Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию

Рис. 1. Установка, изготовленная в Международном бюро мер и весов, на которой было выполнено новое измерение гравитационной постоянной

Рис. 1. Установка, изготовленная в Международном бюро мер и весов, на которой было выполнено новое измерение гравитационной постоянной. Фото с сайта www.bipm.org

Эксперименты по измерению гравитационной постоянной G, проведенные в последние годы несколькими группами, демонстрируют поразительное несовпадение друг с другом. Опубликованное на днях новое измерение, выполненное в Международном бюро мер и весов, отличается от всех них и только усугубляет проблему. Гравитационная постоянная остается на редкость неподатливой для точного измерения величиной.

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

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, 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, «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 м3·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.

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.

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

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.

Новое измерение

На днях в журнале Physical Review Letters было опубликовано одно такое измерение. Небольшая группа исследователей, работающих в Международном бюро мер и весов 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). 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

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

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) 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 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 // 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 // Phil. Trans. R. Soc. A. 2005. V. 363. P. 2265–2287.

Игорь Иванов


103
Показать комментарии (103)
Свернуть комментарии (103)

  • a_b  | 14.09.2013 | 10:04 Ответить
    "От той старой установки они сейчас взяли только 11-килограммовые внешние цилиндры"
    Первое, что приходит на ум -- попросить пробные массы у "конкурентов".
    Ответить
    • spark > a_b | 14.09.2013 | 15:01 Ответить
      Ну, они эти массы перемеряли и перевзвесили. Всё же это бюро мер и весов :)
      Ответить
      • Вячеслав Рогожин > spark | 15.09.2013 | 21:19 Ответить
        Ну, массы-то они, очевидно, и впрямь перемеряли:) Как величину интегральную. Но я бы не поручился за точное перемеривание функции распределения плотности в пространстве взвешиваемого твердого тела)) А именно отклонение оной на сотую долю процента от средней величины в любой области объекта (допустим, по высоте массивного цилиндра) может повлиять на результат...
        Ответить
        • spark > Вячеслав Рогожин | 16.09.2013 | 03:18 Ответить
          Не как интегральную, они там аккуратно координаты центра масс находили.
          Ответить
          • Вячеслав Рогожин > spark | 16.09.2013 | 04:18 Ответить
            К сожалению, эта технология в статье не проявлена (по вполне понятным причинам). Но сама процедура распределения плотности в массивной и объемной дуре, к тому же несферической формы, весьма нетривиальна. Цилиндр даже при весьма грубой оценке потребует отдельных измерений при ортогональном размещении к эквипотенциальной в гравитационном поле поверхности, при параллельном к оной. Малейшая погрешность в этом процессе - и все, печалька... Не исключаю, впрочем, что эта исследовательская группа как раз все получила, "как надо", но во всем множестве лажа очевидна)) Какая-то систематическая погрешность, возможно, одна и та же, выпадает из внимания у всех.
            Ответить
  • ramil  | 14.09.2013 | 12:13 Ответить
    Перспективен способ измерения постоянной гравитации
    на орбите:
    - два шара с известной массой,
    - наблюдается динамика их относительно друг друга движения
    Ответить
    • spark > ramil | 14.09.2013 | 15:10 Ответить
      А также убираем из солнечной системы все планеты и само солнце, поскольку заэкранироваться от их гравитации нереально. Ну и заодно вообще все межпланетное вещество, чтоб оно свом электрическим и магнитным взамодействием не мешало шарам притягиваться.

      Вы не осознаете, насколько это тонкий эксперимент? Что вы добьетесь тем, что вынесете лабораторную комнату на орбиту? И между прочим, просто «два шара» - это намного хуже, чем гантельки (и лучше многократные), которые поворачиваются.
      Ответить
      • MOPO3OB > spark | 04.08.2016 | 01:11 Ответить
        И помещаем в центре солнечной системы прибор. Сами отползаем в сторону и смотрим со стороны....

        Наверно все проще. Или сложней.
        Ответить
  • Anonymous  | 14.09.2013 | 13:33 Ответить
    >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.

    Ну, дык, насколько я понял, результаты наземных экспериментов тоже зависят не от времени, а от места проведения - как и ускорение свободного падения. Ждём открытия залежей ковродита и анобта́ниума?
    Ответить
    • spark > Anonymous | 14.09.2013 | 15:14 Ответить
      Это результаты зависят, а не гравитационная постоянная. Если бы она отличалась от места к месту на уровне 10^-4, то спутники бы на своей орбите просто колбасило бы. А Землю бы, небось, вообще разорвало на куски в поле притяжения солнца. Про такие мелочи, как невыполнение закона сохранения энергии, я уж и не говорю, мы бы до этого не дожили.

      Надо всё же делать хоть минимальные усилия по критическому анализу собственных предположений, прежде чем радостно их сообщать.
      Ответить
      • Anonymous > spark | 15.09.2013 | 01:43 Ответить
        >Это результаты зависят, а не гравитационная постоянная.

        я нигде и не говорил о изменении гравитационной постоянной, вообще, не следует забывать, что мерили не гравитационную постоянную(что хотели померить - к делу не относится, Майкельсон с Морли скорость движения Земли относительно эфира хотели померить), а силу взаимодействия между телами.

        И результаты экспериментов(всех вместе) с предсказаниями Закона Всемирного Тяготения пока ни при каком значении G не совпадают - не сильно, но за пределами погрешности.

        Либо какую-то погрешность просто пропустили,
        либо погрешность пропустили, потому что эффект, приводящий к её появлению, ещё не открыт,
        либо нужно слегка менять теорию - после тёмной энергии и тёмной материи это не так уж неожиданно.

        Поменять установки местами интересно с точки зрения поиска погрешностей, с точки зрения поиска новой физики интереснее поэкспериментировать на одной(или одинаковых) установке с разными массами и расстояниями, чтоб иметь не одну точку, а график.
        Ответить
        • spark > Anonymous | 16.09.2013 | 03:17 Ответить
          А, то есть у вас предположение о том, что либо гравитация не такая, как мы думаем, либо есть какая-то новая сила? А какой конкретный вариант, не противоречащий другим экспериментальным данным, вы можете предложить? Скажем, обратно-квадратичная зависимость гравитации уже проверена от космических масштабов вплоть до сотни микрон. Нелинейная зависимость от массы проявилась бы в астрономических или спутниковых наблюдениях. Что еще?
          Ответить
          • Mad_Max > spark | 01.09.2016 | 05:09 Ответить
            Как насчет зависимости силы взаимного притяжения объектов от потенциала и градиента внешнего по отношению к ним гравитационного поля (уровня искривления пространства-времени если по ОТО) и соответствующих эффектов ОТО?

            В данном случае - высоты расположения лабораторных установок из разных экспериментов над уровнем моря и локальных гравитационных неодородностей Земли.
            Ответить
  • torque_xtr  | 14.09.2013 | 13:40 Ответить
    Пусть попробуют эксперимент в космосе. Причем, в идеале, закинуть бы установку куда-нибудь в область однородных гравитационных полей, в точку Лагранжа, желательно L4 или L5.

    Например, два плотных тела на сверхточных весах на каком-нибудь спутнике в качестве побочного эксперимента. И вся установка может поворачиваться - чтобы вычесть притяжение самого спутника. К тому же если детально известно устройство спутника - массы и расположение компонентов, его можно точнее учесть - это легче, чем учесть гравитацию лаборатории и окружающего "ландшафта", и прочие земные эффекты.

