Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №79 (март) 2020
Разделы: Физика
Размещена 18.03.2020.
Просмотров - 465

Гравитационная постоянная “G” не является константой?

Кошкин Юрий Александрович

нет

самозанятый

нет

Аннотация:
Обосновывается зависимость коэффициента пропорциональности в уравнении закона всемирного тяготения от величины гравитационного поля.


Abstract:
The dependence of the proportionality coefficient in the equation of the law of universal gravitation on the magnitude of the gravitational field is substantiated.


Ключевые слова:
гравитационная постоянная; тёмная материя; гравитационное поле; закон всемирного тяготения

Keywords:
gravitational constant; dark matter; gravitational field; gravity law


УДК 53.02

Введение

В уравнении, описывающим закон всемирного тяготения, кроме взаимодействующих масс и расстояния между ними, входит также коэффициент пропорциональности. Он признан фундаментальной физической величиной, так как выполняет ключевую роль в космологии, астрофизике и др. По устоявшемуся мнению, этот коэффициент, обозначаемый “G”, является константой, о чём свидетельствует присвоенное ему название - гравитационная постоянная.

Актуальность

Для успешного решения многих научных задач требуется возможно более точное определение численного значения этого коэффициента. Поэтому экспериментальные работы по измерению гравитационной постоянной “G” ведутся постоянно уже на протяжении более двухсот лет. Первоначально его значение определилось на основании опыта британского физика Генри Кавендиша в 1798  году [1]. За последующие сотни лет было проведено ещё около двухсот экспериментов для уточнения полученного значения “G”.  Кроме определения величины, также важно удостовериться в его неизменности.

Методы

Значение “G” определялось различными способами, но чаще всего использовались усовершенствованные крутильные весы, принцип действия которых не отличается от крутильных весов, находившихся в распоряжении Кавендиша. После 2000 года были проведены эксперименты атомно-интерферометрическими методами, основанными на учёте квантовой природы вещества [2]. К сожалению, разные и достаточно точные измерения, проведенные с учётом воздействия мельчайших факторов (например минимизация гравитационного взаимодействия со стенками лаборатории или выдержка оборудования в вакууме с колебанием температуры не более одной сотой градуса), не позволили кардинально улучшить точность оценки коэффициента “G”. В настоящее время погрешность определения “G” существенно, на несколько порядков, выше погрешностей других фундаментальных физических величин. При этом одновременно подчёркивается его неизменность во времени.    

Хочется надеяться, что экспериментаторы смогут повысить точность измерения этого важного коэффициента, несмотря на то что это является очень трудной задачей.

Однако я хотел бы обратить внимание на следующее. Один фактор, возможно очень значительный, во всех этих экспериментах не принимался в расчёт – определение “G” происходило при практически постоянном внешнем гравитационном поле, то есть в земных условиях и на уровнях, близких к уровню моря.  

Научная новизна

Представим себе куб из твёрдого материала с длиной рёбер в одну единицу. Одним из свойств куба будут геометрические размеры, определяющие его объём, численное значение которого равняется единице при нормальном атмосферном давлении. Однако при увеличении давления (например при погружении в воду) численное значение объема уменьшится, так как свойство куба (его геометрические размеры) изменилось.

Вероятно, эту аналогию можно распространить и на коэффициент пропорциональности “G”, который численно выражает какое-то свойство (или совокупность свойств) пространства. Поэтому, если увеличение гравитационного поля деформирует пространство (аналогично деформации куба от давления воды в предыдущем примере), то логично предположить, что изменяются и свойства пространства, и соответственно величина коэффициента пропорциональности “G”. И наоборот, будет противоестественным считать, что коэффициент, зависящий от свойств пространства, будет оставаться неизменным при изменении этих свойств. Здесь, наверное, стоит дополнительно отметить, что деформирование (искривление) пространства от воздействия гравитационного поля нашло практическое подтверждение.

Предполагаемый эффект я бы сформулировал следующим образом – значение коэффициента пропорциональности в законе всемирного тяготения зависит от величины гравитационного поля.

Результаты

Наличие такого эффекта позволит найти объяснение одной из загадок космологии - аномально высокого действия сил гравитационного притяжения, не соразмерное наблюдаемому количеству вещества.

