Гравитационная постоянная и волны гравитации

[TheWho]

        Измерения гравитационной постоянной

Гравитационная постоянная G, она же постоянная Ньютона, — одна из самых
важных фундаментальных констант природы. Это та константа, которая
входит в закон всемирного тяготения Ньютона; она не зависит ни от
свойств притягивающихся тел, ни от окружающих условий, а характеризует
интенсивность самой силы гравитации. Естественно, что такая
фундаментальная характеристика нашего мира важна для физики, и она
должна быть аккуратно измерена.

Однако ситуация с измерением G до сих пор остается очень необычной.
В отличие от многих других фундаментальных констант, гравитационная
постоянная с большим трудом поддается измерению. Дело в том, что
аккуратный результат можно получить только в лабораторных экспериментах,
через измерение силы притяжения двух тел известной массы. Например,
в классическом опыте Генри Кавендиша (рис. 2) на тонкой нити
подвешивается гантелька из двух тяжелых шаров, и когда сбоку к этим
шарам пододвигают другое массивное тело, то сила гравитации стремится
повернуть эту гантельку на некоторый угол, пока вращательный момент сил
слегка закрученной нити не скомпенсирует гравитацию. Измеряя угол
поворота гантельки и зная упругие свойства нити, можно вычислить силу
гравитации, а значит, и гравитационную постоянную.

Рис. 2. Классический эксперимент Кавендиша. Измеряя угол поворота
гантельки и зная массы тел, расстояние между ними и упругие свойства
нити, можно вычислить гравитационную постоянную

*Рис. 2.* Классический эксперимент Кавендиша. Измеряя угол поворота
гантельки и зная массы тел, расстояние между ними и упругие свойства
нити, можно вычислить гравитационную постоянную. Изображение с сайта
en.wikipedia.org
<https://en.wikipedia.org/wiki/File:Cavendish_Torsion_Balance_Diagram.svg>

Это устройство (оно называется «крутильные весы») в разных модификациях
используется и в современных экспериментах. Такое измерение очень просто
по сути, но трудно по исполнению, поскольку оно требует точного знания
не только всех масс и всех расстояний, но и упругих свойств нити,
а также обязывает минимизировать все побочные воздействия, как
механические, так и температурные. Недавно, правда, появились и первые
измерения гравитационной постоянной другими,
атомно-интерферометрическими методами
<http://igorivanov.blogspot.com/2008/02/blog-post_23.html>, которые
используют квантовую природу вещества. Однако точность этих измерений
пока сильно уступает механическим установкам, хотя, возможно, за ними
будущее (см. подробности в новости Гравитационная постоянная измерена
новыми методами <https://elementy.ru/news/430437>, «Элементы», 22.01.2007).

Так или иначе, но, несмотря на более чем двухсотлетнюю историю, точность
измерений остается очень скромной. Нынешнее «официальное» значение,
рекомендованное американским Национальным институтом стандартизации
(NIST), составляет (6,67384 ± 0,00080)·10^–11  м^3 ·кг^–1 ·с^–2 .
Относительная погрешность тут составляет 0,012%, или 1,2·10^–4 , или,
в еще более привычных для физиков обозначениях, 120 ppm (миллионных
долей), и это на несколько порядков хуже, чем точность измерения других
столь же важных величин. Более того, вот уже несколько десятилетий
измерение гравитационной постоянной не перестает быть источником
головной боли для физиков-экспериментаторов. Несмотря на десятки
проведенных экспериментов и усовершенствование самой измерительной
техники, точность измерения так и осталась невысокой. Относительная
погрешность на уровне 10^–4 была достигнута еще 30 лет назад, и никакого
улучшения с тех пор нет.


