Gravitasjonskonstanten beskriver tyngdekraftens iboende styrke, og kan brukes til å beregne tyngdekraften mellom to objekter.
Også kjent som “Big G” eller Gble gravitasjonskonstanten først definert av Isaac Newton i hans lov om universell gravitasjon formulert i 1680. Det er en av naturens grunnleggende konstanter, med en verdi på (6,6743 ± 0,00015) x10^–11 m^3 kg^–1 s^–2 (åpnes i ny fane).
Tyngdekraften mellom to objekter kan beregnes med gravitasjonskonstanten ved å bruke en ligning de fleste av oss møter på videregående: Tyngdekraften mellom to objekter finner man ved å multiplisere massen til disse to objektene (m1 og m2) og Gog deretter dele med kvadratet av avstanden mellom de to objektene (F = [G x m1 x m2]/r^2).
I slekt: Hvorfor er tyngdekraften så svak? Svaret kan ligge i romtidens natur
Keith Cooper er frilans vitenskapsjournalist og redaktør i Storbritannia, og har en grad i fysikk og astrofysikk fra University of Manchester. Han er forfatteren av “The Contact Paradox: Challenging Our Assumptions in the Search for Extraterrestrial Intelligence” (Bloomsbury Sigma, 2020) og har skrevet artikler om astronomi, romfart, fysikk og astrobiologi for en mengde magasiner og nettsteder.
Gravitasjonskonstanten
Gravitasjonskonstanten er nøkkelen til å måle massen av alt i univers.
For eksempel, når gravitasjonskonstanten er kjent, kombinert med akselerasjonen på grunn av tyngdekraften Jord, kan massen til planeten vår beregnes. Når vi først kjenner massen til planeten vår, lar det å kjenne størrelsen og perioden til jordens bane oss måle massen til sol. Og å kjenne massen til solen lar oss måle massen av alt i Galaksen Melkeveien indre til solens bane.
Måling av gravitasjonskonstanten
Målingen av G var et av de første vitenskapelige eksperimentene med høy presisjon, og forskere leter etter om det kan variere til forskjellige tider og steder i rommet, noe som kan ha store implikasjoner for kosmologien.
Å komme til en verdi på 6,67408 x10^–11 m^3 kg^–1 s^–2 for gravitasjonskonstanten var avhengig av et ganske smart attende århundret eksperiment, foranlediget av landmålerens forsøk på å kartlegge grensen mellom delstatene Pennsylvania og Maryland (åpnes i ny fane).
I England, vitenskapsmannen Henry Cavendish (åpnes i ny fane) (1731–1810), som var interessert i å beregne tettheten til jorden, realisert (åpnes i ny fane) at landmålerens innsats ville være dømt til å mislykkes (åpnes i ny fane) fordi nærliggende fjell ville utsatt landmålernes “lodd” (et verktøy som ga en vertikal referanselinje som landmålerne kunne gjøre sine målinger mot) for en liten gravitasjonskraft, og kastet av seg avlesningene deres. Hvis de visste størrelsen på Gkunne de beregne gravitasjonskraften til fjellene og endre resultatene deres.
Så Cavendish satte i gang med målingen, den mest presise vitenskapelige målingen som er gjort til det tidspunktet i historien.
Eksperimentet hans ble referert til som ‘torsjonsbalanseteknikk‘. Det gjaldt to manualer som kunne rotere rundt samme akse. En av manualene hadde to mindre blykuler forbundet med en stang og hengende delikat med en fiber. Den andre manualen hadde to større 348-pund (158 kilo) blyvekter som kunne svinge til hver side av den mindre manualen.
Når de større vektene ble plassert nær de mindre kulene, tiltrakk tyngdekraften til de større kulene de mindre kulene, noe som fikk fiberen til å vri seg. Graden av vridning tillot Cavendish å måle dreiemomentet (rotasjonskraften) til vridningssystemet. Han brukte deretter denne verdien for dreiemomentet i stedet for ‘F‘ i ligningen beskrevet ovenfor, og sammen med massene til vektene og deres avstander, kunne han omorganisere ligningen for å beregne G.
Kan gravitasjonskonstanten endre seg?
Det er en kilde til frustrasjon blant fysikere at “Big G” ikke er kjent med like mange desimaler som de andre fundamentale konstantene. For eksempel belastningen av en elektron er kjent med ni desimaler (1,602176634 x 10^–19 coulomb), men G har kun blitt målt nøyaktig til bare fem desimaler. Frustrerende nok, forsøk på å måle det til større presisjon ikke enig med hverandre (åpnes i ny fane).