Первые признаки этой аномалии были выявлены ещё в тридцатые годы прошлого столетия астрономом Фрицем Цвикки. Его подсчёты показали, что в наблюдаемом им скоплении галактик, суммарной массы недостаточно для удержания их разлёта друг от друга, хотя в действительности такого разлёта не происходит. В последующие несколько десятилетий уточнение наблюдаемых масс при помощи рентгеновских и радиотелескопов, учёта особых видов материи (нейтрино, чёрных дыр, космических лучей и пр.) не устранило указанного дефицита и лишь подтвердило эту аномалию. Причём было установлено, что это является характерным для большинства скоплений, а в некоторых из них нехватка масс превышает 50% отметку.

Если же существование эффекта зависимости коэффициента пропорциональности (здесь называть его гравитационной постоянной теряет смысл) в законе всемирного тяготения от силы гравитационного поля имеет место, то проблема аномально высокого действия сил гравитационного притяжения, не соразмерное наблюдаемому количеству вещества, объясняется без привлечения понятия "тёмная материя", как приходится делать сейчас. То есть, единица массы материи в области действия повышенного гравитационного поля, из-за увеличенного коэффициента пропорциональности, создает силу гравитационного притяжения, которую бы в случае неизменности коэффициента могла бы создать только масса с величиной более единицы. Вот поэтому, при отказе от возможности существования предложенного эффекта, приходится вводом "тёмной материи" компенсировать получающийся недостаток массы. И вводить её приходится тем больше, чем больше в области объектов, имеющих экстремально высокие гравитационные поля (нейтронные звезды, "чёрные дыры", "белые карлики"), где последствия влияния предложенного эффекта сказываются сильнее.

Выводы

Возможно ли экспериментально подтвердить или опровергнуть наличие заявленного эффекта? На мой взгляд имеется достаточно данных, чтобы теоретически разработать достоверную модель зависимости коэффициента пропорциональности от величины гравитационного поля. Затем, на основании этой модели, можно уже будет количественно оценить, находится ли практическая проверка существования этого эффекта в возможностях экспериментаторов или наоборот, не видно даже гипотетических путей проведения таких работ.

Параллельно, если это осуществимо, имеет смысл попробовать провести эксперимент по определению коэффициента в условиях разных внешних гравитационных полей, например у подножия горы и на её вершины. Возможно, такой разницы в гравитации окажется достаточным для выявления указанного эффекта.

Заключение

Коэффициент пропорциональности в законе всемирного тяготения имеет существенное значение и поэтому очень важно, как уточнить его величину, так и подтвердить или опровергнуть его зависимость от изменения гравитационного поля.

Библиографический список:

1. Эксперимент Кавендиша. https://ru.wikipedia.org/wiki/Эксперимент Кавендиша
2. T. Quinn, H. Parks, C. Speake, and R. Davis. Improved Determination of G Using Two Methods // Phys. Rev. Lett. 111, 101102 (2013).




Рецензии:

20.04.2020, 12:17 Нематов Дилшод Давлатшоевич
Рецензия: Очень хорошая статья. Рекомендую статью без ? к публикации.

24.04.2020 20:20 Ответ на рецензию автора Кошкин Юрий Александрович:
Глубокоуважаемый Дилшод Давлатшоевич! Большое спасибо Вам за положительную оценку моей статьи. Однако, учитывая что не все смогут признать бесспорность изложенного предположения без его экспериментального подтверждения, возможно в заголовке стоит сохранить знак вопроса? С почтением, Юрий Александрович.

25.04.2020, 8:06 Нематов Дилшод Давлатшоевич
Рецензия: Хорошо, если так, то можно опубликоват в представленном виде!



Комментарии пользователей:

19.03.2020, 12:44 Хведелидзе Леонардо Леванович
Отзыв: В целом все верно. можно опубликоват статью.


24.03.2020, 7:30 Коробов Антон Васильевич
Отзыв: С гипотезой автора соглашусь. Действительно, логично предположить что взаимное влияние материальных объектов в условиях сильно искривленного пространства (по Эйнштейну) будет скорее всего иным, чем при менее искривленном. Заинтересует ли физиков-экспериментаторов прозвучавшая в статье идея проведения сравнительных измерений гравитационной постоянной при разной искривленности пространства (или при разной гравитации, если придерживаться теории Ньютона)? На мой взгляд это было бы целесообразным и может привести к очень интересным результатам.


24.03.2020, 16:58 Васильев Андрей Семенович
Отзыв: Поддерживаю сомнение автора относительно неизменности значения гравитационной постоянной, а также желательности экспериментального подтверждения наличия или отсутствия её зависимости от величины гравитационного поля. Возможно именно влияние этой зависимости искажает результаты точнейших измерений вследствие различия внешних гравитационных полей в местах проведения этих работ (ближе к экватору или полюсу, выше или ниже относительно уровня моря и пр.), что приводит к "разнобою" в точности оценки значения гравитационной постоянной и косвенно свидетельствует о том, что она не является константой.


