Gravitaatiovakio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 26. lokakuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 4 muokkausta .

Gravitaatiovakio , Newtonin vakio (yleensä G , joskus G N tai γ ) [1]  on fysikaalinen perusvakio , gravitaatiovuorovaikutusvakio .

Newtonin yleisen gravitaatiolain mukaan vetovoima F kahden materiaalipisteen välillä , joiden massat ovat [2] m 1 ja m 2 etäisyydellä r , on yhtä suuri:

Suhteellisuustekijää G tässä yhtälössä kutsutaan gravitaatiovakioksi . Numeerisesti se on yhtä suuri kuin gravitaatiovoiman moduuli, joka vaikuttaa yksikköpainoiseen kappaleeseen toisesta samanlaisesta kappaleesta, joka sijaitsee yksikköetäisyydellä siitä.

Gravitaatiovakion mittausten tarkkuus on useita suuruusluokkia pienempi kuin muiden fysikaalisten suureiden mittausten tarkkuus [3] .

Kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) yksiköissä tiede- ja teknologiakomitean ( CODATA ) vuodelle 2020 [4] suosittelema gravitaatiovakion arvo on:

G \u003d 6.67430 (15) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 tai N m² kg −2 .

Gravitaatiovakio on perusta muiden fysikaalisten ja tähtitieteellisten suureiden, kuten maailmankaikkeuden planeettojen, mukaan lukien maapallon, sekä muiden kosmisten kappaleiden massojen muuttamiseksi perinteisiksi mittayksiköiksi, kuten kilogrammoiksi. Samaan aikaan gravitaatiovuorovaikutuksen heikkouden ja siitä johtuvan gravitaatiovakion mittausten alhaisen tarkkuuden vuoksi kosmisten kappaleiden massojen suhteet tunnetaan yleensä paljon tarkemmin kuin yksittäiset massat kilogrammoina.

Gravitaatiovakio on yksi Planckin yksikköjärjestelmän perusmittayksiköistä .

Mittaushistoria

Gravitaatiovakio esiintyy yleismaailmallisen gravitaatiolain nykyaikaisessa asiakirjassa , mutta se puuttui selvästi Newtonista ja muiden tutkijoiden töistä 1800-luvun alkuun asti. Gravitaatiovakio nykyisessä muodossaan otettiin ensimmäisen kerran yleisen painovoiman lakiin ilmeisesti vasta siirtymisen jälkeen yhteen metriseen mittajärjestelmään. Ehkä ensimmäistä kertaa tämän teki ranskalainen fyysikko Poisson Mekaniikan tutkielmassa (1809), ainakaan historioitsijat eivät ole tunnistaneet aikaisempia teoksia, joissa gravitaatiovakio esiintyisi. .

Henry Cavendish perusti vuonna 1798 kokeen määrittääkseen Maan keskimääräisen tiheyden käyttämällä vääntötasapainoa , jota John Michell ehdotti käyttämään tähän (Philosophical Transactions 1798). Cavendish vertasi testikappaleen heilurivärähtelyjä tunnetun massan omaavien pallojen painovoiman vaikutuksesta ja Maan painovoiman vaikutuksesta. Gravitaatiovakion numeerinen arvo laskettiin myöhemmin maan keskimääräisen tiheyden perusteella. G :n mitatun arvon tarkkuus on kasvanut Cavendishin ajoista, mutta hänen tuloksensa [5] oli jo melko lähellä nykyaikaista.

Tämän vakion arvo tunnetaan paljon vähemmän tarkasti kuin kaikkien muiden fysikaalisten perusvakioiden arvo, ja sen jalostuskokeiden tulokset vaihtelevat edelleen [6] [7] .

