Эксперимент Этвеша
Эксперимент Этвёша был знаменитым физическим экспериментом, в котором измерялась корреляция между инертной массой и гравитационной массой , демонстрируя, что это одно и то же, то, о чем давно подозревали, но никогда не демонстрировали с такой же точностью. Самые ранние эксперименты были проведены Исааком Ньютоном (1642–1727) и усовершенствованы Фридрихом Вильгельмом Бесселем (1784–1846). [ 1 ] Гораздо более точный эксперимент с использованием торсионных весов был проведен Лорандом Этвосом примерно в 1885 году, с дальнейшими улучшениями в течение длительного периода между 1906 и 1909 годами. За этим команда Этвоса провела серию аналогичных, но более точных экспериментов, а также экспериментов с из разных типов материалов и в разных местах Земли, и все они демонстрировали одинаковую эквивалентность массы. В свою очередь, эти эксперименты привели к современному пониманию принципа эквивалентности, закодированного в общей теории относительности , которая утверждает, что гравитационная и инертная массы одинаковы.
Достаточно, чтобы инертная масса была пропорциональна гравитационной массе. Любая мультипликативная константа будет включена в определение единицы силы . [ 2 ]
Оригинальный эксперимент Этвёша
[ редактировать ]
Первоначальное 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 малейшие изменения во вращении стержня могут привести к отклонению светового луча, что, в свою очередь, приведет к заметным изменениям при увеличении телескопом.
Как видно из земной системы отсчета (или «лабораторной системы», которая не является инерциальной системой отсчета), основными силами, действующими на уравновешенные массы, являются натяжение струны, гравитация и центробежная сила, возникающая из-за вращения Земля. Гравитация рассчитывается по закону всемирного тяготения Ньютона , который зависит от гравитационной массы. Центробежная сила рассчитывается по законам движения Ньютона и зависит от инерционной массы.
Эксперимент был поставлен так, что если бы два типа масс были разными, то две силы не будут действовать на два тела совершенно одинаково, и со временем стержень будет вращаться. Как видно из вращающейся «лабораторной системы отсчета», натяжение струны плюс (гораздо меньшая) центробежная сила нейтрализуют вес (как векторы), тогда как, как видно из любой инерциальной системы отсчета, (векторная) сумма веса и натяжения делает объект вращаться вместе с Землей.
Чтобы стержень находился в состоянии покоя в лабораторной раме, реакции на стержне напряжений, действующих на каждое тело, должны создавать нулевой суммарный крутящий момент (единственная степень свободы - это вращение в горизонтальной плоскости). Предположим, что система постоянно находится в состоянии покоя – это означает механическое равновесие (т.е. суммарные силы и крутящие моменты равны нулю) – при этом два тела также висят в состоянии покоя, но действуют на них разные центробежные силы и, следовательно, оказывают на стержень разные крутящие моменты посредством реакций Из-за напряжений стержень тогда будет самопроизвольно вращаться, что противоречит нашему предположению, что система покоится. Таким образом, система не может существовать в этом состоянии; любая разница между центробежными силами двух тел приведет стержень во вращение.
Дальнейшие улучшения
[ редактировать ]Первоначальные эксперименты, проведенные примерно в 1885 году, показали, что видимой разницы нет, и Этвос усовершенствовал 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 холма Геллерт в Будапеште . [ 3 ]
В следующем году он приступил к работе над модифицированной версией прибора, который назвал «горизонтальным вариометром». Это немного изменило базовую компоновку: одну из двух остальных масс свисали с конца стержня на собственном волокне, а не прикрепляли непосредственно к концу. Это позволило измерить кручение в двух измерениях и, в свою очередь, локальную горизонтальную составляющую g . Это также было намного точнее. Это устройство, которое сейчас обычно называют весами Этвеша , сегодня широко используется в геологоразведочных работах для поиска локальных концентраций массы.
С использованием нового устройства, начиная с 1906 года, совместно с Дежё Пекаром (1873–1953) и Йене Фекете (1880–1943) была проведена серия экспериментов продолжительностью 4000 часов. Впервые они были представлены на 16-й Международной геодезической конференции в Лондоне в 1909 году, подняв точность до 1 на 100 миллионов. [ 4 ] Этвёш умер в 1919 году, а полные измерения были опубликованы Пекаром и Фекете только в 1922 году.
