Nieuwe metingen van de zwaartekrachtconstante brengen de situatie verder in verwarring. De zwaartekrachtconstante is een variabele

Als een van de fundamentele grootheden in de natuurkunde werd de zwaartekrachtsconstante voor het eerst genoemd in de 18e eeuw. Tegelijkertijd werden de eerste pogingen gedaan om de waarde ervan te meten, maar vanwege de onvolmaaktheid van instrumenten en onvoldoende kennis op dit gebied was dit pas in het midden van de 19e eeuw mogelijk. Later werd het verkregen resultaat herhaaldelijk gecorrigeerd (de laatste keer in 2013). Er moet echter worden opgemerkt dat het fundamentele verschil tussen het eerste (G = 6.67428(67) 10 −11 m³ s −2 kg −1 of N m² kg −2) en het laatste (G = 6.67384( 80) 10 −11 m³ s −2 kg −1 of N m² kg −2) waarden bestaan ​​niet.

Bij het toepassen van deze coëfficiënt voor praktische berekeningen, moet worden begrepen dat de constante zo is in mondiale universele concepten (als je geen reserveringen maakt voor elementaire deeltjesfysica en andere weinig bestudeerde wetenschappen). En dit betekent dat de zwaartekrachtconstante van de aarde, de maan of Mars niet van elkaar zullen verschillen.

Deze grootheid is een basisconstante in de klassieke mechanica. Daarom is de zwaartekrachtconstante betrokken bij verschillende berekeningen. In het bijzonder zouden wetenschappers zonder informatie over een min of meer nauwkeurige waarde van deze parameter niet in staat zijn om zo'n belangrijke coëfficiënt in de ruimtevaartindustrie te berekenen als de versnelling van de vrije val (die voor elke planeet of ander kosmisch lichaam anders zal zijn) .

Newton, die op een algemene manier sprak, was de zwaartekrachtconstante echter alleen in theorie bekend. Dat wil zeggen, hij was in staat om een ​​van de belangrijkste fysieke postulaten te formuleren, zonder informatie te hebben over de waarde waarop hij in feite is gebaseerd.

In tegenstelling tot andere fundamentele constanten, kan de natuurkunde alleen met een zekere mate van nauwkeurigheid zeggen waar de zwaartekrachtconstante gelijk aan is. De waarde ervan wordt periodiek opnieuw verkregen en verschilt elke keer van de vorige. De meeste wetenschappers zijn van mening dat dit feit niet wordt geassocieerd met de veranderingen, maar met meer banale redenen. Ten eerste zijn dit meetmethoden (er worden verschillende experimenten uitgevoerd om deze constante te berekenen), en ten tweede de nauwkeurigheid van de instrumenten, die geleidelijk toeneemt, de gegevens worden verfijnd en een nieuw resultaat wordt verkregen.

Rekening houdend met het feit dat de zwaartekrachtconstante een grootheid is die wordt gemeten met 10 tot -11 macht (wat een ultrakleine waarde is voor klassieke mechanica), is er niets verrassends in de constante verfijning van de coëfficiënt. Bovendien is het symbool onderhevig aan correctie, beginnend bij 14 achter de komma.

Er is echter een andere theorie in de moderne golffysica, die in de jaren 70 van de vorige eeuw door Fred Hoyle en J. Narlikar naar voren werd gebracht. Volgens hun aannames neemt de zwaartekrachtconstante met de tijd af, wat van invloed is op veel andere indicatoren die als constanten worden beschouwd. Zo merkte de Amerikaanse astronoom Van Flandern het fenomeen van een lichte versnelling van de maan en andere hemellichamen op. Geleid door deze theorie moet worden aangenomen dat er geen globale fouten waren in de vroege berekeningen, en het verschil in de verkregen resultaten wordt verklaard door veranderingen in de waarde van de constante zelf. Dezelfde theorie spreekt van de inconsistentie van sommige andere grootheden, zoals:

In de zwaartekrachttheorie van Newton en in de relativiteitstheorie van Einstein is de zwaartekrachtconstante ( G) is een universele natuurconstante, onveranderlijk in ruimte en tijd, onafhankelijk van de fysische en chemische eigenschappen van het medium en de zwaartekracht.

In zijn oorspronkelijke vorm, in de formule van Newton, is de coëfficiënt G was absent. Zoals de bron aangeeft: "De zwaartekrachtconstante werd blijkbaar voor het eerst geïntroduceerd in de wet van universele zwaartekracht, blijkbaar pas na de overgang naar een enkel metrisch stelsel van maatregelen. Misschien voor het eerst werd dit gedaan door de Franse natuurkundige S.D. Poisson in "Treatise on Mechanics" (1809), althans geen eerdere werken waarin de zwaartekrachtconstante zou verschijnen, zijn door historici geïdentificeerd.