    Или вообще - орбитальное движение двух шаров точно известной массы, за периодом которого наблюдает "спутник-пастух" с достаточного расстояния...
    Ответить
    • Anonymous > torque_xtr | 14.09.2013 | 15:02 Ответить
      >Пусть попробуют эксперимент в космосе.
      будет ещё одна точка с усами - и что это даст?

      чтоб понять, просто ли дело в китайских разъёмах(как с сверхсветовыми нейтрино) или действительно на взаимодействие между телами влияет что-то неизвестное, полезнее и дешевле померить взаимодействие одной установкой в разных лабораториях/разными установками в одной лаборатории (с учётом времени суток, времени года, фазы луны...).
      Ответить
      • spark > Anonymous | 14.09.2013 | 15:28 Ответить
        В каждом из этих измерений показания снимаются не один и не два раза, а несколько десятков раз в течение времени порядка нескольких недель. Переносить установку с места не место было бы конечно здорово, но это малореально.

        Если бы дело было в простой конструкторской ошибке, не было бы такого разброса у 4-5 экспериментов.
        Ответить
    • spark > torque_xtr | 14.09.2013 | 15:25 Ответить
      А чем вам земное притяжение так мешает? Оно вполне однородно, особенно с учетом того, что гантельки расположены в горизонтальной плоскости. Тот факт, что тут четверные, а не двойные гантельки, означает, что воздействие всяких гравитационных неоднородностей от Земли, гор, окрестных зданий и т.д. ослабавает с увеличением расстояния как пятая степень (для обычной гантельки была бы третья степень расстояния).

      Насчет орбитальных периодов. В точках лагранжа движение в основном будет определяться именно профилем потенциальной энергии от солнца и земли. Но мы не знаем ИХ массы с требуемой точностью - если бы знали, давно бы не мучались. Дополнительное грав. взаимодействие между телами будет лишь слабой поправкой. Кроме того, для точного определения потребуется накопить статистику большого количества периодов. А поскольку движение там медленное, боюсь, как б требуемое время не превысило время жизни Вселенной.

      Насчет просто орбитального движения двух шаров. Во-первых, их надо помещать в защитный кожух, чтобы остаки атмосферы, солнечный ветер, ионизованный межпланетный газ им не мешал. Во-вторых, просто два шара слишком чувствительны к грав.полю Земли, луны, солнца и т.д. Тут нужна именно мультипольная вертушка. Предположим, вы эту вертушку запустите, т.е. например вы просто выведете нынешнюю установку на орбиту. И что, какой выигрыш вы получите от того, что измерения проводятся в орбите, а не на Земле?
      Ответить
      • PavelS > spark | 14.09.2013 | 23:14 Ответить
        Поставлю вопрос так: почему наблюдая движение спутников в поле тяготения Земли мы имеем точность на 12 порядков, а измеряя орбитальный период двух шаров - не получим и 6 порядков точности (на 2 больше чем теперь на Земле).

        Также про то, что поле тяготения Земли мешает. Вы же сами писали, что влияние всего ослабляется по 3 степени в случае вертушки-коромысла. Этого мало? А если ставить эксперимент не в околоземном, а в межпланетром пространстве? Это даже ведь не грависити-проб-B, Земля не нужна. Там остаётся только Солнце и астероиды. Расстояние до ближайших массивных тел увеличивается на 4 порядка, 4*3 = 12. Да вообще можно Солнцем пренебречь.

        > Дополнительное грав. взаимодействие между телами будет лишь слабой поправкой

        Так Солнце Луну притягивает сильнее чем земля. И что? И всё равно Луна крутится вокруг Земли, с орбиты не сходит. Важны приливные силы. А они как раз хорошо известны. Т.е. вертушка из двух шаров будет прецессировать с периодом в ...на вскидку... сотни лет - не проблема, даже период прецессии легко вычислят.
        Ответить
        • kirilloid > PavelS | 23.09.2013 | 22:31 Ответить
          Хмм, действительно Солнце притягивает сильней: (1.99e30 / Math.pow(1.5e8, 2)) / (6e24 / Math.pow(3.84e5, 2)) ≈ 2
          Ответить
          • карандаш > kirilloid | 12.02.2016 | 22:28 Ответить
            и почему же Луна до сих пор вращается вокруг Земли?
            что её держит?
            центробежная сила вращения вокруг солнца?
            Но она то быстрее, то медленнее вращается вокруг Солнца, т.к. вращается вокруг Земли почти 12 раз чаще, чем вокруг Солнца.
            Где биения вращения Луны вокруг Земли?
            Может всё несколько иначе устроено и погоня за миллионными долями точности для отвода глаз?
            Ответить
      • torque_xtr > spark | 15.09.2013 | 01:31 Ответить
        В точках Лагранжа однородность на много порядков лучше, чем на Земле. На Луне есть масконы, которые заметили по отклонениям в движениях спутников еще в лунную гонку - на Земле поле тоже неоднородно. Условно говоря, километровая дыра в скальном основании, заполненная осадочной породой даст заметное локальное отклонение от стандартного g (намного сильнее, чем неучтенные стены лаборатории) и заметный квадрупольный момент, и при том не будет заметной при построении карт гравитационного поля с орбиты. (это только предположение, еще одно - в том, что самое неизвестное место в крутильных весах - это упругие свойства подвеса) В L4 или L5 всего этого нет - там только поле от Солнца, а земное, Юпитера и остальное - на 4-5 порядков меньше. А как уже замечено, Луна обращается вокруг Земли с большой стабильностью, хотя Солнце ее притягивает сильнее. Поэтому и пара металлических шаров массой порядка килограммов на орбите в десятки см будет стабильной. Период зависит от "заключенной внутри орбиты плотности", поэтому неважно, что массы в абсолютном значении малы. Для малой массы на метровой орбите вокруг 100 кг-шара получается чуть меньше суток, и статистику можно накопить меньше, чем за год, поскольку положение на орбите можно отслеживать на несколько порядков точнее, чем с точностью до одного оборота :-)
        Ответить
        • PavelS > torque_xtr | 15.09.2013 | 03:22 Ответить
          Я делал бы шары малого диаметра, так чтобы они обращались внутри полой сферы в спутнике. Иначе сложно учитывать снос под воздействием давления солнечного ветра. Если шары сделать платиновыми, то тогда время обращения будет не очень велико.
          Ответить
          • torque_xtr > PavelS | 15.09.2013 | 23:38 Ответить
            Векторы воздействия ветра направлены параллельно и пропорциональны площади сечения, причем их можно отслеживать каким-нибудь детектором на спутнике-наблюдателе. А в случае с полой сферой есть гравитация спутника, которая - более сложный фактор (хотя строение спутника досконально известно -> можно рассчитать и поправки)

            Другое дело, что в случае со свободно вращающейся парой шаров - они неизбежно зарядятся из-за фотоэффекта от ветра и ионизирующего излучения - и влияние этого тоже учитывать сложно... Все-таки склоняюсь к полой сфере :-)
            Ответить
        • ramil > torque_xtr | 16.09.2013 | 00:04 Ответить
          "Для малой массы на метровой орбите вокруг 100 кг-шара"
          ---------
          лучше просто падение малого шара на большой,
          и замерять динамику
          -------------
          уже через секунду получим изменение скорости порядка 0,1мкм/сек
          при измерении интерферометром с длиной волны 0,5мкм - вполне измеряемая величина через 1 секунду
          -----------
          основная проблема - начальная относительная скорость - чтобы шары были рядом хотя бы несколько часов
          Ответить
        • spark > torque_xtr | 16.09.2013 | 03:47 Ответить
          Я понимаю идею, но всё-таки гложут сомнения насчет однородности. Период самостоятельных колебаний там порядка года, т.е. эти эффекты всего на 2 порядка слабее, чем вращение вокруг 100 кг шарика. Впрочем, это вероятно не слишком страшно, т.к. массу Солнца знают с точностью существенно лучше 1%. С другой стороны, тут хорошо еще и то, что не надо долго набирать статистику, достаточно измерить несколько оборотов с хорошей точностью. Но с третьей стороны, будут всякие технические сложности с реализацией (внешняя сферическая оболочка, конечно, нужна; надо обеспечить ее однородность по толщине).

