(Gravitačná konštanta – veľkosť nie konštanta)
Časť 1
Obr.1
Vo fyzike existuje len jedna konštanta súvisiaca s gravitáciou – gravitačná konštanta (G). Táto konštanta bola získaná experimentálne a nemá žiadnu súvislosť s inými konštantami. Vo fyzike sa považuje za základ.
Tejto konštante bude venovaných niekoľko článkov, kde sa pokúsim ukázať nejednotnosť jej nemennosti a chýbajúci základ pod ňou. Presnejšie povedané, je pod ním základ, ktorý je však v niečom iný.
Aký je význam konštantnej gravitácie a prečo sa meria tak starostlivo? Pre pochopenie je potrebné sa opäť vrátiť k zákonu univerzálnej gravitácie. Prečo fyzici tento zákon prijali, navyše ho začali nazývať „najväčším dosiahnutým zovšeobecnením ľudská myseľ". Jeho formulácia je jednoduchá: dve telesá na seba pôsobia silou, ktorá je nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi a priamo úmerná súčinu ich hmotností.
G– gravitačná konštanta
Z tohto jednoduchého vzorca vyplýva veľa veľmi netriviálnych záverov, no neexistuje odpoveď na základné otázky: ako a vďaka čomu pôsobí gravitačná sila?
Tento zákon nehovorí nič o mechanizme, akým sila príťažlivosti vzniká, ale používa sa dodnes a zrejme sa bude používať aj v nasledujúcich storočiach.
Niektorí vedci sa mu posmievajú, iní ho zbožňujú. Obaja sa bez nej nezaobídu, pretože... Nič lepšie nebolo vynájdené ani objavené. Praktizujúci v prieskume vesmíru, vediac o nedokonalosti tohto zákona, používajú korekčné tabuľky, ktoré sa aktualizujú o nové údaje po každom štarte kozmickej lode.
Teoretici sa snažia tento zákon napraviť zavádzaním opráv, dodatočných koeficientov, hľadaním dôkazov o existencii chyby v dimenzii gravitačnej konštanty G, no nič sa neujme a Newtonov vzorec zostáva vo svojej pôvodnej podobe.
Vzhľadom na množstvo nejednoznačností a nepresností vo výpočtoch pomocou tohto vzorca je potrebné ho ešte opraviť.
Newtonov výraz je všeobecne známy: „Gravitácia je univerzálna“, t.j. gravitácia je univerzálna. Tento zákon popisuje gravitačnú interakciu medzi dvoma telesami, bez ohľadu na to, kde sa vo vesmíre nachádzajú; To sa považuje za podstatu jeho univerzalizmu. Gravitačná konštanta G, zahrnutá v rovnici, sa považuje za univerzálnu prírodnú konštantu.
Konštanta G umožňuje uspokojivé výpočty v pozemských podmienkach, logicky by mala byť zodpovedná za interakciu energie, ale čo si z konštanty vziať?
Zaujímavý je názor vedca (V.E. Kosciusko), ktorý dal skutočné zážitky na pochopenie a odhalenie prírodných zákonov veta: „Príroda nemá ani fyzikálne zákony, ani fyzikálne konštanty s rozmermi, ktoré vymyslel človek. „V prípade gravitačnej konštanty veda dospela k názoru, že táto veličina bola nájdená a numericky odhadnutá. Je však špecifický fyzický význam a to predovšetkým preto, že v skutočnosti nesprávnym konaním, či skôr hrubými chybami, bola získaná nezmyselná a úplne nezmyselná hodnota s absurdným rozmerom.“
Nerád by som sa staval do pozície takejto kategorickosti, ale musíme konečne pochopiť význam tejto konštanty.
V súčasnosti je hodnota gravitačnej konštanty schválená Výborom pre základné fyzikálne konštanty: G=6,67408·10 -11 m³/(kg·s²) [CODATA 2014] . Napriek tomu, že táto konštanta je starostlivo meraná, nespĺňa požiadavky vedy. Ide o to, že neexistuje presná zhoda výsledkov medzi podobnými meraniami vykonanými v rôznych laboratóriách po celom svete.
