Эксперимент Этвёша - Eötvös experiment

Смотрите также: Принцип эквивалентности

В Эксперимент Этвёша был известным физика эксперимент, который измерил корреляцию между инертная масса и гравитационная масса, демонстрируя, что это одно и то же, что давно подозревалось, но никогда не демонстрировалось с одинаковой точностью. Самые ранние эксперименты были выполнены Исаак Ньютон (1642–1727) и усовершенствован Фридрих Вильгельм Бессель (1784–1846).[1] Гораздо более точный эксперимент с использованием торсионный баланс был выполнен Лоранд Этвеш начиная примерно с 1885 года, с дальнейшими улучшениями в течение длительного периода между 1906 и 1909 годами. Команда Этвёша последовала за этим с серией аналогичных, но более точных экспериментов, а также экспериментов с различными типами материалов и в разных местах по всей Земле, причем все они были продемонстрировал такую ​​же эквивалентность по массе. В свою очередь, эти эксперименты привели к современному пониманию принцип эквивалентности закодировано в общая теория относительности, который утверждает, что гравитационная и инертная массы одинаковы.

Достаточно, чтобы инертная масса была пропорциональный к гравитационной массе. Любая мультипликативная константа будет включена в определение единицы измерения сила.[2]

Оригинальный эксперимент Этвёша

Если соотношение F1 к F2 отличается от отношения G1 к G2, стержень будет вращаться. Зеркало используется для наблюдения за вращением.
Направление центробежной силы относительно силы тяжести на поверхности земли.

Оригинальное экспериментальное устройство Этвёша состояло из двух масс на противоположных концах стержня, подвешенных на тонком волокне. Зеркало, прикрепленное к стержню или волокну, отражало свет в небольшой телескоп. Даже крошечные изменения во вращении стержня могут вызвать отклонение светового луча, что, в свою очередь, приведет к заметному изменению при увеличении в телескоп.

Как видно из системы отсчета Земли (или «лабораторной системы отсчета», которая не является инерциальной системой отсчета), основными силами, действующими на уравновешенные массы, являются натяжение струны, гравитация и центробежная сила из-за вращения Земли. Гравитация рассчитывается по Закон всемирного тяготения Ньютона, который зависит от гравитационной массы. Центробежная сила рассчитывается по формуле Законы движения Ньютона и зависит от инертной массы.

Эксперимент был устроен так, что если бы два типа масс были разными, эти две силы не будут действовать одинаково на два тела, и со временем стержень будет вращаться. Как видно из вращающейся «лабораторной рамы», натяжение струны плюс (намного меньшая) центробежная сила компенсируют вес (как векторы), в то время как, как видно из любой инерциальной системы координат, (векторная) сумма веса и натяжения делает объект вращаются вместе с землей.

Чтобы стержень находился в состоянии покоя в лабораторной раме, реакции на стержень натяжений, действующих на каждое тело, должны создавать нулевой чистый крутящий момент (единственная степень свободы - это вращение в горизонтальной плоскости). Предположим, что система постоянно находится в состоянии покоя - это означает механическое равновесие (т. е. нулевые результирующие силы и крутящие моменты) - при этом два тела, таким образом, висят также в покое, но разные центробежных сил на них и, следовательно, приложения различных крутящих моментов к стержню через реакции натяжения, стержень тогда самопроизвольно вращался бы, что противоречит нашему предположению, что система находится в состоянии покоя. Итак, система не может существовать в этом состоянии; любая разница между центробежными силами на двух телах приведет к вращению стержня.

Дальнейшие улучшения

Первоначальные эксперименты около 1885 года показали, что очевидной разницы нет, и Этвеш улучшил эксперимент, чтобы продемонстрировать это с большей точностью. В 1889 году он использовал устройство с различными типами образцов материалов, чтобы увидеть, есть ли какие-либо изменения в гравитационной силе из-за материалов. Этот эксперимент доказал, что такое изменение невозможно измерить с заявленной точностью 1 к 20 миллионам. В 1890 году он опубликовал эти результаты, а также результаты измерения массы Геллерт Хилл в Будапешт.[3]

В следующем году он начал работу над модифицированной версией прибора, которую назвал «горизонтальный вариометр». Это немного изменило базовую схему, чтобы разместить одну из двух опорных масс, свисающих с конца стержня, на собственном волокне, а не прикреплять непосредственно к концу. Это позволило измерить кручение в двух измерениях и, в свою очередь, локальную горизонтальную составляющую грамм. К тому же это было намного точнее. Сейчас его обычно называют Баланс Eötvös, это устройство сегодня широко используется в разведка путем поиска локальных массовых концентраций.

Используя новое устройство, с 1906 г. была проведена серия экспериментов продолжительностью 4000 часов с Дезсе Пекаром (1873–1953) и Йену Фекете (1880–1943). Впервые они были представлены на 16-й Международной геодезической конференции в Лондоне в 1909 г. точность до 1 из 100 миллионов.[4] Этвеш умер в 1919 году, а полные измерения были опубликованы только в 1922 году Пекаром и Фекете.