       

[TheWho]

 Ситуация по состоянию на 2010 год

В последние несколько лет ситуация стала еще более драматичной.
В 2008–2010 годах три группы обнародовали новые результаты измерения G.
Над каждым из них команда экспериментаторов работала годами, причем не
только непосредственно измеряла величину G, но и тщательно искала и
перепроверяла всевозможные источники погрешностей. Каждое из этих трех
измерений обладало высокой точностью: погрешности составляли 20–30 ppm.
По идее, эти три измерения должны были существенно улучшить наше знание
численной величины G. Беда лишь в том, что все они отличались друг от
друга аж на 200–400 ppm, то есть на целый десяток заявленных
погрешностей! Эта ситуация по состоянию на 2010 год показана на рис. 3 и
кратко описана в заметке Неловкая ситуация с гравитационной постоянной
<http://igorivanov.blogspot.com/2010/08/gravitational-constant.html>.

Рис. 3. Измерение гравитационной постоянной по состоянию на 2010 год

*Рис. 3.* Измерение гравитационной постоянной по состоянию на 2010 год.
Рекомендованное NIST значение (показано /зеленым/) учитывает все
предыдущие измерения; три новых измерения (показаны /красным/), несмотря
на высокую заявленную точность, очень сильно расходятся друг с другом.
Изображение с сайта www.schlammi.com <http://www.schlammi.com/ri_g.html>

Совершенно ясно, что сама гравитационная постоянная тут не виновата; она
действительно обязана быть одной и той же всегда и везде. Например, есть
спутниковые данные, которые хоть и не позволяют хорошо измерить
численное значение константы G, зато позволяют убедиться в ее
неизменности — если бы G изменилась за год хоть на одну триллионную долю
(то есть на 10^–12 ), это уже было бы заметно. Поэтому единственный
вытекающий отсюда вывод таков: в каком-то (или в каких-то) из этих трех
экспериментов есть неучтенные источники погрешностей. Но вот в каком?

Единственный способ попытаться разобраться, это повторять измерения на
других установках, и желательно разными методами. К сожалению,
особенного разнообразия методик здесь пока достичь не удается, поскольку
во всех экспериментах используется то или иное механическое устройство.
Но всё же разные реализации могут обладать разными инструментальными
погрешностями, и сравнение их результатов позволит разобраться в ситуации.

[TheWho]

  Новое измерение

На днях в журнале /Physical Review Letters/ было опубликовано
<http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i10/e101102> одно такое измерение.
Небольшая группа исследователей, работающих в Международном бюро мер и
весов <http://www.bipm.org/> в Париже, с нуля построила аппарат, который
позволил измерить гравитационную постоянную двумя разными способами. Он
представляет из себя те же крутильные весы, только не с двумя, а
с четырьмя одинаковыми цилиндрами, установленными на диске, подвешенном
на металлической нити (внутренняя часть установки на рис. 1). Эти четыре
груза гравитационно взаимодействуют с четырьмя другими, более крупными
цилиндрами, насаженными на карусель, которую можно повернуть на
произвольный угол. Схема с четырьмя телами вместо двух позволяет
минимизировать гравитационное взаимодействие с несимметрично
расположенными предметами (например, стенками лабораторной комнаты) и
сфокусироваться именно на гравитационных силах внутри установки. Сама
нить имеет не круглое, а прямоугольное сечение; это, скорее, не нить, а
тонкая и узкая металлическая полоска. Такой выбор позволяет ровнее
передавать нагрузку по ней и минимизировать зависимость от упругих
свойств вещества. Весь аппарат находится в вакууме и при определенном
температурном режиме, который выдерживается с точностью до сотой доли
градуса.

Это устройство позволяет выполнять три типа измерения гравитационной
постоянной (см. подробности в самой статье и на страничке
исследовательской группы
<http://www.bipm.org/en/scientific/mass/research_mass/big_g.html>).
Во-первых, это буквальное воспроизведение опыта Кавендиша: поднесли
груз, весы повернулись на некоторый угол, и этот угол измеряется
оптической системой. Во-вторых, его можно запустить в режиме крутильного
маятника, когда внутренняя установка периодически вращается туда-сюда, а
наличие дополнительных массивных тел изменяет период колебаний (этот
способ, впрочем, исследователи не использовали). Наконец, их установка
позволяет выполнять измерение гравитационной силы /без поворота/
грузиков. Это достигается с помощью электростатического сервоконтроля:
к взаимодействующим телам подводятся электрические заряды так, чтобы
электростатическое отталкивание полностью компенсировало гравитационное
притяжение. Такой подход позволяет избавиться от инструментальных
погрешностей, связанных именно с механикой поворота. Измерения показали,
что два метода, классический и электростатический, дают согласующиеся
результаты.

