Experiência de Eötvös - Eötvös experiment

Veja também: Princípio de equivalência

O experimento de Eötvös foi um famoso experimento de física que mediu a correlação entre a massa inercial e a massa gravitacional , demonstrando que as duas eram a mesma coisa, algo que havia muito se suspeitava, mas nunca foi demonstrado com a mesma precisão. Os primeiros experimentos foram feitos por Isaac Newton (1642-1727) e aprimorados por Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846). Um experimento muito mais preciso usando uma balança de torção foi realizado por Loránd Eötvöscomeçando por volta de 1885, com mais melhorias em uma longa corrida entre 1906 e 1909. A equipe de Eötvös seguiu isso com uma série de experimentos semelhantes, mas mais precisos, bem como experimentos com diferentes tipos de materiais e em diferentes locais ao redor da Terra, todos os quais demonstrou a mesma equivalência em massa. Por sua vez, esses experimentos levaram ao entendimento moderno do princípio de equivalência codificado na relatividade geral , que afirma que as massas gravitacional e inercial são as mesmas.

É suficiente que a massa inercial seja proporcional à massa gravitacional. Qualquer constante multiplicativa será absorvida na definição da unidade de força .

Experiência original de Eötvös

Se a razão de F 1 para F 2 fosse diferente da razão de G 1 para G 2 , a barra giraria. O espelho é usado para monitorar a rotação.
Direção da força centrífuga em relação à gravidade na superfície da terra.

O dispositivo experimental original de Eötvös consistia em duas massas em extremidades opostas de uma haste, pendurada em uma fibra fina. Um espelho preso à haste, ou fibra, refletia a luz em um pequeno telescópio . Mesmo pequenas mudanças na rotação da haste fariam com que o feixe de luz fosse desviado, o que por sua vez causaria uma mudança perceptível quando ampliado pelo telescópio.

Visto do quadro de referência da Terra (ou "quadro de laboratório", que não é um quadro de referência inercial), as forças primárias que agem sobre as massas equilibradas são a tensão da corda, a gravidade e a força centrífuga devido à rotação do Terra. A gravidade é calculada pela lei da gravitação universal de Newton , que depende da massa gravitacional. A força centrífuga é calculada pelas leis de movimento de Newton e depende da massa inercial.

O experimento foi organizado de forma que, se os dois tipos de massas fossem diferentes, as duas forças não agiriam exatamente da mesma maneira nos dois corpos e, com o tempo, a haste giraria. Como visto do "quadro de laboratório" giratório, a tensão da corda mais a (muito menor) força centrífuga cancela o peso (como vetores), enquanto visto de qualquer quadro inercial a soma (vetorial) do peso e a tensão fazem o objeto gire junto com a terra.

Para que a barra fique em repouso na estrutura do laboratório, as reações, na barra, das tensões que atuam em cada corpo, devem criar um torque líquido nulo (o único grau de liberdade é a rotação no plano horizontal). Supondo que o sistema estivesse constantemente em repouso - isto significa equilíbrio mecânico (ou seja, forças líquidas e torques zero) - com os dois corpos pendurados também em repouso, mas tendo diferentes forças centrífugas sobre eles e, conseqüentemente, exercendo diferentes torques na haste por meio das reações das tensões, a haste giraria espontaneamente, em contradição com nossa suposição de que o sistema está em repouso. Portanto, o sistema não pode existir neste estado; qualquer diferença entre as forças centrífugas nos dois corpos colocará a haste em rotação.

Outras melhorias

Experimentos iniciais por volta de 1885 demonstraram que não havia diferença aparente, e Eötvös melhorou o experimento para demonstrar isso com mais precisão. Em 1889, ele usou o dispositivo com diferentes tipos de materiais de amostra para ver se havia alguma mudança na força gravitacional devido aos materiais. Este experimento provou que nenhuma mudança poderia ser medida, com uma precisão declarada de 1 em 20 milhões. Em 1890, ele publicou esses resultados, bem como uma medição da massa da Colina Gellért em Budapeste .

