Die Gravitationskonstante wurde mit neuen Methoden gemessen. Neue Messungen der Gravitationskonstante verwirren die Situation zusätzlich

Wissenschaftler aus Russland und China haben die Gravitationskonstante mit zwei unabhängigen Methoden verfeinert. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Die Gravitationskonstante G ist eine der Grundkonstanten der Physik, die zur Berechnung der Gravitationswechselwirkung materieller Körper verwendet wird. Nach dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation ist die gravitative Wechselwirkung zweier materieller Punkte proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen. Diese Formel beinhaltet auch einen konstanten Koeffizienten – die Gravitationskonstante G. Astronomen können Massen und Entfernungen mittlerweile viel genauer messen als die Gravitationskonstante, weshalb sich bei allen Berechnungen der Gravitation zwischen Körpern ein systematischer Fehler angesammelt hat. Vermutlich wirkt sich der mit der Gravitationskonstante verbundene Fehler auch auf Untersuchungen der Wechselwirkungen von Atomen oder Elementarteilchen aus.

Physiker haben diese Größe wiederholt gemessen. An der neuen Arbeit beteiligte sich ein internationales Wissenschaftlerteam, zu dem auch Mitarbeiter des nach P.K. benannten Staatlichen Astronomischen Instituts gehörten. Sternberg (SAI) von der Moskauer Staatsuniversität beschloss, die Gravitationskonstante mit zwei Methoden und einem Torsionspendel zu klären.

„In einem Experiment zur Messung der Gravitationskonstante ist es notwendig, absolute Messungen von drei physikalischen Größen vorzunehmen: Masse, Länge und Zeit“, kommentiert einer der Autoren der Studie, Vadim Miliukov vom SAI. - Absolute Messungen können immer durch systematische Fehler belastet sein, daher war es wichtig, zwei unabhängige Ergebnisse zu erhalten. Wenn sie miteinander übereinstimmen, besteht die Gewissheit, dass sie frei von Systematik sind. Unsere Ergebnisse stimmen auf der Ebene von drei Standardabweichungen überein.“

Der erste Ansatz, den die Autoren der Studie verwenden, ist die sogenannte dynamische Methode (Time-of-Swing-Methode, ToS). Die Forscher berechneten, wie sich die Frequenz der Drehschwingungen abhängig von der Position zweier Testkörper änderte, die als Massenquellen dienten. Wenn der Abstand zwischen den Testkörpern abnimmt, nimmt die Kraft ihrer Wechselwirkung zu, was sich aus der Formel für die Gravitationswechselwirkung ergibt. Dadurch erhöht sich die Schwingungsfrequenz des Pendels.

Schema eines Versuchsaufbaus mit einem Torsionspendel

Q. Li, C. Xie, J.-P. Liu et al.

Mit dieser Methode berücksichtigten die Forscher den Beitrag der elastischen Eigenschaften des Pendelaufhängungsfadens zu den Messfehlern und versuchten, diese auszugleichen. Die Experimente wurden an zwei unabhängigen Geräten durchgeführt, die sich in einem Abstand von 150 m voneinander befanden. Im ersten Test testeten die Wissenschaftler drei verschiedene Arten von Aufhängungsfadenfasern, um mögliche materialbedingte Fehler zu prüfen. Der zweite hatte ein deutlich anderes Design: Die Forscher verwendeten eine neue Silikatfaser, einen anderen Satz Pendel und Gewichte, um Fehler zu bewerten, die von der Installation abhängen.

Die zweite Methode, mit der G gemessen wurde, war die Winkelbeschleunigungs-Feedback-Methode (AAF). Es misst nicht die Schwingungsfrequenz, sondern die durch Prüfkörper verursachte Winkelbeschleunigung des Pendels. Diese Methode zur Messung von G ist nicht neu, aber um die Genauigkeit der Berechnung zu erhöhen, änderten die Wissenschaftler das Design des Versuchsaufbaus radikal: Sie ersetzten den Aluminiumständer durch einen Glasständer, damit sich das Material beim Erhitzen nicht ausdehnte. Als Testmassen wurden sorgfältig polierte Edelstahlkugeln verwendet, deren Form und Gleichmäßigkeit den Idealen nahe kam.

Um die Rolle des menschlichen Faktors zu reduzieren, haben Wissenschaftler fast alle Parameter erneut gemessen. Sie untersuchten außerdem detailliert den Einfluss von Temperatur und Vibration während der Rotation auf den Abstand zwischen Testkörpern.

