يعترف العلماء بشكل مرتبك أنهم ما زالوا لا يعرفون الحجم الدقيق للتفاعل الثقالي

وفقًا للأسطورة ، فإن التجربة الأولى ، التي أظهرت أن جميع الأجسام تسقط بنفس السرعة ، بغض النظر عن الكتلة ، تم تنفيذها بواسطة جاليليو جاليلي ، الذي يقف على قمة برج بيزا المائل. أي جسمين يتم رميهما في مجال الجاذبية ، في غياب مقاومة للهواء (أو إهمالها) سوف يتسارعان بالتساوي. في وقت لاحق ، كتب نيوتن هذه القاعدة لفترة وجيزة بعد أن درس هذه القضية.

لأول مرة بدأنا في صياغة قوانين الفيزياء ، قمنا بذلك تجريبيا: من خلال التجارب. قم برمي الكرة من البرج ، كما فعل جاليليو ، ويمكنك قياس كم ستطير وبعد الوقت الذي ستسقط فيه. حرر البندول ، وستجد العلاقة بين طوله ومقدار الوقت لفترة واحدة. بعد القيام بذلك بمسافات وأطوال وفترات زمنية مختلفة ، ستبدأ في ملاحظة النظام: ارتفاع الكائن يتناسب مع مربع الوقت ، وتتناسب فترة البندول مع الجذر التربيعي لطوله.

ولكن من أجل تحويل النسب إلى معادلات ، تحتاج إلى اختيار ثابت واحد.


مدارات الكواكب في النظام الشمسي الداخلي ليست مستديرة تمامًا ، ولكنها قريبة من الدوائر. ينحرف الزئبق والمريخ الأبعد عن المثل الأعلى ، مما يدل على بيضاويتي المدارات. في منتصف القرن التاسع عشر ، بدأ العلماء في ملاحظة انحرافات عطارد عن تنبؤات الجاذبية النيوتونية ، والتي لا يمكن تفسيرها سوى النسبية العامة في القرن العشرين. يصف نفس قانون الجاذبية ونفس الثابت تأثير الجاذبية على جميع المقاييس ، من الأرض إلى الفضاء.

في هذه الأمثلة ، وفي كثير من الأمثلة الأخرى ، يكون دور ثابت التناسب هو G ، ثابت الجاذبية . القمر يتحرك حول الأرض ، الكوكب - حول الشمس ، الضوء مشوه بالعدسة الجاذبية ، وتفقد المذنبات الطاقة ، وتهرب من النظام الشمسي - وكل هذا يحدث بما يتناسب مع G. حتى قبل نيوتن ، في 1640 و 1650 ، العلماء الإيطاليان فرانشيسكو جريمالدي وجيوفاني ريتشولي أجرى الحسابات الأولى لثابت الجاذبية ، مما يعني أنه أصبح الأول من بين جميع الثوابت الأساسية المحددة ، حتى قبل تحديد سرعة الضوء في عام 1676 ، التي قام بها أولي رومر .


تم استبدال قانون الجاذبية لنيوتن بالنظرية العامة للنسبية لأينشتاين. كان مبنياً على العمل الفوري بعيد المدى وكان واضحاً للغاية. لا تزال قيمة ثابت الجاذبية G من هذه المعادلة ضعيفة جدًا.

إذا أخذت جماعتين في الكون ووضعتهما بالقرب من بعضهما البعض ، فسوف ينجذبان. وفقًا لقوانين نيوتن ، التي تنطبق على جميع الكتل ، باستثناء الحجم الكبير للغاية ، ولجميع المسافات الصغيرة ، ترتبط قوة الجاذبية بكلا الكتلتين ، وتفصل بينهما بالمسافة وثابت الجاذبية G. لعدة قرون قمنا بتحسين قياساتنا للعديد من الثوابت الأساسية إلى دقة لا تصدق. سرعة الضوء c معروفة بالضبط: 299،792،458 م / ث. ثابت بلانك ħ الذي يتحكم في التفاعلات الكمية له قيمة 1.05457180 × 10 ^-34 J * s ، مع خطأ ± 0.000000013 × 10 ^-34 J * s.

