Гравитационная постоянная: определение, как и в каких единицах она вычисляется. Эксперимент Генри Кавендиша

Наблюдая за движением небесных объектов, люди пытались найти объяснение происходящим на небе событиям. Среди древних людей преобладали версии мистического характера. Но в 17 веке Исаак Ньютон предложил первое научное объяснение движения астрономических тел. Теория гравитации уточнялась в течение нескольких столетий, пока не приняла современный вид.

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

Однако, несмотря на наблюдения и опыт, в современной астрофизике существует множество пробелов и несоответствий, которые ученым трудно объяснить. Например, гравитационная постоянная, значение которой до сих пор не может быть определено с достаточной степенью точности. А в последнее время появились предположения, что это значение не совсем постоянно. В этой статье мы рассмотрим этот вопрос.

Что такое гравитационная постоянная

Гравитационная постоянная (постоянная Ньютона) — это коэффициент, входящий в формулу закона всемирного тяготения. Числовое значение гравитационной постоянной (G, GN или g:

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

Константа Ньютона не зависит от свойств взаимодействующих объектов и внешних критериев. Этот показатель активно используется практиками для расчета траекторий небесных объектов, в геологоразведочных процессах, в геодезии и геофизике.

Единица измерения гравитационной постоянной

Сила в физике сила измеряется в ньютонах:

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

Гравитационная постоянная численно равна силе, но имеет другую размерность:

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

Эта единица измерения выводится с помощью простых вычислений. Два тела массой 1 кг будут притягиваться друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

Коэффициент, уравнивающий H и единицу измерения гравитационной постоянной, рассчитывается следующим образом:

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

Как найти гравитационную постоянную, история открытия

Открытию явления гравитации предшествовали работы многих ученых. Еще в Древней Греции выдвигались гипотезы, пытавшиеся объяснить, почему материальные тела падают на землю, а не летят в произвольном направлении. История открытия гравитации представлена ​​в таблице.

Николай Коперник Он обосновал модель мира, в которой Солнце занимает центральное место, а вокруг него вращаются остальные объекты (гелиоцентрическая модель).
Уильям Гилберт Он предположил, что наша планета и ее спутник являются магнитами друг для друга, а магнитная сила Земли больше из-за ее большей массы.
Иоганн Кеплер Он сформулировал ряд законов, в том числе третий, который был использован при разработке теории тяготения: период обращения планет в квадрате соответствует большим полуосям орбит в кубе.
Галилео Галилей Он обосновал, что если на организм не оказывать никакого воздействия, то он останется бездействующим. Он сформулировал закон, смысл которого заключался в том, что все тела, независимо от силы тяжести, падают с одинаковой скоростью, а обратный путь пропорционален квадрату времени, за которое тело достигло земной поверхности.
Роберт Гук Он сформулировал закон всемирного тяготения для некруговых орбит и предложил Ньютону обосновать его математически. Он создал теорию всемирного тяготения.
Эдмунд Галлей Вычислите обратную зависимость между силой тяжести и квадратом расстояния.
Исаак Ньютон На основе работ своих предшественников он вывел закон всемирного тяготения.
Генри Кавендиш Я собрал прибор, с помощью которого можно определить значение гравитационной постоянной.
Симеон Дени Пуассон В его работе впервые появляется понятие гравитационной постоянной.

Ньютона интересовал вывод научных правил, а не чистота искомых значений. Экспериментаторы, использовавшие на практике формулу Ньютона, столкнулись с необходимостью введения поправочного коэффициента, который впоследствии стал известен как константа Ньютона. Возник вопрос, что такое гравитационная постоянная. Работа, последовавшая в этом направлении, показала, что гравитационную постоянную можно найти только экспериментально.

 Работы Ньютона

Научная база для обоснования закона всемирного тяготения была основательно разработана предшественниками Ньютона. Большинство расчетов было основано на 3-м законе Кеплера. Сила, удерживающая планеты на своих орбитах, пропорциональна центростремительному ускорению и должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра планеты до центра Солнца. Силу, которая заставляет объекты (печально известное яблоко) падать на землю, ученые сравнивают с силой, удерживающей Луну на своей орбите. Кроме того, физик установил центростремительное ускорение Луны по отношению к Земле.

Ранее величина ускорения свободного падения предметов устанавливалась экспериментально. Ученый использовал удобные для расчетов цифры: расстояние от Луны до центра Земли в 60 раз больше, чем расстояние от объекта, расположенного на поверхности земли. Если объект направить в центр земли, то за 1 секунду он пролетит так же, как луна пролетит за 1 минуту. Эксперименты подтвердили точность теоретических расчетов с погрешностью около 1%. Это указывало на общность происхождения гравитационных сил.

Отсюда можно сделать вывод, что сила взаимного притяжения должна быть равна каждой из масс. Также было подтверждено, что гравитация обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами. Исходя из вышеизложенного, формула закона всемирного тяготения будет иметь следующий вид:

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

где F — сила тяжести, g — гравитационная постоянная, m1 и m2 — массы объектов, R — расстояние между объектами.

Работы Ньютона способствовали решению следующих вопросов:

  1. движение тел по космическим орбитам;
  2. ускорение свободного падения;
  3. приливы морской воды;
  4. причины экваториальной выпуклости.