Рис. 4. Измерение гравитационной постоянной по состоянию на 2013 год
<https://elementy.ru/images/news/g_determination_fig4_736.gif>

*Рис. 4.* Измерение гравитационной постоянной по состоянию на 2013 год.
/Зеленая точка/ — обновленное рекомендованное значение; /красная
точка/ — результат нового измерения; /черным цветом/ показаны
многочисленные более ранние эксперименты. Изображение из обсуждаемой статьи

[TheWho]

Результат нового измерения показан красной точкой на рис. 4. Видно, что
это измерение не только не разрешило наболевший вопрос, но и еще сильнее
усугубило проблему: оно сильно отличается от всех остальных недавних
измерений. Итак, к настоящему моменту у нас имеется уже четыре (или
пять, если считать неопубликованные данные калифорнийской группы
<http://www.physics.uci.edu/gravity/>) разных и при том довольно точных
измерения, и *все они кардинально расходятся друг с другом!* Разница
между двумя самыми крайними (и хронологически — самыми последними)
значениями уже превышает *20(!) заявленных погрешностей*.

Что касается нового эксперимента, тут надо добавить вот что. Эта группа
исследователей уже выполняла
<http://prl.aps.org/abstract/PRL/v87/i11/e111101> аналогичный
эксперимент в 2001 году. И тогда у них тоже получалось значение, близкое
к нынешнему, но только чуть менее точное (см. рис. 4). Их можно было бы
заподозрить в простом повторении измерений на одном и том же железе,
если бы не одно «но» — тогда это была /другая/ установка. От той старой
установки они сейчас взяли только 11-килограммовые внешние цилиндры, но
весь центральный прибор был сейчас построен заново. Если бы у них
действительно был какой-то неучтенный эффект, связанный именно
с материалами или изготовлением аппарата, то он вполне мог измениться и
«утащить за собой» новый результат. Но результат остался примерно на том
же месте, что и в 2001 году. Авторы работы видят в этом лишнее
доказательство чистоты и достоверности их измерения.

Ситуация, когда сразу четыре или пять результатов, полученных разными
группами, /все/ различаются на десяток-другой заявленных погрешностей,
по-видимому, для физики беспрецедентна. Какой бы высокой ни была
точность каждого измерения и как бы авторы ею ни гордились, для
установления истины она сейчас не имеет никакого значения. И пока что
пытаться на их основании узнать истинное значение гравитационной
постоянной можно только одним способом: поставить значение где-то
посередине и приписать погрешность, которая будет охватывать весь этот
интервал (то есть раза в полтора-два /ухудшить/ нынешнюю рекомендованную
погрешность). Можно лишь надеяться, что следующие измерения будут
попадать в этот интервал и постепенно будут давать предпочтение
какому-то одному значению.

Так или иначе, но гравитационная постоянная продолжает оставаться
головоломкой измерительной физики. Через сколько лет (или десятилетий)
эта ситуация действительно начнет улучшаться, сейчас предсказать трудно.

*Источник: *T. Quinn, H. Parks, C. Speake, and R. Davis. Improved
Determination of G Using Two Methods
<http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i10/e101102> // /Phys. Rev. Lett./
111, 101102 (2013).

*См. также:*
1) Милюков В. К., Сагитов М. У. Гравитационная постоянная в астрономии.
Серия: Космонавтика, астрономия, М., Знание, 1985 г.
2) C. Speake. Newton's constant and the twenty-first century laboratory
<http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/363/1834/2265.short> //
/Phil. Trans. R. Soc. A./ 2005. V. 363. P. 2265–2287

[TheWho]

Результат нового измерения показан красной точкой на рис. 4. Видно, что
это измерение не только не разрешило наболевший вопрос, но и еще сильнее
усугубило проблему: оно сильно отличается от всех остальных недавних
измерений. Итак, к настоящему моменту у нас имеется уже четыре (или
пять, если считать неопубликованные данные калифорнийской группы
<http://www.physics.uci.edu/gravity/>) разных и при том довольно точных
измерения, и *все они кардинально расходятся друг с другом!* Разница
между двумя самыми крайними (и хронологически — самыми последними)
значениями уже превышает *20(!) заявленных погрешностей*.