Die als Ergebnis von Experimenten erhaltenen Werte der Gravitationskonstante (AAF – 6,674484(78)×10 –11 m 3 kg –1 s –2 ; ToS – 6,674184(78)×10 –11 m 3 kg –1 s -2) stimmen auf der Ebene von drei Standardabweichungen überein. Darüber hinaus weisen beide die geringste Unsicherheit aller bisher ermittelten Werte auf und stimmen mit dem vom Ausschuss für Daten für Wissenschaft und Technologie (CODATA) aus dem Jahr 2014 empfohlenen Wert überein. Diese Untersuchungen haben erstens einen großen Beitrag zur Bestimmung der Gravitationskonstante geleistet und zweitens gezeigt, welche Anstrengungen in Zukunft erforderlich sein werden, um eine noch höhere Genauigkeit zu erreichen.

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M 1 und M 2 in einiger Entfernung gelegen R, ist gleich: F = G m 1 m 2 r 2 . (\displaystyle F=G(\frac (m_(1)m_(2))(r^(2))).) G= 6,67408(31) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 oder N m² kg −2.

Die Gravitationskonstante ist die Grundlage für die Umrechnung anderer physikalischer und astronomischer Größen, beispielsweise der Massen der Planeten im Universum, einschließlich der Erde, sowie anderer kosmischer Körper, in traditionelle Maßeinheiten wie Kilogramm. Darüber hinaus sind aufgrund der Schwäche der Gravitationswechselwirkung und der daraus resultierenden geringen Genauigkeit der Messungen der Gravitationskonstante die Massenverhältnisse kosmischer Körper in der Regel viel genauer bekannt als Einzelmassen in Kilogramm.

Die Gravitationskonstante ist eine der Grundmaßeinheiten im Planck-Einheitensystem.

Messhistorie

G= 6,67554(16) × 10 −11 m 3 s −2 kg −1 (standardmäßiger relativer Fehler 25 ppm (oder 0,0025 %), der ursprünglich veröffentlichte Wert wich aufgrund eines Berechnungsfehlers geringfügig vom Endwert ab und wurde später von korrigiert Autoren).

siehe auch

Anmerkungen

In der Allgemeinen Relativitätstheorie werden Notationen mit dem Buchstaben verwendet G werden selten verwendet, da dieser Buchstabe dort meist zur Bezeichnung des Einstein-Tensors verwendet wird.
Per Definition handelt es sich bei den in dieser Gleichung enthaltenen Massen um Gravitationsmassen. Diskrepanzen zwischen der Größe der Gravitations- und Trägheitsmasse eines Körpers wurden jedoch noch nicht experimentell entdeckt. Theoretisch ist es unwahrscheinlich, dass sie sich im Rahmen moderner Vorstellungen unterscheiden. Dies ist seit Newtons Zeiten allgemein die Standardannahme.
Neue Messungen der Gravitationskonstante verwirren die Situation noch mehr // Elements.ru, 13.09.2013
CODATA International empfohlene Werte der fundamentalen physikalischen Konstanten(Englisch) . Abgerufen am 30. Juni 2015.
Verschiedene Autoren geben unterschiedliche Ergebnisse an, von 6,754⋅10−11 m²/kg² bis (6,60 ± 0,04)⋅10−11 m³/(kg s³) – siehe Cavendish-Experiment#Berechneter Wert.
Igor Iwanow. Neue Messungen der Gravitationskonstante verwirren die Situation zusätzlich (nicht definiert) (13. September 2013). Abgerufen am 14. September 2013.
Ist die Gravitationskonstante wirklich konstant? Archivierte Kopie vom 14. Juli 2014 in den Nachrichten von Wayback Machine Science auf dem Portal cnews.ru // Veröffentlichung vom 26. September 2002
Brooks, Michael Kann das Erdmagnetfeld die Schwerkraft beeinflussen? (nicht definiert) . NewScientist (21. September 2002). [Archivierte Kopie auf Wayback Machine Archived] 8. Februar 2011.
Eroshenko Yu. N. Physiknachrichten im Internet (basierend auf elektronischen Vorabdrucken), UFN, 2000, V. 170, Nr. 6, S. 680
Physik. Rev. Lette. 105 110801 (2010) auf ArXiv.org
Physik-News für Oktober 2010
Quinn Terry, Parks Harold, Speake Clive, Davis Richard. Verbesserte Bestimmung von G Mit zwei Methoden (Englisch) // Physical Review Letters. - 2013. - 5. September (Bd. 111, Nr. 10). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.111.101102.
Quinn Terry, Speake Clive, Parks Harold, Davis Richard. Erratum: Verbesserte Bestimmung von G Mit zwei Methoden (Englisch) // Physical Review Letters. - 2014. - 15. Juli (Bd. 113, Nr. 3). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.113.039901.

