Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.931 RSS
←   Январь 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
10.01.2007
04:33:36
12:58:54
11
12
12.01.2007
03:54:29
17:19:47
13
14
15
16
17
17.01.2007
03:24:02
16:29:56
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
31.01.2007
08:24:59
14:13:22


За последние 60 дней 1 выпусков (1 раз в 2 месяца)


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.931 подписчиков
-74 за неделю
←   Все выпуски   →

Гравитационная постоянная измерена новыми методами


Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Гравитационная постоянная измерена новыми методами

22.01.2007

Схема атомно-интерференционной установки по измерению гравитационной постоянной (изображение из обсуждаемой статьи в Science)
Схема атомно-интерференционной установки по измерению гравитационной постоянной (изображение из обсуждаемой статьи в Science)

Гравитационная константа Ньютона измерена методами атомной интерферометрии. Новая методика свободна от недостатков чисто механических экспериментов и, возможно, позволит скоро изучать эффекты общей теории относительности в лаборатории.

Фундаментальные физические постоянные, такие как скорость света c, гравитационная постоянная G, постоянная тонкой структуры α, масса электрона и другие, играют чрезвычайно важную роль в современной физике. Заметная часть экспериментальной физики посвящена как можно более точному измерению их значений и проверке того, не изменяются ли они во времени и пространстве. Даже малейшие подозрения в непостоянности этих констант могут породить целый поток новых теоретических исследований и пересмотр общепринятых положений теоретической физики. (См. популярную статью Дж. Бэрроу и Дж. Веба Непостоянные постоянные // «В мире науки», сентябрь 2005 г., а также подборку научных статей, посвященных возможной непостоянности констант взаимодействия.)

Большинство фундаментальных констант известны сегодня с чрезвычайно высокой точностью. Так, масса электрона измерена с точностью 10–7 (то есть стотысячная доля процента), а постоянная тонкой структуры α, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, — с точностью 7 × 10–10 (см. заметку Уточнена постоянная тонкой структуры). В свете этого может показаться удивительным, что значение гравитационной постоянной, которая входит в закон всемирного тяготения, известно с точностью хуже, чем 10–4, то есть одна сотая доля процента.

Такое положение вещей отражает объективные трудности гравитационных экспериментов. Если пытаться определить G из движения планет и спутников, то необходимо с высокой точностью знать массы планет, а они-то как раз известны плохо. Если же поставить механический эксперимент в лаборатории, например измерить силу притяжения двух тел с точно известной массой, то такое измерение будет иметь большие погрешности из-за чрезвычайной слабости гравитационного взаимодействия.

В 1998 году комитет CODATA, занимающийся анализом экспериментов по измерению фундаментальных констант и их результатов и на основании этого рекомендующий к использованию их численные значения, под натиском новых противоречащих друг другу экспериментальных данных был вынужден в 12 раз (!) ухудшить точность рекомендованного значения G по сравнению с 1986 годом (см. сообщение в журнале Physics Today, March 2001). Затем выяснилось, что причиной этих разногласий могли стать неучтенные систематические погрешности при постановке опытов, но и сейчас никто не может гарантировать, что в столь сложные механические эксперименты не закрался еще какой-нибудь неучтенный источник ошибок.

Все эти трудности поставили физиков перед необходимостью найти иные способы измерить гравитационную постоянную. На роль такого метода уже давно предлагалась атомная интерферометрия, но только сейчас эту идею удалось реализовать. В недавней статье американских физиков J. B. Fixler et al., Science, vol. 315, p. 74 (5 January 2007), сообщается об измерении гравитационной постоянной этим способом.

Новый метод основан на том факте, что любые микроскопические частицы, например атомы, в определенных условиях ведут себя как волны, в частности могут интерферировать. В гравиметре (приборе, измеряющем гравитацию), в котором используется это явление, сверххолодное облачко атомов цезия вначале удерживается с помощью нескольких скрещенных лазерных лучей, а затем подкидывается в поле тяжести. В определенный момент в него снизу выстреливают специально настроенным лазерным импульсом, который переводит атомы в полувозбужденное-полунормальное состояние — специфическое состояние, которое возможно в квантовой механике. В таком состоянии облачко как бы «расщепляется» на две компоненты, которые летят в поле тяжести по слегка отличающимся траекториям. Затем — под воздействием еще одного лазерного импульса — эти комп! оненты сливаются вновь и при слиянии интерферируют. Измерив получившееся состояние атомного облака, можно выяснить, насколько отличались эти траектории, и отсюда получить значение силы тяжести.