Samalla tiedetään, että ongelmat eivät liity itse vakion muutokseen paikasta toiseen ja ajassa ( gravitaatiovakion invarianssi on varmistettu tarkkuudella Δ G / G ~ 10 −17 ), mutta ne johtuvat kokeellisista vaikeuksista mitata pieniä voimia, kun otetaan huomioon suuri määrä ulkoisia tekijöitä [8] . Jatkossa, jos gravitaatiovakiolle saadaan kokeellisesti tarkempi arvo, sitä voidaan tarkistaa [9] [10] .

Vuonna 2013 kansainvälisen paino- ja mittatoimiston alaisuudessa työskentelevä tutkijaryhmä sai gravitaatiovakion arvon :

G \u003d 6,67554 (16) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 ( suhteellinen standardivirhe 25 ppm (tai 0,0025 %), alkuperäinen julkaistu arvo poikkesi hieman lopullisesta laskelmavirheen vuoksi ja korjattiin myöhemmin kirjoittajat) [11] [12] .

Kesäkuussa 2014 italialaisten ja hollantilaisten fyysikkojen artikkeli ilmestyi Nature -lehdessä , jossa esiteltiin uusia tuloksia atomiinterferometreillä tehdyistä G - mittauksista [13] . Niiden tulosten mukaan

G \u003d 6,67191 (99) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 virheellä 0,015 % (150 ppm).

Kirjoittajat huomauttavat, että koska atomiinterferometreillä tehty koe perustuu pohjimmiltaan erilaisiin lähestymistapoihin, se auttaa paljastamaan joitain systemaattisia virheitä, joita ei huomioida muissa kokeissa.

Elokuussa 2018 Nature -lehdessä Kiinan ja Venäjän fyysikot julkaisivat [14] tulokset uusista gravitaatiovakion mittauksista parantuneella tarkkuudella (virhe 12 ppm eli 0,0012 %). Käytettiin kahta riippumatonta menetelmää - vääntöjousituksen kääntöajan mittausta ja kulmakiihtyvyyden mittaamista, G -arvot saatiin vastaavasti:

G = 6,674184(78)⋅10 −11 m 3 s −2 kg −1 ; G = 6,674484(78)⋅10 −11 m 3 s −2 kg −1 .

Molemmat tulokset ovat kahden keskihajonnan sisällä suositellusta CODATA-arvosta, vaikka ne eroavat toisistaan ​​~2,5 keskihajonnan verran.