Что касается нового эксперимента, тут надо добавить вот что. Эта группа
исследователей уже выполняла
<http://prl.aps.org/abstract/PRL/v87/i11/e111101> аналогичный
эксперимент в 2001 году. И тогда у них тоже получалось значение, близкое
к нынешнему, но только чуть менее точное (см. рис. 4). Их можно было бы
заподозрить в простом повторении измерений на одном и том же железе,
если бы не одно «но» — тогда это была /другая/ установка. От той старой
установки они сейчас взяли только 11-килограммовые внешние цилиндры, но
весь центральный прибор был сейчас построен заново. Если бы у них
действительно был какой-то неучтенный эффект, связанный именно
с материалами или изготовлением аппарата, то он вполне мог измениться и
«утащить за собой» новый результат. Но результат остался примерно на том
же месте, что и в 2001 году. Авторы работы видят в этом лишнее
доказательство чистоты и достоверности их измерения.

Ситуация, когда сразу четыре или пять результатов, полученных разными
группами, /все/ различаются на десяток-другой заявленных погрешностей,
по-видимому, для физики беспрецедентна. Какой бы высокой ни была
точность каждого измерения и как бы авторы ею ни гордились, для
установления истины она сейчас не имеет никакого значения. И пока что
пытаться на их основании узнать истинное значение гравитационной
постоянной можно только одним способом: поставить значение где-то
посередине и приписать погрешность, которая будет охватывать весь этот
интервал (то есть раза в полтора-два /ухудшить/ нынешнюю рекомендованную
погрешность). Можно лишь надеяться, что следующие измерения будут
попадать в этот интервал и постепенно будут давать предпочтение
какому-то одному значению.

Так или иначе, но гравитационная постоянная продолжает оставаться
головоломкой измерительной физики. Через сколько лет (или десятилетий)
эта ситуация действительно начнет улучшаться, сейчас предсказать трудно.

*Источник: *T. Quinn, H. Parks, C. Speake, and R. Davis. Improved
Determination of G Using Two Methods
<http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i10/e101102> // /Phys. Rev. Lett./
111, 101102 (2013).

*См. также:*
1) Милюков В. К., Сагитов М. У. Гравитационная постоянная в астрономии.
Серия: Космонавтика, астрономия, М., Знание, 1985 г.
2) C. Speake. Newton's constant and the twenty-first century laboratory
<http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/363/1834/2265.short> //
/Phil. Trans. R. Soc. A./ 2005. V. 363. P. 2265–2287

[TheWho]

Результат нового измерения показан красной точкой на рис. 4. Видно, что
это измерение не только не разрешило наболевший вопрос, но и еще сильнее
усугубило проблему: оно сильно отличается от всех остальных недавних
измерений. Итак, к настоящему моменту у нас имеется уже четыре (или
пять, если считать неопубликованные данные калифорнийской группы
<http://www.physics.uci.edu/gravity/>) разных и при том довольно точных
измерения, и *все они кардинально расходятся друг с другом!* Разница
между двумя самыми крайними (и хронологически — самыми последними)
значениями уже превышает *20(!) заявленных погрешностей*.

Что касается нового эксперимента, тут надо добавить вот что. Эта группа
исследователей уже выполняла
<http://prl.aps.org/abstract/PRL/v87/i11/e111101> аналогичный
эксперимент в 2001 году. И тогда у них тоже получалось значение, близкое
к нынешнему, но только чуть менее точное (см. рис. 4). Их можно было бы
заподозрить в простом повторении измерений на одном и том же железе,
если бы не одно «но» — тогда это была /другая/ установка. От той старой
установки они сейчас взяли только 11-килограммовые внешние цилиндры, но
весь центральный прибор был сейчас построен заново. Если бы у них
действительно был какой-то неучтенный эффект, связанный именно
с материалами или изготовлением аппарата, то он вполне мог измениться и
«утащить за собой» новый результат. Но результат остался примерно на том
же месте, что и в 2001 году. Авторы работы видят в этом лишнее
доказательство чистоты и достоверности их измерения.

