצד, כוח הכבידה נוטה לסובב את זה. משקולת בזווית כלשהי, בעוד מומנט הסיבוב של הכוחות הוא נימה מעוותת מעט לא יפצה על כוח המשיכה. על ידי מדידת זווית הסיבוב של המשקולת והכרת התכונות האלסטיות של החוט, ניתן לחשב את כוח הכבידה, ומכאן את קבוע הכבידה.

מכשיר זה (הוא נקרא "איזון פיתול") בשינויים שונים משמש בניסויים מודרניים. מדידה כזו היא פשוטה מאוד במהותה, אך קשה בביצוע, שכן היא דורשת ידע מדויק לא רק של כל המסות וכל המרחקים, אלא גם את התכונות האלסטיות של החוט, וגם מחייבת למזער את כל תופעות הלוואי, הן מכניות והן תרמיות. . אולם לאחרונה, המדידות הראשונות של קבוע הכבידה הופיעו בשיטות אינטרפרומטריות אחרות, אטומיות, המשתמשות בטבע הקוונטי של החומר. עם זאת, הדיוק של מדידות אלו עדיין נחות בהרבה ממתקנים מכניים, אם כי, אולי, העתיד טמון בהם (לפירוט, ראה חדשות קבוע הכבידה נמדד בשיטות חדשות, "אלמנטים", 22/01/2007) .

כך או אחרת, אבל למרות יותר ממאתיים שנות היסטוריה, דיוק המדידות נותר צנוע מאוד. הערך ה"רשמי" הנוכחי המומלץ על ידי ארה"ב המכון הלאומיסטנדרטיזציה (NIST) היא (6.67384 ± 0.00080) 10 -11 מ' 3 ק"ג -1 ש' -2. השגיאה היחסית כאן היא 0.012%, או 1.2 10 -4, או, בסימון המוכר עוד יותר לפיזיקאים, 120 ppm (מיליוניות), וזה גרוע בכמה סדרי גודל מדיוק המדידה של כמויות אחרות לא פחות חשובות. יתרה מכך, כבר כמה עשורים שמדידת קבוע הכבידה לא חדלה להיות מקור לכאב ראש עבור פיזיקאים ניסויים. למרות עשרות ניסויים שבוצעו ושיפור טכניקת המדידה עצמה, דיוק המדידה נותר נמוך. שגיאה יחסית של 10-4 התקבלה לפני 30 שנה, ומאז לא חל שיפור.

המצב נכון לשנת 2010

בשנים האחרונות המצב הפך דרמטי עוד יותר. בין השנים 2008 ל-2010 פרסמו שלוש קבוצות מדידות G חדשות. צוות נסיינים עבד על כל אחת מהן במשך שנים, לא רק מדידה ישירה של G, אלא גם חיפשה ובדקה מחדש את כל מקורות הטעות האפשריים. כל אחת משלוש המדידות הללו הייתה מדויקת ביותר: השגיאות היו 20-30 עמודים לדקה. בתיאוריה, שלוש המדידות הללו היו אמורות לשפר משמעותית את הידע שלנו לגבי הערך המספרי של G. הבעיה היחידה היא שכולן נבדלו זה מזה ב-200–400 ppm, כלומר בתריסר שגיאות מוצהרות! מצב זה נכון לשנת 2010 מוצג באיור. 3 ומתואר בקצרה בהערה מצב מביך עם קבוע הכבידה.

די ברור שקבוע הכבידה עצמו אינו אשם; זה באמת חייב להיות אותו דבר תמיד ובכל מקום. לדוגמא, ישנם נתוני לווין שלמרות שהם אינם מאפשרים מדידה טובה של הערך המספרי של הקבוע G, הם מאפשרים לאמת את השונות שלו - אם G השתנה בשנה בטריליון אחד לפחות (כלומר, עד 10 -12), זה כבר יהיה מורגש . לכן, המסקנה היחידה שנובעת מכך היא שבחלק (או חלק) משלושת הניסויים הללו קיימים מקורות טעויות לא ידועים. אבל במה?

