引力常量的困惑之谜,共核运动守恒定律的破解与计算

引力常量的困惑之谜,共核运动守恒定律的破解与计算

首页休闲益智引力球更新时间:2024-06-07
1引力常量的历史与谜惑

牛顿发现的万有引力定律中设定了一个引力常量 G ,但是牛顿并不清楚这个引力常量的由来和计算方法、更不知道如何通过实验来测定。

100多年后,物理学家卡文迪许利用扭秤实验测算出引力常量值为:

(1.1)

200多年过去了,随着测量技术的进步,绝大部分物理常量都被测得非常精确,唯独引力常量到如今仍没有令人信服的精确值。

上世纪30和40年代,科学家保罗·海勒两次测量G值分别为6.67×10^-11 和6.673×10^-11

1998年,巴格利和路德的团队实验测得为6.674 x 10 ^ -11 ;

我国引力常量实验团队两次测定结果分别为:6.674184 × 10^-11 和6.674484 × 10^-11

特别是在1998年,世界多个团队使用不同的方法,得到的G值在0.15%的水平上相互冲突,令人大跌眼镜。

总之,虽然仪器越来越先进,实验越来越精确,但各个团队在不同时期、不同实验室测定的结果总是不一致,不确定性从0.1%到0.05%之间。

最遗憾的是直到今天,引力常量产生的机制无法诠释,不仅没有发现更好的测量方法,做出明确的定义,也没能推导出一个引力常量计算公式。

这不禁让人们除了怀疑测量结果存在误差和人为的主观因素之外,也让更多的人怀疑G值本身就是不“常”。

因此,引力常量的由来、测定和计算公式成为物理学一道难题,一直困惑着无数的科学家。

但是,当共核惯量守恒定律发现以后,利用共核惯量守恒定律可以推导出引力常量的计算公式,有了更好的方法来测定引力常量值,并能完全诠释其产生机制。

2 共核运动守恒定律之一:共核惯量守恒定律

共核惯量守恒定律的内容是:

在共核系空间内不受任何力的作用下,质量物体任意运动轨迹点都满足共核惯量守恒,把所有轨迹点满足惯量守恒的运动称为惯性运动。

共核系是指所有质量物体绕一个中心点运动而构成共核系;中心点是共核系的质心,叫核心;核心为运动的绝对静止参考系,所有质量物体相对核心都处于绕核或趋核的绝对运动状态。

如:月球上所有质量物体绕月心自转,构成月球共核系。

再如:地球、人造地球卫星绕地心公转,地球上所有的质量物体都随地自转,地面上空物体都趋向地心作自由落体运动,因此构成地月共核系;

同样,太阳系的所有行星和太阳上的一切质量物体构成太阳共核系。

容易理解:月球作为一个独立的共核系而绕地心公转,因此是地月共核系的子系;同样,地月共核系、木卫共核系都是太阳共核系的子系。

以地月共核系为例,说明什么叫共核惯量?

绕地心公转的卫星,把其任意一轨迹点的的质量、公转速度平方与核心距离的乘积叫做公转惯量,即:

(2.1)

而在自由落体运动的任意高度的初始点中:把质量、重力加速度与核心距离平方的乘积叫做势能惯量,有

(2.2)

在自由落体运动下落过程中,任意轨迹点的速度平方和与核心距离乘积的一半叫做动能惯量,即:

(2.3)

地球自转运动中:把质量物体在地面位置点的势能惯量与其自转惯量之和叫做地面惯量,而自转惯量是质量、自转速度平方和纬线截面圆半径的乘积,即:

(2.4)

以上几种运动中的不同形式的惯量都称为共核惯量,根据共核惯量守恒定律,有共核惯量守恒方程:

(2.5)

该方程表示,确定质量的物体绕地心公转和作自由落体运动,包括绕地心自转,虽然其运动形式不同,运动轨迹点的位置不同,具有的共核惯量形式也不同,但共核惯量总量始终守恒。

由于公转、自转和自由落体运动中任意轨迹点的共核惯量守恒不变,因此称为惯性运动,惯性运动中的共核惯量与运动位置、运动状态和运动形式都无关。

若确定质量不变,可以把(1.5)约去,得到共核常量恒等方程,即:

(2.6)

共核常量恒等方程表示:

1、公转天体任意位置点的速度平方与核心距离的乘积是一个恒等常量。

2、自由落体运动任意初始点的重力加速度与核心距离平方的乘积是一个恒等常量。

3、一个正在做自由落体运动的物体,其任意轨迹点的重力加速度、核心距离和瞬时速度的关系式的值也是一个恒等常量。

4、地面上任意位置点的重力加速度、核心距离、自转速度和纬线截面圆半径的关系式值,同样是一个恒等常量。

在一个确定的共核系中,所有惯性运动中的共核常量值恒等,都有一个确定的共核常量值,而不同的共核系有不同的共核常量值,列表如下(2-1):

(2-1)

上表是以共核常量恒等方程中测定值或已知量进行计算得到的。

各位读者都可以自行取值计算,但计算结果可能与上表值有一定的小值误差,主要原因是取值和计算精确所致,如果相差很大,一定是取值和计算有误。

在没有卫星的共核系中,如月球和金星等,还可以运用以下公式计算共核常量值:

(2.7)

第一项为核心天体的逃逸速度平方与核心距离乘积的一半;

第二项为地面空间位置点的重力加速度和地面半径平方的乘积(忽略自转速度);

第三项为椭圆轨道长半轴与公转周期的关系式;

第四项为核心距离与轨迹圆周期的关系式,轨迹圆周期是指以任意轨迹点的核心距离为半径画圆,以该轨迹点的公转速度绕该圆作匀速圆周运动的周期。

总之,运用共核常量方程中任意一个关系式,均可计算得到该共核系的共核常量值。

到这里,可以明确一点:

公转、自转和自由落体运动中的任意轨迹点都满足共核惯量守恒,是共核惯量守恒下的惯性运动。

因此,公转、自转和自由落体运动都是是不受任何力作用下的禀性运动,是质量物体惯量守恒下必定保持的运动状态,当然不可能是受到引力作用。

所谓引力是牛顿第一定律惯性定义所设定的虚构力,当有了共核惯量守恒,引力无需存在,事实上也根本不存在。

3 引力常量的定义与计算公式

在一个确定的共核系内共核常量是确定不变的,当质量保持不变,那么共核常量与质量之比一定是一个常量,那么这个常量叫做引力常量。

因此,引力常量的定义是:

在确定的共核系内,共核系的共核常量与核心天体的质量之比,就叫做引力常量。即:

(3.1)

由此,计算太阳系中共核常量与核心天体质量之比得到引力常量值表(3-1)

(3-1)

本表中,各个共核系中的共核常量的计算采用了忽略自转速度的地面共核常量公式计算得到,因忽略自转速度而有偏差,因此列出了共核常量修正值栏补正。

显然,各个共核系中,共核常量与核心天体质量之比恒等,与目前测定的通用常规引力常量偏差很小,偏差原因主要来自取值和计算。

事实上,在整个银河系甚至宇宙中,引力常量都是恒定值,这是因为:宇宙是一个整体的最大共核系,其它共核系都是其子系。

这样,引力常量就有了明确的定义和计算公式,并诠释了其物理含义,同时,利用共核常量恒等方程,可以采用多种方法来测定引力常量。

最后,关于卡文迪许实验中的几个疑惑是:

1、卡文迪许实验测定引力常量是什么原理?

2、引力不存在,为什么扭称实验中的大小球能相互吸引?

3、为什么测定大小球的引力常量,却与天体引力常量一致?

限于篇幅,在后面章节中将论述下面几个问题来解答上面的疑惑:

1、邻近共核系相互干扰——引力分界线定义与计算

2、引力捕捉和引力弹弓效应并非引力作用,而是共核系变换。

3、逃逸速度的惯量守恒方程的诠释与公式计算

4、微观共核系与宏观共核系的统一

只有通过全面计算与诠释上述问题,才能完美解答引力常量的全部困惑。

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