Физика

ТАК ЛИ ПОСТОЯННА ГРАВИТАЦИОННАЯ ПОСТОЯННАЯ?

История нашего института начинается с 1900 г., когда в Москве по инициативе Д. И. Менделеева была организована одна из первых в России Поверочная Палатка торговых мер и весов. А сейчас ВНИИМС - мозг метрологической службы страны.

Двести шестьдесят сотрудников, в том числе 11 докторов и 53 кандидата наук, принимают государственные эталоны, дают путевку в жизнь всевозможным средствам измерений, проводят фундаментальные, в том числе гравитационные исследования. При этом они осуществляют системные изыскания по правовым, организационным, методическим и экономическим проблемам обеспечения единства измерений в стране, устанавливают определенные метрологические требования.

Институт выполняет функции и центра государственных эталонов средних давлений (от 10 2 до 2,5x10 5 Па). Так, разработанные тут автоматические датчики (они контролируют соответствующие приборы давления) со встроенным микропроцессорным управлением позволяют повысить производительность поверки измерительных преобразователей в 30 раз. Данные устройства не имеют аналогов в мире.

Как известно, большое значение в технике имеет точность обработанной поверхности различных деталей. Этой проблеме у нас придают серьезное значение, что подтверждает созданный основополагающий стандарт "Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики", который принят в качестве международного.

Специалисты ВНИИМСа не упустили из виду и электротехническое направление. Они создали семейство дифференциальных измерителей высокого (100, 400 и 800 кВ) напряжения "Двина" с погрешностью 0,01 - 0,05 %.

Очень важны единые принципы при измерении химического состава различных веществ. Вот почему в институте разработаны и внедрены стандартные образцы чистых углеводородов С 1 - С 4 предназначенные для градуировки газовых хроматографов и массспектрометров, а также нормативные документы по методам испытаний и поверки хроматографов.

Словом, нет ни одной сферы деятельности человека, которую бы не изучали сотрудники ВНИИМСа. Здесь проводят испытания и метрологические аттестации средств измерений параметров сейсмических колебаний, инфразвуковой вибрации, формы и качества обработанных поверхностей, проверяют трехкоординатные измерительные машины (они служат для проверки форм и размеров различных изделий, скажем, лопаток турбин), термопреобразователи сопротивления повышенной точности и многое другое.

Одна из интереснейших разработок института - определение гравитационной постоянной. Дело в том, что в любой фундаментальной физической теории встречаются константы, характеризующие стабильность различных процессов и видов материи. Такие постоянные величины важны, поскольку они проявляются независимо и в разных ситуациях имеют одно и то же значение, по крайней мере в пределах точности измерения, достигнутого на сегодняшний день. Поэтому их называют фундаментальными физическими константами (ФФК). Однако строго определить это понятие и набор констант не представляется возможным: все они в основном размерные и в течение времени некоторые из них заменяют более общими, с новыми постоянными. При этом обычно возникают соотношения между старыми и новыми константами. Значит, в принципе можно говорить не об абсолютном наборе ФФК, а только о соответствующем современному уровню физической науки. Приведем характерный пример.

До недавнего времени ученым было известно четыре типа физических фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Исходя из этого и был определен набор постоянных величин. В него вошли четыре константы, характеризующие каждое из названных взаимодействий, скорость света, постоянная Планка (ее еще называют квант действия), заряд электрона, масса протона (или электрона), три космологических параметра, а также постоянная Больцмана и механический эквивалент тепла. Причем последние два играют роль переводных коэффициентов между температурой, с одной стороны, энергией и механическими величинами - с другой.

В настоящее время создана теория, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия (в результате "получились" электрослабые), надежно подтвержденная многочисленными экспериментами с элементарными частицами в различных лабораториях мира. Мало того. Уже существуют хорошо разработанные и в основном подтвержденные модели ее объединения с сильными взаимодействиями. В этой связи меняется и набор ФФК. Например, "уходит" константа, характеризующая сильное взаимодействие, но появляется параметр, свойственный этому явлению и фигурирующий в квантовой хромодинамике, а вот постоянные, связанные с макроскопическими явлениями (гравитационная, космологические), остаются такими же.

Конечно, если будет создана объединенная теория всех четырех взаимодействий - на эту роль в последние десятилетия претендуют различные схемы: супергравитация, суперструны, а также так называемая М-теория, - то, возможно, возникнет другой набор констант, который окажется минимальным.

