Los experimentos de Kaufmann-Bucherer-Neumann midieron la dependencia de la masa inercial (o momento ) de un objeto de su velocidad . La importancia histórica de esta serie de experimentos realizados por varios físicos entre 1901 y 1915 se debe a que los resultados se utilizan para probar las predicciones de la relatividad especial . El desarrollo de la precisión y el análisis de datos de estos experimentos y la influencia resultante en la física teórica durante esos años sigue siendo un tema de activa discusión histórica, ya que los primeros resultados experimentales contradecían al principio a Einstein.Teoría entonces recién publicada, pero versiones posteriores de este experimento lo confirmaron. Para experimentos modernos de ese tipo, consulte Pruebas de energía y momento relativistas , para obtener información general, consulte Pruebas de relatividad especial .
Contexto histórico
En 1896, Henri Becquerel descubrió la desintegración radiactiva en una variedad de elementos químicos . Posteriormente, se descubrió que la radiación beta de estas desintegraciones era la emisión de una partícula cargada negativamente . Más tarde, estas partículas fueron identificadas con el electrón , descubierto en experimentos de rayos catódicos por JJ Thomson en 1897.
Esto estaba relacionado con la predicción teórica de la masa electromagnética realizada por JJ Thomson en 1881, quien demostró que la energía electromagnética contribuye a la masa de un cuerpo cargado en movimiento . [1] Thomson (1893) y George Frederick Charles Searle (1897) también calcularon que esta masa depende de la velocidad, y que se vuelve infinitamente grande cuando el cuerpo se mueve a la velocidad de la luz con respecto al éter luminífero . [2] También Hendrik Antoon Lorentz (1899, 1900) asumió tal dependencia de la velocidad como consecuencia de su teoría de los electrones. [3] En este momento, la masa electromagnética se separó en masa "transversal" y "longitudinal", ya veces se denotó como "masa aparente", mientras que la masa newtoniana invariante se denotó como "masa real". [A 1] [A 2] Por otro lado, era la creencia del teórico alemán Max Abraham que toda masa finalmente demostraría ser de origen electromagnético, y que la mecánica newtoniana quedaría subsumida en las leyes de la electrodinámica. [A 3]
El concepto de masa electromagnética (transversal) , que se basaba en modelos específicos del electrón, se transmutó más tarde en el concepto puramente cinemático de masa relativista que concierne a todas las formas de energía, no solo a la energía electromagnética. Sin embargo, en la actualidad, el concepto de masa relativista, aunque todavía se menciona con frecuencia en los trabajos populares sobre la relatividad, ahora rara vez se usa entre los físicos profesionales, y ha sido reemplazado por las expresiones de energía e impulso relativistas , que también predicen que la velocidad de la luz no puede ser alcanzada por cuerpos masivos. Esto se debe a que todas esas relaciones involucran el factor de Lorentz :
Por lo tanto, los experimentos de Bucherer-Kaufmann-Neumann pueden verse como las primeras pruebas de energía y momento relativistas . (Para la siguiente descripción histórica de los experimentos, todavía se utilizan los conceptos de "masa transversal" o "masa relativista").
Los experimentos de Kaufmann
Primeros experimentos
Walter Kaufmann comenzó a experimentar con rayos beta utilizando un dispositivo similar a un tubo de rayos catódicos , donde la fuente de los electrones era la desintegración del radio que se colocaba en un recipiente al vacío . (Ver Fig. 1) Estos rayos emitidos por el radio se llamaban "rayos Becquerel" en ese momento. A diferencia de los rayos catódicos conocidos en ese momento, que alcanzaban velocidades de solo 0,3 c, siendo c la velocidad de la luz, los rayos Becquerel alcanzaban velocidades de hasta 0,9 c . Sin embargo, dado que las partículas beta tienen diferentes velocidades, la radiación no fue homogénea. Por lo tanto, Kaufmann aplicó campos eléctricos y magnéticos alineados en paralelo entre sí, de modo que las desviaciones provocadas por ellos fueran perpendiculares entre sí. Sus impactos sobre una placa fotográfica produjeron una curva de deflexión, cuyos puntos individuales correspondían a una cierta velocidad y una cierta masa de los electrones. Invirtiendo la carga en el condensador, invirtiendo así el campo eléctrico, se podrían obtener dos curvas simétricas, cuya línea central determinaba la dirección de la desviación magnética. [A 4] [A 5]
Kaufmann publicó un primer análisis de sus datos en 1901; de hecho, pudo medir una disminución de la relación carga-masa , demostrando así que la masa o el momento aumentan con la velocidad. [4] Utilizando la fórmula de Searle (1897) para el aumento de la energía electromagnética de los cuerpos cargados con la velocidad, calculó el aumento de la masa electromagnética del electrón en función de la velocidad:
- ,
Kaufmann notó que el aumento observado no puede explicarse con esta fórmula, por lo que separó la masa total medida en una masa mecánica (verdadera) y una masa electromagnética (aparente) , siendo la masa mecánica considerablemente mayor que la electromagnética. Sin embargo, cometió dos errores: como lo mostró Max Abraham , Kaufmann pasó por alto que la fórmula de Searle solo se aplica en la dirección longitudinal, pero para las mediciones de deflexión, la fórmula para la dirección transversal era importante. Por lo tanto, Abraham introdujo la "masa electromagnética transversal" con la siguiente dependencia de la velocidad:
Kaufmann también cometió un error de cálculo al derivar las curvas de deflexión. Esos errores fueron corregidos por él en 1902. [5]
En 1902 y 1903 Kaufmann realizó otra serie de pruebas con técnicas experimentales actualizadas y mejoradas. Los resultados fueron interpretados por él como una confirmación de la teoría de Abraham y de la suposición de que la masa del electrón es completamente de origen electromagnético. [6] [7]
Hermann Starke realizó mediciones similares en 1903, aunque usó rayos catódicos limitados a 0.3c. Los resultados que obtuvo fueron interpretados por él como concordantes con los de Kaufmann. [8]
Teorías en competencia
En 1902, Max Abraham publicó una teoría basada en el supuesto de que el electrón era una esfera rígida y perfecta , con su carga distribuida uniformemente en su superficie. Como se explicó anteriormente, introdujo la llamada "masa electromagnética transversal" además de la "masa electromagnética longitudinal", y argumentó que toda la masa de electrones es de origen electromagnético. [A 6] [A 7] [9] [10] [11]
Mientras tanto, Lorentz (1899, 1904) extendió su teoría de los electrones, asumiendo que la carga de un electrón se extendía por todo su volumen y que, en el experimento de Kaufmann, su forma se comprimiría en la dirección del movimiento y permanecería sin cambios en las direcciones transversales. Para sorpresa de Kaufmann, Lorentz pudo demostrar que su modelo también coincidía con sus datos experimentales. Este modelo fue elaborado y perfeccionado por Henri Poincaré (1905), de modo que la teoría de Lorentz estaba ahora de acuerdo con el principio de relatividad . [A 8] [A 9] [12] [13]
Alfred Bucherer y Paul Langevin desarrollaron una teoría similar en 1904, con la diferencia de que el volumen total ocupado por el electrón deformado se asumió sin cambios. Resultó que la predicción de esta teoría estaba más cerca de la teoría de Abraham que de la de Lorentz. [A 10] [14]
Finalmente, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein (1905) predijo el cambio de la masa del electrón puntual debido a las propiedades de la transformación entre el marco de reposo de la partícula y el marco de laboratorio en el que se realizaron las mediciones. Matemáticamente, este cálculo predice la misma dependencia entre velocidad y masa que la teoría de Lorentz, aunque asume conceptos físicos muy diferentes. [A 11] [15]
En cuanto al aumento de la masa electromagnética transversal , las predicciones de las distintas teorías fueron (Fig.3):
Experimentos de 1905
Para tomar una decisión entre esas teorías, Kaufmann volvió a realizar sus experimentos con mayor precisión. Kaufmann creía que había refutado de manera concluyente la fórmula de Lorentz-Einstein y, por lo tanto, también había refutado el principio de relatividad . En su opinión, las únicas opciones que quedaban estaban entre las teorías de Abraham y Bucherer. Lorentz estaba perplejo y escribió que estaba " al final de su latín ". [A 12] [A 13] [16] [17]
Sin embargo, surgieron críticas al experimento de Kaufmann. [A 14] [A 15] Poco después de que Kaufmann publicara sus resultados y las conclusiones de su análisis, Max Planck decidió volver a analizar los datos obtenidos por el experimento. En 1906 y 1907, Planck publicó su propia conclusión sobre el comportamiento de la masa inercial de electrones a altas velocidades. Utilizando solo nueve puntos de datos de la publicación de Kaufmann en 1905, recalculó la configuración exacta de los campos para cada punto y comparó las mediciones con las predicciones de las dos teorías en competencia. Mostró que los resultados de Kaufmann no son completamente decisivos y conducirían a velocidades superlumínicas. [18] [19] Einstein comentó en 1907 que aunque los resultados de Kaufmann coincidían mejor con las teorías de Abraham y Bucherer que con las suyas, los fundamentos de las otras teorías no eran plausibles y, por lo tanto, tenían pocas probabilidades de ser correctos. [20]
Experimentos posteriores
Bucherer
El principal problema de los experimentos de Kaufmann fue su uso de campos eléctricos y magnéticos paralelos , como señaló Adolf Bestelmeyer (1907). Usando un método basado en campos eléctricos y magnéticos perpendiculares (introducido por JJ Thomson y desarrollado en un filtro de velocidad por Wilhelm Wien ), Bestelmeyer obtuvo valores considerablemente diferentes para la relación carga-masa para rayos catódicos de hasta 0.3c. Sin embargo, Bestelmeyer agregó que su experimento no fue lo suficientemente preciso como para proporcionar una decisión definitiva entre las teorías. [21]
