Известно, что гравитационная постоянная (G, джи большая) появилась в формуле закона тяготения И. Ньютона через много лет после смерти автора закона. По одним источникам информации – в работе Симеона Пуассона «Трактат по механике» 1809 года, в других источниках – в 1890-х годах в работе К. В. Бойса. Полной ясности тут нет. Как нет ясности и в окончательной величине гравитационной постоянной. Она не постоянна, и величина её в дробной части варьирует. Изменение гравитационной постоянной, мне думается, вызвано не только влиянием на инструменты измерения лабораторных факторов, положением в точке Земли, но и влиянием космических факторов, таких как – положение планет Солнечной системы, положение Солнечной системы в месте нашей галактики. Введение гравитационной постоянной в формулу Ньютона стало неизбежным, так как формула в том ньютоновском виде просто не работала, и размерности не соответствовали. Выходило так, что сила тяготения равнялась частному от деления квадрата масс на квадрат расстояния между центрами масс. Хотя, сила в любом случае должна измеряться в ньютонах: произведение килограмма на метр, делённое на секунду в квадрате. Чтобы привести формулу закона Ньютона в соответствие с размерностью, прибегли к манипуляции: величину одного ньютона поделили на размерность формулы Ньютона (без G). Получилась размерность G, которую обозвали «страшной» – метр кубический делённый на произведение секунды в квадрате на килограмм. И вот в этом случае, с гравитационной постоянной, формула Ньютона стала работать и выдавать верные результаты.
История гравитационной постоянной уходит в восемнадцатый век, когда учёные задались целью – измерить массу Земли и других космических тел. Исходили из известной величины радиуса Земли и величины ускорения свободного падения. Нужно было знать ещё среднюю плотность вещества Земли. В 1798 году Генри Кавендиш провёл опыт с целью определения средней плотности Земли, что позволяло, как он говорил, «взвесить мир». Для этого использовались крутильные весы Джона Мичелла. Среднюю плотность Земли можно было вычислить, исходя из показаний опыта с крутильными весами, зная массы и плотности взаимодействующих тел, расстояния между ними и прочее. В опыте Кавендиша – два малых свинцовых шара (каждый – 730 грамм) на нити коромысла; при подведении к ним двух больших свинцовых шаров (каждый – 158 кг), малые шары начинали очень медленно колебаться, приближаться и отдаляться от больших шаров. Отдаляться – за счёт упругости закручивающейся нити коромысла, работающей как пружина. Полный период колебания малых шаров составлял 15 минут. Колебания затухали через несколько часов. Потом тяжелые шары подводили к малым с другой стороны, и всё повторялось. Кавендиш провёл этот опыт множество раз, и всегда картина была та же самая. Сила кручения, создаваемая притяжением шаров, была очень маленькая: одна целая семьдесят четыре сотых умноженных на десять в минус седьмой степени ньютона. Как сказал, нить, на которой было подвешено коромысло с малыми шарами, выполняла роль упругой пружины. При движении коромысла – нить закручивалась. По закону упругости Гука можно было вычислить силу. Так Кавендиш получил эту маленькую величину силы.
Кроме того, Кавендиш провёл подобный опыт с крутильными весами, где вместо тяжелых свинцовых шаров в 158 кг были ёмкости с водой такого же размера. И также учёный нашел величину силы, но она оказалась много меньше, чем с тяжелыми свинцовыми шарами. Сравнивая периоды колебаний крутильных весов с периодами колебаний обычного маятника в поле тяготения Земли, Кавендиш и определил величину средней плотности Земли. Она ненамного отличалась от принятого значения сегодня (Кавендиш – 5, 448; сегодня – 5, 615 грамм на сантиметр в кубе). Надо отметить, что колебание обычного маятника в поле тяготения Земли сыграло ключевую роль. Период колебания маятника, как известно, не зависит от массы груза, а лишь от длины подвеса. В формулу периода гармонического колебания маятника, кроме 2Пи, входит величина ускорения свободного падения (g, джи малая) с размерностью – метр, делённый на секунду в квадрате. Как сказано выше, Кавендиш вовсе не определял величину гравитационной постоянной, которую знаем сегодня: G = 6, 67430 на 10 в минус одиннадцатой степени с размерностью – метр в кубе делённый на произведение секунды в квадрате на килограмм; сила, с которой притягиваются два тела массой в один килограмм на расстоянии одного метра. Гравитационная постоянная была вычислена много позднее другими учёными из Франции, похоже, даже без участия результатов опыта Кавендиша. Гравитационную постоянную можно было вычислить тогда и другими путями, зная массу Земли, радиус Земли, величину ускорения свободного падения. А силу в ньютонах, при взаимодействии тяжёлого и малого шаров, можно было получить и более простыми опытными приборами, не как у Кавендиша, что французы делать умели. Гравитационная постоянная и величина ускорения свободного падения, если можно так сказать, величины близко родственные, что видно даже по размерности, не говоря уже о буквенном обозначении (G, g). Величина ускорения свободного падения g есть, по существу, сила вакуумного гравитационного давления, действующего на любое тело и любую частицу в градиенте плотностей и давлений среды вокруг массивного тела. Именно она создаёт «силу тяжести» тела, гравитационную массу тела.
Кавендиш жил в эпоху, когда роль светоносного эфира была непререкаемой. И. Ньютон, соплеменник Кавендиша, допускал, что плотность эфира вне материальных тел была намного большей, чем в телах, о чём и писал в заметках по оптике. Как всякое движение относительно, так и всякая плотность относительна. Брал ли Кавендиш в расчёт, измеряя плотность Земли, и плотность эфира? Не знаю. Но учёные Франции, ища постоянный эквивалент силы тяготения, надо полагать, брали. Во Франции волновая теория света голландца Гюйгенса получила признание и развитие. С ней укрепились представления и об эфире, как плотной, упругой к деформациям среде. Намного лет раньше Кавендиша, в 1785 году, француз Шарль Кулон провёл свои опыты по нахождению силы взаимодействия электрических зарядов. Формула силы – копия формулы закона тяготения Ньютона. Гляди на эти события в науке минувших веков, оценивая их с точки зрения нынешнего дня, думается вот о чём. Француз Кулон и англичанин Кавендиш первыми в истории обнаружили квантовые эффекты, конечно, не ведая того. То, что обнаружил Кавендиш, в родстве с эффектом Казимира, где две плоские идеально гладкие пластины на очень близком расстоянии испытывают эффект взаимного притяжения из-за квантовых флуктуаций вакуума. Массивные и малые шары в опыте Кавендиша, как, впрочем, и все тела, имеют вокруг себя поле квантовых флуктуаций вакуума. Источником квантовых флуктуаций является большая концентрация атомных частиц, нуклонов, потому что сами нуклоны – колебательные образования квантового вакуума, возбуждающие постоянные волновые поля вокруг себя. Большие, тяжелые шары в опыте Кавендиша создают гораздо больший градиент давлений и плотностей квантового вакуума вокруг себя, иначе, разность плотностей и давлений, постепенное их изменение с расстоянием от тела. Малые шары, хоть и создают свой градиент давлений среды, но он заметно меньший. И потому малые шары испытывают давление в градиенте больших шаров, и передвигаются туда, где давление и плотность среды минимальны, к большим шарам, что и называется «притяжением». Хотя, никакого притяжения тут нет, а есть лишь разность давлений и плотностей среды, градиент. Кавендиш, не ведая того, и измерил с помощью закона Гука силу давления среды. Если малые шары заменить здесь на такие же тяжелые, то никакого эффекта притяжения не будет. Градиенты давлений и плотностей среды вокруг массивных тел окажутся равны, а при равенстве градиентов нет выделенного направления силы давления. Положение шаров не изменится. То есть, ключевым моментом здесь является наличие большой разности градиентов давлений и плотностей среды вокруг тел. Никаких беспричинных притяжений тел нет. В опыте Кулона по определению силы взаимодействия электрических зарядов в вакууме мы имеем похожий эффект. Но электрическое (магнитное) поле имеет свою особую природу, поле вихревое, поле вращений. И частицы заряда тоже имеют вихревую природу, потому и могут взаимодействовать с вихревым магнитным (электрическим) полем. Хотя и тут измерение силы взаимодействия электрических зарядов можно назвать квантовым эффектом, но с более сложной формой поля.
Занимаясь темой гравитационной постоянной, в сети Интернета я встретил интересный материал Вячеслава Михайловича Дьячкова. Работа называется «Физический смысл гравитационной постоянной». Спросив дозволения автора, я обращу внимание вот на какой момент. По существу, автор сделал то, что сделали французы в девятнадцатом веке: они сами определили величину гравитационной постоянной, как удельный коэффициент силы, вставили и узаконили её в формуле тяготения Ньютона. Вставили и узаконили для того, чтобы формула Ньютона заработала, давала верные результаты. Сам Вячеслав Михайлович называет гравитационную постоянную G – «удельной напряжённостью гравитационного поля, иначе, приростом силы втягивания в единицу времени, производимой квадратом массы на квадрат расстояния». Быть может, автор со мной не согласиться, но если под «силой втягивания» понимать величину ускорения свободного падения, а величину ускорения свободного падения понимать как гравитационное вакуумное давление, то смысл G становится почти очевидным. Гравитационная постоянная G есть удельная величина изменения плотности и давления среды вокруг любого тела, имеющего массу. Гравитационная постоянная G напрямую связана с величиной ускорения свободного падения g. Чем больше масса тела – тем больше g, величина ускорения свободного падения. Поясню, удельная величина – это отношение текущего значения величины к некоторому её стандартному, номинальному значению. Чем, в сущности, и выступает здесь гравитационная постоянная. Непостоянство гравитационной постоянной обусловлено непостоянством плотностей и давлений среды физ. вакуума. Каждое массивное тело несёт постоянно свой градиент давлений и плотностей среды, и каждое тело вносит свой вклад в общую картину давлений и плотностей среды. Даже положение планет Солнечной системы относительно Земли может сказываться на показаниях прибора, измеряющего величину гравитационной постоянной.
Исходным посылом размышлений Вячеслава Михайловича Дьячкова служит утверждение о том, что «в природе действуют только два фундаментальных взаимодополняющих явления – притяжение и отталкивание. Существование только силы притяжения без отталкивания невозможно. Это противоречит самому понятию материи». 40 лет назад, когда я начинал вплотную заниматься природой гравитации, хорошо понимал одну вещь: природу гравитации надо искать в природе частицы протон. И этот подход оказался на удивление верным, так как в природе частицы протон как раз и воплотилось единство «притяжения и отталкивания». Единство в виде колебательной динамики квантового физического вакуума, периодических сжатий и растяжений элементов среды физ. вакуума со скоростью света. Эту колебательную динамику впоследствии назвал дыханием вакуума. Диалектика, дуализм, двойственность, динамическая симметрия в основах физического мира заложена в её первичной колебательной динамике, в основе частицы протон. Эта колебательная динамика протона противостоит колоссальному давлению и плотности среды физического вакуума, без которых наш физический просто не смог бы существовать. Уменьши эти давление и плотность среды хотя бы на треть, на четверть – и всё, силы природы ослабнут настолько, что не сможет существовать даже атомное ядро. Роль среды физического вакуума в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях ключевая, первостепенная. В учёном мире до сих пор это как-то плохо понимается. И в заключение хотелось бы обратить внимание на то, что почти вся информация об опыте Кавендиша 1798 года, которую можно встретить в книгах, в журнальных и интернетовских статьях, в фильмах, сильно искажена, урезана до безобразия, и даже неверна. Закон Гука тут не поминается никогда, о колебаниях коромысла малых шаров – ни слова, о подобных опытах с водой тоже никакой информации. Исказили смысл, упростили и кастрировали содержание опыта Кавендиша до предела. Вероятно, хотели как лучше, чтобы не усложнять, не запутывать. Но получилось-то как раз наоборот – запутали, усложнили, намутили. В науке такие вещи не прощаются. Для понимания нужна ясность, правдивая, объективная подача материала. И тогда, простите за пафос, Божественная красота и простота явлений предстанут во всём величии…