Coëfficiënt introductie: G werd veroorzaakt door twee redenen: de noodzaak om de juiste dimensie vast te stellen en de zwaartekrachten te coördineren met echte gegevens. Maar de aanwezigheid van deze coëfficiënt in de wet van de universele zwaartekracht wierp nog steeds geen licht op de fysica van het proces van wederzijdse aantrekking, waarvoor Newton door zijn tijdgenoten werd bekritiseerd.

Newton werd om één ernstige reden beschuldigd: als lichamen tot elkaar worden aangetrokken, dan moeten ze daar energie aan besteden, maar de theorie laat niet zien waar de energie vandaan komt, hoe het wordt besteed en uit welke bronnen het wordt aangevuld. Zoals sommige onderzoekers opmerken: de ontdekking van deze wet vond plaats na het principe van behoud van momentum geïntroduceerd door Descartes, maar uit de theorie van Newton volgde dat aantrekking een eigenschap is die inherent is aan de op elkaar inwerkende massa's van lichamen die energie verbruiken zonder aanvulling en het wordt niet minder! Dit is een soort onuitputtelijke bron van zwaartekracht!

Leibniz noemde het zwaartekrachtprincipe van Newton 'een immateriële en onverklaarbare kracht'. De suggestie van een aantrekkingskracht in een perfecte leegte werd door Bernoulli beschreven als "schandalig"; en het principe van "actio in distans" (actie op afstand) vond toen niet veel bijval dan nu.

Waarschijnlijk, niet helemaal opnieuw, botste de natuurkunde op vijandigheid Newton's formule, het weerspiegelt echt niet de energie voor zwaartekrachtinteractie. Waarom hebben verschillende planeten verschillende zwaartekracht, en G voor alle lichamen op aarde en in de ruimte een constante is? Kan zijn G hangt af van de massa van de lichamen, maar in zijn pure vorm heeft de massa geen zwaartekracht.

Rekening houdend met het feit dat in elk specifiek geval de interactie (aantrekking) van lichamen plaatsvindt met een andere kracht (inspanning), moet deze kracht afhangen van de energie van graviterende massa's. In verband met het bovenstaande moet er in de formule van Newton een energiecoëfficiënt zijn die verantwoordelijk is voor de energie van de aangetrokken massa's. Een correctere uitspraak over de aantrekkingskracht van lichamen zou zijn om niet te spreken van de interactie van massa's, maar van de interactie van energieën die in deze massa's zijn vervat. Dat wil zeggen, energie heeft een materiële drager, zonder welke het niet kan bestaan.

Aangezien de energieverzadiging van lichamen gerelateerd is aan hun warmte (temperatuur), zou de coëfficiënt deze overeenkomst moeten weerspiegelen, aangezien warmte creëert zwaartekracht!

Nog een argument over de niet-constantheid van G. Ik citeer uit een retro-leerboek over natuurkunde: "Over het algemeen laat de verhouding E \u003d mc 2 zien dat de massa van elk lichaam evenredig is met zijn totale energie. Daarom gaat elke verandering in de energie van het lichaam gepaard met een gelijktijdige verandering in zijn massa. Dus als een lichaam bijvoorbeeld wordt verwarmd, neemt zijn massa toe.

Als de massa van twee verwarmde lichamen toeneemt, dan moet, in overeenstemming met de wet van de universele zwaartekracht, ook de kracht van hun onderlinge aantrekking toenemen. Maar hier doet zich een serieus probleem voor. Naarmate de temperatuur tot oneindig stijgt, zullen de massa's en kracht tussen zwaartekrachtlichamen ook tot oneindig neigen. Als we beweren dat de temperatuur oneindig is, en nu zijn zulke vrijheden soms toegestaan, dan zal de zwaartekracht tussen twee lichamen ook oneindig zijn, met als resultaat dat de lichamen samentrekken bij verhitting, niet uitzetten! Maar de natuur bereikt, zoals u ziet, niet het punt van absurditeit!

Hoe deze moeilijkheid te omzeilen? Het is triviaal - het is noodzakelijk om de maximale temperatuur van een stof in de natuur te vinden. Vraag: hoe te vinden?

temperatuur is eindig

Ik geloof dat een groot aantal laboratoriummetingen van de zwaartekrachtconstante zijn en worden uitgevoerd bij kamertemperatuur, gelijk aan: Θ=293 K(20 0 C) of dicht bij deze temperatuur, omdat het gereedschap zelf - de Cavendish-torsiebalans, vereist een zeer delicate behandeling (Fig. 2). Tijdens metingen moet elke interferentie worden uitgesloten, met name trillingen en temperatuurveranderingen. Metingen moeten met hoge nauwkeurigheid in vacuüm worden uitgevoerd, dit wordt vereist door een zeer kleine waarde van de gemeten grootheid.