          В общем, видимо, в принципе этот эксперимент с хорошей точностью возможен, но не ставится он из-за сложности практической реализации и дороговизны.
          Ответить
          • PavelS > spark | 16.09.2013 | 16:40 Ответить
            Ссылку не найду, но вроде как вокруг Земли как-то "запузырили" 2 довольно крупных шара, метра с 2 каждый. Безо всязкой оболочки. Наблюдали их динамику в течение нескольких лет. Построили очень точную гравитационную карту планеты. Что касается сноса - то тут можно же 2 шара заставить врашаться вокруг оси, проходящей через Солнце. Тогда снос каждого из шаров будет практически одинаковым, также взаимно погасятся эффекты солнечного ветра и давления света.
            Ответить
            • spark > PavelS | 16.09.2013 | 16:54 Ответить
              Прло это как раз была первая задачка на этом сайте: http://elementy.ru/problems/5
              Но там другая задача, там отслеживалось движение двух тел в поле тяжести Земли, а не движение вокруг друг друга.
              Ответить
              • PavelS > spark | 16.09.2013 | 18:01 Ответить
                Идея конечно от GRACE, но о сферических спутниках я слышал лет...15 назад, тогда ещё было живо ФИДО и обсуждалось в SU.ASTRONOMY . Вероятно там обсуждали LAGEOS. Меня поразило вот что: они НЕ были спутниками, свободными от сноса (свободные от сноса делают очень давно). Они были простыми шарами из металла. Т.е. их болтало солнечными вспышками туда-сюда, но потом велась большая работа по коррекции этих эффектов.

                Разумеется, да. Исследователей интересовало больше зондирование земли, а не взаимодействие спутников. Подобные эксперименты вообще ставили все кто ни попадя, т.к. они стратегически значимы - рассчитывать полёт боеголовок, к примеру - тут важно точно навестись на старте, т.к. потом уже "светиться" нельзя.
                Ответить
  • xolod  | 14.09.2013 | 16:48 Ответить
    а могло ли наличие темной материи исказить результат? например, если Земля в космосе движется через облако, в которой её плотность неравномерна, с неким градиентом?
    Ответить
    • spark > xolod | 14.09.2013 | 17:00 Ответить
      Мы же не считаем, что по одному такому компактному облаку засело в районе каждой лаборатории и движется вместе с поверхностью Земли, и больше их нет нигде? Если уж такие облака представлять себе, то они должны летать везде и постоянно. Но тогда они влияли бы на траектории спутников, а они меряются с намного лучшей точностью.
      Ответить
      • xolod > spark | 14.09.2013 | 22:06 Ответить
        а вдруг, если на самом деле, гало из темной материи вокруг Земли (может и внутрь Земли заходить)? Факты аномального ускорения аппаратов вокруг Земли, совешающих гравитационный маневр, кажется были.
        Прошу прощения, за не очень официальный источник, но как пример, что быстро нашел:

        http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/fizika/10001675/

        или это все не серьезно?
        Ответить
        • spark > xolod | 16.09.2013 | 03:53 Ответить
          Так оно не только должно в Землю заходить, оно должно держаться вблизи земной поверхности и вращаться вместе с ней хотя бы несколько дней-недель (измерения каждой группы остаются стабильными на таких временах). Если уж облака предполагать, то они должны свободно пролетать сквозь Землю. Но тогда они должны давать совоставимые эффекты в движении спутников.

          За маневренными аномалиями спутников я уже давно не следил. Аномалия Пионеров вроде бы разрешилась, а про те не знаю.
          Ответить
  • kbob  | 14.09.2013 | 18:30 Ответить
    Сдается мне что виной всему неоднородности материала тяжелых шаров.
    Эти неоднородности могут быть вызваны различием химического состава (неоднородности легирования, примеси), микро-полостями, температурным градиентом плотности, деформацией шаров со временем.
    С этой точки зрения атомная интерферометрия даст такие-же по разбросу результаты.
    http://static.sif.it:8080/SIF/resources/public/files/va2013/Tino-1507.pdf
    Ответить
    • spark > kbob | 14.09.2013 | 19:18 Ответить
      Это мне кажется маловероятным. Материал Cu-0,7%Te, и я очень сомневаюсь, что при изготовлении цилиндров люди могли настолько лохануться, чтоб получить отклонение в 10^-4. Микрополости тоже невероятны. Можете представить себе, какой размер должен быть у микрополости, чтобы дать такую ошибку. Температурный градиент плотности? У меди? Не смешите. Деформация цилиндров со временем, конечно, могла быть, но и что? В самой статье еще написано, что они не просто взвешивали цилиндры, а напрямую находили центр масс каждого цилиндра путем многократных измерений по окружности (правда, непонятно, измерений чего).

      На мой субъективный взгляд, если ошибка где-то и есть, то это в методике обработки даных, а не в железе, ну или в калибровке измерительной аппаратуры. Но это так, оттого, что другие источники мне кажутся еще более маловероятными.

      За ссылку на обзор атомно-интерферометрических методов спасибо, там ного хороших ссылок. Получается, что они уже всё отладили и дошли до чувствительности 10^-4. Это пока еще меньше, чем у отдельных крутильных экспериментов, но по крайней мере это даст предпочтение какому-то из нынешних данных. Только вот какой-то четкой публикации от MAGIA с результатом измерения пока не видно, может они ее скоро выпустят?

      Поскольку тут прогресс будет идти неумолимо, то надеюсь через десяток лет дойдут и до 10^-5, и вот тогда ситуация сильно прояснится.
      Ответить
      • kbob > spark | 15.09.2013 | 08:29 Ответить
        В рамках одной измерительной установки результаты прекрасно воспроизводятся с высокой точностью, в рамках другой тоже.
        Отличия только между разными измерительными установками.
        Скажем рабочий на одной установке слегка помял гаечным ключем эталонный груз массой 500 кг в одном месте, а на другой установки ломом поцарапал в другом. Это прекрасно объясняет результаты экспериментов.
        Ответить
        • Anonymous > kbob | 15.09.2013 | 14:49 Ответить
          Можно развернуть груз на 180 градусов - если дело в царапине результаты сместятся даже сильнее, чем по сравнению с новой установкой без царапины. Возможно, именно поэтому делая новую установку они и оставили старые грузы.
          А если неправильно учитываются магнитные свойства грузов, то новая установка может и не помочь. (Тупо положить поблизости магнит и посмотреть, насколько сильно он влияет?)
          Ответить
          • Вячеслав Рогожин > Anonymous | 16.09.2013 | 04:00 Ответить
            Если грузы осесимметричные (говорилось о цилиндрах), то именно малейшие колебания плотности вдоль оси (которые могут оказаться однородными при одинаковой технологии изготовления цилиндров - в этом случае изготовление их в одной и той же фирме полностью нивелирует эффект от замены) вызовут смещение центров масс и... Расхождение результатов.
            Ответить
          • kbob > Anonymous | 16.09.2013 | 05:41 Ответить
            Электрический заряд грузов тоже влияет. Те-же грузы на диелектрической поставке дают другие результаты.
            Ответить
  • int  | 14.09.2013 | 18:54 Ответить
    Я голосую за бипм, они молодцы.
    Ответить
  • PavelS  | 15.09.2013 | 03:32 Ответить
    Перечитал ваш блог, там обсуждается такой вариант, что нет 100% гарантии, что на малых расстояниях не включается какой-то другой эффект, к примеру что нет обратной пропорциональности квадрату расстояния. Я б ещё сказал, что возможно есть различие от заставляющий различать материала гирек, к примеру.