Por tanto, Alfred Bucherer (1908) realizó una medición precisa utilizando un filtro de velocidad similar al de Bestelmeyer. Ver Figs. 4 y 5. Se colocó una fuente de radio beta en el centro de un condensador circular que constaba de dos placas de vidrio plateadas separadas 0,25 mm y cargadas a aproximadamente 500 voltios, colocadas en un campo magnético homogéneo de 140 Gauss. El radio emitía rayos beta en todas las direcciones, pero en cualquier dirección α particular, solo aquellos rayos beta salían del filtro de velocidad cuya velocidad era tal que los campos eléctrico y magnético se compensaban exactamente entre sí. Después de salir del condensador, los rayos fueron desviados por el campo magnético y se expuso una placa fotográfica colocada paralela al borde del condensador y perpendicular a los rayos no desviados. [22] [23]
Para su análisis final, Bucherer recalculó los valores medidos de cinco corridas con las fórmulas de Lorentz y Abraham respectivamente, con el fin de obtener la relación carga-masa como si los electrones estuvieran en reposo. Dado que la relación no varía para los electrones en reposo, los puntos de datos deben estar en una sola línea horizontal (ver Fig. 6). Sin embargo, esto fue aproximadamente solo en el caso en que los datos se calcularon con la fórmula de Lorentz, mientras que los resultados de la fórmula de Abraham se desviaron drásticamente (las líneas roja y azul representan el valor promedio de acuerdo con ambas fórmulas). La concordancia con la fórmula de Lorentz-Einstein fue interpretada por Bucherer como la confirmación del principio de relatividad y la teoría de Lorentz-Einstein, resultado inmediatamente aplaudido por Lorentz, Einstein y Hermann Minkowski . [A 16] [A 17]
Además, el aparato de Bucherer fue mejorado en 1909 por su alumno Kurt Wolz , quien también estuvo de acuerdo con la fórmula de Lorentz-Einstein (aunque no comparó la fórmula de Abraham con sus datos, Fig. 7). [24]
Aunque muchos físicos aceptaron el resultado de Bucherer, aún quedaban algunas dudas. [A 18] [A 19] Por ejemplo, Bestelmeyer publicó un artículo en el que arrojaba dudas sobre la validez del resultado de Bucherer. Argumentó que un experimento por sí solo no puede establecer la exactitud de una ley física importante, que el resultado de Bucherer podría verse significativamente distorsionado por rayos no compensados que llegan a la placa fotográfica, y que son necesarios extensos protocolos de datos y análisis de errores. [25] Una polémica disputa entre esos dos estudiosos siguió en una serie de publicaciones, en las que Bestelmeyer argumentó que los experimentos de Wolz se ven afectados por los mismos problemas. [26] [27] [28]
Hupka
A diferencia de Kaufmann y Bucherer, Karl Erich Hupka (1909) usó rayos catódicos a 0.5c para sus mediciones. La radiación (generada en un cátodo de cobre) fue fuertemente acelerada por el campo entre el cátodo y el ánodo en un tubo de descarga altamente evacuado. El ánodo que sirve como diafragma pasó por el rayo con velocidad constante y dibujó la imagen de la sombra de dos cables Wollaston en una pantalla fosforescente detrás de un segundo diafragma. Si se generó una corriente detrás de este diafragma, entonces el rayo se desvió y la imagen de la sombra se desplazó. Los resultados estuvieron de acuerdo con Lorentz-Einstein, aunque Hupka comentó que este experimento no representó un resultado definitivo. [29] Posteriormente, W. Heil publicó algunos artículos que trataban de críticas e interpretaciones del resultado, a lo que Hupka respondió. [30] [31] [32]
Neumann y Guye / Lavanchy
En 1914, Günther Neumann llevó a cabo nuevas mediciones utilizando el equipo de Bucherer, en particular haciendo algunas mejoras para abordar las críticas de Bestelmeyer, especialmente la cuestión de los rayos no compensados, y haciendo extensos refinamientos a los protocolos de datos. El método de cálculo fue el mismo que el de Bucherer (ver Fig. 6). También en este experimento, los datos correspondientes a la fórmula de Lorentz están casi en una línea horizontal como se requiere, mientras que los datos obtenidos de la fórmula de Abraham se desvían bruscamente (ver Fig. 8). Neumann concluyó que sus experimentos estaban de acuerdo con los de Bucherer y Hupka, demostrando definitivamente la fórmula de Lorentz-Einstein en el rango 0.4-0.7cy refutó la fórmula de Abraham. Las incertidumbres instrumentales se produjeron en el rango de 0,7 a 0,8c, por lo que la desviación de la fórmula de Lorentz-Einstein en este rango no se consideró significativa. [33]
En 1915, Charles-Eugène Guye y Charles Lavanchy midieron la desviación de los rayos catódicos entre 0,25c y 0,5c. Utilizaron un tubo con cátodo y ánodo para acelerar los rayos. Un diafragma en el ánodo produjo un haz que se desvió. Se colocó una pantalla al final del aparato, en la que los impactos fueron fotografiados por una cámara. Posteriormente calcularon la relación de masa electromagnética transversal m T y masa en reposo m 0 indicada por la curva roja y azul, y obtuvieron una buena concordancia con la fórmula de Lorentz-Einstein (ver Fig. 9), complementando el resultado de Neumann. [34] [35]
Muchos consideraron que los experimentos de Neumann y Guye / Lavanchy demostraban de manera concluyente la fórmula de Lorentz-Einstein. [A 20] [A 21] [A 22] Lorentz resumió estos esfuerzos en 1915: [A 23]
- Experimentos posteriores [..] han confirmado la fórmula [..] para la masa electromagnética transversal, de modo que, con toda probabilidad, se ha eliminado la única objeción que podía plantearse contra la hipótesis del electrón deformable y el principio de relatividad. .