Rosi G., Sorrentino F., Cacciapuoti L., Prevedelli M., Tino G. M.

Die Gravitationskonstante, die Newtonsche Konstante, ist eine grundlegende physikalische Konstante, eine Konstante der Gravitationswechselwirkung.

Die Gravitationskonstante erscheint in der modernen Notation des Gesetzes der universellen Gravitation, fehlte jedoch bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts ausdrücklich bei Newton und in den Werken anderer Wissenschaftler.

Die Gravitationskonstante in ihrer heutigen Form wurde offenbar erst nach dem Übergang zu einem einheitlichen metrischen Maßsystem erstmals in das Gesetz der universellen Gravitation eingeführt. Dies wurde vielleicht zuerst vom französischen Physiker Poisson in seiner Abhandlung über die Mechanik (1809) getan. Zumindest haben Historiker keine früheren Arbeiten identifiziert, in denen die Gravitationskonstante auftauchen würde.

Im Jahr 1798 führte Henry Cavendish ein Experiment durch, um die durchschnittliche Dichte der Erde mithilfe einer von John Mitchell erfundenen Torsionswaage zu bestimmen (Philosophical Transactions 1798). Cavendish verglich die Pendelschwingungen eines Testkörpers unter dem Einfluss der Schwerkraft von Kugeln bekannter Masse und unter dem Einfluss der Erdschwerkraft. Der Zahlenwert der Gravitationskonstante wurde später anhand der durchschnittlichen Dichte der Erde berechnet. Messwertgenauigkeit G seit der Zeit von Cavendish hat es zugenommen, aber sein Ergebnis kam dem modernen bereits ziemlich nahe.

Im Jahr 2000 wurde der Wert der Gravitationskonstante ermittelt

cm 3 g -1 s -2 , mit einem Fehler von 0,0014 %.

Der neueste Wert der Gravitationskonstante wurde 2013 von einer Gruppe von Wissenschaftlern ermittelt, die unter der Schirmherrschaft des Internationalen Büros für Maß und Gewicht arbeiteten, und das ist er auch

cm 3 g -1 s -2 .

Wenn in Zukunft ein genauerer Wert der Gravitationskonstante experimentell ermittelt wird, kann dieser überarbeitet werden.

Der Wert dieser Konstante ist viel weniger genau bekannt als der aller anderen grundlegenden physikalischen Konstanten, und die Ergebnisse von Experimenten zu ihrer Verfeinerung variieren weiterhin. Gleichzeitig ist bekannt, dass die Probleme nicht mit Veränderungen der Konstante selbst von Ort zu Ort und im Laufe der Zeit zusammenhängen, sondern durch experimentelle Schwierigkeiten bei der Messung kleiner Kräfte unter Berücksichtigung einer Vielzahl externer Faktoren verursacht werden.

Astronomischen Daten zufolge ist die Konstante G in den letzten Hunderten von Millionen Jahren praktisch unverändert geblieben; ihre relative Änderung beträgt nicht mehr als 10?11 - 10?12 pro Jahr.

Nach dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation ist die Kraft der Gravitationsanziehung F zwischen zwei materiellen Punkten mit Massen M 1 und M 2 in einiger Entfernung gelegen R, ist gleich:

Proportionalitätsfaktor G in dieser Gleichung wird die Gravitationskonstante genannt. Numerisch ist es gleich dem Modul der Gravitationskraft, die auf einen Punktkörper mit einer Masseeinheit von einem anderen ähnlichen Körper wirkt, der sich in einer Einheitsentfernung von ihm befindet.

Im Internationalen Einheitensystem (SI) lag der vom Committee on Data for Science and Technology (CODATA) empfohlene Wert für 2008 bei

G= 6,67428 (67) 10 ? 11 m 3 s? 2 kg? 1

Im Jahr 2010 wurde der Wert korrigiert auf:

G= 6,67384 (80) 10 ?11 m 3 s?2 kg?1 oder N mI kg?2.

Im Oktober 2010 erschien in der Zeitschrift Physical Review Letters ein Artikel, in dem ein revidierter Wert von 6,67234 (14) vorgeschlagen wurde, was drei Standardabweichungen weniger ist als G, 2008 vom Committee on Data for Science and Technology (CODATA) empfohlen, steht aber im Einklang mit dem früheren CODATA-Wert, der 1986 eingeführt wurde.

Wertrevision G, das zwischen 1986 und 2008 auftrat, wurde durch Untersuchungen zur Unelastizität von Aufhängungsfäden in Torsionswaagen verursacht.