Помимо перечня принятых фундаментальных констант, большую роль в понимании происходящих физических явлений играет точность их измерения, а она весьма различна. Допустим, если скорость света по определению считается заданной с абсолютной точностью, то микроскопические (атомные) постоянные (масса и заряд электрона, ряд других) известны уже с погрешностью 10 - 6 - 10 -8 , а значения иных могут колебаться в пределах 10 % и более.

Набор и суть фундаментальных констант определяют физические законы, действующие в нашем мире и напрямую связанные с рождением и эволюцией Вселенной. Некоторые из них можно рассматривать как предельные значения для определенных состояний материи. Скажем, в релятивистских теориях скорость света является максимальной для перемещения любого объекта, заряд электрона - наименьшее количество электричества и т.д. В свою очередь, комбинации постоянных выступают в качестве естественных масштабов, характеризующих основные единицы физических величин: времени, длины, массы. В результате, например, с 1983 г. точную величину 1 м стали определять не с помощью платино-иридиевого стержня (эталона), а пользуясь длиной волны света.

Все константы по степени общности сегодня можно условно разделить на четыре группы. Первую составляют универсальные ФФК, такие, как постоянная Планка, которая разделяет все процессы и явления на квантовые и неквантовые (микро- и макромиры), и в какой-то степени скорость света, определяющая движение как релятивистское (где скорости близки к световой) или нерелятивистское. Отдельно выделены константы, характеризующие различные виды фундаментальных взаимодействий. Третью группу составляют элементарные постоянные материи (массы протона, электрона и т. п.). И наконец, переводные множители - постоянная Больцмана, механический коэффициент тепла и, частично, скорость света.

Правда, разделение на перечисленные группы не абсолютное, и по мере развития науки различные ФФК, как уже говорилось, переходят из одной в другую. Скажем, заряд электрона сначала относили только к третьей группе, теперь же в комбинации с другими константами он определяет электрослабое взаимодействие, т. е. "перекочевал" во вторую. Скорость света с тех пор, как ее впервые определили, успела "побывать" во всех четырех группах.

Во многих современных направлениях науки, будь то гравитационно-релятивистская теория или попытка построить объединенную теорию фундаментальных физических взаимодействий, ведущую роль играет гравитационная постоянная (G). Без нее невозможно точно измерить массу и среднюю плотность планет Солнечной системы и, в конечном итоге, построить их достоверные модели: связать механические и электромагнитные величины; выявить новые физические взаимодействия и геофизические эффекты и т.д.

Отсюда вывод: проблема точного измерения G и проверка ее стабильности - центральная в познании многих природных явлений. Причем проблему можно разделить на три части: получение абсолютного значения этой константы, ее возможные вариации во времени (медленные, порядка скорости расширения Вселенной и менее) и с расстоянием (или появление новых, неньютоновских дополнительных взаимодействий).

Напомним, G - коэффициент пропорциональности в формуле, выражающей закон всемирного тяготения Ньютона. Существует множество лабораторных измерений ее значения с помощью специальных крутильных весов, изобретенных английским физиком Г. Кавендишем (1731 - 1810), с погрешностью 10 -3 , и только в трех странах (России, США и Франции) добились большего - 10 -4 . По существу это означает, что либо пределы точности измерения G в земных условиях достигнуты (невозможно устранить или учесть влияние окружающих объектов, нестабильность материала нитей, с помощью которых проводят измерение, и т. п.), либо в процессе опытов проявляется какая-то новая физика.

Значение ФФК имеет не только фундаментальное, но и метрологическое значение. Современная система эталонов различных величин основана, главным образом, на квантовых физических явлениях. Поэтому стабильность констант играет в них кардинальную роль. Однако законы природы были установлены и проверены в экспериментах на Земле и в ближнем космосе лишь в последние два-три столетия, т. е. за достаточно короткие временные и пространственные интервалы по сравнению с возрастом и размерами Вселенной. В связи с этим возможность медленных вариаций констант (порядка скорости эволюции Вселенной или менее) не может быть исключена apriori и должна проверяться постоянно со все возрастающей точностью.

Эта проблема возникла одновременно с попытками объяснить связь между явлениями микро- и макромира. Английский физик П. А. Дирак (1902 - 1984) первым ввел закон Больших чисел. Согласно ему, очень большие числа не могут независимо возникать в физических теориях, а должны быть связаны с возрастом Вселенной. А поэтому со временем меняется и гравитационная постоянная.