ولكن مع G تأتي مسألة مختلفة تمامًا.


سواء استخدمنا وصف الجاذبية من نيوتن أو آينشتاين ، يتم تحديد حجم القوة ، على وجه الخصوص ، من خلال حجم ثابت الجاذبية G ، الذي يجب قياس قيمته تجريبيًا ، ولا يمكن استنتاجه من الآخرين.

في ثلاثينيات القرن العشرين ، تم الحصول على 6.67 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² لقيمة G ؛ في أربعينيات القرن الماضي ، تم صقلها إلى 6.673 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ، وكلاهما صنعهما Paul Hale . كما قد تتوقع ، بمرور الوقت ، تحسنت القيم باستمرار ، وانخفض الخطأ من 0.1٪ إلى 0.04٪ ، ووصل إلى 0.012٪ في أواخر التسعينات بفضل عمل Barry Taylor من NIST.

إذا نظرت إلى النسخة القديمة من كتيب بيانات الجسيمات ، حيث يتم إعطاء قيم الثوابت الأساسية ، يمكنك العثور على قيمة G من 6.67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ، مع وجود خطأ 000085 × 10 فقط ^{- 11} N * م ² / كغ ² .


قيم الثوابت الأساسية لعام 1998

ثم حدث شيء مضحك.

في وقت لاحق من ذلك العام ، كشفت التجارب عن قيمة عالية جدًا للقيمة المشار إليها: 6.674 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² . تلقت الفرق المختلفة التي تستخدم أساليب مختلفة قيم G التي لم تتطابق مع بعضها البعض بنسبة 0.15 ٪ ، وهو أكثر من عشر مرات الخطأ الذي تم الإبلاغ عنه سابقًا.

كيف حدث هذا؟


تعتمد التجربة الأولية على القياس الدقيق لـ G ، الذي طوره ونشره هنري كافنديش ، على مبدأ أوزان الالتواء ، تدور بالتناوب اعتمادًا على جاذبية الكتلة القريبة لكمية معروفة جيدًا.

تم إجراء أول قياس دقيق لثابت الجاذبية ، بغض النظر عن غير معروف آخر (على سبيل المثال ، كتلة الشمس أو كتلة الأرض) فقط في تجربة هنري كافنديش في نهاية القرن الثامن عشر. طور كافنديش تجربة تعرف باسم توازن الالتواء حيث تم تعليق دمبل صغير ومتوازن تمامًا على سلك. بالقرب من كل من الكتل في نهاية الدمبل كانت هناك كتلتان أكبر ، تجذبان الجاذبية الصغيرة. أعطتنا قيمة دوران الدمبل على مسافات وكتل معروفة الفرصة لقياس G تجريبيا.


على الرغم من العديد من الاختراقات في الفيزياء على مدى 200 سنة الماضية ، فإن نفس المبدأ المستخدم في تجربة كافنديش يستخدم في تجارب قياس جي. حتى اليوم ، لم تسفر أي تقنية قياس أو جهاز تجربة آخر عن نتائج أفضل.

هناك شك في أن أحد أسباب الاختلافات هو العامل النفسي المعروف لتحيز التأكيد . إذا حصل جميع زملائك على نتيجة من النموذج 6.67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ، فمن المعقول توقع حصولك أيضًا على نتيجة من النوع 6.67224 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ، أو 6.67293 × ^10-11 N * m ² / kg ² ؛ ولكن إذا حصلت على شيء مثل 6.67532 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ، فستقرر أنك فعلت شيئًا خاطئًا.

ستبحث عن مصادر الخطأ حتى تجدها. ستكرر التجربة مرارًا وتكرارًا حتى تحصل على شيء معقول: شيء لا يتعارض مع قيمة 6.67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² .