Ako poznamenávajú Melnikov a Pronin: „Historicky sa gravitácia stala prvým predmetom vedeckého výskumu. Hoci od vzniku gravitačného zákona, za ktorý vďačíme Newtonovi, uplynulo viac ako 300 rokov, konštanta gravitačnej interakcie zostáva najmenej presne meraná v porovnaní s ostatnými.“
Okrem toho zostáva otvorená hlavná otázka o samotnej podstate gravitácie a jej podstate. Ako je známe, samotný Newtonov zákon univerzálnej gravitácie bol overený s oveľa väčšou presnosťou ako presnosť konštanty G. presná definícia gravitačné sily sú vyvolané gravitačnou konštantou, preto jej venujeme veľkú pozornosť.
Jedna vec je venovať pozornosť a úplne iná vec je presnosť výsledkov pri meraní G. Pri dvoch najpresnejších meraniach môže chyba dosiahnuť približne 1/10000. Keď sa však merania uskutočňovali na rôznych miestach planéty, hodnoty mohli prekročiť experimentálnu chybu rádovo alebo viac!
Čo je to za konštantu, keď je pri jej meraní taký obrovský rozptyl hodnôt? Alebo možno to vôbec nie je konštanta, ale meranie niektorých abstraktných parametrov. Alebo sú merania ovplyvnené rušením pre výskumníkov neznáme? Tu sa objavuje nová pôda pre rôzne hypotézy. Niektorí vedci sa odvolávajú na magnetické pole Zeme: „Vzájomný vplyv gravitačných a magnetických polí Zeme vedie k tomu, že gravitácia Zeme bude silnejšia na miestach, kde je silnejšie magnetické pole.“ Diracovi prívrženci tvrdia, že gravitačná konštanta sa mení s časom atď.
Niektoré otázky sú odstránené kvôli nedostatku dôkazov, zatiaľ čo iné sa objavujú a je to prirodzený proces. Ale takáto hanba nemôže pokračovať donekonečna; dúfam, že môj výskum pomôže určiť smer k pravde.
Prvým, kto sa zaslúžil o priekopníka experimentu s meraním konštantnej gravitácie, bol anglický chemik Henry Cavendish, ktorý sa v roku 1798 pustil do určovania hustoty Zeme. Na takýto delikátny experiment použil torzné váhy vynájdené J. Michellom (dnes exponát v Národnom múzeu Veľkej Británie). Cavendish porovnával kmity kyvadla testovacieho telesa pod vplyvom gravitácie guľôčok známej hmotnosti v gravitačnom poli Zeme.
Experimentálne údaje, ako sa neskôr ukázalo, boli užitočné na určenie G. Výsledok získaný Cavendishom bol fenomenálny a líšil sa len o 1 % od toho, čo je dnes akceptované. Treba poznamenať, aký veľký úspech to bol v jeho ére. Za viac ako dve storočia pokročila veda o experimente len o 1 %? Je to neuveriteľné, ale pravdivé. Navyše, ak zoberieme do úvahy výkyvy a neschopnosť ich prekonať, hodnota G je priradená umelo, ukazuje sa, že od čias Cavendisha sme v presnosti meraní vôbec nepokročili!
Áno! Nikam sme nepokročili, veda je v páde – nechápe gravitáciu!
Prečo veda za viac ako tri storočia neurobila prakticky žiadny pokrok v meraní tejto konštanty? Možno je to všetko o nástroji, ktorý Cavendish použil. Torzné váhy, vynález zo 16. storočia, zostávajú vedcom v prevádzke dodnes. Samozrejme, už to nie sú tie isté torzné váhy, pozrite sa na fotografiu, obr. 1. Napriek zvončekom a píšťalkám modernej mechaniky a elektroniky, plus vákuová a teplotná stabilizácia, výsledok sa takmer nepohol. Očividne tu niečo nesedí.
Naši predkovia a súčasníci robili rôzne pokusy merať G v rôznych zemepisných šírkach a vo väčšine neuveriteľné miesta: hlbinné bane, ľadové jaskyne, studne, na televíznych vežiach. Konštrukcia torzných vyvážení bola vylepšená. Nové merania za účelom objasnenia gravitačnej konštanty boli opakované a overené. Kľúčový experiment uskutočnili v Los Alamos v roku 1982 G. Luther a W. Towler. Ich nastavenie pripomínalo Cavendishovu torznú váhu s volfrámovými guličkami. Výsledok týchto meraní, 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (t.j. 6,6726±0,0005), bol základom odporúčaným Výborom pre údaje pre vedu a techniku (CODATA) v roku 1986. .