Noe av grunnen til dette er at tyngdekraften til ting rundt det eksperimentelle apparatet vil forstyrre eksperimentet. Imidlertid er det også den små mistanken om at problemet ikke bare er eksperimentelt, men at det kan være litt ny fysikk på jobb (åpnes i ny fane). Det er til og med mulig at gravitasjonskonstanten ikke er fullt så konstant som forskerne trodde.
Tilbake på 1960-tallet, fysikere Robert Dicke – hvis team ble øset til oppdagelsen av kosmisk mikrobølgeovn bakgrunn (CMB) av Arno Penzias og Robert Wilson i 1964) — og Carl Brans utviklet en såkalt skalar-tensor-teori om gravitasjon, som en variant av Albert Einstein‘s generell relativitetsteori. Et skalarfelt beskriver en egenskap som potensielt kan variere på forskjellige punkter i rommet (en Jordisk analogi er et temperaturkart, hvor temperaturen ikke er konstant, men varierer med plassering). Hvis tyngdekraften var et skalarfelt, da G kan potensielt ha forskjellige verdier på tvers av rom og tid. Dette skiller seg fra den mer aksepterte versjonen av generell relativitet, som antyder at tyngdekraften er konstant over universet.
Motohiko Yoshimura fra Okayama University i Japan foreslo at en skalar-tensor-teori om tyngdekraft kunne koble sammen kosmisk inflasjon med mørk energi. Inflasjon skjedde brøkdeler av et sekund etter universets fødsel, og ansporet til en kort, men rask utvidelse av rommet som varte mellom 10^–36 og 10^–33 sekunder etter Det store smelletblåser opp kosmos fra mikroskopisk til makroskopisk størrelse, før den på mystisk vis slår seg av.
Mørk energi er den mystiske kraften som akselererer utvidelsen av universet i dag. Mange fysikere har lurt på om det kan være en sammenheng mellom de to ekspansjonistiske kreftene. Yoshimura antyder at det er – at de begge er manifestasjoner av et gravitasjonsskalarfelt som var et mye sterkere i det tidlige universetderetter svekket, men har kommet tilbake sterkt igjen ettersom universet utvider seg og materien blir mer spredt.
Imidlertid forsøker å prøve å oppdage eventuelle betydelige variasjoner i G i andre deler av universet har så langt ikke funnet noe. For eksempel, i 2015, ble resultatene av en 21-årig studie av regelmessige pulsasjoner av pulsar PSR J1713+0747 fant ingen bevis (åpnes i ny fane) for tyngdekraften har en annen styrke sammenlignet med her i solsystemet. Begge Green Bank Observatory og Arecibo radioteleskop fulgte PSR J1713+0747, som ligger 3750 lysår unna i et binært system med en hvit dverg. Pulsaren er en av de mest vanlige kjente, og ethvert avvik fra “Big G” ville raskt blitt tydelig i perioden med dens orbitaldans med den hvite dvergen og tidspunktet for dens pulseringer.
I en uttalelse (åpnes i ny fane)Weiwei Zhu fra University of British Columbia, som ledet studiet av PSR J1713+0747, sa at “Gravitasjonskonstanten er en grunnleggende fysikkkonstant, så det er viktig å teste denne grunnleggende antagelsen ved å bruke objekter på forskjellige steder, tider, og gravitasjonsforhold. Det faktum at vi ser tyngdekraften utføre det samme i vårt solsystem som det gjør i det fjerne stjerne systemet bidrar til å bekrefte at gravitasjonskonstanten virkelig er universell.”
Tilleggsressurser
En gjennomgang av laboratorietester på gravitasjon (åpnes i ny fane) utført av Eöt-Wash-gruppen ved University of Washington.
En anmeldelse av forsøk på å måle “Big G” (åpnes i ny fane) og hva resultatene kan bety.
Britannicas definisjon av gravitasjonskonstanten (åpnes i ny fane).
Bibliografi
“Presisjonsmåling av den Newtonske gravitasjonskonstanten (åpnes i ny fane).” Xue, Chao, et al. National Science Review (2020).
“Det nysgjerrige tilfellet av gravitasjonskonstanten (åpnes i ny fane).” Proceedings of the National Academy of Sciences (2022).
“Henry Cavendish (åpnes i ny fane).” Britannica (2022).
Følg Keith Cooper på Twitter @21stCenturySETI (åpnes i ny fane). Følg oss på Twitter @Spacedotcom (åpnes i ny fane) og på Facebook (åpnes i ny fane).