    По мне так хорошо бы повторить эксперимент, ничего не меняя в схеме установки, но установку сделать целиком заново и на новом месте. Это позволило бы оценить степень неточности в самом проведении эксперимента. Когда делали первые ядерные боезаряды, американцы взорвали 2 одинаковые бомбы - только чтобы понять, кто допускает ошибки по причине которых бомбы дают немного не ту энергию, как оно предсказано - завод при изготовлении или теоретики; оказалось что завод достаточно хорошо справляется.
    Ответить
    • spark > PavelS | 16.09.2013 | 03:56 Ответить
      Обратная квадратичность проверена вплоть до 100 микрон и вроде даже меньше. Все параметрические закономерности выполняются, только численное значение не сходится.
      Ответить
  • Икарыч  | 16.09.2013 | 10:23 Ответить
    А что, в физике нету измеряемых процессов, в которых результат определялся бы самим значением G, а не произведением GM? Ну там излучение гравитационных волн в близких двойных пульсарах или еще что-то?
    Ответить
  • busmaster  | 16.09.2013 | 10:34 Ответить
    А к какому множеству чисел в реальности принадлежат физические константы, притом что результаты их измерений всегда являются рациональными числами?
    Ответить
  • int  | 16.09.2013 | 15:26 Ответить
    Как можно откалибровать подвеску (нить), существует ли эталон силы, например масса и место на земле где это меряют.
    По идее эту нить надо было везти туда, применять к ней эталонную силу, (причём разную т.к. вероятно поворот не линеен от силы), опять же тут возникнет проблема т.к. массу нужно будет масштабировать, т.к. одно эталонное тело земля слишком большое для такой нити3, да и земля не постоянна.

    Существует ли эталонная сила, кроме гравитации ничего не приходит на ум.
    Думаю тут основная проблема в том, что при слабых силах, возникает погрешность измерения самой силы.
    Ответить
    • PavelS > int | 16.09.2013 | 16:48 Ответить
      Жесткость пружинного маятника можно вычислить, зная массу на пружинке и замеряя период свободных колебаний.
      Ответить
      • spark > PavelS | 16.09.2013 | 16:57 Ответить
        Это да, но с крутильными весами так начинаются тонкости материаловедения, связанные с нелинейным откликом силы от деформации. Как раз в связи с измерениями G в 90-х годах эта проблема поднялась и она остается до сих пор. В этой работе использовалась лента вместо нити, и это позволяет резко снизить роль возможных нелинейностей. В качестве анонса: следующая задачка по физике на этом сайте будет как раз про это.
        Ответить
  • int  | 16.09.2013 | 16:24 Ответить
    Вероятно всё таки силу лучше исключить, и как тут писали, измерить динамику притяжения двух тел в космосе, но тут важно что бы то в чём они будут находиться не вращалось, можно ли добиться точности в вакууме, неизвестно.

    Вероятно это решается так, наблюдаем экспериментальный куб в космосе с помощью лазеров (желательно что бы он минимально вращался), учитываем его вращение, внутри куба с помощью подобных методик наблюдаем 2 тела, учитываем параметры их отрыва и смотрим динамику, притяжение всех точек куба (куб очень точный, и точки очень мелкие,+ в них надо учесть сами измерительные приборы), с помощью всех систем отсчёта и мощных компьютеров решаем все эти уравнения движения и вычисляем оттуда динамику движения за счёт масс тел относительно друг друга, по ней и вычисляем G.
    Так же куб можно сделать большим (и лёгким) относительно тел, что бы его влияние ослабевало по мере их сближения, т.к. сами приборы их внутреннюю структуру точно учесть не получится, и эти тела шары большой плотности.
    Ответить
    • int > int | 16.09.2013 | 16:43 Ответить
      Чёт это слишком сложно, может просто выпустить 2 шара из космического аппарата.
      На расстоянии измерить их движение и по его динамике всё вычислить.
      Тут важно найти лучший вариант между дальностью от спутника, и точностью их измерения, по идее можно послать сами измерительные приборы в качестве шаров, и пусть шлют сигнал о своём расстоянии.
      Ответить
      • PavelS > int | 16.09.2013 | 16:54 Ответить
        Как я понимаю, сложность не в самом по себе измерении, а в исключении всяких разных электромагнитных эффектов: ультрафиолет космоса выбьет пару электронов с шариков и появится расталкивание или шарики перехлестнутся магнитным полем, которое до этого не замечали т.к. оно ничтожно слабо. Я например не понимаю, как можно гарантировать отсутствие подобных эффектов, так что объём работы тут очевидно велик.

        Всё напомнило сенсацию, что Вояджеры летят со скоростью на 10м/с отличную от предсказанной... и это набежало за 30 лет. Думали долго, придумали кучу теорий, сейчас решили что какой-то газ утекал из какого-то компонента.

        Так что ещё в тему эксперимент Gravity Probe B, там был просто танец с бубнами, и шарики сверхгладкие, и сверхпроводник на поверхности шаров, и камеру экранировали ото всяких магнитных полей... бюджет почти на мильярд баксов попилили и всё равно получилось не настолько хорошо, как хотели - хоть и не плохо.
        Ответить
        • int > PavelS | 16.09.2013 | 17:09 Ответить
          Я понял в чём дел и написал ниже, мне казалось этим можно пренебречь, неужели 2 электрона так всё изменят, тут нужно учитывать порядки сил.
          Ответить
          • PavelS > int | 16.09.2013 | 17:33 Ответить
            Про 2 электрона я образно. Их будет не 2, а ... фиг посчитаешь точно.
            Ответить
  • nicolaus  | 16.09.2013 | 19:08 Ответить
    Предлагаю следующую установку для измерения гравитационной постоянной.

    Установка может быть выполнена похожей на экспериментальную установку, которая показана на рис. 1 в обсуждаемой статье. Установка содержит внешний блок из двух цилиндров, оси которых параллельны и расположены на одинаковом расстоянии от общей оси по разные стороны. Цилиндры закреплены по бокам на двух фланцах. Дополнительно, установка содержит внутренний блок цилиндров, расположенных относительно друг друга таким таким-же образом. Внутренний блок цилиндров содержит вал в центре тяжести группы цилиндров (взамен нити). На валу закреплена четырехгранная призма, ось которой совпадает с осью вала. Для того, чтобы стабилизировать и выровнять общие оси блоков цилиндров, вал внутреннего блока может быть закреплен в электромагнитных подшипниках. Дополнительно, установка содержит лазерную интерферометрическую систему.

    Установка работает следующим образом.

    Установку помещают в вакуум и подальше от источников гравитации. Затем внутренний блок цилиндров приводят во вращение. При вращении, с помощью интерферометрической системы с использованием призмы измеряют скорость вращения при угле поворота блоков цилиндров, когда цилиндры находятся друг против друга и в промежуточном положении, когда максимально удалены друг от друга, а также измеряют фазу сигнала на промежуточных отметках. Поскольку при приближении друг к другу скорость цилиндров увеличивается, а при удалении уменьшается, максимальная скорость вращения внутреннего блока цилиндров будет в точке сближения цилиндров, а минимальная - в точке удаления. Разность скоростей и относительный сдвиг фаз в соответствующих точках является мерой гравитационного притяжения цилиндров. Поскольку сигнал является периодическим, можно отфильтровать постоянную составляющую и накаливать результат длительное время, например в течении года, без каких либо погрешностей.