Mayor desarrollo
Zahn y Spees (1938) [36] y Faragó y Lajos Jánossy (1954) [37] argumentaron que muchas suposiciones empleadas en esos primeros experimentos en cuanto a la naturaleza y las propiedades de los electrones y la configuración experimental, eran incorrectas o imprecisas. Al igual que con los experimentos de Kaufmann, los experimentos de Bucherer-Neumann solo mostrarían un aumento cualitativo de masa y fueron incapaces de decidir entre las teorías en competencia. [A 24] [A 25]
Mientras se disputaron los resultados de esos experimentos de desviación de electrones por un largo tiempo, las investigaciones de la estructura fina de las líneas de hidrógeno por Karl Glitscher (basado en el trabajo de Arnold Sommerfeld ) ya tenía en 1917 proporcionan una clara confirmación de la Lorentz-Einstein fórmula, porque las expresiones relativistas para el momento y la energía eran necesarias para derivar la estructura fina, y constituía una refutación de la teoría de Abraham. [38] [A 26]
Además, los primeros experimentos de deflexión de electrones con suficiente precisión fueron realizados por Rogers et al. (1940), quien desarrolló una configuración mejorada. La serie de desintegración del radio produce un espectro de partículas beta con una amplia gama de energías. Las mediciones anteriores de Kaufmann, Bucherer y otros habían utilizado condensadores de placas paralelas planas que no proporcionaban ningún enfoque de las partículas beta. Rogers y col. (Fig. 10), en cambio, construyó un espectrógrafo electrostático capaz de resolver los máximos de energía de las líneas de partículas beta individuales de la serie de desintegración del radio. El espectrógrafo electrostático se construyó con segmentos de dos cilindros y se encerró en una caja de hierro evacuada. Los rayos beta se emitieron a partir de un fino alambre de platino recubierto con un depósito activo de radio. Los rayos dispersos incidieron en una rendija frente a un contador Geiger . Los datos de este experimento se combinaron con mediciones previas del espectrómetro magnético de H ρ para obtener la relación carga-masa, que posteriormente se comparó con las predicciones de Lorentz y Abraham para la relación de masa transversal y masa en reposo. Los puntos estaban todos en la curva que representa la fórmula de Lorentz-Einstein dentro del 1% (ver Fig. 11). [39] Este experimento se considera lo suficientemente preciso como para distinguir entre las teorías. [A 27]
Pruebas modernas
Desde entonces, se han realizado muchos experimentos adicionales relacionados con la relación relativista energía-momento , incluidas mediciones de la deflexión de electrones, todos ellos confirmando la relatividad especial con alta precisión. También en los aceleradores de partículas modernos , las predicciones de la relatividad especial se confirman de forma rutinaria.
Ver también
- Historia de la relatividad especial
Referencias
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- ^ Miller (1981), págs. 345-350
- ^ Staley (2008), págs. 250-254
- ^ Miller (1981), págs. 345-350
- ^ Staley (2008), págs. 250-254
- ↑ Pauli (1921), pág. 636
- ^ Miller (1981), págs. 350-351
- ^ Staley (2008), págs. 254-257
- ↑ Lorentz (1915), p. 339
- ^ Miller (1981), págs. 351–352
- ^ Janssen (2007), sección 7
- ^ Pauli (1921), págs. 636–637
- ^ Janssen (2007), sección 7
enlaces externos
- Presentación sobre el experimento de Kaufmann (PowerPoint)
- Lista de pruebas SR