Om de "wet van universele zwaartekracht" universeel en universeel te maken, is het noodzakelijk om deze te verbinden met de thermodynamische temperatuurschaal. Om dit te doen, zullen we de berekeningen en grafieken helpen, die hieronder worden weergegeven.

Laten we het cartesiaanse coördinatenstelsel OX - OU nemen. In deze coördinaten construeren we de beginfunctie G=ƒ( Θ ).

Laten we de temperatuur op de x-as plotten, beginnend bij nul graden Kelvin. Op de ordinaat-as plotten we de waarden van de coëfficiënt G, rekening houdend met het feit dat de waarden in het bereik van nul tot één moeten liggen.

Let op het eerste referentiepunt (A), dit punt met coördinaten: x=293,15 K (20⁰С); y \u003d 6.67408 10 -11 Nm 2 /kg 2 (G). Laten we dit punt verbinden met de oorsprong van coördinaten en de afhankelijkheidsgrafiek krijgen G=ƒ( Θ ), (afb. 3)

Rijst. 3

We extrapoleren deze grafiek, verlengen de rechte lijn tot het snijpunt met de waarde van de ordinaat gelijk aan één, y=1. Er waren technische problemen bij het plotten van de grafiek. Om het eerste deel van de grafiek te bouwen, was het nodig om de schaal aanzienlijk te vergroten, omdat de parameter G heeft een zeer kleine waarde. De grafiek heeft een kleine elevatiehoek, daarom zullen we, om hem op één blad te leggen, onze toevlucht nemen tot de logaritmische schaal van de x-as (fig.4).

Rijst. vier

En nu, aandacht!

Het snijpunt van de grafiekfunctie met de ordinaat G=1, geeft het tweede vaste punt (B). Vanaf dit punt verlagen we de loodlijn op de as van de abscis, waarop we de waarde van de coördinaat verkrijgen x \u003d 4.39 10 12 K.

Wat is deze waarde en wat betekent het? Volgens de bouwkundige staat is dit de temperatuur. De projectie van het punt (B) op de x-as weerspiegelt - de hoogst mogelijke temperatuur van een stof in de natuur!

Voor het gemak van waarneming presenteren we dezelfde grafiek in dubbele logaritmische coördinaten ( fig.5).

Coëfficiënt G kan per definitie geen waarde groter dan één hebben. Dit punt sloot de absolute thermodynamische temperatuurschaal af, waarvan het begin in 1848 door Lord Kelvin werd gelegd.

De grafiek laat zien dat de G-coëfficiënt evenredig is met de lichaamstemperatuur. Daarom is de zwaartekrachtconstante een variabele, en in de wet van universele zwaartekracht (1) moet worden bepaald door de verhouding:

G E - universele coëfficiënt (UC), niet te verwarren met G, we schrijven het met een index E(Eergy - energie). Als de temperaturen van de op elkaar inwerkende lichamen verschillend zijn, wordt hun gemiddelde waarde genomen.

1 is de temperatuur van het eerste lichaam

Θ2 is de temperatuur van het tweede lichaam.

max- de maximaal mogelijke temperatuur van een stof in de natuur.

In deze spelling is de coëfficiënt G E heeft geen dimensie, wat het bevestigt als een coëfficiënt van evenredigheid en universaliteit.

Laten we G E vervangen door uitdrukking (1) en de wet van universele zwaartekracht in algemene vorm opschrijven:

Het is alleen dankzij de energie die in de massa's zit dat hun wederzijdse aantrekkingskracht ontstaat. Energie is het eigendom van de materiële wereld om werk te doen.

Alleen vanwege het verlies van energie voor aantrekking wordt interactie tussen kosmische lichamen uitgevoerd. Energieverlies is te herkennen aan koeling.

Elk lichaam (stof), verkoelend, verliest energie en wordt daardoor vreemd genoeg aangetrokken tot andere lichamen. De fysieke aard van de zwaartekracht van lichamen bestaat uit het streven naar de meest stabiele toestand met de minste interne energie - dit is de natuurlijke staat van de natuur.

