Гравитационная постоянная измерена новыми методами

Схема атомно-интерференционной установки по измерению гравитационной постоянной (изображение из обсуждаемой статьи в Science)
Схема атомно-интерференционной установки по измерению гравитационной постоянной (изображение из обсуждаемой статьи в Science)

Гравитационная константа Ньютона измерена методами атомной интерферометрии. Новая методика свободна от недостатков чисто механических экспериментов и, возможно, позволит скоро изучать эффекты общей теории относительности в лаборатории.

Фундаментальные физические постоянные, такие как скорость света c, гравитационная постоянная G, постоянная тонкой структуры α, масса электрона и другие, играют чрезвычайно важную роль в современной физике. Заметная часть экспериментальной физики посвящена как можно более точному измерению их значений и проверке того, не изменяются ли они во времени и пространстве. Даже малейшие подозрения в непостоянности этих констант могут породить целый поток новых теоретических исследований и пересмотр общепринятых положений теоретической физики. (См. популярную статью Дж. Бэрроу и Дж. Веба Непостоянные постоянные // «В мире науки», сентябрь 2005 г., а также подборку научных статей, посвященных возможной непостоянности констант взаимодействия.)

Большинство фундаментальных констант известны сегодня с чрезвычайно высокой точностью. Так, масса электрона измерена с точностью 10–7 (то есть стотысячная доля процента), а постоянная тонкой структуры α, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, — с точностью 7 × 10–10 (см. заметку Уточнена постоянная тонкой структуры). В свете этого может показаться удивительным, что значение гравитационной постоянной, которая входит в закон всемирного тяготения, известно с точностью хуже, чем 10–4, то есть одна сотая доля процента.

Такое положение вещей отражает объективные трудности гравитационных экспериментов. Если пытаться определить G из движения планет и спутников, то необходимо с высокой точностью знать массы планет, а они-то как раз известны плохо. Если же поставить механический эксперимент в лаборатории, например измерить силу притяжения двух тел с точно известной массой, то такое измерение будет иметь большие погрешности из-за чрезвычайной слабости гравитационного взаимодействия.

В 1998 году комитет CODATA, занимающийся анализом экспериментов по измерению фундаментальных констант и их результатов и на основании этого рекомендующий к использованию их численные значения, под натиском новых противоречащих друг другу экспериментальных данных был вынужден в 12 раз (!) ухудшить точность рекомендованного значения G по сравнению с 1986 годом (см. сообщение в журнале Physics Today, March 2001). Затем выяснилось, что причиной этих разногласий могли стать неучтенные систематические погрешности при постановке опытов, но и сейчас никто не может гарантировать, что в столь сложные механические эксперименты не закрался еще какой-нибудь неучтенный источник ошибок.

Все эти трудности поставили физиков перед необходимостью найти иные способы измерить гравитационную постоянную. На роль такого метода уже давно предлагалась атомная интерферометрия, но только сейчас эту идею удалось реализовать. В недавней статье американских физиков J. B. Fixler et al., Science, vol. 315, p. 74 (5 January 2007), сообщается об измерении гравитационной постоянной этим способом.

Новый метод основан на том факте, что любые микроскопические частицы, например атомы, в определенных условиях ведут себя как волны, в частности могут интерферировать. В гравиметре (приборе, измеряющем гравитацию), в котором используется это явление, сверххолодное облачко атомов цезия вначале удерживается с помощью нескольких скрещенных лазерных лучей, а затем подкидывается в поле тяжести. В определенный момент в него снизу выстреливают специально настроенным лазерным импульсом, который переводит атомы в полувозбужденное-полунормальное состояние — специфическое состояние, которое возможно в квантовой механике. В таком состоянии облачко как бы «расщепляется» на две компоненты, которые летят в поле тяжести по слегка отличающимся траекториям. Затем — под воздействием еще одного лазерного импульса — эти компоненты сливаются вновь и при слиянии интерферируют. Измерив получившееся состояние атомного облака, можно выяснить, насколько отличались эти траектории, и отсюда получить значение силы тяжести.

Такого типа эксперименты проводились и ранее, но они, как уже говорилось, не помогали измерить значение G с нужной точностью. Американцы слегка модифицировали этот эксперимент. Они установили два одинаковых гравиметра на разной высоте, а между ними на платформе закрепили свинцовый груз массой 540 кг. Этот груз по-разному влиял на силу тяжести, испытываемую атомными облачками в двух гравиметрах — в верхнем сила тяжести слегка увеличивалась из-за дополнительного притяжения к грузу, а в нижнем — слегка уменьшалась. По разности измерений в верхнем и нижнем гравиметре ученые получали чистый эффект, вызванный гравитацией только от массивного груза, поскольку сила земного притяжения не влияет на эту разность (остаточное воздействие земного притяжения, связанное с разностью высот двух гравиметров, устранялось с помощью многократного повторения эксперимента при различном вертикальном положении груза). Поскольку масса и положение груза были измерены с большой точностью, не представляло труда вычислить гравитационную постоянную.