Ситуация, когда сразу четыре или пять результатов, полученных разными
группами, /все/ различаются на десяток-другой заявленных погрешностей,
по-видимому, для физики беспрецедентна. Какой бы высокой ни была
точность каждого измерения и как бы авторы ею ни гордились, для
установления истины она сейчас не имеет никакого значения. И пока что
пытаться на их основании узнать истинное значение гравитационной
постоянной можно только одним способом: поставить значение где-то
посередине и приписать погрешность, которая будет охватывать весь этот
интервал (то есть раза в полтора-два /ухудшить/ нынешнюю рекомендованную
погрешность). Можно лишь надеяться, что следующие измерения будут
попадать в этот интервал и постепенно будут давать предпочтение
какому-то одному значению.

Так или иначе, но гравитационная постоянная продолжает оставаться
головоломкой измерительной физики. Через сколько лет (или десятилетий)
эта ситуация действительно начнет улучшаться, сейчас предсказать трудно.

*Источник: *T. Quinn, H. Parks, C. Speake, and R. Davis. Improved
Determination of G Using Two Methods
<http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i10/e101102> // /Phys. Rev. Lett./
111, 101102 (2013).

*См. также:*
1) Милюков В. К., Сагитов М. У. Гравитационная постоянная в астрономии.
Серия: Космонавтика, астрономия, М., Знание, 1985 г.
2) C. Speake. Newton's constant and the twenty-first century laboratory
<http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/363/1834/2265.short> //
/Phil. Trans. R. Soc. A./ 2005. V. 363. P. 2265–2287

[Ilya Geller]

У меня эта постоянная G характеризует часть Вселенной которая существует как точки накопления, к той его части которая существует как материальные точки. Так получается из моей формулы на стр 5: https://trec.nist.gov/pubs/trec15/papers/lexiclone.qa.final.pdf

Между тем формула на стр. 5 следует и доказывается опытом Юнга (и несколькими ещё), для двух-щелей, для тока смещения и какрусели Лебедева (см. http://bolshoyforum.com/forum/index.php?topic=616323.msg9926244#new)

Но как я сказал: из правил дифференциального анализа (таковой базируется на постулате Теории Струн о множественности состояний Вселенной, по правилам дифференциального исчисления о производной) — следует что существует Четвёртая струна, где мы обитаем в Третьей. То есть существует Первая (материальная точка), Вторая (продолженные метриальные точки, струны Теории Струн), Третья (точки накопления, наша Вселенная), и Четвёртая (четвёртртый род точек). Тогда гравитационная постоянна G учитывает и те точки что в Четвёртой как минимум.

Тела же в опыте Кавендеша и его вариантах взаимодействуют по силе упругости.

[ABC11]

Измерения гравитационной постоянной

Есть прибор под названием "Гравимер" без проблем и очень точно замеряет гравитацию. 0,0000000000667 Н. оставьте для школьников.

[ABC11]

У меня эта постоянная G характеризует часть Вселенной

Не только у тебя.


У людей это не щели и струны, а сракопад (притяжение, тяготение)

[TheWho]

Установка с четырьмя массами-цилиндрами

[TheWho]

У людей это не щели и струны, а сракопад (притяжение, тяготение)

-О, это мне напоминает струны во Вселенной. Есть даже! раздел астрономии- "Теория струн"- если не ошибаюсь

[TheWho]

Установка с четырьмя массами-цилиндрами






Рис. 2. Классический эксперимент Кавендиша. Измеряя угол поворота гантельки и зная массы тел, расстояние между ними и упругие свойства нити, можно вычислить гравитационную постоянную. Изображение с сайта en.wikipedia.org