Newtons formule (4) heeft een systematische vorm aangenomen. Dit is erg belangrijk voor de berekeningen van ruimtevluchten van kunstmatige satellieten en interplanetaire stations, en zal het ook mogelijk maken om in de eerste plaats de massa van de zon nauwkeuriger te berekenen. Werk G op de M bekend om die planeten, waarvan de beweging van satellieten met grote nauwkeurigheid werd gemeten. Uit de beweging van de planeten zelf rond de zon kan men berekenen: G en de massa van de zon. De fouten van de massa's van de aarde en de zon worden bepaald door de fout G.

De nieuwe coëfficiënt zal het eindelijk mogelijk maken om te begrijpen en te verklaren waarom de banen van de banen van de eerste satellieten (pioniers) tot nu toe niet overeenkwamen met de berekende. Bij het lanceren van satellieten werd geen rekening gehouden met de temperatuur van de uitgaande gassen. Berekeningen toonden een lagere stuwkracht van de raket, en de satellieten stegen naar een hogere baan, de Explorer-1-baan bleek bijvoorbeeld 360 km hoger te zijn dan de berekende. Von Braun stierf zonder dit fenomeen te begrijpen.

Tot nu toe had de zwaartekrachtconstante geen fysieke betekenis, het was slechts een hulpcoëfficiënt in de wet van de universele zwaartekracht, die dient om de dimensies met elkaar te verbinden. De bestaande numerieke waarde van deze constante veranderde de wet niet in een universele, maar in een bepaalde, voor één temperatuurwaarde!

De zwaartekrachtconstante is een variabele. Ik zal meer zeggen, de zwaartekrachtconstante, zelfs binnen de grenzen van de zwaartekracht van de aarde, is geen constante waarde, omdat zwaartekracht betreft niet de massa's van lichamen, maar de energieën in de gemeten lichamen. Om deze reden is het niet mogelijk om een ​​hoge nauwkeurigheid van metingen van de zwaartekrachtconstante te bereiken.

Wet van de zwaartekracht

Newtons wet van universele zwaartekracht en de universele coëfficiënt (G E =UC).

Omdat deze coëfficiënt dimensieloos is, kreeg de universele zwaartekrachtformule de dimensie dim kg 2 /m 2 - dit is een buiten het systeem vallende eenheid die is ontstaan ​​​​als gevolg van het gebruik van lichaamsmassa's. Met dimensie kwamen we tot de oorspronkelijke vorm van de formule, die te danken was aan Newton.

Aangezien formule (4) de aantrekkingskracht identificeert, die in het SI-systeem wordt gemeten in Newton, kunnen we de dimensionale coëfficiënt (K) gebruiken, zoals in de wet van Coulomb.

Waar K een factor is die gelijk is aan 1. Om de dimensie naar SI te converteren, kunt u dezelfde dimensie gebruiken als G, d.w.z. K \u003d m 3 kg -1 s -2.

Experimenten getuigen: zwaartekracht wordt niet gegenereerd door massa (substantie), zwaartekracht wordt uitgevoerd met behulp van energieën die zich in deze massa's bevinden! De versnelling van lichamen in een zwaartekrachtveld is niet afhankelijk van hun massa, dus vallen alle lichamen met dezelfde versnelling op de grond. Enerzijds is de versnelling van lichamen evenredig met de kracht die erop inwerkt en dus evenredig met hun zwaartekracht. Dan, volgens de logica van redeneren, zou de formule voor de wet van universele zwaartekracht er als volgt uit moeten zien:

Waar E 1 en E 2 is de energie die zich in de massa's van op elkaar inwerkende lichamen bevindt.

Omdat het erg moeilijk is om de energie van lichamen in berekeningen te bepalen, laten we de massa's in formule (4) van Newton, met de vervanging van de constante G naar de energiefactor G E.

De maximale temperatuur kan wiskundig nauwkeuriger worden berekend uit de relatie:

We schrijven deze verhouding in numerieke vorm, gegeven dat (G max = 1):

Vanaf hier: max\u003d 4.392365689353438 10 12 K (8)

max is de maximaal mogelijke temperatuur van een stof in de natuur, waarboven de waarde onmogelijk is!

Ik wil meteen opmerken dat dit verre van een abstracte figuur is, het zegt dat alles eindig is van fysieke aard! De natuurkunde beschrijft de wereld op basis van fundamentele concepten van respectievelijk eindige deelbaarheid, eindige lichtsnelheid, en de temperatuur moet eindig zijn!

Θ max 4,4 biljoen graden (4,4 teraKelvin). Naar onze aardse maatstaven (gevoelens) is zo'n hoge temperatuur moeilijk voorstelbaar, maar de uiteindelijke waarde ervan verbiedt speculatie met zijn oneindigheid. Zo'n uitspraak leidt ons tot de conclusie dat de zwaartekracht ook niet oneindig kan zijn, de relatie G E =Θ/Θ max zet alles op zijn plaats.

