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 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] Un experimento mucho más preciso utilizando una balanza de torsión fue realizado por Loránd Eötvös a partir de 1885, con más mejoras en un largo período entre 1906 y 1909. El equipo de Eötvös continuó 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 demostraron la misma equivalencia en masa. A su vez, estos experimentos condujeron a la comprensión moderna del principio de equivalencia codificado en la relatividad general , que establece que las masas gravitacionales e inerciales son las mismas.
Es suficiente que la masa inercial sea proporcional a la masa gravitatoria. Cualquier constante multiplicativa será absorbida en la definición de la unidad de fuerza . [2]
El dispositivo experimental original de Eötvös consistía en dos masas en extremos opuestos de una varilla, colgadas de una fibra fina. Un espejo unido a la varilla, o fibra, reflejaba la luz en un pequeño telescopio . Incluso cambios minúsculos en la rotación de la varilla harían que el haz de luz se desviara, lo que a su vez causaría un cambio notable cuando el telescopio lo magnificara.
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 debido a la rotación de la Tierra. La gravedad se calcula mediante la ley de gravitación universal de Newton , que depende de la masa gravitatoria. La fuerza centrífuga se calcula mediante las leyes de 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 sobre los dos cuerpos y, con el tiempo, la varilla rotaría. Como se ve desde el "marco de laboratorio" giratorio, la tensión de la cuerda más la fuerza centrífuga (mucho menor) cancelan 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 gire junto con la Tierra.
Para que la varilla se encuentre en reposo en el marco del laboratorio, las reacciones de las tensiones que actúan sobre cada cuerpo sobre la varilla 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 (es decir, en equilibrio mecánico , es decir, fuerzas netas y pares cero), con los dos cuerpos colgando también en reposo, pero ejerciendo diferentes fuerzas centrífugas sobre ellos y, en consecuencia, ejerciendo diferentes pares sobre la varilla a través de las reacciones de las tensiones, la varilla rotaría espontáneamente, en contradicción con nuestra suposición de que el sistema está en reposo. Por lo tanto, el sistema no puede existir en este estado; cualquier diferencia entre las fuerzas centrífugas sobre los dos cuerpos hará que la varilla gire.
Los primeros experimentos realizados en 1885 demostraron que no había ninguna diferencia aparente, y Eötvös mejoró el experimento para demostrarlo con más precisión. En 1889 utilizó el dispositivo con distintos tipos de materiales de muestra para ver si había algún cambio en la fuerza gravitatoria debido a los materiales. Este experimento demostró que no se podía medir tal cambio, con una precisión declarada 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 empezó a trabajar en una versión modificada del dispositivo, al que llamó "variómetro horizontal". Éste modificó ligeramente el diseño básico para colocar una de las dos masas en reposo 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, el componente horizontal local de g . También era mucho más preciso. Este dispositivo, conocido ahora generalmente como balanza de Eötvös , se utiliza comúnmente en la actualidad en prospección mediante la búsqueda de concentraciones de masas locales.
Utilizando el nuevo dispositivo, Dezsö Pekár (1873-1953) y Jenő Fekete (1880-1943) realizaron una serie de experimentos que duraron 4000 horas a partir de 1906. Estos se presentaron por primera vez en la 16.ª Conferencia Geodésica Internacional en Londres en 1909, aumentando la precisión a 1 en 100 millones. [4] Eötvös murió en 1919, y las mediciones completas no fueron publicadas hasta 1922 por Pekár y Fekete.
Eötvös también estudió experimentos similares que otros equipos estaban llevando a cabo con barcos en movimiento, lo que le llevó a desarrollar el efecto Eötvös para explicar las pequeñas diferencias que midieron. Estas se debían a las fuerzas de aceleración adicionales debidas al movimiento de los barcos en relación con la Tierra, un efecto que se demostró en un experimento adicional realizado en el Mar Negro en 1908.
En la década de 1930, un antiguo alumno de Eötvös, János Renner (1889-1976), mejoró aún más los resultados hasta situarlos entre 1 en 2 y 5 mil millones. [5] Robert H. Dicke , junto con PG Roll y R. Krotkov, volvieron a realizar el experimento mucho más tarde utilizando un aparato mejorado y mejoraron aún más la precisión hasta 1 en 100 mil millones. [6] [7] También hicieron varias observaciones sobre el experimento original que sugerían que la precisión declarada era algo sospechosa. Al volver a examinar los datos a la luz de estas preocupaciones, se descubrió un efecto aparentemente muy leve que parecía sugerir que el principio de equivalencia no era exacto y cambiaba con diferentes tipos de material.
En la década de 1980, varias teorías físicas nuevas 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 existir la posibilidad de que tal diferencia pudiera medirse, esto condujo a una nueva serie de experimentos de tipo Eötvös (así como caídas cronometradas en columnas evacuadas) que finalmente no demostraron tal efecto. [8] [9] [10] [11] [12] [13]
Un efecto secundario de estos experimentos fue la reexaminación de los datos originales de Eötvös, incluidos estudios detallados de la estratigrafía local , la disposición física del Instituto de Física (que Eötvös había diseñado personalmente) e incluso el clima y otros efectos. Por lo tanto, el experimento está bien documentado. [14]
Pruebas sobre el principio de equivalencia