Эйнштейн использовал закон всемирного тяготения при разработке теории относительности. Гравитационная постоянная показывает связь между такими свойствами уравнений поля, как геометрия пространства-времени и тензор энергии-импульса.

Вместо G Ньютон использовал в своих расчетах «гравитационный параметр» µ. Практические наблюдения космических тел позволили с минимальной погрешностью определить значение µ для ряда небесных тел. Рассчитайте µ по формуле:

У=ГМ;

где G — гравитационная постоянная, M — масса объекта

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

Гравитационный параметр также появляется в работе Кеплера. В физике его используют для упрощения некоторых громоздких формул.

Экспериментальное определение гравитационной постоянной, эксперимент Кавендиша

Британец Джон Мичелл увековечил свое имя как создатель крутильных весов, с помощью которых впервые удалось определить значение g. Экспериментальное определение гравитационной постоянной не входило в планы ученого. Он хотел «взвесить» нашу планету. Однако Мичелл не успел реализовать свои планы, и сконструированное им устройство после его смерти досталось Генри Кавендишу.

Гравитационная постоянная: определение того, как и в каких единицах она рассчитывается. Эксперимент Генри Кавендиша

Установка для эксперимента Генри Кавендиша

Кавендиш завершил установку. Конструкция включала шестифутовый столб, прикрепленный к медному волокну длиной 1 м. Исследователь прикрепил два свинцовых шарика по 775 граммов к плечам качелей, соорудив таким образом руководство. Затем рядом с маленькими шарами он поместил большие шары массой 49,5 кг, что привело к возникновению явления гравитации между предметами. Строительный стержень отклонился от исходного положения, что позволило найти значение угла поворота мануала. Опыт Кавендиша оказался удачным: связав упругие свойства волокна, массу шариков, размер установки и величину угла, он определил массу земли и ее среднюю плотность. Сегодня эксперимент Кавендиша по-прежнему актуален; исследователи разрабатывают инновационные модификации устройства.

 Измерение гравитационной постоянной

С измерением степени точности гравитационной постоянной g сложилась парадоксальная ситуация. Последние многочисленные эксперименты определяют отклонение с точностью 10-4. Это на несколько порядков хуже точности определения других основных величин. Относительно точные результаты можно получить в лаборатории при измерении силы тяготения между двумя телами известной массы (модификация эксперимента Кавендиша). Новые атомно-интерферометрические приборы оказались непригодными для измерения гравитационной постоянной из-за гораздо большей погрешности, чем в опытах на механических приборах.

 Современная история изменений гравитационной постоянной

Эксцентричность ситуации с нахождением точного значения гравитационной постоянной привела к предположению, что G не постоянна в классическом смысле и может изменяться во времени. В уравнениях общей теории относительности Эйнштейн связал гравитационную постоянную и космологическую постоянную — параметр, влияющий на стабильность Вселенной.

Хаббл и Фридман экспериментально обосновали модель расширяющейся Вселенной, противоречащую теории Эйнштейна о стационарной Вселенной. Ученые давно перестали учитывать космологическую постоянную в своих расчетах. В конце 1990-х было обнаружено и подтверждено ускорение расширения Вселенной. Вновь открытые результаты не укладывались в теорию Хаббла-Фридмана, концепцию пришлось пересмотреть, а космологическую постоянную вернуть в физику.

Современная модель Вселенной Lambda-CDM учитывает космологическую постоянную. Эта концепция объясняет наличие антигравитации, «темной материи», реликтового излучения и является стандартом в астрофизике с 1998 года.

Интересно, что модель Lambda CDM хорошо коррелирует с космологией черных дыр. Все больше ученых склоняются к отказу от теории Большого взрыва, поскольку накопленные научные данные противоречат общепринятому взгляду на формирование Вселенной. Гипотеза о том, что пространство-время, которое мы видим (а вместе с ним и мы) бесконечно «падает» в гигантскую черную дыру, прекрасно согласуется с феноменом ускорения расширения Вселенной, «странностью» космического микроволнового фонового излучения, наличием темных иметь значение.

Современная история изменений гравитационной постоянной привела к попыткам астрономов переоценить этот физический параметр. Так Филип Мангейм считает, что константа g в зависимости от условий измерения может изменять свое значение. В условиях нашей планеты константа g будет иметь известное ученым значение, но в космосе значение G будет значительно меньше.

Космологическая постоянная, описывающая скорость расширения Вселенной, имеет расчетное значение, в 10120 раз превышающее наблюдаемое значение. Если бы значение g было правильным, галактики не успели бы сформироваться. Согласно Мангейму, в расчеты следует ввести новую величину, которая будет пропорциональна произведению космологической и гравитационной постоянных.

Такой подход устраняет имеющиеся противоречия, но имеет и свои недостатки: ставится под сомнение основа теории относительности, не объясняется существование космического микроволнового фонового излучения и двойных пульсаров. Достоинством идеи Мангейма является возможность синтеза теории гравитации и физики элементарных частиц в одно универсальное учение.

Как вы считаете, является ли постоянная Ньютона объективным параметром или мы просто не все знаем о физических явлениях?

Оцените статью
kuzyeti.ru
Добавить комментарий

Adblock
detector