Связанные исследования
[ редактировать ]Этвёш также изучал аналогичные эксперименты, проводимые другими командами на движущихся кораблях, что привело к его разработке эффекта Этвёша , чтобы объяснить небольшие различия, которые они измеряли. Это произошло из-за дополнительных ускоряющих сил, вызванных движением кораблей относительно Земли, эффект, который был продемонстрирован при дополнительном пробеге, проведенном на Черном море в 1908 году.
В 1930-х годах бывший ученик Этвеша Янош Реннер (1889–1976) еще больше улучшил результаты до уровня от 1 из 2 до 5 миллиардов. [ 5 ] Роберт Х. Дике , П. Г. Ролл и Р. Кротков повторно провели эксперимент намного позже, используя улучшенное оборудование, и еще больше повысили точность до 1 на 100 миллиардов. [ 6 ] [ 7 ] Они также сделали несколько наблюдений по поводу первоначального эксперимента, которые показали, что заявленная точность была несколько подозрительной. Повторное изучение данных в свете этих опасений привело к явному очень незначительному эффекту, который, по-видимому, предполагал, что принцип эквивалентности не является точным и меняется в зависимости от типа материала.
В 1980-х годах несколько новых физических теорий, пытавшихся объединить гравитацию и квантовую механику, будет воздействовать на материю и антиматерию несколько предположили, что гравитация по-разному . В сочетании с утверждениями Дике, казалось, существовала возможность измерения такой разницы, что привело к новой серии экспериментов типа Этвёша (а также временных падений в вакуумированных колоннах), которые в конечном итоге не продемонстрировали такого эффекта. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
Побочным эффектом этих экспериментов стал пересмотр исходных данных Этвоса, включая детальные исследования местной стратиграфии , физической планировки Физического института (который Этвос лично спроектировал) и даже погоды и других эффектов. Таким образом, эксперимент хорошо зафиксирован. [ 14 ]
Таблица измерений с течением времени
[ редактировать ]Испытания по принципу эквивалентности
| Исследователь | Год | Метод | Средняя чувствительность |
| Иоанн Филопон | 517 г. н.э. | Падение башни | "маленький" |
| Саймон Стевин | 1585 | Падение башни | 5 × 10 −2 |
| Галилео Галилей | 1590? | Маятник, Падающая Башня | 2 × 10 −2 |
| Исаак Ньютон | 1686 | Маятник | 1 × 10 −3 |
| Фридрих Вильгельм Бессель | 1832 | Маятник | 2 × 10 −5 |
| южане | 1910 | Маятник | 5 × 10 −6 |
| Зееман | 1918 | Торсионный баланс | 3 × 10 −8 |
| Лоранд Этвос | 1922 | Торсионный баланс | 5 × 10 −9 |
| Поттер | 1923 | Маятник | 3 × 10 −6 |
| Реннер | 1935 | Торсионный баланс | 2 × 10 −9 |
| Dicke, Roll, Krotkov | 1964 | Торсионный баланс | 3 × 10 −11 |
| Брагинский, Панов | 1972 | Торсионный баланс | 1 × 10 −12 |
| Шапиро | 1976 | Лунная лазерная локация | 1 × 10 −12 |
| Император, Фаллер | 1981 | Поддержка жидкости | 4 × 10 −11 |
| Нибауэр и др. | 1987 | Падение башни | 1 × 10 −10 |
| Хекель и др. | 1989 | Торсионный баланс | 1 × 10 −11 |
| Адельбергер и др. | 1990 | Торсионный баланс | 1 × 10 −12 |
| Бэсслер и др. [ 15 ] | 1999 | Торсионный баланс | 5 × 10 −13 |
| Адельбергер и др. [ 16 ] | 2006 | Торсионный баланс | 1 × 10 −13 |
| Адельбергер и др. [ 17 ] | 2008 | Торсионный баланс | 3 × 10 −14 |
| МИКРОСКОП [ 18 ] | 2017 | Спутниковая орбита | 1 × 10 −15 |
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Марко Мамоне Каприя (2005). Физика до и после Эйнштейна . Амстердам: IOS Press. п. 167. ИСБН 1-58603-462-6 .
- ^ Брюэр, Джесс Х. (1998). «Эксперимент Этвеша» .
