И почему ее до сих пор точно не измерили?
Гравитационная постоянная - это ключ к разгадке массы всего во Вселенной, а также секретов гравитации.
Например, если известна гравитационная постоянная, то в сочетании с ускорением, вызванным гравитацией на Земле, можно рассчитать массу нашей планеты. Как только мы узнаем массу нашей планеты, то, зная размер и период земной орбиты, мы сможем измерить массу Солнца. А знание массы солнца позволяет нам измерить массу всего, что находится внутри Галактики Млечный Путь, относительно орбиты Солнца.
Измерение
Измерение G было одним из первых высокоточных научных экспериментов, и ученые пытаются понять, может ли оно меняться в разное время и в разных местах в пространстве, что может иметь большое значение для космологии.
Получение значения гравитационной постоянной...
...было основано на довольно умном эксперименте XVIII века, вызванном попытками геодезиста нанести на карту границу между штатами Пенсильвания и Мэриленд.
В Англии ученый Генри Кавендиш (1731-1810 гг.), интересовался вычислением плотности Земли. Он понял, что усилия геодезиста обречены на провал, потому что близлежащие горы подвергали геодезический отвес небольшому гравитационному притяжению, что сбивало их показания. Если бы они знали гравитационное притяжение, то смогли бы внести поправки в свои результаты.
Кавендиш приступил к измерению, самому точному научному измерению, сделанному на тот момент в истории.
Его эксперимент был назван "Метод крутильных весов". В нем участвовали две малые сферы, две большие сферы и два коромысла, которые могли вращаться вокруг одной оси (ну и другие вспомогательные приборы).
Когда большие сферы были расположены рядом с меньшими сферами, гравитационное притяжение больших сфер притягивало меньшие, заставляя тонкую проволоку, расположенную на оси скручиваться. Степень скручивания позволила Кавендишу измерить крутящий момент (силу вращения) системы скручивания.
Крутильные весы были удивительно точны для своего времени. Сила кручения, создаваемая притяжением шаров, была очень мала, 1,74 · 10^−7 Н.
Для примера, при подъёме песчинки диаметром 1 мм требуется усилие, примерно в 90 раз превышающее силу, измеренную по шкале Кавендиша.
Результат, полученный Кавендишем, заключался в том, что средняя плотность Земли равняется 5,437 г/см^3, что всего на 1,4 % ниже принятого в настоящее время значения 5,515 г/см^3.
Может ли гравитационная постоянная меняться?
Среди физиков вызывает разочарование тот факт, что "Большое G" известно не с таким количеством десятичных знаков, как другие фундаментальные константы. Например, заряд электрона известен с точностью до девяти знаков после запятой (1,602176634 x 10^–19 кулонов), но G точно измерен только с точностью до пяти знаков после запятой. К сожалению, попытки измерить его с большей точностью не согласуются друг с другом.
Частично это связано с тем, что гравитация вещей вокруг экспериментального аппарата мешает эксперименту. Тем не менее, есть также небольшое подозрение, что проблема не просто экспериментальная, а может быть какая-то новая физика в действии. Возможно даже, что гравитационная постоянная не так постоянна, как думали ученые.
Еще в 1960-х годах физики Роберт Дик (чья команда была привлечена к открытию космического микроволнового фона Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1964 году) и Карл Бранс разработали так называемую скалярно-тензорную теорию гравитации. Это вариант общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Скалярное поле описывает свойство, которое потенциально может изменяться в разных точках пространства (земная аналогия - карта температуры, где температура не постоянна, а меняется в зависимости от местоположения). Если бы гравитация была скалярным полем, то G потенциально могут иметь разные значения в пространстве и времени. Это отличается от более принятой версии общей теории относительности, которая утверждает, что гравитация постоянна во Вселенной.
Мотохико Есимура из Университета Окаяма в Японии предположил, что скалярно-тензорная теория гравитации может связать космическую инфляцию с темной энергией. Инфляция произошла через доли секунды после рождения Вселенной и вызвала короткое, но быстрое расширение пространства, которое продолжалось от 10^-36 до 10^-33 секунд после Большого Взрыва, раздув космос от микроскопического до макроскопического размера, прежде чем таинственным образом отключиться.
Темная энергия - это таинственная сила, которая сегодня ускоряет расширение Вселенной. Многие физики задавались вопросом, может ли быть связь между двумя экспансионистскими силами. Йошимура предполагает, что есть. Они оба являются проявлениями гравитационного скалярного поля, которое было намного сильнее в ранней Вселенной , затем ослабло, но снова стало сильным по мере расширения Вселенной и распространения материи.
Однако попытки обнаружить какие-либо существенные вариации G в других частях Вселенной пока ничего не дали. Например, в 2015 г. по результатам 21-летнего исследования регулярных пульсаций пульсара PSR J1713+0747 не было обнаружено доказательств что гравитация имеет другую силу по сравнению с той что здесь, в Солнечной системе.
Было интересно? Ставь лайк и подписывайся! Если есть что сказать, комментарии внизу.