Эксперимент Этвеша был известным физическим экспериментом, который измерял корреляцию между инертной массой и гравитационной массой , демонстрируя, что это одно и то же, что давно подозревалось, но никогда не демонстрировалось с той же точностью. Самые ранние эксперименты были проведены Исааком Ньютоном (1642–1727) и улучшены Фридрихом Вильгельмом Бесселем (1784–1846). [1] Гораздо более точный эксперимент с использованием крутильных весов был проведен Лорандом Этвешем, начиная примерно с 1885 года, с дальнейшими улучшениями в течение длительного периода между 1906 и 1909 годами. Команда Этвеша последовала за этим серией похожих, но более точных экспериментов, а также экспериментов с различными типами материалов и в разных местах по всей Земле, все из которых продемонстрировали одинаковую эквивалентность по массе. В свою очередь, эти эксперименты привели к современному пониманию принципа эквивалентности, заложенного в общей теории относительности , который гласит, что гравитационная и инертная массы одинаковы.
Достаточно, чтобы инертная масса была пропорциональна гравитационной массе. Любая мультипликативная константа будет поглощена в определении единицы силы . [2]
Оригинальное экспериментальное устройство Этвеша состояло из двух масс на противоположных концах стержня, подвешенных к тонкому волокну. Зеркало, прикрепленное к стержню или волокну, отражало свет в небольшой телескоп . Даже крошечные изменения во вращении стержня вызывали отклонение светового луча, что, в свою очередь, вызывало заметное изменение при увеличении телескопом.
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, возникающая из-за вращения Земли. Гравитация рассчитывается по закону всемирного тяготения Ньютона , который зависит от гравитационной массы. Центробежная сила рассчитывается по законам движения Ньютона и зависит от инертной массы.
Эксперимент был поставлен так, что если 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 отменяют вес (как векторы), тогда как с любой инерциальной системы отсчета (векторная) сумма веса и натяжения заставляет объект вращаться вместе с Землей.
Чтобы стержень находился в состоянии покоя в лабораторной системе отсчета, реакции на стержне напряжений, действующих на каждое тело, должны создавать нулевой чистый крутящий момент (единственная степень свободы — вращение в горизонтальной плоскости). Предположим, что система постоянно находится в состоянии покоя — это означает механическое равновесие (т. е. чистые силы и крутящие моменты равны нулю) — с двумя телами, таким образом, висящими также в состоянии покоя, но имеющими на себе различные центробежные силы и, следовательно, оказывающими различные крутящие моменты на стержень через реакции напряжений, тогда стержень будет самопроизвольно вращаться, что противоречит нашему предположению, что система находится в состоянии покоя. Таким образом, система не может существовать в этом состоянии; любая разница между центробежными силами на двух телах приведет стержень во вращение.
Первоначальные эксперименты около 1885 года показали, что не было никакой очевидной разницы, 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 никакое такое изменение не может быть измерено, с заявленной точностью 1 к 20 миллионам. В 1890 году он опубликовал эти результаты, а также измерение массы горы Геллерт в Будапеште . [3]
В следующем году он начал работу над модифицированной версией устройства, которое он назвал «горизонтальным вариометром». Это немного изменило базовую схему, чтобы поместить одну из двух масс покоя, свисающих с конца стержня на его собственном волокне, а не прикрепленных непосредственно к концу. Это позволило ему измерять кручение в двух измерениях, и, в свою очередь, локальную горизонтальную составляющую g . Это также было намного точнее. Теперь обычно называемое весами Этвеша , это устройство сегодня широко используется в геологоразведке для поиска локальных концентраций массы.
Используя новое устройство, Дежё Пекар (1873–1953) и Йенё Фекете (1880–1943) провели серию экспериментов, занявшую 4000 часов, начиная с 1906 года. Впервые они были представлены на 16-й Международной геодезической конференции в Лондоне в 1909 году, увеличив точность до 1 к 100 миллионам. [4] Этвёш умер в 1919 году, а полные измерения были опубликованы только в 1922 году Пекаром и Фекете.
Этвеш также изучал подобные эксперименты, проводимые другими командами на движущихся кораблях, что привело к разработке эффекта Этвеша для объяснения небольших различий, которые они измеряли. Они были вызваны дополнительными ускоряющими силами, вызванными движением кораблей относительно Земли, эффект, который был продемонстрирован в дополнительном запуске, проведенном на Черном море в 1908 году.
В 1930-х годах бывший ученик Этвеша Янош Реннер (1889–1976) еще больше улучшил результаты до 1 из 2 до 5 миллиардов. [5] Роберт Х. Дикке с ПГ Роллом и Р. Кротковым гораздо позже повторили эксперимент, используя улучшенную аппаратуру, и еще больше улучшили точность до 1 из 100 миллиардов. [6] [7] Они также сделали несколько наблюдений относительно первоначального эксперимента, которые предполагали, что заявленная точность была несколько подозрительной. Повторное изучение данных в свете этих опасений привело к очевидному очень слабому эффекту, который, по-видимому, предполагал, что принцип эквивалентности не был точным и изменялся в зависимости от различных типов материала.
В 1980-х годах несколько новых физических теорий, пытающихся объединить гравитацию и квантовую механику, предположили, что материя и антиматерия будут немного по-разному подвергаться воздействию гравитации . В сочетании с утверждениями Дикке, казалось, была возможность измерить такую разницу, что привело к новой серии экспериментов типа Этвеша (а также синхронизированных падений в вакуумных колоннах), которые в конечном итоге не продемонстрировали такого эффекта. [8] [9] [10] [11] [12] [13]
Побочным эффектом этих экспериментов стало повторное изучение исходных данных Этвеша, включая детальные исследования местной стратиграфии , физического расположения Физического института (который Этвеш лично спроектировал), и даже погодных и других эффектов. Таким образом, эксперимент хорошо зафиксирован. [14]
Тесты по принципу эквивалентности