Een ander ding is als de teller (3) gelijk is aan nul (absoluut nul) van de thermodynamische temperatuurschaal, dan is de kracht F in formule (5) is gelijk aan nul. De aantrekkingskracht tussen de lichamen moet stoppen, de lichamen en objecten zullen beginnen af ​​te brokkelen tot hun samenstellende deeltjes, moleculen en atomen.

Vervolg in het volgende artikel...

De zwaartekrachtconstante is de basis voor het omzetten van andere fysieke en astronomische grootheden, zoals de massa's van de planeten in het universum, inclusief de aarde, evenals andere kosmische lichamen, in traditionele meeteenheden, zoals kilogram. Tegelijkertijd zijn, vanwege de zwakte van de zwaartekrachtinteractie en de resulterende lage nauwkeurigheid van metingen van de zwaartekrachtconstante, de verhoudingen van de massa's van kosmische lichamen meestal veel nauwkeuriger bekend dan individuele massa's in kilogram.

De zwaartekrachtconstante is een van de fundamentele meeteenheden in het Planck-systeem van eenheden.

Meetgeschiedenis

De zwaartekrachtconstante komt voor in het moderne verslag van de wet van universele zwaartekracht, maar was tot het begin van de 19e eeuw expliciet afwezig in Newton en in de werken van andere wetenschappers. De zwaartekrachtconstante in zijn huidige vorm werd voor het eerst geïntroduceerd in de wet van universele zwaartekracht, blijkbaar pas na de overgang naar een enkel metrisch stelsel van maatregelen. Misschien is dit voor het eerst gedaan door de Franse natuurkundige Poisson in de Treatise on Mechanics (1809), althans geen eerdere werken waarin de zwaartekrachtconstante zou voorkomen, zijn door historici geïdentificeerd [ ] .

zie ook

Opmerkingen:

1. In de algemene relativiteitstheorie, notatie met de letter G, worden zelden gebruikt, omdat daar deze letter meestal wordt gebruikt om de Einstein-tensor aan te duiden.
2. Per definitie zijn de massa's in deze vergelijking zwaartekrachtsmassa's, maar de discrepantie tussen de grootte van de zwaartekracht en traagheidsmassa van een lichaam is nog niet experimenteel gevonden. Theoretisch zijn ze binnen het kader van moderne ideeën nauwelijks verschillend. Dit is over het algemeen de standaardaanname geweest sinds de tijd van Newton.
3. Nieuwe metingen van de zwaartekrachtconstante verwarren de situatie nog meer // Elementy.ru, 13-09-2013
4. CODATA Internationaal aanbevolen waarden van de fundamentele fysische constanten(Engels) . Ontvangen 30 juni 2015.
5. Verschillende auteurs geven verschillende resultaten, van 6,754⋅10 −11 m²/kg² tot (6,60 ± 0,04)⋅10 −11 m³/(kg s³) - zie Cavendish-experiment#Berekende waarde.
6. Igor Ivanov. Nieuwe metingen van de zwaartekrachtconstante brengen de situatie verder in verwarring (onbepaald) (13 september 2013). Ontvangen 14 september 2013.
7. Is de zwaartekrachtconstante zo constant? Archiefkopie gedateerd 14 juli 2014 op de Wayback Machine
8. Brooks, Michael Kan het magnetische veld van de aarde de zwaartekracht beïnvloeden? (onbepaald) . Nieuwe wetenschapper (21 september 2002). [Gearchiveerd op de Wayback Machine Gearchiveerd] 8 februari 2011.
9. Eroshenko Yu. N. Natuurkundenieuws op internet (gebaseerd op elektronische preprints), UFN, 2000, deel 170, nr. 6, p. 680
10. Fys. ds. Let. 105 110801 (2010) bij ArXiv.org
11. Natuurkunde nieuws voor oktober 2010
12. Quinn Terry, Parks Harold, Speake Clive, Davis Richard. Verbeterde bepaling van G Twee methoden gebruiken // Fysieke beoordelingsbrieven. - 2013. - 5 september (vol. 111, nr. 10). - ISSN 0031-9007. -DOI:10.1103/PhysRevLett.111.101102.
13. Quinn Terry, Speake Clive, Parks Harold, Davis Richard. Erratum: verbeterde bepaling van G Twee methoden gebruiken // Fysieke beoordelingsbrieven. - 2014. - 15 juli (vol. 113, nr. 3). - ISSN 0031-9007. -DOI:10.1103/PhysRevLett.113.039901.
14. Rosi G., Sorrentino F., Cacciapuoti L., Prevedelli M., Tino G.M.