외뵈스 실험

Eötvös experiment
참고 항목:등가원리

외트보스 실험은 관성 질량과 중력 질량의 상관관계를 측정하는 유명한 물리학 실험으로, 오랫동안 의심받아 왔지만 결코 같은 정확도로 입증되지 않았던 두 실험이 하나라는 것을 증명했다.초기 실험은 아이작 뉴턴(1642–1727)에 의해 수행되었고 프리드리히 빌헬름 베셀(1784–1846)에 의해 개선되었다.[1]토션 밸런스를 이용한 훨씬 더 정확한 실험은 1885년경부터 로란트 외뵈에 의해 수행되었고, 1906년에서 1909년 사이에 장기간의 진행에서 추가적인 개선이 이루어졌다.Eötvös의 팀은 유사한 그러나 더 정확한 일련의 실험과 함께, 그리고 다른 종류의 물질과 지구 주위의 다른 위치에서 실험을 했는데, 이 실험들은 모두 질량에서 동일한 동등성을 보여주었다.결국 이러한 실험들은 중력과 관성질량이 같다는 것을 기술하는 일반상대성이론에 부호화된 등가성원리를 현대적으로 이해하게 되었다.

관성질량이 중력질량에 비례하기에 충분하다.모든 승법 상수는 힘의 단위의 정의에 흡수될 것이다.[2]

외베스의 독창적인 실험

F1 대 F의2 비율이 G1 대 G의2 비율과 다를 경우, 로드는 회전할 것이다.거울은 회전을 감시하는 데 사용된다.
지구 표면의 중력에 대한 원심력의 방향.

Eötvös의 원래 실험 장치는 얇은 섬유에 매달린 막대기의 반대쪽 끝에 두 개의 질량으로 구성되었다.막대기에 부착된 거울, 즉 섬유는 빛을 작은 망원경으로 반사시켰다.막대기의 회전이 조금만 바뀌어도 광선이 꺾이고, 이는 망원경으로 확대했을 때 눈에 띄는 변화를 일으킬 수 있다.

지구의 기준 프레임(또는 관성 기준 프레임이 아닌 "랩 프레임")에서 보듯이 균형 잡힌 질량에 작용하는 일차적인 힘은 지구의 자전에 따른 끈 장력, 중력, 원심력이다.중력은 중력 질량에 의존하는 뉴턴의 만유인력의 법칙에 의해 계산된다.원심력은 뉴턴의 운동 법칙에 의해 계산되며 관성 질량에 의존한다.

실험은 두 종류의 질량이 다를 경우 두 개의 힘이 정확히 같은 방식으로 두 몸에 작용하지 않고 시간이 지남에 따라 막대가 회전하도록 배치되었다.회전하는 "랩 프레임"에서 볼 수 있듯이, 끈 장력과 (아주 작은) 원심력이 무게를 상쇄하는 반면, 관성 프레임에서 볼 수 있듯이 무게와 장력의 (벡터) 합은 물체를 지구와 함께 회전하게 한다.

로드가 실험실 프레임에서 정지하기 위해서는 로드에서 각 신체에 작용하는 장력의 반응이 제로 순 토크를 생성해야 한다(수평면에서 자유도만 회전).시스템이 계속 정지 상태(즉, 기계적 평형(즉, 순력과 토크가 0))에 있고, 따라서 두 신체가 정지해 있지만, 원심력이 서로 달라서 결과적으로 긴장의 반응을 통해 로드에 다른 토크를 가한다고 가정할 때, 로드는 자연적으로 r이 발생하게 된다.체계가 정지해 있다는 우리의 가정과 모순되게, 오트.그러므로 이 시스템은 이 상태에서는 존재할 수 없다. 두 신체에 작용하는 원심력 사이의 차이는 막대기를 회전시킬 것이다.

추가 개선

1885년 전후의 초기 실험에서는 뚜렷한 차이가 없음을 증명하였고, 외트뵈스는 실험을 개선하여 이를 보다 정확하게 증명하였다.1889년에 그는 물질로 인해 중력에 변화가 있는지 알아보기 위해 다른 종류의 샘플 재료를 가진 장치를 사용했다.이 실험은 2000만분의 1의 정확도로 어떤 변화도 측정할 수 없다는 것을 증명했다.1890년에 그는 부다페스트에 있는 겔레르트 언덕의 질량을 측정하는 것뿐만 아니라, 이러한 결과를 발표했다.[3]

그 다음 해에 그는 "수평변동계"라고 불리는 장치의 변형된 버전을 연구하기 시작했다.이것은 기본적인 레이아웃을 약간 수정하여 막대의 끝에 매달린 두 개의 휴식 질량 중 하나를 끝에 직접 붙이는 것과는 반대로 그 자체의 섬유 위에 놓도록 했다.이를 통해 torsion을 2차원으로 측정할 수 있었고, g의 국부 수평 구성 요소도 측정할 수 있었다.그것은 또한 훨씬 더 정확했다.일반적으로 Eötvös 균형이라고 불리는 이 장치는 오늘날 일반적으로 국부적 질량 농도를 탐색하는 데 사용된다.

