Eksperyment Eötvösa - Eötvös experiment

Eksperyment eötvösa był znanym fizyki eksperyment, który mierzy korelację między inercyjnej masy i masy grawitacyjnej , wykazując, że dwa były jednym i tym samym coś, co od dawna podejrzewał, ale nigdy nie wykazał się taką samą dokładnością. Najwcześniejsze eksperymenty zostały wykonane przez Isaaca Newtona (1642-1727), a udoskonalone przez Friedricha Wilhelma Bessela (1784-1846). Znacznie dokładniejszy eksperyment z wykorzystaniem wagi skrętnej przeprowadził Loránd Eötvöspocząwszy od około 1885 roku, z dalszymi ulepszeniami w długim okresie między 1906 a 1909. Zespół Eötvösa następnie przeprowadził serię podobnych, ale dokładniejszych eksperymentów, a także eksperymentów z różnymi rodzajami materiałów i w różnych miejscach na Ziemi, z których wszystkie wykazał tę samą równoważność masy. Eksperymenty te z kolei doprowadziły do ​​współczesnego rozumienia zasady równoważności zakodowanej w ogólnej teorii względności , która stwierdza, że ​​masy grawitacyjne i bezwładnościowe są takie same.

Wystarczy, aby masa bezwładna była proporcjonalna do masy grawitacyjnej. Każda stała multiplikatywna zostanie wchłonięta przez definicję jednostki siły .

Oryginalny eksperyment Eötvösa

Gdyby stosunek F ₁ do F ₂ różnił się od stosunku G ₁ do G ₂ , pręt obracałby się. Lustro służy do monitorowania rotacji.

Kierunek siły odśrodkowej w stosunku do grawitacji na powierzchni ziemi.

Oryginalne urządzenie eksperymentalne Eötvösa składało się z dwóch mas na przeciwległych końcach pręta, zawieszonego na cienkim włóknie. Lustro przymocowane do pręta lub włókna odbijało światło do małego teleskopu . Nawet drobne zmiany w obrocie pręta powodowałyby odchylenie wiązki światła, co z kolei powodowałoby zauważalną zmianę przy powiększeniu przez teleskop.

Jak widać z ziemskiego układu odniesienia (lub „laboratorium”, który nie jest inercyjnym układem odniesienia), głównymi siłami działającymi na zrównoważone masy są naprężenie struny, grawitacja i siła odśrodkowa spowodowana obrotem Ziemia. Grawitacja jest obliczana zgodnie z prawem powszechnego ciążenia Newtona , które zależy od masy grawitacyjnej. Siła odśrodkowa jest obliczana zgodnie z prawami ruchu Newtona i zależy od masy bezwładności.

Eksperyment zaplanowano w taki sposób, że gdyby te dwa rodzaje mas były różne, te dwie siły nie będą działały dokładnie w ten sam sposób na dwa ciała, a z czasem pręt będzie się obracał. Jak widać z obracającej się „ramki laboratoryjnej”, naprężenie struny plus (znacznie mniejsza) siła odśrodkowa anuluje ciężar (jako wektory), podczas gdy jak widać z dowolnej ramy bezwładnościowej (wektorowa) suma ciężaru i naprężenia sprawia, że ​​obiekt obracać się wraz z ziemią.

Aby pręt pozostawał w spoczynku w ramie laboratoryjnej, reakcje naprężeń działających na każdy korpus na pręcie muszą wytworzyć zerowy moment obrotowy netto (jedynym stopniem swobody jest obrót w płaszczyźnie poziomej). Przypuśćmy, że układ był stale w spoczynku – co oznacza równowagę mechaniczną (tj. siły wypadkowe i momenty zerowe) – z dwoma ciałami wiszącymi w ten sposób również w spoczynku, ale z różnymi siłami odśrodkowymi i w konsekwencji wywierającymi różne momenty na pręt poprzez reakcje napięcia, pręt obracałby się wówczas spontanicznie, co jest sprzeczne z naszym założeniem, że układ jest w spoczynku. Zatem system nie może istnieć w tym stanie; jakakolwiek różnica między siłami odśrodkowymi na dwóch ciałach spowoduje obrót pręta.