Целью этого эксперимента была лишь демонстрация того, что такой метод измерения G действительно работает. Величина гравитационной постоянной была определена с точностью около 3 тысячных, что всё еще в 20 раз хуже точности «стандартных» экспериментов. Однако уже в ближайшее время ожидается существенный прогресс: в статье European Physical Journal D 40, 271 (15 September 2006) сообщается о подготовке нового эксперимента, призванного уменьшить погрешность измерения G до одной десятитысячной.

В заключение отметим, что применение атомной интерферометрии в гравитационном эксперименте не ограничивается одним лишь измерением гравитационной постоянной. В недавнем препринте gr-qc/0610047 описываются блестящие перспективы по изучению эффектов общей теории относительности в лаборатории.

Игорь Иванов


21
Показать комментарии (21)
Свернуть комментарии (21)

  • dims  | 22.01.2007 | 04:54 Ответить
    Может ли такой прибор зарегистрировать колебания гравитационного поля, например, от перемещения масс внутри земли? Или гравитационные волны? Какая точность должна быть, чтобы это стало возможным?
    Ответить
    • spark > dims | 22.01.2007 | 18:25 Ответить
      Первое кажется возможным. Но эти движения должны быть достаточно медленными. В данной работе время накопления сигнала составляло часы.

      Второе кажется маловероятным, особенно с учетом их частоты.
      Ответить
  • VEN  | 23.01.2007 | 10:47 Ответить
    А что мешает развернуть весь прибор на 90 градусов, т.е. расположить его горизонтально?
    Ответить
    • spark > VEN | 23.01.2007 | 11:10 Ответить
      Мешает специфическая постановка экспримента. Дело в том, что облачка в этих двух гравиметрах удерживаются по вертикали и затем подбрасываются вверх не независимо, а одним и тем же лазерным лучом, проходящим снизу вверх. При двух независимых лучах-подбрасывателях возник бы новый источник систематической погрешности, вероятно, убивший бы всю точность.

      Кстати, даже если статья в Science сама недоступна, то должно быть свободно доступно трехстраничное приложение "Supporting Online Material", в котором приведены кое-какие технические подробности эксперимента.
      Ответить
      • VEN > spark | 23.01.2007 | 11:34 Ответить
        Можно при этом использовать один луч лазера, разделенный на 2 части с помощью обычного полупрозрачного зеркала (как это делалось раньше).
        Свинцовый груз само-сабой должен располагаться над или под одним из гравиметров.

        Хотя, если оставить свинцовый груз между двумя гравиметрами, отклонения атомов при импульсе лазера будут также и в направлении этого груза, и результат измерений может оказаться даже более точным.
        Ответить
        • spark > VEN | 23.01.2007 | 23:41 Ответить
          Хм, может, можно и с расщепленным лазером поставить эксперимент. В этом случае у меня готового ответа нет -- надо более глубоко разбираться с методикой.
          Ответить
          • VEN > spark | 24.01.2007 | 08:53 Ответить
            Отлично.:) Давайте это где-нибудь "озвучим"... В каком-нибудь журнале, письме... Моя идея + Ваша доработка... :) Я не против соавторства.:))
            Ответить
  • Alex  | 23.01.2007 | 12:39 Ответить
    То, что гравитационная постоянная известна с точностью до 4 знаков, действительно обескураживает. Особенно в свете того, что астрономическая единица определяется сейчас с точностью до 12 знаков. Т.е. относительные положения тел Солнечной системы могут предсказываться примерно с той же точностью. Скорость Земли расчитывается в эфемеридах на уровне см/c, м.б. лучше. Еще Кавендиш мог определить массу Земли с точностью всего лишь 0.5% от современной. Парадокс. Неужели нельзя определить "гамму" из космических измерений?
    Ответить
    • spark > Alex | 23.01.2007 | 23:43 Ответить
      Вот именно, что из наблюдений планет вы получите произведение G*M с очень высокой точностью, но разделить эти две величины на том же уровне точности не сможете!
      Ответить
      • Alex > spark | 24.01.2007 | 08:55 Ответить
        Иными словами, проблема заключается в задании (постулировании) и последующем использовании эталона массы для нахождения G. А можно постулировать G и после этого определять с высокой точностью массы. Так, как это давно предложено для скорости света, которая уже несколько десятков лет перестала быть измеряемой физической величиной и перешла в разряд запостулированных математических величин. Хотя в связи с этим неясно, как была измерена масса электрона с точностью в 7 порядков. Для этого эталон массы должен бы быть еще лучше. Так ли это верно про массу электрона? И вообще, знает ли природа про физические константы? М.б. все ограничивается некими соотношениями между привычными нам величинами (взаимодействиями).
        Ответить
        • rykov > Alex | 09.05.2007 | 16:16 Ответить
          Все мировые константы: G,e(o),alfa=1/137,03599988,h,E/H,Ф=4,8032042 Вебер и проницаемости вакуума связаны между собой. Аналитически их невозможно разделить и рассчитаь по-одиночке. Экспериментально это возможно. Предложение - взять значения фундаментальных констант, известных с наибольшей точностью и по ним рассчитать G.

