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, например, килограммы. При этом из-за слабости гравитационного взаимодействия и результирующей малой точности измерений гравитационной постоянной отношения масс космических тел обычно известны намного точнее, чем индивидуальные массы в килограммах.
Гравитационная постоянная является одной из основных единиц измерения в планковской системе единиц .
Гравитационная постоянная фигурирует в современной записи закона всемирного тяготения , однако отсутствовала в явном виде у Ньютона и в работах других ученых вплоть до начала XIX века. Гравитационная постоянная в нынешнем виде впервые была введена в закон всемирного тяготения, по-видимому, только после перехода к единой метрической системе мер. Возможно впервые это было сделано французским физиком Пуассоном в «Трактате по механике» (1809), по крайней мере никаких более ранних работ, в которых фигурировала бы гравитационная постоянная, историками не выявлено [ ] .
G = 6,67554(16) × 10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 (стандартная относительная погрешность 25 ppm (или 0,0025 %), первоначальное опубликованное значение несколько отличалось от окончательного из-за ошибки в расчётах и было позже исправлено авторами) .Гравитационная постоянная, постоянная Ньютона - фундаментальная физическая постоянная, константа гравитационного взаимодействия.
Гравитационная постоянная фигурирует в современной записи закона всемирного тяготения, однако отсутствовала в явном виде у Ньютона и в работах других ученых вплоть до начала XIX века.
Гравитационная постоянная в нынешнем виде впервые была введена в закон всемирного тяготения, по-видимому, только после перехода к единой метрической системе мер. Возможно, впервые это было сделано французским физиком Пуассоном в «Трактате по механике» (1809). По крайней мере никаких более ранних работ, в которых фигурировала бы гравитационная постоянная, историками не выявлено.
В 1798 году Генри Кавендиш поставил эксперимент с целью определения средней плотности Земли с помощью крутильных весов, изобретённых Джоном Митчеллом (Philosophical Transactions 1798). Кавендиш сравнивал маятниковые колебания пробного тела под действием тяготения шаров известной массы и под действием тяготения Земли. Численное значение гравитационной постоянной было вычислено позже на основе значения средней плотности Земли. Точность измеренного значения G со времён Кавендиша увеличилась, но и его результат был уже достаточно близок к современному.
В 2000 г. было получено значение гравитационной постоянной
см 3 г -1 c -2 , с погрешностью 0,0014%.
Последнее значение гравитационной постоянной было получено группой ученых в 2013, работавших под эгидой Международного Бюро Мер и Весов, и оно составляет
см 3 г -1 c -2 .
В будущем, если опытным путём будет установлено более точное значение гравитационной постоянной, то оно может быть пересмотрено.
Значение этой постоянной известно гораздо менее точно, чем у всех других фундаментальных физических постоянных, и результаты экспериментов по его уточнению продолжают различаться. В то же время известно, что проблемы не связаны с изменением самой постоянной от места к месту и во времени, но вызваны экспериментальными трудностями измерения малых сил с учётом большого числа внешних факторов.
По астрономическим данным постоянная G практически не изменялась за последние сотни миллионов лет, ее относительное изменение не превышает 10 ?11 - 10 ?12 в год.
Согласно Ньютоновскому закону всемирного тяготения, сила гравитационного притяжения F между двумя материальными точками с массами m 1 и m 2 , находящимися на расстоянии r , равна:
Коэффициент пропорциональности G в этом уравнении называется гравитационной постоянной. Численно она равна модулю силы тяготения, действующей на точечное тело единичной массы со стороны другого такого же тела, находящегося от него на единичном расстоянии.
В единицах Международной системы единиц (СИ) рекомендованное Комитетом данных для науки и техники (CODATA) на 2008 год значение было
G = 6,67428 (67)·10 ?11 м 3 ·с?2 ·кг?1
в 2010 году значение было исправлено на:
G = 6,67384 (80)·10 ?11 м 3 ·с?2 ·кг?1 , или Н·мІ·кг?2 .
В октябре 2010 в журнале Physical Review Letters появилась статья, предлагающая уточнённое значение 6,67234 (14), что на три стандартных отклонения меньше величины G , рекомендованной в 2008 г. комитетом данных для науки и техники (CODATA), но соответствует более раннему значению CODATA, представленному в 1986 г.
Пересмотр величины G , произошедший в период с 1986 г. по 2008 г., был вызван исследованиями неупругости нитей подвесок в крутильных весах.
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, например, килограммы. При этом из-за слабости гравитационного взаимодействия и результирующей малой точности измерений гравитационной постоянной отношения масс космических тел обычно известны намного точнее, чем индивидуальные массы в килограммах.