Všetko bolo pokojné až do roku 1995, keď skupina fyzikov v nemeckom laboratóriu PTB v Braunschweigu pomocou upravenej inštalácie (váhy plávajúce na povrchu ortuti, s guľôčkami veľkej hmotnosti) získala hodnotu G (0,6 ± 0,008) %. viac ako všeobecne uznávaný. V dôsledku toho sa v roku 1998 chyba merania G zvýšila takmer o jeden rád.
V súčasnosti sa aktívne diskutuje o experimentoch na testovanie zákona univerzálnej gravitácie, založených na atómovej interferometrii, na meranie mikroskopických testovacích hmotností a ďalšie testovanie Newtonovho gravitačného zákona v mikrokozme.
Boli vyskúšané aj iné metódy merania G, ale korelácia medzi meraniami zostáva prakticky nezmenená. Tento jav sa dnes nazýva porušenie zákona o inverznom štvorci alebo „piatej sily“. Piata sila teraz zahŕňa aj určité Higgsove častice (polia) – častice Boha.
Zdá sa, že božská častica bola zaznamenaná, alebo skôr vypočítaná, takto senzačne predstavili svetu novinku fyzici, ktorí sa zúčastnili experimentu na Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC).
Spoľahnite sa na Higgsov bozón, ale nerobte chybu!
Čo je teda táto tajomná konštanta, ktorá kráča sama od seba a bez nej nemôžete nikam ísť?
Prečítajte si pokračovanie článku
Sekcia sa používa veľmi jednoducho. Do zobrazeného poľa stačí zadať správne slovo, a my vám poskytneme zoznam jeho hodnôt. Chcel by som poznamenať, že naša webová stránka poskytuje údaje z rôzne zdroje– encyklopedické, výkladové, slovotvorné slovníky. Tu si môžete pozrieť aj príklady použitia zadaného slova.
Čo znamená „gravitačná konštanta“?
Encyklopedický slovník, 1998
gravitačná konštanta
GRAVITAČNÁ KONŠTANTA (označená G) koeficient úmernosti v Newtonovom gravitačnom zákone (pozri Univerzálny gravitačný zákon), G = (6,67259+0,00085)·10-11 N·m2/kg2.
Gravitačná konštanta
koeficient úmernosti G vo vzorci vyjadrujúcom Newtonov gravitačný zákon F = G mM / r2, kde F ≈ príťažlivá sila, M a m ≈ hmotnosti priťahujúcich sa telies, r ≈ vzdialenosť medzi telesami. Iné označenia pre G. p.: g alebo f (menej často k2). Číselná hodnota G.P. závisí od výberu systému jednotiek dĺžky, hmotnosti a sily. V systéme jednotiek GHS
G = (6,673 ╠ 0,003) × 10-8dn × cm2 × g-2
alebo cm3×g
--1×s-2, v medzinárodnej sústave jednotiek G = (6,673 ╠ 0,003)×10-11×n×m2×kg
--2
alebo m3×kg-1×sec-2. Väčšina presná hodnota G.P. sa získava z laboratórnych meraní príťažlivej sily medzi dvoma známymi hmotami pomocou torzných váh.
Pri výpočte obežných dráh nebeských telies (napríklad satelitov) vzhľadom na Zem sa používa geocentrický geocentrický bod, ktorý je súčinom geocentrického bodu hmotnosťou Zeme (vrátane jej atmosféry):
GE = (3,98603 ╠ 0,00003) × 1014 × m3 × s-2.
Pri výpočte dráh nebeských telies vzhľadom na Slnko sa používa heliocentrický geometrický bod, ≈ súčin heliocentrického bodu a hmotnosti Slnka:
GSs = 1,32718×1020× m3×s-2.
Tieto hodnoty GE a GS zodpovedajú systému základných astronomických konštánt prijatého v roku 1964 na kongrese Medzinárodnej astronomickej únie.
Yu. A. Ryabov.