Рис. 3. Измерение гравитационной постоянной по состоянию на 2010 год. Рекомендованное NIST значение (показано зеленым) учитывает все предыдущие измерения; три новых измерения (показаны красным), несмотря на высокую заявленную точность, очень сильно расходятся друг с другом. Изображение с сайта www.schlammi.com



Рис. 4. Измерение гравитационной постоянной по состоянию на 2013 год. Зеленая точка — обновленное рекомендованное значение; красная точка — результат нового измерения; черным цветом показаны многочисленные более ранние эксперименты. Изображение из обсуждаемой статьи

[---]

Есть прибор под названием "Гравимер" без проблем и очень точно замеряет гравитацию. 0,0000000000667 Н. оставьте для школьников.

"Гравиметр" не измеряет "гравитационную постоянную".
Гравиметры измеряют "g" - ускорение свободного падения (УСП)

Разные гравиметры делают это по разному.

Простые - представляют собой просто весы, измеряют вес эталонного грузика (P) с известной массой (m), и пересчитывают его в УСП по формуле:

g = P/m

Более точные и сложные измеряют непосредственно ускорение свободно падающего зеркальца.
Измеряют время пролета (t) этого зеркала известного образцового расстояния (s), и рассчитывают УСП по формуле^

g = a = 2s/t²..

Именно с помощью такого гравиметра в свое время был обнаружен эффект экранирования гравитации..

[Вашкевич Виктор]

Установка с четырьмя массами-цилиндрами

https://www.youtube.com/watch?v=iALijfjvc8U

[---]

Установка с четырьмя массами-цилиндрами

Да.
Всегда одно и то же.
Металлические болванки, болтающиеся друг возле друга.
Причем, электродинамическое взаимодействие этих болванок никогда не учитывается при расчете "притяжения"
Подлог в чистейшем рафинированном виде..

[Вашкевич Виктор]

Да.
Всегда одно и то же.
Металлические болванки, болтающиеся друг возле друга.
Причем, электродинамическое взаимодействие этих болванок никогда не учитывается при расчете "притяжения"
Подлог в чистейшем рафинированном виде..

Подлог и сговор. Омерта.  Мафия. Всю РАН надо ложить мордой в пол.

[ABC11]

"Гравиметр" не измеряет "гравитационную постоянную".
Гравиметры измеряют "g" - ускорение свободного падения (УСП)

Разные гравиметры делают это по разному.

Простые - представляют собой просто весы, измеряют вес эталонного грузика (P) с известной массой (m), и пересчитывают его в УСП по формуле:

g = P/m

Более точные и сложные измеряют непосредственно ускорение свободно падающего зеркальца.
Измеряют время пролета (t) этого зеркала известного образцового расстояния (s), и рассчитывают УСП по формуле^

g = a = 2s/t²..

Именно с помощью такого гравиметра в свое время был обнаружен эффект экранирования гравитации..

Об чём и глаголю, на хрена G если гравитацию можно измерить точно и не напрягаясь. Оставим эту гравитационную постоянную школьникам для задач.
Гравитационное экранирование? Вы себя произвели в бога.

[---]

... Оставим эту гравитационную постоянную школьникам для задач.

А, зачем школьникам задавать такие задачи?
НЕ имеющие отношения к реальности?
Чисто, попотеть?
Ну тогда, давайте, будем им на уроках физики задавать задачи по теплопроводности трахей драконов Средиземья..

Гравитационное экранирование? ..

Да.
Опыты в горизонтальных шахта (вгрызание в гору), показывают, что "притяжение" Земли уменьшается по мере роста толщины слоя грунта над "головой".

[Ilya Geller]

Кстати не существует ни одного определения что такое эта постоянная и откуда она взялась. Только моё: эта постоянная характеризует соотношение точек накопления ко всем остальным точкам. Но это определение какое-то ущербное, поскольку предполагает конечность.

[---]

Кстати не существует ни одного определения что такое эта постоянная и откуда она взялась. Только моё...

Илюха.
У тебя тяжелейший случай маньки..
Все без исключения "фундаментальные постоянные" - есть коэффициенты, уравнивающие правую и левую части физических уравнений.
Ты - болван, Илюха.
Смирись.