Связанные исследования

Этвеш также изучал аналогичные эксперименты, проводимые другими командами на движущихся кораблях, что привело к его разработке Эффект Этвёша чтобы объяснить небольшие различия, которые они измерили. Это было связано с дополнительными ускоряющими силами, вызванными движением кораблей относительно Земли, эффект, который был продемонстрирован на дополнительном пробеге, проведенном на корабле. Черное море в 1908 г.

В 1930-х годах бывший ученик Этвёша Янош Реннер (1889–1976) улучшил результаты до 1 из 2-5 миллиардов.[5] Роберт Х. Дике с П. Г. Роллом и Р. Кротковым повторно провели эксперимент намного позже, используя улучшенную аппаратуру, и дополнительно повысили точность до 1 к 100 миллиардам.[6] Они также сделали несколько наблюдений по поводу первоначального эксперимента, которые позволили предположить, что заявленная точность была несколько сомнительной. Повторное изучение данных в свете этих опасений привело к очевидному очень небольшому эффекту, который, казалось, предполагал, что принцип эквивалентности не был точным и изменялся с разными типами материалов.

В 1980-х годах несколько новых физических теорий пытались объединить гравитацию и квантовая механика предложил этот вопрос и антиматерия будет затронута немного иначе по силе тяжести. В сочетании с утверждениями Дике появилась вероятность того, что такую ​​разницу можно измерить, что привело к новой серии экспериментов типа Этвёша (а также к падениям по времени в эвакуированных колоннах), которые в конечном итоге не продемонстрировали такого эффекта.[7][8][9][10][11][12]

Побочным эффектом этих экспериментов был пересмотр исходных данных Этвёша, включая подробные исследования местных стратиграфия, физическая планировка Физического института (которую Этвеш лично спроектировал) и даже погодные и другие эффекты. Таким образом, эксперимент хорошо записан.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Марко Мамоне Каприя (2005). Физика до и после Эйнштейна. Амстердам: IOS Press. п. 167. ISBN  1-58603-462-6.
  2. ^ Брюэр, Джесс Х. (1998). «Эксперимент Этвёша».
  3. ^ Р. фон Этвеш, Mathematische und Naturwissenschaftliche Berichte aus Ungarn, 8, 65, 1890
  4. ^ Р. фон Этвеш, в Verhandlungen der 16 Allgemeinen Konferenz der Internationalen Erdmessung, Г. Райнер, Берлин, 319,1910
  5. ^ Реннер, Дж. (1935). "KSÉRLETI VIZSGÁLATOK A TÖMEGVONZÁS ÉS A TEHETLENSÉG ARÁNYOSSÁGÁRL" (PDF). Matematikai és Természettudományi Értesítő (на венгерском). 53: 542–568., с аннотацией на немецком языке
  6. ^ Roll, P.G; Кротков, Р; Дике, Р. Х (1964). «Эквивалентность инертной и пассивной гравитационной массы». Анналы физики. Elsevier BV. 26 (3): 442–517. Bibcode:1964AnPhy..26..442R. Дои:10.1016/0003-4916(64)90259-3. ISSN  0003-4916.
  7. ^ Фишбах, Ефрем; Сударский, Даниил; Шафер, Аарон; Талмадж, Каррик; Аронсон, С. Х. (31 марта 1986 г.). «Повторный анализ эксперимента Этвёша». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 56 (13): 1427. Дои:10.1103 / Physrevlett.56.1427. ISSN  0031-9007.
  8. ^ Тодберг, Ханс Хенрик (1 августа 1986 г.). «Комментарий к знаку в повторном анализе эксперимента Этвёша». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 57 (9): 1192. Дои:10.1103 / Physrevlett.57.1192.5. ISSN  0031-9007.
  9. ^ Chu, S. Y .; Дике, Р. Х. (13 октября 1986 г.). «Новая сила или температурный градиент в эксперименте Этвёша?». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 57 (15): 1823–1824. Bibcode:1986ПхРвЛ..57.1823С. Дои:10.1103 / Physrevlett.57.1823. ISSN  0031-9007.
  10. ^ Vecsernyés, P. (15 июня 1987 г.). «Ограничения на векторную связь с барионным числом из эксперимента Этвёша». Физический обзор D. Американское физическое общество (APS). 35 (12): 4018–4019. Bibcode:1987ПхРвД..35.4018В. Дои:10.1103 / Physrevd.35.4018. ISSN  0556-2821.
  11. ^ Нордтведт, Кеннет (15 февраля 1988 г.). «Лазерная локация Луны и лабораторные эксперименты типа Этвёша». Физический обзор D. Американское физическое общество (APS). 37 (4): 1070–1071. Bibcode:1988ПхРвД..37.1070Н. Дои:10.1103 / Physrevd.37.1070. ISSN  0556-2821.
  12. ^ Беннетт, Вм. Р. (23 января 1989 г.). «Эксперимент Этвёша с модулированным источником в Little Goose Lock». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 62 (4): 365–368. Bibcode:1989ПхРвЛ..62..365Б. Дои:10.1103 / Physrevlett.62.365. ISSN  0031-9007.
  13. ^ Bod, L .; Fischbach, E .; Маркс, Г .; Нарай-Зиглер, Мария (31 августа 1990 г.). «Сто лет эксперимента Этвёша». Архивировано из оригинал 22 октября 2012 г.