25.03.2020, 7:06 Козычев Александр Николаевич
Отзыв: В этой статье встретил интересную формулировку, что "гравитационная постоянная численно выражает какое-то свойство (или совокупность свойств) пространства". На мой взгляд это удачная попытка физического осмысления данного понятия. Все другие фундаментальные физические константы (скорость света, заряд электрона и др.) легко воспринимаются даже на обыденном уровне и не нуждаются в дополнительных разъяснениях. И ещё о гравитационной постоянной - однозначно она не может быть константой в условиях неоднородного гравитационного поля.


26.03.2020, 9:37 Крисанов Павел Владимирович
Отзыв:  На мой взгляд заявленный в статье эффект в конечном счете подтвердится. Однако предполагаю, что от "тёмной материи" не откажутся. Ведь это приятное во всех отношениях понятие, которое можно произвольно наделять любыми фантастическими свойствами вроде невидимости, всепроницаемости, лёгкого добавления в нужных количествах, отсутствия всяческого взаимодействию с видимым веществом когда это не нужно, а когда возникает необходимость объяснить аномальное движение этого вещества, то взаимодействие неожиданно проявляется и пр.


29.03.2020, 16:39 Широкова Евгения Анатольевна
Отзыв: Предположение интересное и логически обоснованное. Однако его правильность может быть подтверждена только в ходе экспериментальных проверок. Склоняюсь к тому, что вероятнее всего оно окажется верным.


31.03.2020, 11:23 Квашнин Дмитрий Владимирович
Отзыв: Неужели после открытия Эйнштейном искривления(деформации) пространства не исследовалось влияние этого фактора на неизменность гравитационной постоянной?


2.04.2020, 6:49 Кошкин Юрий Александрович
Отзыв: Ответ Квашнину Д.В. Сведений о проведении экспериментальных работ в этом направлении я не нашёл. Ответ Крисанову П.В. Ваш скепсис относительно "тёмной материи" мне понятен и близок. Введение этого понятия поразительно напоминает ситуацию, сложившуюся в науке два столетия назад. Тогда многие были уверены в существовании жидкости с крайне необычными свойствами - невидимостью, невесомостью, способностью проникать в любые тела и неограниченно там накапливаться. Дошло то того, что известный учёный Лавуазье не только включил её в свой "Элементарный учебник химии", но и поставил по важности на первое место. Эту жидкость называли "теплород" и она была придумана учёными из-за бессилия объяснить процессы теплопередачи известными на тот момент законами природы. После открытия атомарного строения вещества надобность в столь мифической субстанции отпала. Может быть эту судьбу повторит и "тёмная материя"?


4.04.2020, 9:26 Долбня Николай Владимирович
Отзыв: Долбня Н.В. Отзыв:Автор утверждает, что коэффициент гравитаци(G)должен зависеть от самой гравитации на основании того, что его экспериментальное значение определили на уровне моря. А как же с полетами даже за пределы Солнечной системы, где он оказался неизменным? Вообще, чтобы говорить о таких вещах, нужно предложить природу гравитации. Считаю, что космологическая (ньютоновская) гравитация возбуждается в веществе ускоренным раздвижением амеров Эфира.Поскольку вещество прозрачно для амеров, коэффициент (G)одинаков в каждой точке Вселенной, но увеличивается со временем за счет расширения Эфира (Вселенной). Так, при ее рождении он был на 13 порядков меньше (10^-24 м3/с2 кг). Это в Космосе, а в микромире доминирует собственная гравитация амеров и протонов. Таким образом гравитация правит всеми процессами во Вселенной.


4.04.2020, 14:33 Кошкин Юрий Александрович
Отзыв: Ответ Долбне Н.В. Считаю, что коэффициент пропорциональности в уравнении закона всемирного тяготения (гравитационная постоянная) предположительно зависит только от совокупности свойств пространства, так как он численно эти свойства характеризует, поэтому при их изменении (искривлении, деформации пространства) должен также в какой-то степени изменяться. Ничего больше я не предполагаю и не утверждаю. Поэтому фраза "Автор утверждает, что коэффициент гравитации (G) должен зависеть от самой гравитации на основании того, что его экспериментальное значение определили на уровне моря..." в корне неверна. О том, что проводились эксперименты по определению его величины не только в земных условиях, но даже за пределами Солнечной системы, где он оказался неизменным (!), наверное известно только одному человеку в мире (не мне). Относительно амеров и Эфира ничего сказать не могу.