Такого типа эксперименты проводились и ранее, но они, как уже говорилось, не помогали измерить значение G с нужной точностью. Американцы слегка модифицировали этот эксперимент. Они установили два одинаковых гравиметра на разной высоте, а между ними на платформе закрепили свинцовый груз массой 540 кг. Этот груз по-разному влиял на силу тяжести, испытываемую атомными облачками в двух гравиметрах — в верхнем сила тяжести слегка увеличивалась из-за дополнительного притяжения к грузу, а в нижнем — слегка уменьшалась. По разности измерений в верхнем и нижнем гравиметре ученые получали чистый эффект, вызванный гравитацией только от массивного груза, поскольку сила земного притяжения не влияет на эту разность (остаточное воздействие земного притяжения, связанное с разностью высот двух гравиметров, устранялось с помощью многократного повторения эксперимента при различном вертикальном положении груз! а). Поскольку масса и положение груза были измерены с большой точностью, не представляло труда вычислить гравитационную постоянную.

Целью этого эксперимента была лишь демонстрация того, что такой метод измерения G действительно работает. Величина гравитационной постоянной была определена с точностью около 3 тысячных, что всё еще в 20 раз хуже точности «стандартных» экспериментов. Однако уже в ближайшее время ожидается существенный прогресс: в статье European Physical Journal D 40, 271 (15 September 2006) сообщается о подготовке нового эксперимента, призванного уменьшить погрешность измерения G до одной десятитысячной.

В заключение отметим, что применение атомной интерферометрии в гравитационном эксперименте не ограничивается одним лишь измерением гравитационной постоянной. В недавнем препринте gr-qc/0610047 описываются блестящие перспективы по изучению эффектов общей теории относительности в лаборатории.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

18.01 В геноме трихомонады оказалось вдвое больше генов, чем у человека

Прочтен геном трихомонады — возбудителя венерического заболевания трихомониаза. У крошечного паразитического жгутиконосца, как выяснилось, вдвое больше генов, чем у человека, хотя сам геном — в 20 раз меньше, что говорит об очень плотной упаковке генетической информации. Более сотни генов — бактериального происхождения, некоторые из них облегчают паразиту прикрепление к клеткам хозяина.

17.01 Люди современного типа поселились на Дону более 40 000 лет назад

Археологи из России, США, Великобритании и Италии сумели доказать, что возраст древнейших поселений человека современного типа в Восточной Европе (комплекс стоянок Костенки на берегу Дона, современная Воронежская область) составляет 42–45 тысяч лет. Это означает, что Homo sapiens заселили Восточную Европу даже немного раньше, чем Центральную и Западную.

16.01 Наступает новая эра в теоретической ядерной физике

Физикам впервые удалось вывести нуклон-нуклонное взаимодействие «из первых принципов» — то есть (в данном случае) исходя из теории квантовой хромодинамики. Свыше полувека свойства ядерных сил были известны только экспериментально. Теперь же на смену эмпирическим законам ядерной физики приходят точные — правда, пока только численные — расчеты.

15.01 Древнейшие докембрийские эмбрионы оказались бактериями?

Считается, что микрошарики и кластеры шариков, широко представленные среди древнейших окаменелостей Доушаньтуо, — это яйца и ранние эмбрионы многоклеточных животных. Ведутся горячие споры: какому типу животных они могли принадлежать? И вот американские ученые предложили новую интерпретацию: возможно, это никакие не эмбрионы, а остатки гигантских серобактерий.

12.01 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас

Конец палеозойской эры (300-270 миллионов лет назад) отмечен переходом от долго длившегося и охватившего большую часть Земли оледенения к глобальному потеплению. За это время содержание СО2 в атмосфере, вначале примерно равное современному, возросло в 10 раз — причем безо всякого участия человека.

12.01 При недостатке растворенной органики морские бактерии подкармливаются солнечным светом

Способность к росту за счет энергии солнечного света (фототрофность) распространена в живой природе гораздо шире, чем считалось. Кроме зеленых растений и цианобактерий, а также известных ранее фототрофных бактерий питаться солнечным светом могут и многие другие микробы, обладающие особыми светочувствительными белками — протеородопсинами.

11.01 Перелетные птицы не так уж и боятся потепления

Немецкие биологи, сведя воедино данные о разнообразии птиц по всей Европе за прошедшие четверть века, обнаружили, что потепление не уменьшает видового богатства перелетных птиц. Эти выводы противоречат экспертным оценкам и прогнозам ООН, обнародованным несколькими месяцами раньше.

10.01 У микроба ферроплазмы почти все белки содержат железо

Железо входит в состав 86% белков микроба Ferroplasma acidiphilum, обитателя пиритовых месторождений. Удаление атомов железа из белковых молекул приводит к нарушению их структуры и потере функциональности. Возможно, у древнейших живых организмов все белки изначально держались на «железных заклепках», как у ферроплазмы.

09.01 Уточнено значение массы W-бозона

Эксперимент CDF на коллайдере Тэватрон сообщил о рекордном по точности измерении массы W-бозона — одного из ключевых ингредиентов теории электрослабого взаимодействия. Физики сейчас анализируют возможные последствия этого результата.
В избранное