Wikipedia
Gravitačná konštanta
Gravitačná konštanta, Newtonova konštanta(zvyčajne sa označuje , Niekedy alebo) - základná fyzikálna konštanta, konštanta gravitačnej interakcie.
Podľa Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie sila gravitačnej príťažlivosti medzi dvoma hmotnými bodmi s hmot A , ktorý sa nachádza na diaľku , rovná sa:
$F=G\frac(m_1 m_2)(r^2).$
Faktor proporcionality v tejto rovnici je tzv gravitačná konštanta. Číselne sa rovná modulu gravitačnej sily pôsobiacej na bodové teleso jednotkovej hmotnosti od iného podobného telesa umiestneného v jednotkovej vzdialenosti od neho.
6,67428(67) 10 m s kg alebo N m² kg,
v roku 2010 bola hodnota opravená na:
6,67384(80)·10 m·s·kg alebo N·m²·kg.
V roku 2014 sa hodnota gravitačnej konštanty odporúčaná CODATA rovnala:
6.67408(31) 10 m s kg alebo N m² kg.
V októbri 2010 sa v časopise Physical Review Letters objavil článok navrhujúci revidovanú hodnotu 6,67234(14), čo je o tri štandardné odchýlky menej ako , odporúčané v roku 2008 Výborom pre údaje pre vedu a techniku (CODATA), ale zodpovedá viac skorý význam CODATA, zavedená v roku 1986. Revízia hodnoty , ktorá sa vyskytla v rokoch 1986 až 2008, bola spôsobená štúdiami nepružnosti závesných závitov v torzných váhach. Gravitačná konštanta je základom pre prevod iných fyzikálnych a astronomických veličín, ako sú hmotnosti planét vo Vesmíre vrátane Zeme, ako aj iných kozmických telies na tradičné merné jednotky, ako sú kilogramy. Navyše, vzhľadom na slabosť gravitačnej interakcie a z toho vyplývajúcu nízku presnosť meraní gravitačnej konštanty, sú hmotnostné pomery kozmických telies zvyčajne známe oveľa presnejšie ako jednotlivé hmotnosti v kilogramoch.
Gravitačná konštanta, Newtonova konštanta, je základná fyzikálna konštanta, konštanta gravitačnej interakcie.
Gravitačná konštanta sa objavuje v modernom zápise zákona univerzálnej gravitácie, ale až do začiatku 19. storočia explicitne chýbala v Newtonovi a v prácach iných vedcov.
Gravitačná konštanta vo svojej súčasnej podobe bola prvýkrát zavedená do zákona univerzálnej gravitácie, zrejme až po prechode na jednotný metrický systém mier. Možno to prvýkrát urobil francúzsky fyzik Poisson vo svojom Pojednaní o mechanike (1809). Autor: najmenej Historici neidentifikovali žiadne skoršie práce, v ktorých by sa gravitačná konštanta objavila.
V roku 1798 Henry Cavendish uskutočnil experiment na určenie priemernej hustoty Zeme pomocou torznej váhy, ktorú vynašiel John Mitchell (Philosophical Transactions 1798). Cavendish porovnával kmity kyvadla testovacieho telesa pod vplyvom gravitácie guľôčok známej hmotnosti a pod vplyvom zemskej gravitácie. Číselná hodnota gravitačnej konštanty bola vypočítaná neskôr na základe priemernej hustoty Zeme. Presnosť nameraných hodnôt G od čias Cavendisha sa to zvýšilo, no jeho výsledok sa už dosť približoval tomu modernému.
V roku 2000 bola získaná hodnota gravitačnej konštanty
cm 3 g -1 s -2, s chybou 0,0014 %.
Najnovšiu hodnotu gravitačnej konštanty získala skupina vedcov v roku 2013, pracujúca pod záštitou Medzinárodného úradu pre váhy a miery, a je
cm3 g-1 s-2.
V budúcnosti, ak sa experimentálne stanoví presnejšia hodnota gravitačnej konštanty, môže byť revidovaná.
Hodnota tejto konštanty je známa oveľa menej presne ako hodnota všetkých ostatných základných fyzikálnych konštánt a výsledky experimentov na jej spresnenie sa naďalej líšia. Zároveň je známe, že problémy nesúvisia so zmenami samotnej konštanty z miesta na miesto a v čase, ale sú spôsobené experimentálnymi ťažkosťami pri meraní malých síl pri zohľadnení veľké číslo vonkajšie faktory.