8.04.2020, 13:33 Еремин Борис Яковлевич
Отзыв: Идея изложена интересно и доступным образом. Аргументы в её защиту выглядят убедительно, по крайне мере для меня. Считаю, что знак вопроса из заголовка статьи можно смело убирать.


8.04.2020, 16:17 Квашнин Дмитрий Владимирович
Отзыв: Интересно, а что будет если предположение автора подтвердится?


8.04.2020, 16:48 Кошкин Юрий Александрович
Отзыв: Ответ Квашнину Д.В.: Математические выкладки приводить считаю преждевременным. Однако, если эксперименты подтвердят зависимость коэффициента пропорциональности от величины гравитационного поля, и более того, позволят получить количественную характеристику такой зависимости, тогда с учётом последнего будет необходимо повторно произвести расчёт ряда уравнений. Особенно наверное оценку потенциальной энергии типичной галактики, а также уравнений Эйнштейна. Возможно полученные результаты позволят по новому взглянуть на уже известные факты.


10.04.2020, 9:40 Жигалов Василий Николаевич
Отзыв: Предположение интересное, но ведь вроде проблем с расчётами с этим значением гравитационной постоянной не было?


10.04.2020, 11:31 Кошкин Юрий Александрович
Отзыв: Ответ Жигалову В.Н. Поясню проблему на примере. Вот у нас есть твёрдое тело, совокупность его геометрических размеров определяет объём и мы хотим исследовать зависимость величины этого объёма от изменения сил внешнего давления на тело. Имеется аппаратура, которая позволяет фиксировать изменение объёма, если отклонение его от первоначальной величины составит больше, чем например, 0,001%. Материалом твёрдого тела допустим будет сталь. При изменении атмосферного давления от низкого до высокого приборы будут фиксировать постоянство величины объёма, однако при погружении в воду, начиная с отметки приблизительно 27 метров, начнётся уменьшение этой характеристики. Если возьмём более податливый материал, например медь, то при колебании атмосферного давления также не выявится факт изменения величины объёма, которое однако проявится при погружении на 22 метра, несколько меньшую глубину, чем в случае тела из стали. Для ещё более податливого материала - свинца, глубина составит только 7 метров.Анализируя эти результаты, можно придти к выводу, что величина объёма конечно зависит от изменения сил внешнего давления, эти изменения начинаются уже при приложении незначительных усилий, но из-за недостаточной чувствительности аппаратуры это удается зафиксировать только тогда, когда приложенные усилия достигают определённого уровня. Однако, если ограничиться только приложением переменного атмосферного давления, то можно придти к ошибочному выводу, что величина объёма твердого тела не зависит от внешнего давления и является константой. Вероятно похожий ошибочный вывод имеет место и относительно гравитационной постоянной. Её значение определили при сравнительно слабой напряжённости гравитационного поля (в земных условиях) и признали константой без исследования зависимости от величины этого поля. Для расчётов в пределах Солнечной системы это не оказалось критическим, так как в ней нет сильных гравитационных полей (если по аналогии с примером, то все тела находятся при атмосферном давлении). Однако в системах, где например расположен "белый карлик", напряжённость гравитационного поля которого превышает земную на три порядка, проводить расчёты, подставляя это значение гравитационной постоянной, по крайне мере уже опрометчиво. Ведь её величина, численно характеризующая совокупные свойства пространства, скорей всего будет другой при "погружении" этого пространства в сильнейшее гравитационное поле (аналогично погружению тела на большую глубину). Поэтому важно, доказать или опровергнуть эту возможную зависимость от величины гравитационного поля, ведь указанная постоянная, кроме всего прочего, входит также в основное уравнение Общей Теории Относительности, из решений которого многое что следует.


20.04.2020, 8:12 Иванов Кирилл Олегович
Отзыв: С автором согласен. Возможно уже в Солнечной системе имеется этому подтверждение. Почему из всех планет, только Меркурий имеет аномалию движения? Вероятно потому, что он расположен близко к Солнцу, а гравитация на Солнце превышает земную в 28 раз. Любопытно, что объяснить эту аномалию в начале прошлого века попытались "тёмной материей", только не прямым введением этого понятия, а через введение увеличивающегося коэффициента к взаимодействующим массам в уравнении закона всемирного тяготения. Только после более вразумительного объяснения этой аномалии на основе эффектов теории относительности (правда не совсем до конца), введение в обиход "тёмной материей" отложилось до наших дней.


Оставить комментарий


 
 

Вверх