Проблема гравитационной постоянной

Проблема точного измерения гравитационной постоянной и определения ее стабильности является одной из центральных проблем, связанных с ФФК, а также частью быстро развивающихся направлений: объединения фундаментальных физических взаимодействий (где центральную роль играет сейчас гравитационное взаимодействие) и гравитационно-релятивистской метрологии, связанного с прецизионными пространственно-временными измерениями.

Измерения абсолютного значения гравитационной постоянной G

Существует множество лабораторных измерений значения G на основе весов Кавендиша с погрешностью 10~3 и только 4 (Франция, СССР, США, Россия)— на уровне 10~4. Но и эти четыре не согласуются друг с другом в пределах погрешностей измерений. Официальное значение G, даваемое международной комиссией по константам CODATA с 1986 г. G = (6,67259±0,00085)-10-11 м3кг_1с“2, основано на измерении, проведенном Лютером и Фаулером в США в 1982 г. За последние несколько лет ситуация еще более ухудшилась. Более десятка измерений G, проведенных в разных странах, расходятся со значением CODATA настолько, что можно говорить только о том, что G определена на самом деле с погрешностью 10~3, а не 1СГ4. Начиная с 1999 г. CODATA рекомендует значение G с погрешностью ИГ3. Это означает по существу, что либо пределы точностей измерения G в земных условиях достигнуты (невозможно устранить или учесть влияние окружающих объектов, нестабильность материала нитей и др.), либо в процессе измерения проявляется какая-то новая физика.

Точное знание G необходимо по многим причинам. Во-первых, потому что это фундаментальная константа, во-вторых, для точного значения масс Земли, планет, их средней плотности и, в конечном итоге, для уточнения их моделей; для перехода от механических к электромагнитным величинам и обратно; для вычисления одних констант через другие, с помощью соотношений, даваемых объединенными теориями; для поиска новых физических взаимодействий и геофизических эффектов и т. п.

Возможные временные вариации G

Эта проблема возникла в связи с попытками объяснения связи между явлениями микро- и макромира. П.А.М. Дирак был первым, кто ввел так называемую «Гипотезу Больших Чисел*, согласно которой очень большие числа не могут естественно возникать в физических теориях, а должны быть связаны друг с другом и с возрастом Вселенной 1017 секунд, выраженным в характерном ядерном времени 10“23 секунды (Т = 1040). Он предположил, что отношение силы гравитационного взаимодействия к сильному, Grn^/hc ~ Ю-40, обратно пропорционально возрасту Вселенной: G ~Г-1. Тогда, поскольку возраст Вселенной все время меняется, то и комбинация констант тоже должна меняться. Атомные константы казались Дираку незыблемыми, и он вслед за Милном (1935) выбрал вариант G как Г*”1. Поскольку возраст Вселенной оценивается сейчас как (2— 10)*Ю10 лет, то скорость изменения G/G = 5 • 10“и в год.

После оригинальной гипотезы Дирака появилось множество гипотез и теорий, допускающих вариации некоторых ФФК (G, а,Ср и др.), в частности предложенных Гамовым и Теллером. Ряд оригинальных схем обобщенных теорий гравитации был предложен проф. К. П. Станюковичем, а также его учениками. Конечно, предложения о возможных вариациях констант могут вести к важным астрофизическим, космологическим, геофизическим и др.

Что касается экспериментальных данных по ограничению скорости изменения гравитационной постоянной со временем, то существуют следующие основные результаты: Достаточно грубые данные по росту кораллов, более надежные данные по скорости замедления периода пульсаров и т. п. на уровне 10_П-1СГ12 в год. Единственные позитивные, но никем не подтвержденные данные Ван Фландерна (1981, США) из анализа среднего движения Луны и данных о древних затмениях на уровне 10~п в год. Ограничения сверху на вариации G, полученные специалистами США на основе данных по движению орбитальных и посадочных модулей спутников Марса «Маринер» на уровне 10-11-1СГ12 в год (1992). Наиболее надежные данные по лазерной локации Луны на уровне 10“12 в год.

Отсюда можно видеть, что вариации гравитационной постоянной допускаются на уровне 10“12 и менее в год и что существует необходимость в дальнейших теоретических и экспериментальных разработках этой проблемы. Будущие миссии космических аппаратов к Марсу и Венере, а также лазерная локация Луны несомненно решат эту проблему, так как чем больше интервалы времени между измерениями и, конечно, чем точнее они, тем более строгие результаты будут получены.

Новые неньютоновские взаимодействия, или пространственные вариации G

Почти все обобщенные теории гравитации и объединенные теории взаимодействий предсказывают не только возможные временные, но и пространственные вариации гравитационной постоянной, которые могут проявляться как дополнительное к закону Ньютона взаимодействие (оно проявляется в видимом нарушении принципа эквивалентности) либо не зависящее от состава и проявляющееся как нарушение закона обратных квадратов для всех тел, либо как появление новых частиц, передающих новые взаимодействия.

Данные как экспериментальных лабораторных, так и астрономических наблюдений за движением спутников и планет исключают с большой точностью существование новых массивных частиц — переносчиков новых взаимодействий — почти во всех диапазонах нового взаимодействия, кроме диапазона миллиметров и от метров до сотен метров.