Podľa astronomických údajov sa konštanta G za posledné stovky miliónov rokov prakticky nezmenila, jej relatívna zmena nepresahuje 10?11 - 10?12 za rok.
Podľa Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie sila gravitačnej príťažlivosti F medzi dvoma hmotnými bodmi s hmot m 1 a m 2 umiestnený v určitej vzdialenosti r, rovná sa:
Faktor proporcionality G v tejto rovnici sa nazýva gravitačná konštanta. Číselne sa rovná modulu gravitačnej sily pôsobiacej na bodové teleso jednotkovej hmotnosti od iného podobného telesa umiestneného v jednotkovej vzdialenosti od neho.
V jednotkách Medzinárodnej sústavy jednotiek (SI) bola Výborom pre údaje pre vedu a techniku (CODATA) odporúčaná hodnota na rok 2008
G= 6,67428 (67) 10 ≥ 11 m 3 s ≤ 2 kg ≥ 1
v roku 2010 bola hodnota opravená na:
G= 6,67384 (80) 10-11 m3 s-2 kg-1 alebo N ml kg-2.
V októbri 2010 sa v časopise Physical Review Letters objavil článok navrhujúci revidovanú hodnotu 6,67234 (14), čo je o tri štandardné odchýlky menej ako G, odporúčané v roku 2008 Výborom pre údaje pre vedu a techniku (CODATA), ale v súlade so skoršou hodnotou CODATA zavedenou v roku 1986.
Revízia hodnoty G, ktorá sa vyskytla v rokoch 1986 až 2008, bola spôsobená štúdiami nepružnosti závesných závitov v torzných váhach.
Gravitačná konštanta je základom pre prevod iných fyzikálnych a astronomických veličín, ako sú hmotnosti planét vo Vesmíre vrátane Zeme, ako aj iných kozmických telies na tradičné merné jednotky, ako sú kilogramy. Navyše, vzhľadom na slabosť gravitačnej interakcie a z toho vyplývajúcu nízku presnosť meraní gravitačnej konštanty, sú hmotnostné pomery kozmických telies zvyčajne známe oveľa presnejšie ako jednotlivé hmotnosti v kilogramoch.
Vedci z Ruska a Číny spresnili gravitačnú konštantu pomocou dvoch nezávislých metód. Výsledky štúdie boli publikované v časopise Nature.
Gravitačná konštanta G je jednou zo základných konštánt vo fyzike, ktorá sa používa pri výpočte gravitačnej interakcie hmotných telies. Podľa Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie gravitačná interakcia dvoch hmotné bodyúmerné súčinu ich hmotností a nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. Tento vzorec obsahuje aj konštantný koeficient – gravitačnú konštantu G. Astronómovia teraz dokážu merať hmotnosti a vzdialenosti oveľa presnejšie ako gravitačná konštanta, a preto sa vo všetkých výpočtoch gravitácie medzi telesami nahromadila systematická chyba. Pravdepodobne chyba spojená s gravitačnou konštantou ovplyvňuje aj štúdie interakcií atómov alebo elementárnych častíc.
Fyzici túto veličinu opakovane merali. IN Nová práca medzinárodný tím vedcov, ktorého súčasťou boli pracovníci Štátneho astronomického ústavu pomenovaného po P.K. Sternberg (SAI) z Moskovskej štátnej univerzity sa rozhodol objasniť gravitačnú konštantu pomocou dvoch metód a torzného kyvadla.
„Pri experimente na meranie gravitačnej konštanty je potrebné vykonať absolútne merania troch fyzikálnych veličín: hmotnosť, dĺžka a čas,“ komentuje jeden z autorov štúdie Vadim Milyukov zo Štátnej inšpekcie. - Absolútne merania môžu byť vždy zaťažené systematickými chybami, preto bolo dôležité získať dva nezávislé výsledky. Ak sa navzájom zhodujú, potom existuje istota, že sú bez systematickosti. Naše výsledky sa navzájom zhodujú na úrovni troch štandardných odchýlok.“
Prvým prístupom, ktorý autori štúdie použili, je takzvaná dynamická metóda (metóda time-of-swing, ToS). Vedci vypočítali, ako sa menila frekvencia torzných vibrácií v závislosti od polohy dvoch testovacích telies, ktoré slúžili ako zdroje hmoty. Ak sa vzdialenosť medzi testovacími telesami zmenšuje, zvyšuje sa sila ich vzájomného pôsobenia, čo vyplýva zo vzorca pre gravitačnú interakciu. V dôsledku toho sa zvyšuje frekvencia kmitov kyvadla.
