Гравитационная постоянная – это одна из основных констант физики, которая определяет величину гравитационного взаимодействия между объектами массы. Ее обозначение в Международной системе единиц (СИ) – G, а единицей измерения является Н·м^2/кг^2.
Однако измерить гравитационную постоянную с высокой точностью оказывается непросто. Процессы, связанные с гравитацией, сложны и многофакторны, требуя от ученых разработки специальных методов для получения достоверных результатов. В этой статье мы рассмотрим основные методы измерения гравитационной постоянной, а также единицы измерения, используемые в этом процессе.
Одним из наиболее распространенных методов измерения гравитационной постоянной является метод цветовой интерферометрии. Он основан на измерении изменения длины световых волн в воздухе под действием гравитационного поля тяжести. Этот метод позволяет ученым получать высокоточные результаты, однако требует сложной и дорогостоящей аппаратуры.
Гравитационная постоянная: определение и значение
Значение гравитационной постоянной было измерено экспериментально и составляет приблизительно 6,67430(15) x 10^-11 м^3/(кг·с^2). Этот результат был получен с использованием различных методов, включая измерения с помощью тонких нитей, маятников, гравитационного тугоплавкого шунта и технологий, основанных на квантовой механике.
Гравитационная постоянная имеет фундаментальное значение для понимания гравитационного взаимодействия и широко применяется в физике и астрономии. Она влияет на множество явлений, включая движение планет вокруг Солнца, притяжение объектов на Земле и влияние гравитации на расширение Вселенной.
Интересный факт: Гравитационная постоянная является одной из наименее точно измеряемых физических констант. Различные эксперименты дают немного разные результаты, что означает, что точное значение постоянной всё ещё подлежит уточнению.
Методы измерения гравитационной постоянной
Существуют различные методы измерения гравитационной постоянной, включая уравновешивание гравитационных и электростатических сил, измерение времени свободного падения, использование атомных масштабных блоков, а также методы, основанные на измерении влияния гравитации на движение тел. Для получения более точного значения гравитационной постоянной используются множество экспериментальных методов.
- Уравновешивание гравитационных и электростатических сил: Этот метод основан на принципе равенства между гравитационной и электростатической силами. Измеряются масса и расстояние между двумя телами, а также их электрический заряд. Затем, путем изменения заряда одного из тел, достигается равновесие между гравитационной и электростатической силами, и измеряется значение гравитационной постоянной.
- Измерение времени свободного падения: Этот метод основан на измерении времени, за которое свободно падающее тело достигает определенной высоты. Путем измерения времени свободного падения и высоты падения можно рассчитать значение гравитационной постоянной.
- Использование атомных масштабных блоков: В этом методе используются атомные масштабные блоки - массивные объекты с определенной массой и геометрическими характеристиками. Измеряя силу, с которой эти блоки притягиваются к Земле, можно определить значение гравитационной постоянной.
- Методы, основанные на измерении влияния гравитации на движение тел: Существуют методы, которые измеряют влияние гравитации на движение маятников, шаров, крутильных весов и других объектов. Эти методы позволяют получить значение гравитационной постоянной.
Несмотря на многочисленные эксперименты и усовершенствования методов измерения, точное значение гравитационной постоянной до сих пор остается недостаточно известным. Существующие результаты измерений различаются, и данная проблема является предметом активных исследований для многих ученых во всем мире.
Исторические эксперименты
Одним из первых исторических экспериментов на измерение гравитационной постоянной был эксперимент Аристотеля в IV веке до н.э. Аристотель проводил эксперименты с падающими телами и определял их ускорение. Однако он не располагал необходимыми инструментами для точного измерения ускорения и, следовательно, не смог получить достоверные результаты.
Более точные эксперименты на измерение гравитационной постоянной проводились в XVII веке. Одним из самых известных экспериментов этого периода является эксперимент Генриха Кавендиша, который провел его в 1798 году. Кавендиш использовал баланс для измерения силы притяжения между двумя массами и расчета гравитационной постоянной. Его эксперимент был первым, где удалось получить достоверные значения гравитационной постоянной.
В XX веке ученые также проводили ряд экспериментов на измерение гравитационной постоянной с использованием современных технологий. Один из таких экспериментов был проведен в 2017 году командой ученых из Физического института им. Лейбница в Ганновере. Они использовали лазерный интерферометр и массу в виде сферы для измерения силы притяжения и определения гравитационной постоянной.
| Год | Эксперимент | Результат |
|---|---|---|
| IV век до н.э. | Эксперименты Аристотеля | Неуспешны |
| 1798 | Эксперимент Генриха Кавендиша | 6,754⋅10^−11 м^3⋅кг^−1⋅с^−2 |
| 2017 | Эксперимент Физического института им. Лейбница | Текущий лучший результат: 6,67430(15)⋅10^−11 м^3⋅кг^−1⋅с^−2 |
Современные лабораторные методы
Для этого используют специальные устройства, называемые торсионными весами, которые обеспечивают точное измерение периода колебаний. Благодаря этому методу можно измерять гравитационную постоянную с высокой точностью.
Еще один современный метод – метод падающего маятника. В этом методе измеряется время падения тела с известной высоты, а затем используется формула для рассчета гравитационной постоянной.
С помощью современных лабораторных методов удалось достичь значительно более точных результатов по измерению гравитационной постоянной. Это позволяет уточнить фундаментальные константы физических законов и параметры космологических моделей.
Единицы измерения гравитационной постоянной
Гравитационная постоянная измеряется путем определения силы притяжения между двумя объектами, известными массами и расстоянием между ними. Для измерения G применяются различные методы, включая уравновешивание гравитационной силы с использованием маятников, измерение деформации гравитационных полей и измерение силы притяжения между массивными сферами.
| Единицы измерения | Символ | Приблизительное значение в СИ |
|---|---|---|
| унция на квадрат фута на слугу | lbf·ft²/sl | 3,638 x 10-11 |
| Калория на градус Фаренгейта на ливерт | cal/°F·lb | 1,285 x 10-13 |
| дин·см²/г | dyn·cm²/g | 6,674 x 10-8 |
Значение гравитационной постоянной было известно с несколько неправильным значением до 2018 года. В 2019 году в Конгрессе международной ассоциации гравитационных и образовательных наук был принят рекомендованный ньютон метр на квадрат килограмма. Это значение было усреднено и округлено с использованием данных из различных экспериментов, чтобы получить более точную оценку гравитационной постоянной.