Messhistorie

Die Gravitationskonstante erscheint in der modernen Notation des Gesetzes der universellen Gravitation, fehlte jedoch bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts ausdrücklich in Newton und den Arbeiten anderer Wissenschaftler. Die Gravitationskonstante in ihrer heutigen Form wurde offenbar erst nach dem Übergang zu einem einheitlichen metrischen Maßsystem erstmals in das Gesetz der universellen Gravitation eingeführt. Vielleicht wurde dies erstmals vom französischen Physiker Poisson in seiner „Abhandlung über die Mechanik“ (1809) getan, zumindest wurden von Historikern keine früheren Arbeiten identifiziert, in denen die Gravitationskonstante auftauchen würde. Im Jahr 1798 führte Henry Cavendish ein Experiment durch, um die durchschnittliche Dichte der Erde mithilfe einer von John Michell erfundenen Torsionswaage zu bestimmen (Philosophical Transactions 1798). Cavendish verglich die Pendelschwingungen eines Testkörpers unter dem Einfluss der Schwerkraft von Kugeln bekannter Masse und unter dem Einfluss der Erdschwerkraft. Der Zahlenwert der Gravitationskonstante wurde später anhand der durchschnittlichen Dichte der Erde berechnet. Messwertgenauigkeit G seit der Zeit von Cavendish hat es zugenommen, aber sein Ergebnis kam dem modernen bereits ziemlich nahe.

siehe auch

Anmerkungen

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Gravitationskonstante- Artikel aus der Großen Sowjetischen Enzyklopädie

Wikimedia-Stiftung. 2010.

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GRAVITATIONSKONSTANTE- (Schwerkraftkonstante) (γ, G) universell physikalisch. Konstante in der Formel enthalten (siehe) ... Große Polytechnische Enzyklopädie

- (bezeichnet mit G) Proportionalitätskoeffizient im Newtonschen Gravitationsgesetz (siehe Universelles Gravitationsgesetz), G = (6,67259,0,00085).10 11 N.m²/kg² … Großes enzyklopädisches Wörterbuch

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Grundlegende Physik. Konstante G, enthalten im Newtonschen Gravitationsgesetz F=GmM/r2, wobei m und M die Massen anziehender Körper (materieller Punkte) sind, r der Abstand zwischen ihnen ist, F die Anziehungskraft ist, G= 6,6720(41) X10 11 N m2 kg 2 (Stand 1980). Der genaueste Wert von G. p.... ... Physische Enzyklopädie

Gravitationskonstante- - Themen Öl- und Gasindustrie EN Gravitationskonstante ... Leitfaden für technische Übersetzer

Gravitationskonstante- gravitacijos konstanta statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Schwerkraftkonstante; Schwerkraftkonstante vok. Gravitationskonstante, f rus. Gravitationskonstante, f; Konstante der universellen Gravitation, f pranc. Konstante der Gravitation, f … Fizikos terminų žodynas

- (bezeichnet mit G), der Proportionalitätskoeffizient im Newtonschen Gravitationsgesetz (siehe Gesetz der universellen Gravitation), G = (6,67259 + 0,00085)·10 11 N·m2/kg2. * * * GRAVITATIONSKONSTANTE GRAVITATIONSKONSTANTE (bezeichnet mit G), Koeffizient... ... Enzyklopädisches Wörterbuch

Die Schwerkraft ist konstant, universell. körperlich Konstante G, die in der Grippe enthalten ist und das Newtonsche Schwerkraftgesetz ausdrückt: G = (6,672 59 ± 0,000 85) * 10 11 N * m2 / kg2 ... Großes enzyklopädisches polytechnisches Wörterbuch

Der Proportionalitätskoeffizient G in der Formel, die das Newtonsche Gravitationsgesetz ausdrückt, F = G mM / r2, wobei F die Anziehungskraft, M und m die Massen der anziehenden Körper sind und r der Abstand zwischen den Körpern ist. Andere Bezeichnungen für G. p.: γ oder f (seltener k2). Numerisch... ... Große sowjetische Enzyklopädie

- (bezeichnet mit G), Koeffizient. Proportionalität im Newtonschen Gravitationsgesetz (siehe Universelles Gravitationsgesetz), G = (6,67259±0,00085) x 10 11 N x m2/kg2 ... Naturwissenschaft. Enzyklopädisches Wörterbuch

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Das Universum und die Physik ohne „dunkle Energie“ (Entdeckungen, Ideen, Hypothesen). In 2 Bänden. Band 1, O. G. Smirnov. Die Bücher widmen sich Problemen der Physik und Astronomie, die in der Wissenschaft seit Dutzenden und Hunderten von Jahren von G. Galileo, I. Newton, A. Einstein bis heute bestehen. Die kleinsten Materieteilchen und Planeten, Sterne und...

Messhistorie

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