Schéma experimentálneho usporiadania s torzným kyvadlom
Q. Li, C. Xie, J.-P. Liu a kol.
Pomocou tejto metódy výskumníci zohľadnili príspevok elastických vlastností nite kyvadla k chybám merania a pokúsili sa ich vyhladiť. Experimenty sa uskutočnili na dvoch nezávislých zariadeniach umiestnených vo vzdialenosti 150 m od seba. Pri prvom testovali vedci tri rôzne druhy vlákna závesného vlákna na kontrolu možné chyby vyvolané materiálom. Druhý mal výrazne odlišný dizajn: výskumníci použili nové silikátové vlákno, inú sadu kyvadiel a závaží, aby vyhodnotili chyby, ktoré závisia od inštalácie.
Druhou metódou, ktorou sa meral G, bola metóda AAF (Angular Acceleration Feedback). Meria nie frekvenciu kmitov, ale uhlové zrýchlenie kyvadla spôsobené skúšobnými telesami. Tento spôsob merania G nie je nový, ale v záujme zvýšenia presnosti výpočtu vedci radikálne zmenili dizajn experimentálneho nastavenia: hliníkový stojan nahradili skleneným, aby sa materiál pri zahrievaní nerozťahoval. Ako testovacie hmoty sa použili starostlivo leštené guľôčky z nehrdzavejúcej ocele, ktoré sa tvarom a rovnomernosťou približujú ideálnym.
Aby sa zmenšila úloha ľudského faktora, vedci opäť zmerali takmer všetky parametre. Podrobne študovali aj vplyv teploty a vibrácií počas otáčania na vzdialenosť medzi testovacími telesami.
Hodnoty gravitačnej konštanty získané ako výsledok experimentov (AAF - 6,674484(78) × 10 -11 m 3 kg -1 s -2 ; ToS - 6,674184 (78) × 10 -11 m 3 kg -1 s -2) sa navzájom zhodujú na úrovni troch štandardných odchýlok. Okrem toho majú obe najmenšiu neistotu zo všetkých predtým stanovených hodnôt a sú v súlade s hodnotou odporúčanou Výborom pre údaje pre vedu a techniku (CODATA) v roku 2014. Tieto štúdie po prvé výrazne prispeli k určeniu gravitačnej konštanty a po druhé ukázali, aké úsilie bude v budúcnosti potrebné na dosiahnutie ešte väčšej presnosti.
Páčil sa vám materiál? v „Moje zdroje“ Yandex.News a čítajte nás častejšie.
Tlačové správy o vedecký výskum, informácie o najnovšom vydaní vedecké články a oznámenia o konferencii, ako aj údaje o získaných grantoch a oceneniach pošlite na adresu science@site.
Aby sme vysvetlili pozorovaný vývoj vesmíru v rámci existujúcich teórií, musíme predpokladať, že niektoré základné konštanty sú konštantnejšie ako iné.
Medzi základné fyzikálne konštanty - rýchlosť svetla, Planckova konštanta, náboj a hmotnosť elektrónu - gravitačná konštanta akosi stojí mimo. Dokonca aj história jeho merania je uvedená v slávnych encyklopédiách Britannica a Larousse, nehovoriac o „Physical Encyclopedia“, s chybami. Z príslušných článkov v nich sa čitateľ dozvie, že ju číselná hodnota prvýkrát identifikoval v presných experimentoch v rokoch 1797–1798 slávny anglický fyzik a chemik Henry Cavendish (1731–1810), vojvoda z Devonshire. V skutočnosti Cavendish meral priemerná hustota Zem (jeho údaje sa mimochodom líšia len o pol percenta od výsledkov moderného výskumu). Ak máme informácie o hustote Zeme, môžeme ľahko vypočítať jej hmotnosť a so znalosťou hmotnosti určiť gravitačnú konštantu.