    Для данной установки элементарным образом решаются проблемы с электростатикой, солнечным ветром и с калибровкой. В связи с этим я сейчас не вижу источников погрешностей.
    Ответить
    • int > nicolaus | 16.09.2013 | 19:12 Ответить
      Ничего не поможет пока цилиндры будут считать материальной точкой.
      Ответить
      • ramil > int | 16.09.2013 | 20:05 Ответить
        "измеряют скорость вращения и фазу при угле поворота блоков цилиндров"
        - это как?
        и какая точность
        и подшипник как будет влиять/тормозить/ускорять
        ---------
        и как будет влиять вращение спутника (оси цилиндров) и самих цилиндров?
        Ответить
        • nicolaus > ramil | 16.09.2013 | 20:16 Ответить
          Прошу обратить внимание, что центральный блок цилиндров находится в невесомости. Поэтому подшипники могут быть очень маленькие. Их задача лишь центрирование осей блоков цилиндров. Электромагнитный подшипник практически не тормозит. Помимо этого, скорость вращения сама по себе не влияет на результат измерений, поэтому может быть небольшое замедление. Хотя, я думаю, что если это устройство раскрутить, оно будет вращаться в вакууме целый год.

          «"измеряют скорость вращения и фазу при угле поворота блоков цилиндров"- это как?»

          Упрощено это так – если посмотреть сигнал на выходе измерительной системы на осциллографе то будет видна периодическая кривая, величина вершины и впадины которой отображает минимальную и максимальную скорость.

          Поскольку блок цилиндров вращается с изменяющейся на разных угловых участках скоростью, отдельные угловые отметки будут смещаться во времени. Это создает сдвиг фазы сигнала этих отметок во времени.
          Ответить
          • ramil > nicolaus | 16.09.2013 | 20:33 Ответить
            "может быть небольшое замедление."
            --------
            это сложится с влиянием гравитации
            Ответить
            • nicolaus > ramil | 16.09.2013 | 20:47 Ответить
              В сигнале разницы между максимальной и минимальной скоростью вращения влияние замедления будет минимальным. Помимо этого можно поставить моторчик, компенсирующий потери энергии вращения. Но я думаю, что это не потребуется.
              Ответить
          • ramil > nicolaus | 16.09.2013 | 21:08 Ответить
            попробуйте подсчитать - как влияние гравитации будет изменять скорость вращения - и какую точность измерения необходимо получить
            (с учетом того, что постоянную гравитации желательно измерить с точностью 6 порядков)
            -----------
            "поставить моторчик" - это уже из области фантастики!
            Ответить
            • nicolaus > ramil | 16.09.2013 | 21:12 Ответить
              Понял.
              Но этому изобретению еще не больше 2-х часов. Поэтому необходимо немного поработать. Помимо этого, возможно, я изобрел "велосипед".

              Моторчик потребуется очень маленький, не мощнее комара.
              Ответить
              • ramil > nicolaus | 16.09.2013 | 21:30 Ответить
                Вы не поняли - если хотите замерить очень маленькие силы (ускорения) - то вообще нельзя ни какими дополнительными силами прикладываться к системе, поскольку любые внешние силы будут на много порядков больше гравитационных сил,
                Ответить
                • nicolaus > ramil | 16.09.2013 | 21:38 Ответить
                  Я Вас понял в том плане, что принял Вашу рекомендацию посчитать некоторые параметры данной экспериментальной установки. Но это будет не сегодня.

                  Если будет равномерное усилие торможения и равномерное усилие компенсирующее торможение, то никаких погрешностей, связанных с замедлением вращения или усилиями не будет.
                  Ответить
  • gobova  | 19.09.2013 | 00:00 Ответить
    Измерения гравитационной постоянной проводились в разных лабораториях и в разных точках планеты, т.е., на эксперименты могут влиять локальные неоднородности в общем гравитационном поле планеты?
    Ответить
    • spark > gobova | 20.09.2013 | 03:24 Ответить
      Либо вы невнимательно прочитали, либо не подумали. Измеряется гравитационное взаимодействие между двумя лабораторными телами, а не земное притяжение. Все остальные тела, включая Землю, это помехи, и эксперимент ставится так, чтобы влияние этих помех минимизировать. В частности, четверная система крутильных весов как раз призвана устранить это влияние.
      Ответить
      • Alextos > spark | 20.09.2013 | 15:28 Ответить
        Вот-вот, эксперимент, конечно, дело хлопотное и неблагодарное (так и норовят прижучить).

        А что они делали из этого:
        1. поворачивали цилиндры вокруг своей оси на 45, 90, 180, ... градусов;
        2. переворачивали (наклоняли) цилиндры на 90, 180, ... градусов;
        3. меняли цилиндры местами;
        4. меняли материал цилиндров;
        5. меняли массу цилиндров;
        6. создавали полости у цилиндров;
        7. брали цилиндры у других групп;
        8. изменяли положение установки;
        9. проверяли влияние больших масс на измерения;
        10. . . . . . . . . .
        Ответить
        • spark > Alextos | 21.09.2013 | 02:56 Ответить
          Что вам мешает написать письмо с вопросами авторам работы? Только вы что-то мало вариантов придумали. Обязательно надо уточнить, а проверяли ли они влияние солнечных вспышек, корреляцию с расписанием проезжающих мимо пригородных электричек, связь с осадками и атмосферным давлением на крыше лаборатории, и другими столь же потенциально важными корреляциями. Настоящий ученый должен проверять абсолютно все гипотезы, не так ли?
          Ответить
  • komod  | 21.09.2013 | 01:35 Ответить
    INT прав. Если груз не в форме шара все усложняется.
    В крайнем случае, когда груз сделан в форме длинного провода, сила притяжения будет меньше. Она будет обратна первой степени расстояния, а не второй.

    Кста. Совсем забыли об уменьшение силы притяжения грузиков с увеличением плотности воздуха. При нормальный условиях плотность воздуха отличается от плотности меди примерно в 6000 раз.
    Ответить
    • spark > komod | 21.09.2013 | 02:40 Ответить
      А теперь вы немножко подумайте и скажите: вы всерьез полагаете, что сотни ученых, которые непосредственно занимаются этой темой (т.е. ставят эксперименты и обсуждают результаты измерений), и сотни тысяч ученых, которые про эти результаты читают, думают и обсуждают, -- все они настолько глупы, что никто никогда ни разу не догадывался об этой светлой мысли? Или же всё же они это давным давно, разумеется, учитывают, со всеми погрешностями и неопределенностями?