          Например G=ch/(2pi.m(Pl)^2)=6.67258923e-11.
          Вероятно, есть другие варианты.
          Ответить
  • PavelS  | 23.01.2007 | 23:22 Ответить
    Может, лучше поставить опыть в глубоком космосе? Послать аппарат в межпланетное пространство, и в нём.... Али причины чисто финансовые?
    Ответить
    • spark > PavelS | 23.01.2007 | 23:39 Ответить
      Вероятно, финансовые. Я думаю, есть немало экспериментов, которые очень хотят в космос, но кто их туда пустит-то. :)
      Ответить
  • IvDark  | 25.01.2007 | 10:52 Ответить
    Давно хочу спросить: Скажите, пожалуйста, гравитационная сила тоже распространяется со скоростью света? Если из центра Млечного пути "изъять" черную дыру, то мы ощутим это через 25 тыс. лет?
    Ответить
    • Math > IvDark | 25.01.2007 | 19:50 Ответить
      Интересный вопрос. Быстрее скорости света никакие взаимодействия распространяться не могут, на сколько я понимаю. То есть раньше 25 тыс. лет мы ничего не ощутим.
      Ответить
      • n0isy > Math | 25.01.2007 | 21:21 Ответить
        Это еще бабушка надвое сказала! Или у Вас есть неопровержимые доказательства?

        Если Вы хотите донести свою точку зрения, то так и говорите...
        Ответить
      • IvDark > Math | 26.01.2007 | 08:57 Ответить
        Становится ещё интереснее, если подумать над такой задачей: Пуля, со скоростью близкой к световой, летит мимо более тяжелого, чем она, шарика. Для пули есть "конус взаимодействия" (ну или как там его физики называют?) - за пределы которого свет/гравитация ещё не вышли. Пуля, естественно, отклоняется в гравитационном поле. Но по-разному(!) - если варьировать скоростью распространения гравитации. (От этого зависит угол "конуса")
        Туда же: Если написать простенькую программку взаимодействия двух тел в гравитационном поле, и запустить её, то при бесконечной скорости распространения гравитации - тела обращаются по эллипсу, пока хватит терпения это наблюдать. А при введении задержки на распространение силы, эллипс становится раскручивающейся спиралью..
        Вывод: или я чего-то не понимаю (и всё запутаннее), или скорость распространения гравитации выше..
        А если всё более менее верно, то скорость распространения гравитации можно измерить в указанном (или подобном) эксперименте - по траектории отклонения.
        Для справки: от Луны до Земли - задержка света 1 сек, от Земли до Солнца - 8 минут.
        Ответить
        • spark > IvDark | 26.01.2007 | 13:09 Ответить
          Распространяется не гравитация, а её изменение. Статическое поле вообще никуда не распространяется, оно есть и всё. Со скоростью света будут распространяться изменения грав. поля, если сдвинуть источник гравитации.

          То же самое имеет место в электромагнетизме. Электростатическое плле никуда не распространяется, оно есть и всё. Распространяться будет изменение электрического поля, и в дальне-волновой зоне это изменение и является излучением электромагнитных волн.
          Ответить
          • voix > spark | 26.01.2007 | 13:41 Ответить
            Пуля может быть частицей, которая родилась при столкновении квантов. Гравитационное и электростатическое поле частицы при этом также рождается.
            Ответить
            • VEN > voix | 26.01.2007 | 14:00 Ответить
              Во как... А разве кванты поля могут столкнуться??? :-)

              Наверное было бы правильнее сказать: "При рождении пары: частица-античастица, по идее должно родиться гравитационное поле. Точнее - два поля..."
              Ответить
  • J.L.  | 23.04.2010 | 20:39 Ответить
    См. популярную статью Дж. Бэрроу и Дж. Веба Непостоянные постоянные // 'В мире науки', сентябрь 2005 г.
    http://www.sciam.ru/2005/9/cosmology.shtml Страница не найдена
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»