הדרך היחידה לנסות להבין את זה היא לחזור על המדידות בהגדרות אחרות, רצוי בשיטות שונות. למרבה הצער, עדיין לא ניתן היה להשיג כאן מגוון מסוים של שיטות, שכן בכל הניסויים משתמשים בשיטה כזו או אחרת. מכשיר מכני. אבל עדיין, למימושים שונים עשויים להיות שגיאות אינסטרומנטליות שונות, והשוואת התוצאות שלהם תאפשר להבין את המצב.

מימד חדש

לפני כמה ימים במגזין מכתבי סקירה פיזיתמדידה אחת כזו פורסמה. קבוצה קטנה של חוקרים שעבדה בלשכה הבינלאומית למשקלים ומידות בפריז בנתה מכשיר מאפס שאיפשר למדוד את קבוע הכבידה בשניים דרכים שונות. זה אותו מאזן פיתול, רק לא עם שניים, אלא עם ארבעה צילינדרים זהים המורכבים על דיסק תלוי על חוט מתכת ( חלק פנימיהגדרות באיור. 1). ארבע המשקולות הללו פועלות באופן כבידתי עם ארבעה צילינדרים אחרים וגדולים יותר המורכבים על קרוסלה שניתן לסובב לזווית שרירותית. הסכימה עם ארבעה גופים במקום שניים מאפשרת למזער את האינטראקציה הכבידה עם עצמים הממוקמים באופן א-סימטרי (לדוגמה, קירות חדר מעבדה) ולהתמקד במיוחד בכוחות הכבידה בתוך המתקן. לחוט עצמו אין חתך עגול, אלא מלבני; זה דווקא לא חוט, אלא רצועת מתכת דקה וצרה. בחירה זו מאפשרת להעביר באופן שווה יותר את העומס לאורכו ולמזער את התלות בתכונות האלסטיות של החומר. כל המנגנון נמצא בוואקום ובמצב מסוים משטר טמפרטורה, שנשמר עד מאיית המעלה הקרובה.

מכשיר זה מאפשר לבצע שלושה סוגי מדידות של קבוע הכבידה (ראו פירוט במאמר עצמו ובעמוד קבוצת המחקר). ראשית, זהו רפרודוקציה מילולית של ניסוי קוונדיש: עומס הועלה, הקשקשים הסתובבו דרך זווית מסוימת, וזווית זו נמדדת על ידי המערכת האופטית. שנית, ניתן לשגר אותו במצב של מטוטלת פיתול, כאשר המתקן הפנימי מסתובב מעת לעת קדימה ואחורה, ונוכחותם של גופים מסיביים נוספים משנה את תקופת התנודה (עם זאת, החוקרים לא השתמשו בשיטה זו). לבסוף, ההתקנה שלהם מאפשרת לך למדוד את כוח הכבידה אין תורמשקולות. זה מושג בעזרת בקרת סרוו אלקטרוסטטית: מטענים חשמליים מוחלים על הגופים המקיימים אינטראקציה כך שהדחייה האלקטרוסטטית מפצה במלואה על המשיכה הכבידה. גישה זו מאפשרת לנו להיפטר משגיאות אינסטרומנטליות הקשורות ספציפית למכניקת הסיבוב. מדידות הראו ששתי השיטות, הקלאסיות והאלקטרוסטטיות, נותנות תוצאות עקביות.

תוצאת המדידה החדשה מוצגת כנקודה אדומה באיור. 4. ניתן לראות שהמדידה הזו לא רק שלא פתרה את הנקודה הכואבת, אלא גם החריפה את הבעיה עוד יותר: היא שונה מאוד מכל המדידות האחרונות. אז, עד עכשיו יש לנו כבר ארבע (או חמש, אם סופרים את הנתונים שלא פורסמו מקבוצת קליפורניה) מדידות שונות ובו בזמן די מדויקות, ו כולם נפרדים זה מזה באופן דרסטי!ההבדל בין שני הערכים הקיצוניים ביותר (וכרונולוגית העדכניים ביותר) כבר עולה 20(!) הכריזו על שגיאות.