No ano seguinte, ele começou a trabalhar em uma versão modificada do dispositivo, que chamou de "variômetro horizontal". Isso modificou ligeiramente o layout básico para colocar uma das duas massas restantes pendurada na extremidade da haste em uma fibra própria, em vez de ser fixada diretamente na extremidade. Isso permitiu medir a torção em duas dimensões e, por sua vez, a componente horizontal local de g . Também era muito mais preciso. Agora geralmente conhecido como balança de Eötvös , este dispositivo é comumente usado hoje em dia na prospecção procurando por concentrações de massa locais.

Usando o novo dispositivo, uma série de experimentos levando 4.000 horas foi realizada com Dezsö Pekár (1873–1953) e Jenő Fekete (1880–1943) começando em 1906. Estes foram apresentados pela primeira vez na 16ª Conferência Geodésica Internacional em Londres em 1909, levantando a precisão para 1 em 100 milhões. Eötvös morreu em 1919, e as medições completas só foram publicadas em 1922 por Pekár e Fekete.

Estudos relacionados

Eötvös também estudou experimentos semelhantes realizados por outras equipes em navios em movimento, o que o levou ao desenvolvimento do efeito Eötvös para explicar as pequenas diferenças que mediram. Isso se deveu às forças de aceleração adicionais devido ao movimento dos navios em relação à Terra, um efeito que foi demonstrado em uma corrida adicional realizada no Mar Negro em 1908.

Na década de 1930, um ex-aluno de Eötvös, János Renner (1889–1976), melhorou ainda mais os resultados para 1 em 2 a 5 bilhões. Robert H. Dicke com PG Roll e R. Krotkov refizeram o experimento muito mais tarde usando aparelhos aprimorados e melhoraram ainda mais a precisão para 1 em 100 bilhões. Eles também fizeram várias observações sobre o experimento original, o que sugeriu que a precisão alegada era um tanto suspeita. O reexame dos dados à luz dessas preocupações levou a um efeito aparentemente muito leve que parecia sugerir que o princípio de equivalência não era exato e mudou com diferentes tipos de material.

Na década de 1980, várias novas teorias da física tentando combinar gravitação e mecânica quântica sugeriam que a matéria e a antimatéria seriam afetadas de maneira ligeiramente diferente pela gravidade . Combinado com as afirmações de Dicke, parecia haver uma possibilidade de que tal diferença pudesse ser medida, isso levou a uma nova série de experimentos do tipo Eötvös (bem como quedas cronometradas em colunas evacuadas) que eventualmente não demonstraram tal efeito.

Um efeito colateral desses experimentos foi um reexame dos dados originais de Eötvös, incluindo estudos detalhados da estratigrafia local , o layout físico do Instituto de Física (que Eötvös havia projetado pessoalmente) e até mesmo o clima e outros efeitos. O experimento é, portanto, bem registrado.

Tabela de medições ao longo do tempo

Testes sobre o princípio de equivalência

investigador Ano Método Sensibilidade média
Giovanni Filopono 500 AD? Torre de queda "pequeno"
Simon Stevin 1585 Torre de queda 5x10 −2
Galileo Galilei 1590? Pendulum, Drop Tower 2x10 −2
Isaac Newton 1686 Pêndulo 10 −3
Friedrich Wilhelm Bessel 1832 Pêndulo 2x10 −5
Sulistas 1910 Pêndulo 5x10 -6
Zeeman 1918 Balança de torção 3x10 -8
Loránd Eötvös 1922 Balança de torção 5x10 -9
Oleiro 1923 Pêndulo 3x10 -6
Renner 1935 Balança de torção 2x10 -9
Dicke, Roll, Krotkov 1964 Balança de torção 3x10 -11
Braginsky, Panov 1972 Balança de torção 10 -12
Shapiro 1976 Lunar Laser Ranging 10 -12
Keizer, Faller 1981 Suporte de fluido 4x10 -11
Niebauer, et al. 1987 Torre de queda 10 -10
Heckel, et al. 1989 Balança de torção 10 -11
Adelberger, et al. 1990 Balança de torção 10 -12
Baeßler, et al. 1999 Balança de torção 5x10 -13
Adelberger, et al. 2006 Balança de torção 10 -13
Adelberger, et al. 2008 Balança de torção 3x10 -14
MICROSCÓPIO 2017 Órbita de satélite 10 -15

Veja também

Referências

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