Intriga spočíva v tom, že v čase Cavendisha koncept gravitačnej konštanty ešte neexistoval a zákon univerzálnej gravitácie nebol zvykom písať v nám známom tvare. Pripomeňme si, že gravitačná sila je úmerná súčinu hmotností gravitujúcich telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi týmito telesami, pričom koeficient úmernosti je práve gravitačná konštanta. Táto forma zápisu Newtonovho zákona sa objavuje až v 19. storočí. A prvé experimenty, pri ktorých sa merala gravitačná konštanta, sa uskutočnili už koncom storočia - v roku 1884.
Ako poznamenáva ruský historik vedy Konstantin Tomilin, gravitačná konštanta sa líši od iných základných konštánt aj tým, že s ňou nie je spojená prirodzená mierka žiadnej fyzikálnej veličiny. Zároveň rýchlosť svetla určuje maximálnu hodnotu rýchlosti a Planckova konštanta určuje minimálnu zmenu pôsobenia.
A len vo vzťahu ku gravitačnej konštante sa predpokladalo, že jej číselná hodnota sa môže časom meniť. Túto myšlienku prvýkrát sformuloval v roku 1933 anglický astrofyzik Edward Milne (Edward Arthur Milne, 1896–1950) a v roku 1937 slávny anglický teoretický fyzik Paul Dirac (1902–1984) v rámci tzv. číselná hypotéza“, naznačil, že gravitačná konštanta klesá s plynutím kozmologického času. Diracova hypotéza zaujíma dôležité miesto v dejinách teoretickej fyziky 20. storočia, no nie je známe žiadne jej viac či menej spoľahlivé experimentálne potvrdenie.
S gravitačnou konštantou priamo súvisí aj takzvaná „kozmologická konštanta“, ktorá sa prvýkrát objavila v rovniciach všeobecnej teórie relativity Alberta Einsteina. Po zistení, že tieto rovnice opisujú buď rozpínajúci sa alebo zmršťujúci sa vesmír, Einstein do rovníc umelo pridal „kozmologický výraz“, ktorý zaistil existenciu stacionárnych riešení. Jeho fyzikálny význam sa zúžil na existenciu sily, ktorá kompenzuje sily univerzálnej gravitácie a prejavuje sa len vo veľmi veľkých mierkach. Nekonzistentnosť modelu stacionárneho vesmíru sa Einsteinovi stala zrejmou po publikovaní prác amerického astronóma Edwina Hubbla (Edwin Powell Hubble, 1889–1953) a sovietskeho matematika Alexandra Friedmana, ktorí dokázali platnosť iného modelu, podľa ktorého sa Vesmír v čase rozpína. V roku 1931 Einstein opustil kozmologickú konštantu a v súkromnom rozhovore ju nazval „najväčšou chybou svojho života“.
Tým sa však príbeh neskončil. Po zistení, že expanzia vesmíru sa za posledných päť miliárd rokov zrýchľovala, sa otázka existencie antigravitácie opäť stala aktuálnou; spolu s ňou sa do kozmológie vrátila aj kozmologická konštanta. Moderní kozmológovia zároveň spájajú antigravitáciu s prítomnosťou takzvanej „temnej energie“ vo vesmíre.
Gravitačná konštanta, kozmologická konštanta aj „temná energia“ boli predmetom intenzívnej diskusie na nedávnej konferencii na London Imperial College o nevyriešených problémoch v štandardnom modeli kozmológie. Jedna z najradikálnejších hypotéz bola sformulovaná v správe Philipa Mannheima, časticového fyzika z University of Connecticut v Storrs. V skutočnosti Mannheim navrhol zbaviť gravitačnú konštantu jej štatútu ako univerzálnej konštanty. Podľa jeho hypotézy bola „tabuľková hodnota“ gravitačnej konštanty určená v laboratóriu umiestnenom na Zemi a môže byť použitá iba v rámci Slnečnej sústavy. V kozmologickom meradle má gravitačná konštanta inú, podstatne menšiu číselnú hodnotu, ktorú je možné vypočítať pomocou metód fyziky elementárnych častíc.
Pri prezentácii svojej hypotézy svojim kolegom sa Mannheim v prvom rade snažil priblížiť riešenie „problému kozmologickej konštanty“, ktorý bol pre kozmológiu veľmi dôležitý. Podstata tohto problému je nasledovná. Autor: moderné nápady, kozmologická konštanta charakterizuje rýchlosť expanzie vesmíru. Jeho číselná hodnota, zistená teoreticky metódami kvantovej teórie poľa, je 10 120-krát vyššia ako hodnota získaná z pozorovaní. Teoretická hodnota Kozmologická konštanta je taká vysoká, že pri zodpovedajúcej rýchlosti expanzie vesmíru by hviezdy a galaxie jednoducho nemali čas na vznik.
Jeho hypotéza o existencii dvoch rôznych gravitačných konštánt – pre slnečná sústava a pre medzigalaktické váhy - Mannheim to zdôvodňuje nasledovne. Podľa neho nie je v skutočnosti pri pozorovaniach určená samotná kozmologická konštanta, ale určitá veličina úmerná súčinu kozmologickej konštanty a gravitačnej konštanty. Predpokladajme, že v medzigalaktickom meradle je gravitačná konštanta veľmi malá a hodnota kozmologickej konštanty zodpovedá vypočítanej hodnote a je veľmi veľká. V tomto prípade môže byť súčin dvoch konštánt malý, čo nie je v rozpore s pozorovaniami. "Možno je čas prestať považovať kozmologickú konštantu za malú," hovorí Mannheim, "a jednoducho akceptovať, že je veľká a ísť odtiaľ." V tomto prípade je „problém kozmologickej konštanty“ vyriešený.
Mannheimom navrhované riešenie vyzerá jednoducho, no cena zaň je veľmi vysoká. Ako poznamenáva Zeeya Merali v článku „Dve konštanty sú lepšie ako jedna“, ktorý zverejnil New scientist 28. apríla 2007, zavedením dvoch rôznych číselných hodnôt pre gravitačnú konštantu, Mannheim nevyhnutne musí opustiť rovnice Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Mannheimská hypotéza navyše robí myšlienku „temnej energie“, ktorú prijíma väčšina kozmológov, zbytočnú, pretože malá hodnota gravitačnej konštanty na kozmologických mierkach je sama o sebe ekvivalentná predpokladu existencie antigravitácie.
Keith Horne z Britskej univerzity v St. Andrew (University of St Andrew) víta Mannheimovu hypotézu, pretože využíva základné princípy časticovej fyziky: "Je to veľmi elegantné a bolo by úžasné, keby to bolo správne." Podľa Horna by sme v tomto prípade mohli spojiť časticovú fyziku a gravitáciu do jednej veľmi atraktívnej teórie.
Nie všetci s ňou však súhlasia. New Scientist tiež cituje názor kozmológa Toma Shanksa, že niektoré javy, ktoré veľmi dobre zapadajú do štandardného modelu – napríklad nedávne merania žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia a pohyb dvojitých pulzarov – sa pravdepodobne nedajú tak ľahko vysvetliť v Mannheimovej teórii. .
Sám Mannheim nepopiera problémy, ktorým jeho hypotéza čelí, pričom poznamenáva, že ich považuje za oveľa menej významné v porovnaní s ťažkosťami štandardného kozmologického modelu: „Vyvíjajú ho stovky kozmológov, no napriek tomu je nevyhovujúci o 120 rádov. rozsah."
Treba poznamenať, že Mannheim si našiel množstvo priaznivcov, ktorí ho podporili, aby sa vylúčilo to najhoršie. K najhoršiemu pripisovali hypotézu, ktorú v roku 2006 predložili Paul Steinhardt z Princetonskej univerzity a Neil Turok z Cambridgeskej univerzity, podľa ktorej sa vesmír periodicky rodí a zaniká a v každom z cyklov (trvajúcom bilión rokov) existuje Veľký tresk a v každom cykle sa ukáže, že číselná hodnota kozmologickej konštanty je menšia ako v predchádzajúcom. Mimoriadne nevýznamná hodnota kozmologickej konštanty zaznamenaná pri pozorovaniach potom znamená, že náš vesmír je veľmi vzdialeným článkom vo veľmi dlhá reťaz vznikajúce a zanikajúce svety...