      Понимаете, какой-то осмысленный разговор о научных вопросов с человеком возможен только тогда, когда у него мысли первого типа в голову не приходят, ну или как минимум не задерживаются. Но когда человек уверен, что это и есть истина, то тут никакого разговора быть не может. Это тот же уровень, что и разговоры с упоротыми уфологами, предсказателями конца света и т.д.
      Ответить
      • komod > spark | 21.09.2013 | 22:56 Ответить
        От глупых ошибок никто не застрахован, особенно когда за одно дело берутся сразу сотни тысяч ученых. История со сверхсветовыми нейтрино - свежий пример этому.
        Не зная подробностей, можно только строить предположения.
        Ответить
        • spark > komod | 21.09.2013 | 23:36 Ответить
          Не зная подробностей, надо не лениться _узнавать_ подробности, а не строить предположения. Это вам должна было бы подсказать элементарная интеллектуальная чистоплотность. Вы, по-видимому, даже не удосужились узнать, что на самом деле случилось в нейтринной истории. И заметьте, вы несмотря на это, уже не делаете предположения, а с уверенностью подаете перевранную информацию как случившийся факт. Балаган можете разводить в чатике, здесь ему не место.
          Ответить
          • komod > spark | 22.09.2013 | 01:53 Ответить
            В нейтринной истории виноват оказался некачественный разъем.
            Наука основывается на взаимном доверии, но когда концы с концами не сходятся проверять надо всё. С повышением точности измерений, вклад в результат могут оказать факторы, которыми ранее разумно пренебрегали.
            Сами мы несведующие. Все что мы пишем это догадки и предположения.
            Все равно нам интересно, как удалось с высокой точностью откалибровать измерительные приборы, в каждой лаборатории по разному. Значит кто-то из уважаемых ошибся?
            Замолкаю, и с нетерпением жду окончания расследования.
            Ответить
            • spark > komod | 22.09.2013 | 02:21 Ответить
              В нейтринной истории виноваты, прежде всего, те четыре человека, которые решили все делать сами тайком от всех остальных членов коллаборации, и даже потом не открывали им всех данных. Если бы это делала ответственно вся группа со всеми проверками и контролями качества, вероятность этого контакта была бы сильно меньше. И разумеется эта история ни в коей мере не является подтверждением вашего тезиса «От глупых ошибок никто не застрахован, особенно когда за одно дело берутся сразу сотни тысяч ученых.»

              Да, в каких-то из этих групп есть неучтенные погрешности установок или обработки результатов. Кто из них прав, а кто нет — пока непонятно. Но не надо путать неучтенные погрешности с абсолютным идиотизмом вроде того, который тут предлагает int. Разумеется, никто не считает цилиндры точечными массами. Везде берется двойной интеграл по всему объему обоих взаимодействующих тел, с учетом переменной плотности, и вычисляется этот интеграл разными способами, со сравнением их погрешностей (даже по этому конкретному вопросу есть отдельные публикации). Подозревать всех ученых, что они за несколько веков до этого не догадались — это и есть уровень дремучих уфологов, т.е. клиника. Вы этой клинике поддались, а теперь пытаетесь это заболтать.
              Ответить
              • nicolaus > spark | 22.09.2013 | 17:09 Ответить
                Проще всю установку изобрести по новой, чем искать ошибки в условиях недостаточной информации.

                Во-первых, я бы избавился от нити. Металл вряд-ли обладает необходимым диапазоном упругости - с одной стороны нить должна выдержать вес внутренних цилиндров, с другой стороны - нить должна быть достаточно упругой для малых усилий. Величина диапазона от малых механических усилий, где проявляется гистерезис, до напряжений, когда металл разрушается, не бесконечна и вряд ли достигает 1:1000000. При этом, метод «электростатического сервоконтроля» не поможет, поскольку нить на очень малых усилиях может иметь несколько устойчивых состояний.

                Во вторых, для того, чтобы не было разговоров о влиянии внешних источников гравитации, установку необходимо разместить вдали от них.
                Ответить
                • nicolaus > nicolaus | 23.09.2013 | 20:15 Ответить
                  Поскольку ни кто не ответил на мой комментарий, я продолжу обоснование своей идеи. Задам сам себе вопросы и на них дам ответ.

                  Металлическая нить, безусловно, является самым мало изученным объектом в обсуждаемой установке. Любой металл обладает гистерезисом. Добротность даже самых хороших металлических резонаторов не превышает 50000 (по памяти). Для создания точной математической модели нити в условиях натяжения необходимо изучать зависимости упругих свойств и гистерезиса в связи с натяжением нити. Не случайно авторы начали изобретать и применили нить прямоугольной формы. Если мы ставим цель достижения точности в одну миллионную долю, то однозначно необходимо от нити избавляться.

                  Что можно предложить взамен нити?

                  Ничего! Практически единственный вариант – разместить установку в космосе с отсутствием контакта между внутренним и наружным блоками цилиндров.

                  Что можно противопоставить силе притяжения цилиндров?

                  Электрический заряд не очень удобен, поскольку необходимо подключать провода к внутреннему блоку цилиндров, что испортит все измерения. Причем, равновесия не будет. Цилиндры относительно дуг друга быстро уплывут в ненужную сторону.

                  Поэтому единственный вариант – противопоставить силе притяжения силы инерции. При этом внутренний блок цилиндров и наружный необходимо закрутить в противоположные стороны с не очень большой скоростью. При этом проявляется одно полезное свойство – исчезает необходимости в четырех цилиндрах. Закрученная система из двух наружных и двух внутренних цилиндров будет эквивалентна множеству расположенных по бокам цилиндров

                  Измерительная система

                  Система измерения скорости вращения или фазы может быть построена на основе оптического интерферометра. Причем измерение скорости будет дифференциальным, поэтому должны учитывается только механические неточности расположения под 90 градусов зеркал или уголковых отражателей, закрепленных на валу внутреннего блока цилиндров.

                  Чувствительность

                  Расчеты показывают, что чувствительность измерительной системы по притяжению двух масс, при накоплении результатов измерений в 1 год и шумах интерферометра + АЦП -10% отнесенных на 1 длину волны света, составляет 1 миллиардную.

                  Систематические и погрешности

                  Основной погрешностью является температурное расширение. Для достижения точности в одну миллионную необходимо поддержание температуры с точность меньше 0,1 градуса. Эту проблему можно решить путем прямого измерения размеров цилиндров. Например, можно измерять с помощью интерферометра расстояние между верхней и нижней плоскостями цилиндров. Есть погрешность связанная с биениями осей блоков цилиндров. Однако измерительная система может эти биения измерить и можно ввести поправки.

                  Электростатика

                  Поскольку гравитации не экранируется, можно выполнить электрический экран в виде полого цилиндра, который закрывает внутренний блок цилиндров. При этом в случае совпадения оси блока цилиндров с осью экрана, небольшой заряд внутренних цилиндров не будет влиять на измерение. При этом, время от времени (например, раз в неделю) можно выравнивать потенциал внутреннего и внешнего блоков цилиндров электрически замыкая цилиндры. Для контроля заряда внутреннего блока цилиндров немного выше плоскости внутреннего цилиндра можно разместить катушку и замерять в ней напряжение.

                  По моему, никаких проблем в измерении гравитационной постоянной с точностью одна миллионная нет. Я не совсем понимаю пессимизм, который прозвучал в статье: «Так или иначе, но гравитационная постоянная продолжает оставаться головоломкой измерительной физики. Через сколько лет (или десятилетий) эта ситуация действительно начнет улучшаться, сейчас предсказать трудно.»

                  Я могу предсказать точно. Это можно сделать через год.
                  Ответить
                  • spark > nicolaus | 23.09.2013 | 20:27 Ответить
                    Публикуйте, пожалуйста, свои подробные предложения в специально предназначенных для этого местах. Но прежде этого, почитайте всё же внимательно подробное описание хотя бы одной установки. А то вы тут попадается впросак, начиная с первых же заявлений.

                    Этот ваш комментарий будет вскоре удален.
                    Ответить
                    • nicolaus > spark | 23.09.2013 | 21:19 Ответить
                      Да. Наверное здесь не место для подробного описания.
                      Просто хотелось подискуссировать.
                      Описание некоторых установок я читал по Вашим ссылкам.
                      Ответить
                      • spark > nicolaus | 23.09.2013 | 23:38 Ответить
                        Может быть, я в вашем случае и погорячился, но действительно если вы хотите предлагать свои идеи и готовы их обосновать, пишите статью и пытайтесь опубликовать. Заявления, что нить надо устранить и провести эксперимент в космосе подальше от всех источников гравитации, никого особо не интересуют — это нереально по деньгам сделать. Заявления типа «Основной погрешностью является температурное расширение» — это тоже, мягко говоря, отсебятина.