לגבי הניסוי החדש, הנה מה שצריך להוסיף. קבוצת חוקרים זו כבר ביצעה ניסוי דומה ב-2001. ואז הם גם קיבלו ערך קרוב לזה הנוכחי, אבל רק מעט פחות מדויק (ראה איור 4). אפשר לחשוד שהם פשוט חוזרים על מדידות על אותה חומרה, אם לא "אבל" אחד - אז זה היה אַחֵרהַתקָנָה. מהמפעל הישן ההוא לקחו כעת רק את הצילינדרים החיצוניים במשקל 11 ק"ג, אבל כל המנגנון המרכזי נבנה כעת מחדש. אם באמת הייתה להם איזושהי השפעה לא ברורה הקשורה ספציפית לחומרים או לייצור של המכשיר, אז זה בהחלט יכול לשנות ו"לגרור" תוצאה חדשה. אבל התוצאה נשארה בערך באותו מקום כמו ב-2001. מחברי העבודה רואים בכך הוכחה נוספת לטוהר ומהימנות המדידות שלהם.

המצב כאשר ארבע או חמש תוצאות מתקבלות בבת אחת קבוצות שונות, את כלשונים בתריסר או שניים מהטעויות המוצהרות, כנראה חסרות תקדים לפיזיקה. לא משנה כמה גבוה הדיוק של כל מדידה ולא משנה כמה המחברים יהיו גאים, כעת אין לזה חשיבות לביסוס האמת. ולעת עתה, נסה לברר על הבסיס שלהם ערך אמיתיקבוע כבידה יכול להיעשות רק בדרך אחת: שים ערך איפשהו באמצע והקצה שגיאה שתכסה את כל המרווח הזה (כלומר, פעם וחצי עד פעמיים לְהַחרִיףהשגיאה המומלצת הנוכחית). אפשר רק לקוות שהמדידות הבאות ייכנסו למרווח הזה ויתנו בהדרגה עדיפות לערך אחד.

כך או אחרת, אבל קבוע הכבידה ממשיך להיות פאזל של פיזיקת המדידה. בעוד כמה שנים (או עשורים) המצב הזה באמת יתחיל להשתפר, כעת קשה לחזות.

קבוע כבידה- מקדם מידתיות גבצורה המתארת חוק הכבידה.

הערך המספרי והממד של G.p תלויים בבחירת מערכת היחידות למדידת מסה, אורך וזמן. G. p. G, שיש לו הממד L 3 M -1 T -2, שבו האורך ל, משקל Mוהזמן טמבוטא ביחידות SI, נהוג לקרוא ל-Cavendish G. p. זה נקבע בניסוי מעבדה. ניתן לחלק את כל הניסויים על תנאי לשתי קבוצות.

בקבוצת הניסויים הראשונה, כוח הכבידה. אינטראקציה מושווה לכוח האלסטי של החוט של מאזן פיתול אופקי. הם נדנדה קלה, שבקצותיו קבועות מסות ניסיון שוות. על חוט אלסטי דק, הנדנדה תלויה בכוח המשיכה. שדה מסה התייחסות. ערך כוח הכבידה. האינטראקציה בין מסות הבדיקה והייחוס (וכתוצאה מכך, גודל ה-G.p.) נקבעת על ידי זווית הפיתול של החוט (שיטה סטטית) או על ידי השינוי בתדירות מאזן הפיתול כאשר מסות התייחסות מועברות (שיטה דינמית). לראשונה G. של הפריט באמצעות מאזני פיתול שהוגדרו בשנת 1798 G. Cavendish (H. Cavendish).