Dalsze doskonalenia

Początkowe eksperymenty około 1885 roku wykazały, że nie było widocznej różnicy, a Eötvös ulepszył eksperyment, aby zademonstrować to z większą dokładnością. W 1889 roku użył urządzenia z różnymi rodzajami materiałów próbnych, aby sprawdzić, czy nastąpiła jakakolwiek zmiana siły grawitacji z powodu materiałów. Ten eksperyment dowiódł, że nie można zmierzyć takiej zmiany, z deklarowaną dokładnością 1 na 20 milionów. W 1890 opublikował te wyniki, a także pomiar masy Wzgórza Gellerta w Budapeszcie .

W następnym roku rozpoczął prace nad zmodyfikowaną wersją urządzenia, którą nazwał „wariometrem poziomym”. Zmodyfikowało to nieco podstawowy układ, umieszczając jedną z dwóch mas spoczynkowych zwisających z końca wędki na własnym włóknie, w przeciwieństwie do przymocowania bezpośrednio do końca. To pozwoliło zmierzyć skręcanie w dwóch wymiarach, a z kolei lokalną składową poziomą g . Był też znacznie dokładniejszy. Obecnie powszechnie zwany bilans Eötvös , urządzenie to jest powszechnie stosowany dziś w poszukiwania szukając miejscowych stężeń masowych.

Za pomocą nowego urządzenia przeprowadzono serię eksperymentów trwających 4000 godzin z udziałem Dezsö Pekára (1873–1953) i Jenő Fekete (1880–1943), które rozpoczęły się w 1906 roku. Zostały one po raz pierwszy zaprezentowane na 16. Międzynarodowej Konferencji Geodezyjnej w Londynie w 1909 roku. dokładność do 1 na 100 milionów. Eötvös zmarł w 1919 roku, a pełne pomiary opublikowali dopiero w 1922 roku Pekár i Fekete.

Powiązane badania

Eötvös badał również podobne eksperymenty przeprowadzane przez inne zespoły na poruszających się statkach, co doprowadziło do opracowania przez niego efektu Eötvösa w celu wyjaśnienia niewielkich różnic, które zmierzyli. Były one spowodowane dodatkowymi siłami przyspieszenia spowodowanymi ruchem statków względem Ziemi, co zostało zademonstrowane podczas dodatkowego przejazdu przeprowadzonego na Morzu Czarnym w 1908 roku.

W latach trzydziestych były uczeń Eötvösa, János Renner (1889-1976), jeszcze bardziej poprawił wyniki do 1 na 2 do 5 miliardów. Robert H. Dicke z PG Rollem i R. Krotkovem ponownie przeprowadzili eksperyment znacznie później, używając ulepszonej aparatury i jeszcze bardziej poprawili dokładność do 1 na 100 miliardów. Dokonali również kilku obserwacji dotyczących oryginalnego eksperymentu, które sugerowały, że deklarowana dokładność była nieco podejrzana. Ponowne przeanalizowanie danych w świetle tych obaw doprowadziło do pozornie bardzo nieznacznego efektu, który wydawał się sugerować, że zasada równoważności nie była dokładna i zmieniała się wraz z różnymi rodzajami materiałów.

W latach 80. kilka nowych teorii fizycznych próbujących połączyć grawitację i mechanikę kwantową sugerowało, że grawitacja będzie oddziaływać nieco inaczej na materię i antymaterię . W połączeniu z twierdzeniami Dicke'a wydawało się, że istnieje możliwość zmierzenia takiej różnicy, co doprowadziło do nowej serii eksperymentów typu Eötvösa (jak również upadków w czasie w opróżnionych kolumnach), które ostatecznie nie wykazały takiego efektu.

Efektem ubocznym tych eksperymentów było ponowne zbadanie oryginalnych danych Eötvösa, w tym szczegółowe badania lokalnej stratygrafii , fizyczny układ Instytutu Fizyki (który Eötvös osobiście zaprojektował), a nawet pogoda i inne efekty. Eksperyment jest więc dobrze udokumentowany.

Tabela pomiarów w czasie

Testy na zasadzie równoważności

Zobacz też

• Piąta siła
• Rama inercyjna
• Wahadło Foucaulta
• Ogólna teoria względności
• Testy ogólnej teorii względności

Bibliografia