- ^ Р.в. Этвёш, Математические и научные отчеты из Венгрии , 8, 65, 1890 г.
- ^ Р.в. Этвос, в протоколах 16-й Генеральной конференции по международным измерениям Земли , Г. Райнер, Берлин, 319,1910 г.
- ^ Реннер, Дж. (1935). «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СООТНОШЕНИЯ ПРИВЛЕЧЕНИЯ ТОЛПЫ И НЕВОЗМОЖНОСТИ» (PDF) . Бюллетень математики и естественных наук (на венгерском языке). 53 : 542–568. , с аннотацией на немецком языке
- ^ Ролл, ПГ; Кротков Р.; Дике, Р.Х. (1964). «Эквивалентность инертной и пассивной гравитационной массы». Анналы физики . 26 (3). Эльзевир Б.В.: 442–517. Бибкод : 1964AnPhy..26..442R . дои : 10.1016/0003-4916(64)90259-3 . ISSN 0003-4916 .
- ^ Дике, Роберт Х. (декабрь 1961 г.). «Эксперимент Этвеша». Научный американец . 205 (205, 6): 84–95. doi : 10.1038/scientificamerican1261-84 .
- ^ Фишбах, Ефрем; Сударский, Дэниел; Сафер, Аарон; Талмадж, Каррик; Аронсон, Ш. (31 марта 1986 г.). «Реанализ эксперимента Этвеша» . Письма о физических отзывах . 56 (13). Американское физическое общество (APS): 1427. doi : 10.1103/physrevlett.56.1427 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Тодберг, Ганс Хенрик (1 августа 1986 г.). «Комментарий к знаку в реанализе эксперимента Этвеша» . Письма о физических отзывах . 57 (9). Американское физическое общество (APS): 1192. doi : 10.1103/physrevlett.57.1192.5 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Чу, С.Ю.; Дике, Р.Х. (13 октября 1986 г.). «Новая сила или тепловой градиент в эксперименте Этвеша?». Письма о физических отзывах . 57 (15). Американское физическое общество (APS): 1823–1824 гг. Бибкод : 1986PhRvL..57.1823C . doi : 10.1103/physrevlett.57.1823 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10033558 .
- ^ Весерньес, П. (15 июня 1987 г.). «Ограничения на векторную связь с барионным числом из эксперимента Этвёша». Физический обзор D . 35 (12). Американское физическое общество (APS): 4018–4019. Бибкод : 1987ФРвД..35.4018В . дои : 10.1103/physrevd.35.4018 . ISSN 0556-2821 . ПМИД 9957666 .
- ^ Нордтведт, Кеннет (15 февраля 1988 г.). «Лунная лазерная локация и лабораторные эксперименты типа Этвёша». Физический обзор D . 37 (4). Американское физическое общество (APS): 1070–1071. Бибкод : 1988PhRvD..37.1070N . дои : 10.1103/physrevd.37.1070 . ISSN 0556-2821 . ПМИД 9958777 .
- ^ Беннетт, У.М. Р. (23 января 1989 г.). «Эксперимент Этвеша с модулированным источником в шлюзе Little Goose». Письма о физических отзывах . 62 (4). Американское физическое общество (APS): 365–368. Бибкод : 1989PhRvL..62..365B . дои : 10.1103/physrevlett.62.365 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10040214 .
- ^ Бод, Л.; Фишбах, Э.; Маркс, Г.; Нарай-Зиглер, Мария (31 августа 1990 г.). «Сто лет эксперимента Этвеша» . Архивировано из оригинала 22 октября 2012 года.
- ^ Физика. Преподобный Летт. 83(18), 3585 (1999); «Копия архивная» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 сентября 2006 года . Проверено 26 апреля 2008 г.
- ^ Физика. Преподобный Летт. 97, 021603 (2006); «Копия архивная» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 8 декабря 2006 года . Проверено 26 апреля 2008 г.
- ^ Физика. Преподобный Летт. 100, 041101 (2008); «Копия архивная» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 февраля 2010 года . Проверено 26 апреля 2008 г.
- ^ Бракс, Филипп (14 сентября 2022 г.). «Спутник подтверждает принцип падения» . Физика . 15 (94). Американское физическое общество (APS): 94. doi : 10.1103/Physics.15.94 .