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). [1] Loránd Eötvös llevó a cabo un experimento mucho más preciso utilizando un equilibrio 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 . [2]
El experimento original de Eötvös
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, esto 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 . [3]
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. [4] 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. [5] Robert H. Dicke con PG Roll y R. Krotkov repitieron el experimento mucho más tarde usando aparatos mejorados y mejoró aún más la precisión a 1 en 100 mil millones. [6] 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 caídas cronometradas en columnas evacuadas) que finalmente no demostraron tal efecto. [7] [8] [9] [10] [11] [12]
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. [13]
Ver también
Referencias
- ^ Marco Mamone Capria (2005). Física antes y después de Einstein . Ámsterdam: IOS Press. pag. 167. ISBN 1-58603-462-6.
- ^ Brewer, Jess H. (1998). "El Experimento Eötvös" .
- ↑ R. v. Eötvös, Mathematische und Naturwissenschaftliche Berichte aus Ungarn , 8, 65, 1890
- ^ R. v. Eötvös, en Verhandlungen der 16 Allgemeinen Konferenz der Internationalen Erdmessung , G. Reiner, Berlín, 319,1910
- ^ Renner, J. (1935). "KÍSÉRLETI VIZSGÁLATOK A TÖMEGVONZÁS ÉS A TEHETETLENSÉG ARÁNYOSSÁGÁRÓL" (PDF) . Matematikai és Természettudományi Értesítő (en húngaro). 53 : 542–568., con resumen en alemán
- ^ Roll, PG; Krotkov, R; Dicke, RH (1964). "La equivalencia de masa gravitacional pasiva e inercial". Annals of Physics . Elsevier BV. 26 (3): 442–517. Código Bibliográfico : 1964AnPhy..26..442R . doi : 10.1016 / 0003-4916 (64) 90259-3 . ISSN 0003-4916 .
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- ^ Thodberg, Hans Henrik (1 de agosto de 1986). "Comentario sobre el Signo en el Reanálisis del Experimento Eötvös". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 57 (9): 1192. doi : 10.1103 / physrevlett.57.1192.5 . ISSN 0031-9007 .
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- ^ Bennett, Wm. R. (23 de enero de 1989). "Experimento de Eötvös de fuente modulada en Little Goose Lock". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 62 (4): 365–368. Código Bibliográfico : 1989PhRvL..62..365B . doi : 10.1103 / physrevlett.62.365 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Bod, L .; Fischbach, E .; Marx, G .; Náray-Ziegler, Maria (31 de agosto de 1990). "Cien años del experimento Eötvös" . Archivado desde el original el 22 de octubre de 2012.