בקבוצת הניסויים השנייה, כוח הכבידה. אינטראקציה מושווה עם , שעבורה נעשה שימוש בסולם איזון. בדרך זו, G. p. זוהה לראשונה על ידי Ph. Jolly בשנת 1878.

ערך ה-Cavendish G. P., כלול ב-Intern. אַסתֵר. איחוד במערכת האסטרלי. קבע (SAP) 1976, המשמש עד היום, שהושג ב-1942 על ידי פ. הייל ופ' צ'רזנובסקי במשרד הלאומי האמריקאי למידות ותקנים. בברית המועצות, G.p. הוגדר לראשונה ב-State Astr. באלה אותם. P. K. Sternberg (GAISh) באוניברסיטת מוסקבה.

בכל מודרני נעשה שימוש בהגדרות של Cavendish G. של סולמות הפיתול של הפריט (tab.). בנוסף לאלו שהוזכרו לעיל, נעשה שימוש גם באופני פעולה אחרים של מאזני פיתול. אם מסות הייחוס מסתובבות סביב ציר חוט הפיתול בתדירות השווה לתדירות התנודות הטבעיות של המאזן, אזי ניתן לשפוט את גודל ה-Gp על פי שינוי התהודה באמפליטודה של תנודות הפיתול (שיטת התהודה). שינוי דינמי. שיטה היא שיטה סיבובית, שבה הפלטפורמה, יחד עם משקולות הפיתול ומסות הייחוס המותקנות עליה, מסתובבת עם עמוד. ang. מְהִירוּת.

			הערך של קבוע הכבידה הוא 10 -11 מ' 3 / ק"ג * ש' 2
	הייל, חרז'אנובסקי (ארה"ב), 1942	דִינָמִי
	Rose, Parker, Beams וחב' (ארה"ב), 1969	מַחזוֹרִי
	רנר (הונגריה), 1970	מַחזוֹרִי
	פאסי, פונטיקיס, לוקאס (צרפת), 1972	תְהוּדָה-	6.6714b0.0006
	שגיטוב, מיליוקוב, מונאכוב ואח' (ברית המועצות), 1978	דִינָמִי	6.6745b0.0008
	לותר, טאולר (ארה"ב), 1982	דִינָמִי	6.6726b0.0005

נתון בטבלה. RMS שגיאות מצביעות על פנימיות התכנסות של כל תוצאה. אי התאמה מסוימת בין ערכי G.p., המתקבלים בניסויים שונים, נובעת מכך שהגדרת G.p. דורשת מדידות מוחלטות ולכן אפשריות שיטתיות. שגיאות ב תוצאות. ברור שניתן לקבל ערך אמין של G.p רק כאשר לוקחים בחשבון דצמבר. הגדרות.

הן בתורת הכבידה של ניוטון והן בתורת היחסות הכללית (GR) של איינשטיין, G.p. נחשבת כקבוע אוניברסלי של הטבע, שאינו משתנה במרחב ובזמן ואינו תלוי בפיזיקלי. ו-chem. תכונות של המסה הבינונית והכבידה. ישנן גרסאות של תורת הכבידה המנבאות את השונות של ה-Gp (לדוגמה, התיאוריה של דיראק, תיאוריות הכבידה הסקלריות-טנסוריות). כמה דגמים של מורחב כוח כבידה על(הכללה קוונטית של תורת היחסות הכללית) מנבאים גם את התלות של ה-G.p במרחק בין המסות המקיימות אינטראקציה. עם זאת, הנתונים התצפיתיים הזמינים כיום, כמו גם ניסויי מעבדה שתוכננו במיוחד, אינם מאפשרים לנו עדיין לזהות שינויים ב-G.p.

מוּאָר.:שגיטוב M. U., The constant of gravitation and, M., 1969; Sagitov M. U. et al., New definition of the Cavendish gravitational constant, DAN SSSR, 1979, vol. 245, p. 567; Milyukov V.K., האם זה משתנה קבוע כבידה?, "טבע", 1986, מס' 6, עמ'. 96.