El experimento de Eötvös fue un famoso experimento de física que midió la correlación entre la masa inercial y la masa gravitacional , demostrando que ambas eran la misma cosa, algo que se había sospechado durante mucho tiempo pero que nunca se demostró 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 una balanza de torsión a partir de 1885, con nuevas mejoras en un largo período entre 1906 y 1909. El equipo de Eötvös siguió esto con una serie de experimentos similares pero más precisos. 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 llevaron a la comprensión moderna del principio de equivalencia codificado en la relatividad general , que establece que las masas gravitacional e inercial son iguales.
Basta con 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 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 hacia un pequeño telescopio . Incluso pequeños cambios en la rotación de la varilla provocarían que el haz de luz se desviara, lo que a su vez provocaría un cambio notable cuando se magnifica 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 en equilibrio son la tensión de la cuerda, la gravedad y la fuerza centrífuga debida a la rotación de la masa. Tierra. La gravedad se calcula mediante la ley de gravitación universal de Newton , que depende de la masa gravitacional. La fuerza centrífuga se calcula según 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 sobre los dos cuerpos y, con el tiempo, la varilla giraría. 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, visto desde cualquier marco inercial, la suma (vectorial) del peso y la tensión hace que el objeto gira junto con la tierra.
Para que la varilla esté en reposo en el marco del laboratorio, las reacciones, sobre la varilla, 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 teniendo diferentes fuerzas centrífugas sobre ellos y, en consecuencia, ejerciendo diferentes pares sobre la varilla a través de las reacciones. de las tensiones, la varilla giraría 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 sobre los dos cuerpos hará que la varilla gire.
Los experimentos iniciales alrededor de 1885 demostraron que no había ninguna diferencia aparente, y Eötvös mejoró el experimento para demostrarlo con mayor precisión. En 1889 utilizó 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 tal cambio no podía medirse, con una precisión afirmada de 1 entre 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 que cuelgan del extremo de la varilla sobre una fibra propia, en lugar de estar unidas 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. Ahora conocido generalmente como balanza de Eötvös , este dispositivo se usa comúnmente hoy en día en la prospección mediante la búsqueda de concentraciones de masa locales.
Utilizando el nuevo dispositivo, se llevaron a cabo una serie de experimentos que duraron 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, planteando la precisión es de 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 llevados a cabo por otros equipos en barcos en movimiento, lo que le llevó a desarrollar el efecto Eötvös para explicar las pequeñas diferencias que midieron. Esto se debió a las fuerzas de aceleración adicionales debidas al movimiento de los barcos en relación con la Tierra, un efecto que se demostró en un viaje 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 entre 2 y 5 mil millones. [5] Robert H. Dicke con PG Roll y R. Krotkov repitieron el experimento mucho más tarde utilizando aparatos mejorados y mejoraron aún más la precisión a 1 en 100 mil millones. [6] [7] También hicieron varias observaciones sobre el experimento original que sugirieron que la precisión afirmada era algo sospechosa. Reexaminar los datos a la luz de estas preocupaciones condujo a 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, lo que llevó a una nueva serie de experimentos 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 un nuevo examen de los datos originales de Eötvös, incluidos estudios detallados de la estratigrafía local , la distribución física del Instituto de Física (que Eötvös había diseñado personalmente), e incluso el clima y otros efectos. Por tanto, el experimento está bien registrado. [14]
Pruebas sobre el principio de equivalencia