Οι ακριβέστερες μετρήσεις της βαρυτικής σταθεράς

Posted on 04/09/2018

0


… με δυο ανεξάρτητες μεθόδους

O νόμος της παγκόσμιας έλξης που διατυπώθηκε το 1687 από τον Νεύτωνα μας λέει ότι η δύναμη με την οποία έλκονται δυο σημειακές μάζες είναι ανάλογη του γινομένου των δυο μαζών και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασής των:

F=G \frac{m_{1} m_{2}}{r^{2}}

Η εξίσωση που υπολογίζει το μέτρο της δύναμης περιέχει και μία θεμελιώδη σταθερά της φυσικής, την σταθερά της παγκόσμιας έλξης G,
η οποία είναι περίπου ίση με 6.67×10-11 m3 kg-1 s-2
Η σταθερά G περιέχεται επίσης και στις εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, την θεωρία βαρύτητας που διατύπωσε ο Einstein το 1915.

Την σταθερά G μέτρησε πρώτος ο Henry Cavendish το 1798, και η τιμή που είχε βρει διαφέρει μόνο κατά 1% από την σημερινή αποδεκτή τιμή.

Παρότι έχουν περάσει 220 χρόνια από την πρώτη μέτρηση του G, οι πρόσφατες πειραματικές μέθοδοι εμφανίζουν μεταξύ τους απόκλιση έως και 0,05%. Αυτό δείχνει ότι ενδέχεται στα πειράματα αυτά να υπάρχουν συστηματικά σφάλματα που δεν έχουν απαλειφθεί.

Ένας τρόπος για να λυθεί αυτό το πρόβλημα είναι η μέτρηση της σταθεράς της παγκόσμιας έλξης χρησιμοποιώντας διαφορετικές μεθόδους που είναι απίθανο να έχουν τα ίδια συστηματικά σφάλματα.

Aυτό έκανε μια ομάδα Κινέζων φυσικών (Qing Li et al). Χρησιμοποίησαν δυο ανεξάρτητες μεθόδους για τον προσδιορισμό του G, και οι τιμές που μετρήθηκαν έχουν το μικρότερο σφάλμα από όλες τις μέχρι σήμερα μετρήσεις:
6.674184 × 10−11 και 6.674484 × 10−11 m3 kg-1 s-2, με  σχετικά σφάλματα 0.001164% και 0.001161%, αντίστοιχα. Μέχρι τώρα το μικρότερο σφάλμα ήταν 0.00137%.

Oι δυο νέες μετρήσεις της σταθεράς G φαίνονται με κόκκινο. Το αποδεκτό εύρος της σημερινής τιμής του G είναι σκιασμένο με γκρι.

Βασικό στοιχείο των δυο πειραματικών διατάξεων που χρησιμοποίησαν οι Κινέζοι φυσικοί ήταν το στροφικό εκκρεμές.
Η πρώτη μέθοδος μέτρησης του G βασίζεται στις υψηλής ακρίβειας μετρήσεις χρόνου και όχι σε μετρήσεις των ασθενών βαρυτικών δυνάμεων. H βασική αρχή της είναι η μέτρηση της μεταβολής στην περίοδο στροφικού εκκρεμούς για τις δυο διαφορετικές διατάξεις που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα:

Στην διάταξη (α) η θέση ισορροπίας του εκκρεμούς βρίσκεται στην ίδια ευθεία με την διάκεντρο των μαζών-πηγών και η περίοδος του εκκρεμούς γίνεται μικρότερη, σε σχέση με την διάταξη (β) όπου η θέση ισορροπίας είναι κάθετη στην διάκεντρο και η περίοδος γίνεται μεγαλύτερη. Όλες οι λεπτομέρειες αυτής της πειραματικής μεθόδου βρίσκονται ΕΔΩ: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4173272/

Η δεύτερη ανεξάρτητη μέθοδος προσδιορισμού του G μεθόδου που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές Qing Li et al φαίνεται στο επόμενο σχήμα:

Το στροφικό εκκρεμές κρέμεται από έναν μαγνητικό αποσβεστήρα στο κέντρο ενός θαλάμου κενού. Ο θάλαμος βρίσκεται πάνω σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο μεταξύ τεσσάρων μαζών-πηγών. Εδώ εκτός από την ροπή των βαρυτικών δυνάμεων που οφείλονται στις μάζες-πηγές υπάρχει και μια ροπή που οφείλεται στην αδρανειακή δύναμη λόγω περιστροφής του συστήματος. Κρίσιμο σημείο της δεύτερης πειραματικής μεθόδου είναι η στιγμή που η ροπή της αδρανειακής δύναμης εξουδετερώνει την βαρυτική ροπή. Όλες οι λεπτομέρειες της δεύτερης μεθόδου βρίσκονται ΕΔΩ:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4173271/


Το σφάλμα 0.00116% των δυο νέων μετρήσεων του G είναι «ένα φανταστικό επίτευγμα», σύμφωνα με τον Clive Speake, φυσικό του Πανεπιστημίου Μπέρμιγχαμ στην Αγγλία, αλλά η ακριβής τιμή του G «εξακολουθεί να είναι ένα μυστήριο». Η επανάληψη αυτών αλλά και άλλων παλαιότερων πειραμάτων ή ο σχεδιασμός νέων μετρήσεων, θα μας βοηθήσουν να αποκαλύψουμε γιατί οι μετρήσεις αυτής της θεμελιώδους σταθεράς εξακολουθούν να διαφέρουν μεταξύ τους.

πηγές: https://www.sciencenews.org/article/strength-gravity-gravitational-constant-newtonhttps://www.nature.com/articles/s41586-018-0431-5

 

Posted in: ΒΑΡΥΤΗΤΑ