После оригинального предположения Дирака появилось множество гипотез и теорий, допускающих вариации некоторых ФФК. А это может вести к важным астрофизическим, космологическим, геофизическим и другим последствиям и соответствующим новым эффектам. В нашем институте разработан метод, позволяющий предсказать изменение гравитационной постоянной на высоком уровне построить один из возможных сценариев происхождения и развития Вселенной.

Экспериментальные данные, полученные ранее при изучении скорости роста кораллов, замедлении периода испускания импульсного электромагнитного излучения пульсарами и наиболее надежные - при лазерной локации Луны - позволили определить эту величину только на уровне 10 -11 - 10 -12 . В связи с отсутствием хорошо разработанной объединенной теории всех взаимодействий предсказать различные флуктуации ФФК как во времени, так и в пространстве достаточно сложно. Решить эту проблему в отношении гравитационной постоянной может реализация проекта SEE, (satellite energy exchange), что означает "обмен энергией спутников". Его разрабатывают ученые ВНИИМСа и Гравитационного общества совместно с американскими специалистами из университетов Теннесси и Вирджинии, а также Национальной лабораторией города Оукриджа и Центром космических полетов им. Маршалла.

Идея эксперимента основана на эффекте, известном из наблюдений движения спутников Сатурна, и заключается в следующем. На орбиту высотой 1500 км запускают специальную капсулу, состоящую из двух коаксиальных цилиндров. Внутри нее свободно движутся два тела: большое - его назвали "пастух" - массой около 500 кг, и малое ("частица") весом всего 100 г. Причем в процессе полета оба объекта движутся как спутники по орбитам, но малое тело, получая дополнительную энергию от гравитационного притяжения "пастуха", постоянно меняет свою траекторию.

Положение этих двух объектов относительно капсулы с микронной точностью через малые промежутки времени отслеживают лазерно-интерферометрические датчики. Их показания передаются в компьютер, где сравниваются с теоретическими, эталонными траекториями, рассчитанными для различных значений G. То из них, при котором экспериментальный результат наиболее приблизится к расчетному, и будет искомым. Теоретики предполагают, что так можно измерить гравитационную постоянную с погрешностью не хуже 10 в -6 степени, а возможно, даже лучше.

Однако это еще не все. В этом же опыте можно получить новые данные и о других параметрах гравитационного взаимодействия. Скажем, проверить с немыслимой на Земле точностью - 10 -13 (ныне достигнута только 10 - 12 ) - принцип эквивалентности, утверждающий, что все тела, независимо от массы и химического состава, падают с одинаковым ускорением. А ведь малейшее его нарушение приведет к фундаментальным изменениям во взглядах на природу гравитации и других физических взаимодействий и, в конечном счете, повлияет на всю картину физического мира.

Отметим: такие результаты реальны только в условиях космической лаборатории, где исполнимо одно принципиальное условие эксперимента: исключить воздействие внутри капсулы всех посторонних сил, кроме гравитационных. Здесь эту роль выполняет она сама, а реактивные микродвигатели поддерживают ее в постоянном положении относительно "пастуха" (он служит эталонным телом) точно по оси. Кроме того, положение самой капсулы относительно Земли должно отслеживаться с высочайшей точностью, ибо приливные силы земного тяготения, влияющие на движение тел внутри нее, существенно меняются от точки к точке. В этом отношении очень помогают современные спутниковые навигационные системы, позволяющие определить положение космических аппаратов в любой момент с точностью до сантиметра. Кстати, в том же опыте можно выяснить и временные вариации G на уровне 10 - 13 - 10 -14 в год.

Итак, планируемый комплексный космический эксперимент - не просто измерение еще одной константы, пусть и фундаментальной. Он позволит ответить на принципиальные вопросы, связанные с гравитационным взаимодействием как частью других физических явлений.

Постоянная Планка - основная постоянная квантовой теории, обозначается h и равна 6,626x10 - 34 Дж*с.

Постоянная Больцмана - физическая постоянная, равная отношению универсальной газовой постоянной к числу Авогадро.

Доктор физико-математических наук В. Н. МЕЛЬНИКОВ, начальник отдела Всероссийского научно-исследовательского института метрологической службы (ВНИИМС). Доктор физико-математических наук К. А. БРОННИКОВ, начальник сектора того же института.