في عام 1997 ، أجرى فريق Bagley و Luther تجربة مع مقاييس الالتواء ، والتي أعطت نتيجة 6.674 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ، والتي تم أخذها بجدية كافية لإلقاء الشك على خطأ القياس السابق G

لذلك ، كانت هذه الصدمة هي حدث عام 1998 ، عندما حصل فريق عمل بعناية شديدة على نتيجة تختلف بنسبة مذهلة بلغت 0.15 ٪ عن السابقة ، في حين كانت الأخطاء المعلنة للقياسات السابقة أقل بعشر مرات من ذلك. ورفض نيست ردا على الأخطاء السابقة ، وتم تخفيض القيم الناتجة إلى أربعة أرقام مهمة ، وتمت زيادة الخطأ.

موازين الالتواء وبندول الالتواء ، التي تم إجراؤها تحت تأثير تجربة كافنديش الأصلية ، تستمر في القيادة في قياسات G ، قبل تكنولوجيات قياس التداخل الذري الأكثر حداثة. فقط في شهر أغسطس ، أعلن الفريق الصيني عن استلام قيمة G الأكثر دقة من قياسين مستقلين: 6.674184 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² و 6.674484 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² مع وجود أخطاء في 0.0011٪.


أعطى مرفقان تجريبيان ، نُشرت مخططاتهما في Nature 2018 في أغسطس 2018 ، القيم الأكثر دقة (وفقًا للعلماء) لـ G

تتوافق هذه القيم مع بعضها البعض في انحرافين معياريين ، ولكنها لا تتسق مع القياسات الأخرى التي اتخذتها الفرق الأخرى على مدى السنوات الـ 15 الماضية ، والتي تتراوح من 6.6757 × 10 ^-11 شمالاً * م ² / كغ ² إلى 6.6719 × 10 ¹¹ N * م ² / كغ ² . في حين أن الثوابت الأساسية الأخرى معروفة بدقة تتراوح من 8 إلى 14 رقمًا مهمًا ، عند قياس G ، فإن الأخطاء أكبر بآلاف المليارات من المرات.


يحدد الانتقال الذري من مدار 6S ، Delta_f1 ، مقياس الضوء وثانيته وسرعته. دقة تحديد الثوابت الكمومية أكبر بآلاف المرات من دقة قياس G ، وهي الأولى من الثوابت المقاسة.

كان ثابت الجاذبية للكون ، G ، هو الأول من تلك المقاسة. ومع ذلك ، بعد 350 عامًا من القياس الأول ، من المخزي تحديد مدى ضعف معرفتها مقارنة بجميع القياسات الأخرى. نستخدم هذا الثابت في عدد كبير من القياسات والحسابات ، من موجات الجاذبية إلى النجوم النابضة ، وقياس تمدد الكون. ومع ذلك ، فإن قدرتنا على تحديد ذلك تستند إلى تجارب صغيرة أجريت على الأرض. مصادر صغيرة من عدم اليقين ، من كثافة المواد إلى الاهتزازات الزلزالية ، تخترق محاولاتنا لقياسها. وإلى أن نتمكن من تحقيق المزيد ، أينما كانت الجاذبية مهمة ، سيكون هناك خطأ داخلي كبير غير سار. إنه عام 2018 ، وما زلنا لا نعرف مدى خطورة الجاذبية.

يمكنك العثور على المزيد من المقالات حول موضوع العلوم الشعبية على موقع Golovanov.net . اقرأ: هل تكتونية الصفائح ضرورية لتشكيل الحياة على الكوكب ؛ من أين تأتي الطاقة في الطاقة المظلمة ؛ ما إذا كان النشاط البشري سيؤدي إلى حرب بين النجوم ؛ هل هناك كمية صحية من الكحول؟ سلسلة Ask Ethan من مقالات علم الكونيات.

لا تتردد في دعم المشروع ماليا (البطاقات المصرفية ، Yandex.Money ، WebMoney ، Bitcoins ، ولكن أيا كان). شكرا لكل من قدم الدعم بالفعل!