ГРАВИТАЦИОННАЯ ПОСТОЯННАЯ
- коэффициент пропорциональности G
в ф-ле, описывающей всемирного
тяготения закон
.
Числовое значение и размерность
Г. п. зависят от выбора системы единиц измерения массы, длины и времени. Г.
п. G, имеющую размерность L 3 M -1 T -2
, где
длина L
, масса M
и время T
выражены в единицах СИ, принято
называть кавендишевой Г. п. Она определяется в лабораторном эксперименте. Все
эксперименты можно условно разделить на две группы.
В первой группе экспериментов
сила гравитац. взаимодействия сравнивается с упругой силой нити горизонтальных
крутильных весов. Они представляют собой лёгкое коромысло, на концах к-рого
укреплены равные пробные массы. На тонкой упругой нити коромысло подвешено в
гравитац. поле эталонных масс. Величина гравитац. взаимодействия пробных и эталонных
масс (а следовательно, и величина Г. п.) определяется либо по углу закручивания
нити (статич. метод), либо по изменению частоты крутильных весов при
перемещении эталонных масс (динамич. метод). Впервые Г. п. с помощью крутильных
весов определил в 1798 Г. Кавендиш (H. Cavendish).
Во второй группе экспериментов
сила гравитац. взаимодействия сравнивается с , для чего используются
рычажные весы. Этим способом Г. п. была впервые определена Ф. Йолли (Ph. Jolly)
в 1878.
Значение кавендишевой Г.
п., включённое Междунар. астр. союзом в Систему астр. постоянных (САП) 1976,
к-рым пользуются до настоящего времени, получено в 1942 П. Хейлом (P. Heyl)
и П. Хржановским (P. Chrzanowski) в Национальном бюро мер и стандартов США.
В СССР Г. п. впервые была определена в Государственном астр. ин-те им. П. К.
Штернберга (ГАИШ) при МГУ.
Во всех совр. определениях
кавендишевой Г. п. (табл.) были использованы крутильные весы. Помимо названных
выше, применялись и др. режимы работы крутильных весов. Если эталонные массы
вращаются вокруг оси крутильной нити с частотой, равной частоте собственных
колебаний весов, то по резонансному изменению амплитуды крутильных колебаний
можно судить о величине Г. п. (резонансный метод). Модификацией динамич. метода
является ротационный метод, в к-ром платформа вместе с установленными на ней
крутильными весами и эталонными массами вращается с пост. угл. скоростью.
Величина гравитационной
постоянной 10 -11 м 3 /кг*с 2 |
||||
Хейл, Хржановский
(США), 1942 |
динамический |
|||
Роуз, Паркер, Бимс
и др. (США), 1969 |
ротационный |
|||
Реннер (ВНР), 1970 |
ротационный |
|||
Фаси, Понтикис,
Лукас (Франция), 1972 |
резонанс- |
6,6714b0,0006 |
||
Сагитов, Милюков,
Монахов и др. (СССР), 1978 |
динамический |
6,6745b0,0008 |
||
Лютер, Таулер(США),
1982 |
динамический |
6,6726b0,0005 |
||
Приведённые в табл. среднеквадратич.
ошибки указывают на внутр. сходимость каждого результата. Нек-рое расхождение
значений Г. п., полученных в разных экспериментах, связано с тем, что определение
Г. п. требует абсолютных измерений и поэтому возможны систематич. ошибки в отд.
результатах. Очевидно, достоверное значение Г. п. может быть получено только
при учёте разл. определений.
Как в теории тяготения
Ньютона, так и в общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна Г. п. рассматривается
как универсальная константа природы, не меняющаяся в пространстве и времени
и независящая от физ. и хим. свойств среды и гравитирующих масс. Существуют
варианты теории гравитации, предсказывающие переменность Г. п. (напр., теория
Дирака, скалярно-тензорные теории гравитации). Нек-рые модели расширенной супергравитации
(квантового обобщения ОТО) также предсказывают зависимость Г. п. от расстояния
между взаимодействующими массами. Однако имеющиеся в настоящее время наблюдательные
данные, а также специально поставленные лабораторные эксперименты пока не позволяют
обнаружить изменения Г. п.
Лит.:
Сагитов M.
У., Постоянная тяготения и , M., 1969; Сагитов M. У. и др., Новое
определение кавендишевой гравитационной постоянной, "ДАН СССР",
1979, т. 245, с. 567; Милюков В. К., Изменяется ли гравитационная постоянная
?,
"Природа", 1986, № 6, с. 96.
