Увлечения

000000

УДК 530.19

Гравитационная постоянная — лишняя константа

Поляк-Брагинский Александр Владимирович
tx-mm@mail.ru

Аннотация

Рассматривается особое положение гравитационной постоянной на фоне других фундаментальных констант. Сопоставляется представление об эквивалентности инертной и тяжёлой масс и состав физических величин в международной системе СИ. Обнаружено возникшее в последнее время нарушение логики в построении системы единиц измерения физических величин, связанной с наличием в ней идеи неравенства инертной и тяжёлой масс, при существующем представления об их тождественности. Предложен путь исправления ситуации.

Ключевые слова

Гравитационная постоянная; эквивалентность тяжёлой и инертной массы; система единиц измерения физических величин; эталоны физических величин.

Введение

    В XX - XXI веке физика достигла выдающихся результатов по уточнению значений фундаментальных констант. Одно из таких достижений состоит в создании эталона массы на основе весов Киббла (ватт-весы с движущейся катушкой) и вычисления значения эталонной массы через уравнение ватт баланса.
    Значение эталона массы определено с максимально достижимой в современной экспериментальной физике точностью, поскольку определяется это значение через известные фундаментальные постоянные, ранее определённые с высокой точностью. В популярном описании [1] процедуры получения эталона массы приводится формула для определения эталона массы m=p*n^2*f^2*h/(4gv).
    Гравитационная постоянная, несмотря на эти успехи, определена с точностью на несколько порядков хуже других констант. А не лишняя ли она?

Фундаментальные константы

В Проекте Резолюции A - 26-го заседания CGPM (13-16 ноября 2018 г.) [2] указаны следующие значения констант, применённых при вычислении значения эталона массы:

- the unperturbed ground state hyperfine transition frequency of the caesium 133 atom ∆νCs is 9 192 631 770 Hz,
− the speed of light in vacuum c is 299 792 458 m/s,
− the Planck constant h is 6.626 070 15 × 10(−34) J s,
− the elementary charge e is 1.602 176 634 × 10(−19) C,
− the Boltzmann constant k is 1.380 649 × 10(−23) J/K,
− the Avogadro constant NA is 6.022 140 76 × 10(23) mol(−1).

Гравитационная постоянная

    G = 6,67430(15)·10(−11) m(3)·s(−2)·kg(−1), или N·m(2)·kg(−2).
    Несколько не логичным кажется факт, что в этот перечень констант не попала Гравитационная постоянная.
    Это связано с тем, что гравитационная постоянная определена с точностью не достаточной для её применения в образовании эталонов [3], пусть и входит она не только в уравнения классической физики, но и формулы квантовой механики и общей теории относительности.
    Попытки уточнения значения этой константы до настоящего времени терпят неудачу [4].
    Чем же гравитационная постоянная отличается от других фундаментальных констант, что делает её такой неподатливой при попытках уточнения?

    1. По своему наименованию эта константа подразумевает гравитационные свойства массы. Но до настоящего времени отличий гравитационной и инертной массы не установлено никакими экспериментами, хотя они и проводились многократно.
    В формулах классической физики гравитационная постоянная G встречается по сути только в Законе всемирного тяготения.

F = G·M·m/R2

В астрономических вычислениях и измерениях для учёта гравитационного взаимодействия применяется не масса, а гравитационный параметр [5], который может быть измерен с точностью превышающей точность определения гравитационной постоянной или массы раздельно.

μ = G·M

2. В формулу Закона всемирного тяготения входит величина F силы взаимного притяжения массивных объектов.
Динамический метод определения силы заключается в измерении ускорения массивного объекта при приложении к нему силы при отсутствии трения и сопротивления среды.

F = m·a

Единица массы исторически возникла без какой-либо видимой связи с другими физическими величинами. Если заменить в этой формуле значение массы на значение гравитационного параметра, ничего не произойдёт.

F·G=G·m·a=μ·a=Fn

Связь между «старой» F и «новой» Fn единицей силы будет выглядеть так:

Fn=F·G.

Название новой единицы силы может быть принято коллективным обсуждением в научном сообществе.

Закон всемирного тяготения примет следующую форму:

Fn=μ1 ·μ2 / R2.

Следствия

    Не очень сложно, просмотрев уравнения, куда входит гравитационная постоянная, обнаружить, что применение вместо эталона массы эталона гравитационного параметра, а также применение новой единицы силы исключит гравитационную постоянную из всех уравнений физики, включая уравнения квантовой механики [6] [7].

    Размерность гравитационного параметра чисто геометрическая — m(3)s(-2).

    Новая размерность силы — m(4)s(-1).

    Если это по каким-то причинам может быть не удобно, можно гравитационному параметру назначить отдельное обозначение, например «gr». Тогда размерность силы будет — gr(2)m(-2).

    Исключение гравитационной постоянной из перечня фундаментальных констант и изъятие её из обращения в физике ознаменует окончательное принятие принципа эквивалентности инертной и гравитационной масс.

    Отсутствие значения гравитационной постоянной в формулах приведёт к более точным результатам полученным из этих форму. Сами формулы при этом упростятся.

Что потребуется сделать

    1. Создать эталон гравитационного параметра (можно переименовать его в «вещественный параметр»).
    Эта процедура не будет сильно отличаться от уже имеющейся процедуры по созданию эталона массы.
    2. Создать новый эталон силы. Как и эталон гравитационного параметра, он может быть создан с применением ватт-весов.
    3. Исключить гравитационную постоянную из перечня фундаментальных констант физики.
    4. Переработать современную теоретическую базу физики с учётом отсутствия понятия о гравитационной постоянной.

5. Вместо понятия массы использовать вещественный параметр.

Библиографический список

    1. Екатерина Жданова. Выпускница МФТИ 2017 года, внештатный сотрудник «N+1»
Как измерить новый килограмм. 20.05.2019
https://zanauku.mipt.ru/2019/05/20/kak-izmerit-novyj-kilogramm/
(дата обращения: 04.04.2021)

    2. Draft Resolution A – 26th meeting of the CGPM (13-16 November 2018)
https://www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM/Draft-Resolution-A-EN.pdf
(дата обращения: 04.04.2021)

    3. Сучилин В.А. On Determination of the Gravitational Constant // Современные научные исследования и инновации. 2019. № 3 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2019/03/88882
(дата обращения: 04.04.2021).

    4. Игорь Иванов. Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию
https://elementy.ru/novosti_nauki/432079/Novye_izmereniya_gravitatsionnoy_postoyannoy_eshche_silnee_zaputyvayut_situatsiyu
(дата обращения: 04.04.2021)

    5. https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_gravitational_parameter
(дата обращения: 04.04.2021)

    6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Планковские_единицы
(дата обращения: 04.04.2021)

    7. К. А. Томилин. Планковские величины.
100 лет квантовой теории. История. Физика. Философия.
Труды международной конференции.
М.: НИА-Природа, 2002, с.105-113.
http://old.ihst.ru/personal/tomilin/papers/tom00phil.pdf
(дата обращения: 04.04.2021)