                        С нитью действительно трудности, связанные с нелинейностью упругого отклика, но вместо того, чтобы считать его математически, его извлекают из периода свободных колебаний крутильного маятника с разной амплитудой. Там тоже не все гладко, конечно, по поводу этой нити уже столько публикаций есть, но авторы (по крайней мере этой работы) считают, что они резко уменьшили возможные погрешности от этого источника.

                        Измерение G через влияние на период свободных колебаний крутильного маятника тоже делается, и там свои проблемы.

                        Измерять год никто не может пока, потому что свойства материалов уплывают за это время.

                        Температуру лучше 0,1 градуса и так держат хорошо, там ничего придумывать не требуется.

                        Ну и все системы там (электрическая, оптические наблюдения и т.д.) там тоже тщательно перепроверяются и измеряются. Какие-то свои предложения можно выдвигать после детального знакомства с ними.
                        Ответить
                        • 3g430 > spark | 07.01.2014 | 15:21 Ответить
                          > С нитью действительно трудности...
                          В качестве компенсирующей силы вместо нити можно использовать давление света. Ротор находится в вакууме и на магнитном подвесе. Лазер давлением своего луча создает компенсирующий момент. Мощности непрерывных лазеров варьируются, думаю, на 10 порядков (а то и больше), так что попасть в необходимый диапазон момента можно. Меняя плечо, добиваемся равновесия. И с калибровкой прибора проблем не будет (т.е. будут, но разрешимые)
                          Ответить
              • komod > spark | 23.09.2013 | 07:22 Ответить
                Хорошо. Тепеперь перейдем к следующей глупости.
                Ученым извесно про закон Архимеда. Познавшим толк в интегрировании не надо доказывать, что в опыте Кавендиша сила гравитационного взаимодействия пропорциональна не массе пробных тел, а их весу. Воздушный шарик с гелием будет отталкиваться от медного цилиндра, а не притягиваться. Чуть сложней сообразить, что два таких шарика будут притягиваются друг к другу (минус на минус дает плюс).
                Данные факты можно использовать для проверки и калибровки установки. Наверняка ученые изменяли вес медных цилиндров на строго определенную величину просто поменяв атмосферу в лаборатории. Воздух можно заменить гелием, потом аргоном или чем другим по вкусу. Чувствительность установки и электростатический компенсатор позволяют уловить эту разницу и проверить работу измерительного прибора.
                Если нет, то надо им сообщить, пока установка цела. К сожалению, сам этого сделать не могу. Языком не владею.
                Ответить
                • spark > komod | 23.09.2013 | 16:38 Ответить
                  > Хорошо. Тепеперь перейдем к следующей глупости.

                  Что ж хорошего? Вам продемонстрировали, что то, что вам кажется «свежими идеями», «незашоренным взглядом» и т.д., это всем давно известные вещи. Что если они к вам в голову приходят, то вы хотя бы почитайте описание установок (вот к примеру диссер одного из участников другог эксперимента, http://www.physics.uci.edu/gravity/papers/WDCross%20thesis.pdf с подробностями). Если вы «не владеете языком», это ваша проблема. Незнание языка не освобождает от ответственности проверять свои предположения, постарайтесь уж привыкнуть к интеллектуальной гигиене.

                  Конкретно по этой новой вашей идее. Крутильный маятник с неободимостью помещают в вакуумную камеру, поскольку иначе влияние воздуха собъет все тонкие эффекты. Массивные тела находятся в воздухе, но поправки на наличие атмосферы, разумеется, учитываются. Более того, есть простой способ резко их сократить экспериментально, взвешивая эти тела тоже в воздухе, а не в вакууме.

                  Это последняя «свежая идея», на которую я вам отвечаю. Дальше проверяйте идеи самостоятельно, читая источники.
                  Ответить
  • Aab  | 21.09.2013 | 19:58 Ответить
    Пилите, Шура, пилите: они золотые :)
    Ответить
  • TrueMage  | 21.09.2013 | 22:28 Ответить
    Интересно, а они фиксировали какую-нибудь корреляцию с продолжительностью измерения?
    Ответить
    • spark > TrueMage | 22.09.2013 | 02:23 Ответить
      Нет такой корреляции. Посмотрите данные самостоятельно, многие публикации находятся в свободном доступе.
      Ответить
  • Igvas  | 22.09.2013 | 13:44 Ответить
    Это не может быть косвенным подтверждением гравитационных волн?
    Ведь ускорение есть градиент потенциала гравиполя, соотвественно при наличии осциллятора оно будет меняться во времени, соответственно будет меняться и измеренная сила взаимодействия эталонных масс.
    Ответить
    • spark > Igvas | 23.09.2013 | 17:17 Ответить
      Изменение метрики, которое наводят грав. волны, по амплитуда действительно сравнимы с изменением метрицы за счет гравитации от цилиндра обычных размеров. Но грав. волны не приводят к смещению или повороту тела как целого, они наводят квадрупольную деформацию. Если бы вы подвесили два рычага крутильных весов независимо и измеряли бы угол между ними с огромной точностью, то вы бы заметили грав. волны. Такие предложения действительно существуют, см. http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i16/e161101 и недавний обзор http://arxiv.org/abs/1308.2074 . Из-за медленного движения такой детектор будет чувствовать только долнопериодические грав.волны (период порядка минут и часов). Но к экспериментам по измерению G это все не относится.
      Ответить
      • Geen > spark | 25.09.2013 | 00:49 Ответить
        Может ли это быть проявлением отклонения от "Ньютона" по типу МОНД? Вроде по порядку величин ускорений подходит...
        Ответить
        • spark > Geen | 25.09.2013 | 02:55 Ответить
          MOND - это изменение _закона_ гравитационного взаимодействие, а не величины G. А я уже объяснял неоднократно, что все параметрические зависимости в земных экспериментах проверены хорошо и никаких расхождений не видно.
          Ответить
          • Geen > spark | 25.09.2013 | 10:25 Ответить
            Но если в разных экспериментах просто оказывается разная величина МОНДовских поправок?
            Ответить
            • spark > Geen | 25.09.2013 | 14:27 Ответить
              Т.е. вы предлагаете считать, что законы физики меряются от эксперимента к эксперименту или от места к месту. Типа природа сама смотрит: а что это там люди измеряют? Квадратичную зависимость? Ага, отключим MOND. А сейчас что, гравитационную постоянную? А ну-ка добавим им чуток MOND-а.
              Ответить
              • Geen > spark | 25.09.2013 | 19:07 Ответить
                Нет конечно. Вопрос был в том, нет ли корреляции между намерянным значением и "характерным грав. ускорением". Т.е., например, BIPM использовали теже самые грузы - получили тот же результат...