Tähtitieteellisten tietojen mukaan vakio G ei ole käytännössä muuttunut viimeisten satojen miljoonien vuosien aikana, sen suhteellisen muutoksen nopeus (d G /d t )/ G ei ylitä useita yksiköitä 10 −11  vuodessa [15] [16] [17] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Yleisessä suhteellisuusteoriassa G -kirjainta käyttäviä symboleja käytetään harvoin, koska siellä tätä kirjainta käytetään yleensä kuvaamaan Einsteinin tensoria.
  2. ↑ Määritelmän mukaan tähän yhtälöön sisältyvät massat ovat gravitaatiomassoja , mutta minkään kappaleen gravitaatio- ja inertiamassan suuruuden välistä eroa ei ole vielä kokeellisesti löydetty. Teoriassa nykyaikaisten ideoiden puitteissa ne tuskin eroavat toisistaan. Tämä on yleensä ollut vakiooletus Newtonin ajoista lähtien.
  3. ↑ Uudet gravitaatiovakion mittaukset hämmentävät tilannetta entisestään . Arkistokopio 25. elokuuta 2017 Wayback Machinessa // Elements.ru , 13.09.2013
  4. ↑ CODATA Fysikaalisten perusvakioiden kansainvälisesti suositellut  arvot . Haettu 7. maaliskuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 27. elokuuta 2011.
  5. ↑ Eri kirjoittajat antavat erilaisia ​​tuloksia, 6,754⋅10 −11 m²/kg² - (6,60 ± 0,04)⋅10 −11 m³/(kg s³) - katso Cavendishin koe # Laskettu arvo .
  6. ↑ Gillies GT Newtonin gravitaatiovakio Arkistoitu 12. huhtikuuta 2019 Wayback Machinessa // Sevres (Ranska), Bureau Intern. Poids et Mesures , 1983, 135 s.
  7. ↑ Lyakhovets V. D. Gravitaatiovakion mittausten metrologisen tuen ongelmat. // Painovoimateorian ja alkuainehiukkasten ongelmat. Numero 17. - M., Energoatomizdat, 1986. - s. 122-125.
  8. ↑ Igor Ivanov. Uudet gravitaatiovakion mittaukset hämmentävät tilannetta entisestään (13.9.2013). Haettu 14. syyskuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 21. syyskuuta 2013.
  9. ↑ Onko gravitaatiovakio niin vakio? Arkistokopio päivätty 14. heinäkuuta 2014 Wayback Machinessa
  10. ↑ Brooks, Michael Voiko Maan magneettikenttä vaikuttaa painovoimaan? . New Scientist (21. syyskuuta 2002). Arkistoitu alkuperäisestä 8. toukokuuta 2015.
  11. ↑ Quinn Terry , Parks Harold , Speake Clive , Davis Richard. Parannettu G :n määritys kahdella menetelmällä  //  Physical Review Letters. - 2013. - 5. syyskuuta ( nide 111 , nro 10 ). — ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.111.101102 .
  12. ↑ Quinn Terry , Speake Clive , Parks Harold , Davis Richard. Erratum: G :n parempi määritys kahdella menetelmällä [Phys. Rev. Lett. 111, 101102 (2013) ]  (englanniksi)  // Physical Review Letters. - 2014. - 15. heinäkuuta ( nide 113 , nro 3 ). — ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.113.039901 .
  13. ↑ Rosi G. , Sorrentino F. , Cacciapuoti L. , Prevedelli M. , Tino GM Newtonin gravitaatiovakion tarkkuusmittaus käyttäen kylmiä atomeja   // Luonto . - 2014. - Kesäkuu ( nide 510 , nro 7506 ). - s. 518-521 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/luonto13433 .
  14. ↑ Li Qing , Xue Chao , Liu Jian-Ping , Wu Jun-Fei , Yang Shan-Qing , Shao Cheng-Gang , Quan Li-Di , Tan Wen-Hai , Tu Liang-Cheng , Liu Qi , Xu Hao , Liu Lin -Xia , Wang Qing-Lan , Hu Zhong-Kun , Zhou Ze-Bing , Luo Peng-Shun , Wu Shu-Chao , Milyukov Vadim , Luo Jun. Gravitaatiovakion mittaukset kahdella riippumattomalla menetelmällä   // Luonto . - 2018. - elokuu ( nide 560 , nro 7720 ). - s. 582-588 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/s41586-018-0431-5 .
  15. ↑ van Flandern TC on painovoiman jatkuva muutos  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 1981. - syyskuu ( osa 248 ). - s. 813 . - doi : 10.1086/159205 . - .
    Tulos: (d G /d t )/ G = (−6,4 ± 2,2) × 10 −11 vuosi −1
  16. ↑ Verbiest JPW , Bailes M. , van Straten W. , Hobbs GB , Edwards RT , Manchester RN , Bhat NDR , Sarkissian JM , Jacoby BA , Kulkarni SR PSR J0437−4715:n tarkkuusajoitus: Tarkka pulsarin etäisyys, a , ja Newtonin gravitaatiovakion vaihtelun raja  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 2008. - 20. toukokuuta ( nide 679 , nro 1 ). - s. 675-680 . — ISSN 0004-637X . - doi : 10.1086/529576 .
    Tulos: | Ġ / G | ≤ 2,3 × 10 −11 vuotta −1
  17. ↑ Tähtien räjähdys todistaa Newtonin painovoiman muuttumattomuuden aika-avaruudessa . Haettu 24. maaliskuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 24. maaliskuuta 2014.

Linkit

 Planckin yksiköt
Main
Johdetut yksiköt
Käytetty
  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa