Gravitationskonstant

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 26 oktober 2021; kontroller kräver 4 redigeringar .

Gravitationskonstant , Newtons konstant (vanligtvis betecknad G , ibland GN eller γ ) [1] är  en fundamental fysisk konstant , gravitationsinteraktionskonstant .

Enligt Newtons universella gravitationslag är gravitationskraften F mellan två materialpunkter med massorna [2] m 1 och m 2 belägna på ett avstånd r lika med:

Proportionalitetsfaktorn G i denna ekvation kallas gravitationskonstanten . Numeriskt är det lika med modulen för gravitationskraften som verkar på en punktkropp med enhetsmassa från en annan liknande kropp belägen på ett enhetsavstånd från den.

Noggrannheten för mätningar av gravitationskonstanten är flera storleksordningar lägre än noggrannheten för mätningar av andra fysiska storheter [3] .

I enheter i International System of Units (SI) är värdet på gravitationskonstanten som rekommenderas av Committee for Data for Science and Technology ( CODATA ) för 2020 [4] :

G \u003d 6,67430 (15) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 , eller N m² kg −2 .

Gravitationskonstanten är grunden för att omvandla andra fysiska och astronomiska storheter, såsom massorna av planeterna i universum, inklusive jorden, såväl som andra kosmiska kroppar, till traditionella måttenheter, såsom kilogram. Samtidigt, på grund av svagheten i gravitationsinteraktionen och den resulterande låga noggrannheten för mätningar av gravitationskonstanten, är förhållandena mellan massorna av kosmiska kroppar vanligtvis kända mycket mer exakt än enskilda massor i kilogram.

Gravitationskonstanten är en av de grundläggande måttenheterna i Planck enhetssystemet .

Mäthistorik

Gravitationskonstanten förekommer i den moderna uppteckningen av lagen om universell gravitation , men var frånvarande uttryckligen från Newton och i andra vetenskapsmäns verk fram till början av 1800-talet. Gravitationskonstanten i sin nuvarande form infördes först i lagen om universell gravitation, uppenbarligen först efter övergången till ett enda metriskt måttsystem. Kanske för första gången gjordes detta av den franske fysikern Poisson i Treatise on Mechanics (1809), åtminstone inga tidigare verk där gravitationskonstanten skulle förekomma har identifierats av historiker. .

År 1798 startade Henry Cavendish ett experiment för att bestämma jordens medeldensitet med hjälp av en torsionsbalans , som John Michell föreslog att använda för detta (Philosophical Transactions 1798). Cavendish jämförde pendelsvängningarna hos en testkropp under påverkan av tyngdkraften hos bollar med känd massa och under påverkan av jordens tyngdkraft. Gravitationskonstantens numeriska värde beräknades senare på basis av jordens medeldensitet. Noggrannheten i det uppmätta värdet på G har ökat sedan Cavendishs tid, men hans resultat [5] var redan ganska nära det moderna.

Värdet på denna konstant är känt mycket mindre exakt än det för alla andra fundamentala fysikaliska konstanter, och resultaten av experiment på dess förfining fortsätter att skilja sig åt [6] [7] .

Samtidigt är det känt att problemen inte är relaterade till förändringen i själva konstanten från plats till plats och i tid ( gravitationskonstantens invarians har verifierats med en noggrannhet på Δ G / G ~ 10 −17 ), men orsakas av experimentella svårigheter att mäta små krafter, med hänsyn till ett stort antal externa faktorer [8] . I framtiden, om ett mer exakt värde på gravitationskonstanten experimentellt fastställs, kan det revideras [9] [10] .

Under 2013 erhölls värdet av gravitationskonstanten av en grupp forskare som arbetade under den internationella byrån för vikter och mått :

G \u003d 6,67554 (16) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 ( relativt standardfel25 ppm (eller 0,0025%), det ursprungliga publicerade värdet skiljde sig något från det sista på grund av ett fel i beräkningarna och korrigerades senare av författarna) [11] [12] .

I juni 2014 publicerades en artikel av italienska och holländska fysiker i tidskriften Nature , som presenterade nya resultat av G -mätningar gjorda med hjälp av atomära interferometrar [13] . Enligt deras resultat

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

Författarna påpekar att eftersom experimentet med atominterferometrar bygger på fundamentalt olika tillvägagångssätt, hjälper det till att avslöja några systematiska fel som inte beaktas i andra experiment.

I augusti 2018 publicerade fysiker från Kina och Ryssland [14] i tidskriften Nature resultaten av nya mätningar av gravitationskonstanten med förbättrad noggrannhet (fel 12 ppm, eller 0,0012%). Två oberoende metoder användes - mätningen av svängtiden för torsionsupphängningen och mätningen av vinkelaccelerationen , värdena för G erhölls , respektive:

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

Båda resultaten ligger inom två standardavvikelser från det rekommenderade CODATA-värdet, även om de skiljer sig från varandra med ~2,5 standardavvikelser.