                Хотя МОНД, сам по себе, тут не будет работать - гравитация Земли его должна забивать....
                Ответить
  • rustem  | 27.09.2013 | 17:51 Ответить
    А почему их две?
    http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt:
    Newtonian constant of gravitation: 6.673 ...
    Newtonian constant of gravitation over h-bar c: 6.708 ...
    Ответить
    • spark > rustem | 27.09.2013 | 19:43 Ответить
      Величина G сама по себе и величина G, деленная на hbar c, да еще и выраженная в других единицах. Разными физикам же нужны разные комбинации величин, поэтому NIST ответственно приводит численные значения многих комбинаций.
      Ответить
      • rustem > spark | 30.09.2013 | 13:35 Ответить
        Спс.
        Еще, не поясните похожий эксперемент: http://coldatoms.lens.unifi.it/index.php/magia-and-gravity.html.
        Что за сдвиг фаз наблюдают они (http://www.fi.infn.it/sezione/esperimenti/MAGIA/magia-prl.pdf)?
        Ведь сдвиг уровня эн порядка 1e-14Ev (согласно задаче 40 из Флюгге) изза g.
        Это несколько hz для света, да еще на 1e8 (изменение от груза).
        А ширина линии RB 10khz. Может и сам разобрался, да доступа к науч журналам нет.
        Интересно а вращение Луны наблюдается :)
        Ответить
        • spark > rustem | 01.10.2013 | 04:50 Ответить
          У меня в 2007 году была новость практической по такой же работе: http://elementy.ru/news/430437
          Там сравнимая точность.
          Ответить
  • Vitaly_D  | 29.09.2013 | 20:37 Ответить
    А вы могли бы глянуть эту статью [deleted] и оценить факты, которыми оперирует автор ? Язык у него весьма не научен, но хотелось бы понять, где у него правда, а где нет..
    Ответить
    • spark > Vitaly_D | 29.09.2013 | 21:40 Ответить
      Это альтернативщик, я лженауку давно уже не обсуждаю, и более того, удаляю эти ссылки из комментариев.
      Ответить
      • Vitaly_D > spark | 29.09.2013 | 22:14 Ответить
        Я прекрасно вижу, что альтернативщик, даже из стиля изложения. Но хотелось бы узнать, какие из приводимых фактов истинны. Я не все могу проверить. Собственно, проверяя гравитационную постоянную, на вашу статью и вышел.

        Я могу тогда разместить ссылку на свой профиль ВК, а в нем - статью? Как-то мне нужно получить экспертное мнение.
        http://vk.com/id92678495
        Ответить
        • spark > Vitaly_D | 29.09.2013 | 22:55 Ответить
          «Лженауку давно не обсуждаю» включает, среди прочего, и то, что я не занимаюсь разбором лженаучных текстов. Я этим занимался, скажем так, в юности, и понял, что КПД этого занятия исключительно низок. Автору вы уже не объясните никогда, как бы он ни говорил «Ну укажите мне хоть на одну ошибку, давайте». Потому что самое сложное — это вовсе не найти ошибку, а объяснить, что это и есь ошибка. Если же вы хотите это узнать исключительно для себя, чтобы самому кому надо аргументировано ответить — будет намного лучше, если вы изучите этот вопрос самостоятельно. В конце концов, тут никакая сложная высшая математика или сокровенная физика не используется, просто куча технических подробностей и фактов. Если в процессе этого у вас возникнут конкретные технические вопросы по экспериментам, задавайте, можно тут, можно в блоге.
          Ответить
        • a_b > Vitaly_D | 30.09.2013 | 09:15 Ответить
          Заходите на форум astronomy.ru и ищите "newfiz". Полного разбора полетов там нет, но полеты КА рассмотрены, и есть ссылки на другие форумы, где это обсуждалось.
          Ответить
  • potoksoznanya  | 12.10.2013 | 23:00 Ответить
    На самом дее просто никто не знает, чему должна быть расвна гравитационная постоянная - поэтому измерения проводятся честно. Как только величина G будет известна теоретически - эксперимент тут же подтвердит её значение с огромной точностью.
    Ответить
    • Валя Гриневич > potoksoznanya | 16.10.2013 | 21:00 Ответить
      Сами физики говорят, что сила гравитационного взаимодействия на 40 порядков меньше, чем электромагнитного. В связи с этим удивляет даже сегодняшняя точность измерения гравитационной постоянной.
      Ответить
  • denis_73  | 09.04.2015 | 07:07 Ответить
    «Можно лишь надеяться, что следующие измерения будут попадать в этот интервал и постепенно будут давать предпочтение какому-то одному значению».
    Ога, значение 2014 года: 6.67191 × 10^−11  m^3  kg^−1  s^−2

    http://libgen.org/scimag/get.php?doi=10.1038%2Fnature13433
    http://www.nature.com/nature/journal/v510/n7506/full/nature13433.html
    Precision measurement of the Newtonian gravitational constant using cold atoms
    Nature 510, 518–521 (26 June 2014) doi:10.1038/nature13433 Received 10 January 2014 Accepted 22 April 2014 Published online 18 June 2014

    About 300 experiments have tried to determine the value of the Newtonian gravitational constant, G, so far, but large discrepancies in the results have made it impossible to know its value precisely1. The weakness of the gravitational interaction and the impossibility of shielding the effects of gravity make it very difficult to measure G while keeping systematic effects under control. Most previous experiments performed were based on the torsion pendulum or torsion balance scheme as in the experiment by Cavendish2 in 1798, and in all cases macroscopic masses were used. Here we report the precise determination of G using laser-cooled atoms and quantum interferometry. We obtain the value G = 6.67191(99) × 10^−11  m^3  kg^−1  s^−2 with a relative uncertainty of 150 parts per million (the combined standard uncertainty is given in parentheses). Our value differs by 1.5 combined standard deviations from the current recommended value of the Committee on Data for Science and Technology3. A conceptually different experiment such as ours helps to identify the systematic errors that have proved elusive in previous experiments, thus improving the confidence in the value of G. There is no definitive relationship between G and the other fundamental constants, and there is no theoretical prediction for its value, against which to test experimental results. Improving the precision with which we know G has not only a pure metrological interest, but is also important because of the key role that G has in theories of gravitation, cosmology, particle physics and astrophysics and in geophysical models.
    Ответить
    • denis_73 > denis_73 | 27.06.2015 | 12:43 Ответить
      CODATA 2014:
      Newtonian constant of gravitation 6.67408e-11±0.00031e-11 m^3 kg^-1 s^-2
      Ответить
      • edmen > denis_73 | 06.03.2017 | 15:28 Ответить
        Если считать массу векторным ускорением, можно прийти к выводу Гравитационной постоянной.

        1.Рассмотрим одномерный вариант:
        Одномерный вариант – это прямая и две точечные массы, при этом, тут нет ускорения, а только скорость. Первая и вторая точка всасывают квантованное пространство со скоростью a = V Взаимодействие между точками будет равно и ограниченно скоростью света. 2a = C. Для получения значения гравитационной постоянной обе части разделим на С, при этом получим значение гравитационной постоянной на единицу расстояния метр
        G = 2/C = 6,67128E-09 для одномерной прямой. Максимальное "Ускорение"-скорость a=1,49896229E+8 м/сек

        2.Для двумерной поверхности на ускорение будет влиять расстояние межу двумя точечными массами 2a/R так же делим на С и получим то же значение, но на порядок меньше 6,67128E-10 максимальное ускорение а = 1,49896229E+8 м/сек.кв
        Может возникнуть вопрос, почему на порядок меньше. Если взять квадрат со стороной один, в него можно разместить 10 единичных отрезков. Так же и с кубом 100 единичных отрезков.

        3.Для трехмерного пространства 2a/R^2 значение еще на порядок меньше 6,67128E-11 максимальное ускорение a=1,49896229E+8 м/сек.кв

        Это значение отличается от принятого значения G = 6,67408E-11 в третьем знаке после запятой, на это могут влиять какие-то неучтенные данные, топология, вращение, распределение массы в объёме, невозможность проверить значение G для чёрных дыр на практике. Максимальное ускорение для принятого значения меньше расчетного а = 1.49833385E+8 м/сек.кв.
        Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»