이 새로운 장치를 사용하여 1906년부터 데소 페카르(1873–1953)와 제노 페케트(1880–1943)를 대상으로 4000시간이 걸리는 일련의 실험이 수행되었다.이들은 1909년 런던에서 열린 제16차 국제지질학회에서 처음 제시돼 정확도가 1억분의 1로 높아졌다.[4]외트뵈스는 1919년에 사망하였고, 완전한 측정은 1922년에야 페카르와 페케테에 의해 발표되었다.

관련 연구

또한 외트뵈스는 움직이는 배에 대해 다른 팀들에 의해 수행되고 있는 유사한 실험들을 연구했고, 이로 인해 그가 외트뵈스 효과를 개발하여 그들이 측정한 작은 차이점을 설명하게 되었다.이는 1908년 흑해에서 수행된 추가 운행에서 입증된 효과인 지구와 관련한 선박들의 움직임에 따른 추가적인 가속력 때문이었다.

1930년대 에우tvövös의 전 학생인 야노스 레너(1889~1976)는 그 결과를 20억분의 1에서 50억분의 1로 더 향상시켰다.[5]P. G. 롤과 R. Krotkov를 가진 Robert H. Dicke는 훨씬 후에 개선된 장비를 사용하여 실험을 다시 시작했으며 정확도를 1,000억분의 1로 향상시켰다.[6][7]그들은 또한 주장된 정확성이 다소 의심스럽다는 것을 암시하는 원래의 실험에 대해 몇 가지 관찰을 했다.이러한 우려에 비추어 데이터를 재조사한 결과, 등가원리가 정확하지 않다는 것을 암시하는 것으로 보이는 매우 작은 효과가 나타났으며, 다른 유형의 재료로 변경되었다.

1980년대에 중력과 양자역학을 결합하려는 몇몇 새로운 물리학 이론들은 물질과 반물질은 중력에 의해 약간 다르게 영향을 받을 것이라고 제안했다.이러한 차이를 측정할 수 있는 가능성이 있는 것으로 보이는 디케의 주장과 결합하여, 이는 결국 그러한 영향을 전혀 보이지 않는 일련의 Eötvös형 실험(유출된 기둥의 타이밍에 따른 하락뿐만 아니라)으로 이어졌다.[8][9][10][11][12][13]

이러한 실험의 부작용은 국부적 계층화에 대한 상세한 연구, 물리학 연구소의 물리적 배치(Eötvös가 개인적으로 설계한 것), 날씨와 다른 영향까지 포함한 원래의 Eötvös 데이터를 재검사한 것이었다.그러므로 그 실험은 잘 기록되어 있다.[14]

시간별 측정값 표

동등성 원리에 대한 검정

연구원 연도 방법 평균감도
조반니 필로포노 서기 500년? 드롭 타워 "작은"
사이먼 스테빈 1585 드롭 타워 5x10−2
갈릴레오 갈릴레이 1590? 진자, 낙하탑 2x10−2
아이작 뉴턴 1686 진자 10−3
프리드리히 빌헬름 베셀 1832 진자 2x10−5
서던스 1910 진자 5x10−6
지만 1918 비틀림 균형 3x10−8
로란트 외뵈스 1922 비틀림 균형 5x10−9
포터 1923 진자 3x10−6
레너 1935 비틀림 균형 2x10−9
디케, 롤, 크로코프 1964 비틀림 균형 3x10−11
브라긴스키, 파노프 1972 비틀림 균형 10−12
샤피로 1976 달 레이저 레인지링 10−12
키저, 팔러 1981 유체 지지대 4x10−11
니에바우어 외 1987 드롭 타워 10−10
헤켈 등 1989 비틀림 균형 10−11
아델버거 외 1990 비틀림 균형 10−12
배글러 [15]외 1999 비틀림 균형 5x10−13
아델버거 [16]외 2006 비틀림 균형 10−13
아델버거 [17]외 2008 비틀림 균형 3x10−14
현미경 2017 위성 궤도 10−15

참고 항목

참조

  1. ^ Marco Mamone Capria (2005). Physics Before and After Einstein. Amsterdam: IOS Press. p. 167. ISBN 1-58603-462-6.
  2. ^ Brewer, Jess H. (1998). "The Eötvös Experiment".
  3. ^ R. v. Eövös, Mathalische und Naturwissenschaftliche Berichte aus Ungarn, 8, 65, 1890.
  4. ^ R. 대 Eötvös, Verhandlungen der 16 Allgemeinen Konferenz der Internationalen Erdmessung, G. Riner, 베를린, 319,1910
  5. ^ Renner, J. (1935). "KÍSÉRLETI VIZSGÁLATOK A TÖMEGVONZÁS ÉS A TEHETETLENSÉG ARÁNYOSSÁGