Физики из России и Китая уточнили гравитационную постоянную
Китайские физики и их коллега из МГУ точно измерили гравитационную постоянную из знаменитого закона всемирного тяготения Ньютона двумя независимыми методами и уточнили ее значение. Их выводы были представлены в журнале Nature.
"В эксперименте по измерению гравитационной постоянной требуется произвести абсолютные измерения трех физических величин: массы, длин, и времени. Абсолютные измерения всегда могут быть отягощены систематическими ошибками. Наши же результаты совпадают между собой на уровне трех стандартных отклонений",— заявил Вадим Милюков из ГАИШ МГУ.
Гравитационная постоянная G — одна из фундаментальных констант в физике, применяемая при расчётах гравитационного взаимодействия материальных тел. Как показал Ньютон еще в 1686 году, гравитационное взаимодействие двух материальных точек пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
Первую попытку измерить G произвел другой великий английский физик, Генри Кавендиш. В 1798 году он напрямую вычислил ее значение, наблюдая за вращением "коромысла", подвешенного на веревке, к которому было прикручено два небольших шарика.
Эти сферы периодически сближались с двумя большими шарами, притягивались ими и заставляли коромысло колебаться, что позволило Кавендишу получить первое точное значение гравитационной постоянной. Что интересно, все последующие замеры, которые физики проводили в 19 и 20 веках, повысили точность замеров всего на порядок, что породило своеобразный кризис.
Дело в том, что сейчас ученые могут замерять массы небольших объектов и расстояния между ними намного точнее, чем саму G, что вполне допустимо в рамках астрономических наблюдений, но мешает изучать свойства объектов микромира и работу гравитации на этом уровне.
Милюков и его коллеги из Китая сделали первый шаг к решению этой проблемы, разработав две новых методики измерения гравитационной постоянной, что позволило им повысить точность замеров G примерно в восемь раз.
Первая методика измерений в чем-то напоминает опыты Кавендиша. В ее рамках ученые собрали очень точный и "долговечный" маятник, и начали наблюдать за тем, как будет ускоряться или замедляться его движение, если разместить две сферы параллельно и перпендикулярно его колебаниям.
© Q. Li, C.Xie, J.-P. Liu et al. Measurement of the gravitational constant using two independent methods. Nature. 2018Схема приборов, при помощи которых ученые измерили гравитационную постоянную
Подобные опыты, как отмечают Милюков и его коллеги, уже проводились в 1930 годах, однако сейчас ученые учли все силы, возникающие внутри нити и других частей подобного маятника, и использовали не одну, а две таких установки, использующие разные типы волокон и подвесов, для ликвидации всех погрешностей наблюдений.
Второй прибор работал несколько иначе. В нем маятник был прикреплен к вращающемуся диску, а грузы – прикреплены к еще одному вращающемуся кругу, в который был вставлен первый объект. Ученые раскручивали и тот, и другой диск таким образом, что скорость движения маятника и его ускорение зависели только от силы притяжения и расположения грузов.
Для получения максимально точных замеров ученые не только объединили результаты и того, и другого эксперимента, но и проводили наблюдения, периодически меняя друг друга за "пультом" этих приборов, чтобы избежать влияния человеческого фактора.
И тот, и другой прибор указали на почти одинаковые значения G – 6,674184 и 6,674484, что очень близко к значениям, полученным Кавендишем, и текущей общепринятой константе из официального справочника CODATA.
При этом эти замеры примерно в 8 раз точнее, чем текущий стандарт и другие попытки уточнить значение этого параметра в уравнении Ньютона. Как надеются ученые, дальнейшее совершенствование методик наблюдений позволят им сделать гравитационную постоянную более "современной".