коэффициент пропорциональности G в формуле, выражающей закон тяготения Ньютона F = G mM / r 2 , где F - сила притяжения, М и m - массы притягивающихся тел, r - расстояние между телами. Другие обозначения Г. п.: γ или f (реже k 2 ). Числовое значение Г. п. зависит от выбора системы единиц длины, массы, силы. В СГС системе единиц (См. СГС система единиц)
G = (6,673 ± 0,003)․10 -8 дн ․см 2 ․г -2
или см 3 ․г --1 ․сек -2 , в Международной системе единиц (См. Международная система единиц)
G = (6,673 ± 0,003)․10 -11 ․н ․м 2 ․кг --2
или м 3 ․кг -1 ․сек -2 . Наиболее точное значение Г. п. получено из лабораторных измерений силы притяжения между двумя известными массами с помощью крутильных весов (См. Крутильные весы).
При вычислении орбит небесных тел (например, спутников) относительно Земли используется геоцентрическая Г. п. - произведение Г. п. на массу Земли (включая её атмосферу):
GE = (3,98603 ± 0,00003)․10 14 ․м 3 ․сек -2 .
При вычислении орбит небесных тел относительно Солнца используется гелиоцентрическая Г. п. - произведение Г. п. на массу Солнца:
GS s = 1,32718․10 20 ․ м 3 ․сек -2 .
Эти значения GE и GS s соответствуют системе фундаментальных астрономических постоянных (См. Фундаментальные астрономические постоянные), принятой в 1964 на съезде Международного астрономического союза.
Ю. А. Рябов.
Физическая энциклопедия
Физическая энциклопедия
Астрономический словарь
Мир Лема - словарь и путеводитель
Словарь геологических терминов
Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии
Толковый словарь по почвоведению
Большой энциклопедический политехнический словарь
Энциклопедический словарь по металлургии
Геологическая энциклопедия
Геологическая энциклопедия
Большая Советская энциклопедия
Большая Советская энциклопедия
Большая Советская энциклопедия
ГЛАВА 2 Образование нашей планеты: «холодная» и «горячая» гипотезы. Гравитационная дифференциация недр. Происхождение атмосферы и гидросферы Рассказ о происхождении Земли и Солнечной системы нам придется начать издалека. В 1687 году И. Ньютон вывел закон всемирного
Что представляет собой гравитационная линза? Одно из важных следствий общей теории относительности заключается в том, что гравитационное поле воздействует даже на свет. Проходя вблизи очень больших масс, световые лучи отклоняются. Чтобы объяснить идею гравитационных
Постоянная забота Наши комитеты уже спрашивают, каково будет их положение после ратификации Пакта. Некоторым друзьям, может быть, кажется, что официальная ратификация Пакта уже исключает всякую общественную инициативу и сотрудничество. Между тем на деле должно быть как
6.10. Гравитационная редукция вектора состояния Есть веские причины подозревать, что модификация квантовой теории - необходимая, если мы намерены выдать ту или иную форму R за реальный физический процесс, - должна самым серьезным образом задействовать эффекты
Аналогия с вулканом: гравитационная и центробежная энергии Чтобы объяснить, как этот вулкан связан с законами физики, придется слегка углубиться в технические детали.Для простоты будем считать, что «Эндюранс» движется в экваториальной плоскости Гаргантюа.
ГРАВИТАЦИОННАЯ ПУШКА ТРЕТЬЕГО РЕЙХА (По материалам В. Псаломщикова) В начале 1920-х годов в Германии была опубликована статья доцента Кёнигсбергского университета Т. Калуцы о «теории великого объединения», в которой он сумел опередить Эйнштейна, работавшего в то время
Что представляет собой гравитационная линза? Одно из важных следствий общей теории относительности заключается в том, что гравитационное поле воздействует даже на свет. Проходя вблизи очень больших масс, световые лучи отклоняются. Чтобы объяснить идею гравитационных
Способности кристаллов. Гравитационная подпитка Природные элементы, на протяжении миллионов лет выкристаллизовывавшиеся в глубинах земных недр, обладают особыми свойствами, позволяющими им максимально реализовать свои способности. А способности эти не так уж и малы.
Правило «Гравитационная горка» Мы уже договорились: все есть мысль; мысль есть Сила; движение Силы – волна. Поэтому боевое взаимодействие по сути не отличается от стирки белья. В обоих случаях имеет место волновой процесс.Вам надо усвоить, что волновой процесс жизни
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.