Enligt astronomiska data har konstanten G praktiskt taget inte förändrats under de senaste hundratals miljoner åren, hastigheten för dess relativa förändring (d G /d t )/ G överstiger inte flera enheter med 10 −11  per år [15] [16] [17] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ I allmän relativitetsteori används sällan symboler som använder bokstaven G , eftersom den här bokstaven vanligtvis används för att beteckna Einstein-tensorn.
  2. ↑ Per definition är massorna som ingår i denna ekvation gravitationsmassor , men skillnaden mellan storleken på gravitations- och tröghetsmassan för någon kropp har ännu inte hittats experimentellt. Teoretiskt sett, inom ramen för moderna idéer, är de knappast olika. Detta har i allmänhet varit standardantagandet sedan Newtons tid.
  3. ↑ Nya mätningar av gravitationskonstanten förvirrar situationen ännu mer Arkivkopia av 25 augusti 2017 på Wayback Machine // Elements.ru , 09/13/2013
  4. ↑ CODATA Internationellt rekommenderade värden för de grundläggande fysiska  konstanterna . Hämtad 7 mars 2020. Arkiverad från originalet 27 augusti 2011.
  5. ↑ Olika författare ger olika resultat, från 6,754⋅10 −11 m²/kg² till (6,60 ± 0,04)⋅10 −11 m³/(kg s³) - se Cavendish experiment#Calculated value .
  6. ↑ Gillies GT The Newtonian Gravitational Constant Arkiverad 12 april 2019 på Wayback Machine // Sevres (Frankrike), Bureau Intern. Poids et Mesures , 1983, 135 sid.
  7. ↑ Lyakhovets V. D. Problem med metrologiskt stöd för mätningar av gravitationskonstanten. // Problem med teorin om gravitation och elementarpartiklar. Nummer 17. - M., Energoatomizdat, 1986. - sid. 122-125.
  8. ↑ Igor Ivanov. Nya mätningar av gravitationskonstanten förvirrar situationen ännu mer (13 september 2013). Hämtad 14 september 2013. Arkiverad från originalet 21 september 2013.
  9. ↑ Är gravitationskonstanten så konstant? Arkivexemplar daterad 14 juli 2014 på Wayback Machine
  10. ↑ Brooks, Michael Kan jordens magnetfält påverka gravitationen? . New Scientist (21 september 2002). Arkiverad från originalet den 8 maj 2015.
  11. ↑ Quinn Terry , Parks Harold , Speake Clive , Davis Richard. Förbättrad bestämning av G med två metoder  //  Physical Review Letters. - 2013. - 5 september ( vol. 111 , nr 10 ). — ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.111.101102 .
  12. ↑ Quinn Terry , Speake Clive , Parks Harold , Davis Richard. Erratum: Förbättrad bestämning av G med hjälp av två metoder [Phys. Varv. Lett. 111, 101102 (2013) ]  (engelska)  // Physical Review Letters. - 2014. - 15 juli ( vol. 113 , nr 3 ). — ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.113.039901 .
  13. ↑ Rosi G. , Sorrentino F. , Cacciapuoti L. , Prevedelli M. , Tino GM Precisionsmätning av den Newtonska gravitationskonstanten med hjälp av kalla atomer   // Nature . - 2014. - Juni ( vol. 510 , nr 7506 ). - s. 518-521 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/nature13433 .
  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. Mätningar av gravitationskonstanten med två oberoende metoder   // Nature . - 2018. - Augusti ( vol. 560 , nr 7720 ). - s. 582-588 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/s41586-018-0431-5 .
  15. ↑ van Flandern TC är gravitationskonstant som förändras  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 1981. - September ( vol. 248 ). — S. 813 . - doi : 10.1086/159205 . - .
    Resultat: (d G /d t )/ G = (−6,4 ± 2,2)×10 −11 år −1
  16. ↑ Verbiest JPW , Bailes M. , van Straten W. , Hobbs GB , Edwards RT , Manchester RN , Bhat NDR , Sarkissian JM , Jacoby BA , Kulkarni SR Precision Timing of PSR J0437−4715: An Accurate Pulsar Distance, a High Pulsar Distance, a High Pulsar Distance , och en gräns för variationen av Newtons gravitationskonstant  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 2008. - 20 maj ( vol. 679 , nr 1 ). - s. 675-680 . — ISSN 0004-637X . - doi : 10.1086/529576 .
    Resultat: | Ġ / G | ≤ 2,3 × 10 −11 år −1
  17. ↑ Explosion av stjärnor bevisar den Newtonska gravitationens oföränderlighet i rymdtid . Hämtad 24 mars 2014. Arkiverad från originalet 24 mars 2014.

Länkar

 Planck enheter
Main
Härledda enheter
Använd i
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger