Experimento de Eötvös - Eötvös experiment

Ver también: principio de equivalencia

El experimento de Eötvös fue un famoso experimento de física que midió la correlación entre la masa inercial y la masa gravitacional , demostrando que las dos eran una y la misma, algo que se había sospechado durante mucho tiempo pero que nunca se había demostrado con la misma precisión. Los primeros experimentos fueron realizados por Isaac Newton (1642-1727) y mejorados por Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846). Loránd Eötvös llevó a cabo un experimento mucho más preciso utilizando una balanza de torsión.comenzando alrededor de 1885, con más mejoras en un largo período entre 1906 y 1909. El equipo de Eötvös siguió esto con una serie de experimentos similares pero más precisos, así como experimentos con diferentes tipos de materiales y en diferentes lugares alrededor de la Tierra, todos los cuales demostró la misma equivalencia en masa. A su vez, estos experimentos llevaron a la comprensión moderna del principio de equivalencia codificado en la relatividad general , que establece que las masas gravitacional e inercial son las mismas.

Es suficiente que la masa inercial sea proporcional a la masa gravitacional. Cualquier constante multiplicativa será absorbida en la definición de la unidad de fuerza .

El experimento original de Eötvös

Si la relación de F 1 a F 2 difiera de la relación de G 1 a G 2 , la varilla giraría. El espejo se utiliza para controlar la rotación.
Dirección de la fuerza centrífuga en relación con la gravedad en la superficie de la tierra.

El dispositivo experimental original de Eötvös consistía en dos masas en los extremos opuestos de una varilla, colgadas de una fibra delgada. Un espejo unido a la varilla, o fibra, reflejaba la luz en un pequeño telescopio . Incluso pequeños cambios en la rotación de la varilla provocarían la desviación del haz de luz, lo que a su vez provocaría un cambio notable cuando se magnificara con el telescopio.

Como se ve desde el marco de referencia de la Tierra (o "marco de laboratorio", que no es un marco de referencia inercial), las fuerzas primarias que actúan sobre las masas equilibradas son la tensión de la cuerda, la gravedad y la fuerza centrífuga debida a la rotación de la Tierra. La gravedad se calcula mediante la ley de gravitación universal de Newton , que depende de la masa gravitacional. La fuerza centrífuga se calcula mediante las leyes del movimiento de Newton y depende de la masa inercial.

El experimento se organizó de modo que si los dos tipos de masas fueran diferentes, las dos fuerzas no actuarían exactamente de la misma manera en los dos cuerpos y, con el tiempo, la varilla girará. Como se ve desde el "marco de laboratorio" giratorio, la tensión de la cuerda más la fuerza centrífuga (mucho más pequeña) cancela el peso (como vectores), mientras que, como se ve desde cualquier marco inercial, la suma (vectorial) del peso y la tensión hace que el objeto rotar junto con la tierra.

Para que la barra esté en reposo en el marco del laboratorio, las reacciones, en la barra, de las tensiones que actúan sobre cada cuerpo, deben crear un par neto cero (el único grado de libertad es la rotación en el plano horizontal). Suponiendo que el sistema estuviera constantemente en reposo, lo que significa equilibrio mecánico (es decir, fuerzas netas y pares cero), con los dos cuerpos colgando también en reposo, pero con diferentes fuerzas centrífugas sobre ellos y, en consecuencia, ejerciendo diferentes pares sobre la varilla a través de las reacciones. de las tensiones, la varilla entonces rotaría espontáneamente, en contradicción con nuestra suposición de que el sistema está en reposo. Entonces el sistema no puede existir en este estado; cualquier diferencia entre las fuerzas centrífugas en los dos cuerpos hará que la varilla gire.

Futuras mejoras

Los experimentos iniciales alrededor de 1885 demostraron que no había diferencia aparente, y Eötvös mejoró el experimento para demostrarlo con mayor precisión. En 1889 usó el dispositivo con diferentes tipos de materiales de muestra para ver si había algún cambio en la fuerza gravitacional debido a los materiales. Este experimento demostró que no se podía medir tal cambio, con una precisión afirmada de 1 en 20 millones. En 1890 publicó estos resultados, así como una medición de la masa de la colina Gellért en Budapest .

Al año siguiente, comenzó a trabajar en una versión modificada del dispositivo, al que llamó "variómetro horizontal". Esto modificó ligeramente el diseño básico para colocar una de las dos masas de descanso colgando del extremo de la varilla sobre una fibra propia, en lugar de estar unida directamente al extremo. Esto le permitió medir la torsión en dos dimensiones y, a su vez, la componente horizontal local de g . También fue mucho más preciso. Este dispositivo, que ahora se conoce generalmente como balanza de Eötvös , se usa comúnmente en la actualidad en la prospección mediante la búsqueda de concentraciones de masa locales.

Utilizando el nuevo dispositivo, se llevaron a cabo una serie de experimentos que tomaron 4000 horas con Dezsö Pekár (1873-1953) y Jenő Fekete (1880-1943) a partir de 1906. Estos se presentaron por primera vez en la 16ª Conferencia Geodésica Internacional en Londres en 1909, lo que la precisión a 1 en 100 millones. Eötvös murió en 1919, y las medidas completas no fueron publicadas hasta 1922 por Pekár y Fekete.

Estudios relacionados

Eötvös también estudió experimentos similares que estaban llevando a cabo otros equipos en barcos en movimiento, lo que lo llevó a desarrollar el efecto Eötvös para explicar las pequeñas diferencias que midieron. Estos se debieron a las fuerzas de aceleración adicionales debidas al movimiento de los barcos en relación con la Tierra, efecto que se demostró en una carrera adicional realizada en el Mar Negro en 1908.

En la década de 1930, un ex alumno de Eötvös, János Renner (1889-1976), mejoró aún más los resultados entre 1 en 2 y 5 mil millones. Robert H. Dicke con PG Roll y R. Krotkov volvieron a ejecutar el experimento mucho más tarde utilizando un aparato mejorado y mejoró aún más la precisión a 1 en 100 mil millones. También hicieron varias observaciones sobre el experimento original que sugirieron que la precisión reclamada era algo sospechosa. El reexamen de los datos a la luz de estas preocupaciones produjo un efecto aparentemente muy leve que pareció sugerir que el principio de equivalencia no era exacto y cambió con diferentes tipos de material.

En la década de 1980, varias nuevas teorías físicas que intentaban combinar la gravitación y la mecánica cuántica sugirieron que la materia y la antimateria se verían afectadas de manera ligeramente diferente por la gravedad . Combinado con las afirmaciones de Dicke, parecía haber una posibilidad de que se pudiera medir tal diferencia, esto condujo a una nueva serie de experimentos tipo Eötvös (así como a caídas cronometradas en columnas evacuadas) que finalmente no demostraron tal efecto.

Un efecto secundario de estos experimentos fue un reexamen de los datos originales de Eötvös, incluidos estudios detallados de la estratigrafía local , el diseño físico del Instituto de Física (que Eötvös había diseñado personalmente) e incluso el clima y otros efectos. Por tanto, el experimento está bien registrado.

Tabla de medidas a lo largo del tiempo

Pruebas sobre el principio de equivalencia

Investigador Año Método Sensibilidad media
Giovanni Filopono 500 d.C. Torre de caída "pequeño"
Simon Stevin 1585 Torre de caída 5x10 −2
Galileo Galilei 1590? Péndulo, Torre de caída 2x10 −2
Isaac Newton 1686 Péndulo 10 −3
Friedrich Wilhelm Bessel 1832 Péndulo 2x10 −5
Sureños 1910 Péndulo 5x10 -6
Zeeman 1918 Equilibrio de torsión 3x10 −8
Loránd Eötvös 1922 Equilibrio de torsión 5x10 -9
Alfarero 1923 Péndulo 3x10 -6
Renner 1935 Equilibrio de torsión 2x10 -9
Dicke, Roll, Krotkov 1964 Equilibrio de torsión 3x10 -11
Braginsky, Panov 1972 Equilibrio de torsión 10 -12
Shapiro 1976 Alcance del láser lunar 10 -12
Keizer, Faller 1981 Soporte fluido 4x10 -11
Niebauer y col. 1987 Torre de caída 10 -10
Heckel y col. 1989 Equilibrio de torsión 10 -11
Adelberger y col. 1990 Equilibrio de torsión 10 -12
Baeßler y col. 1999 Equilibrio de torsión 5x10 -13
Adelberger y col. 2006 Equilibrio de torsión 10 -13
Adelberger y col. 2008 Equilibrio de torsión 3x10 -14
MICROSCOPIO 2017 Órbita satelital 10 -15

Ver también

Referencias

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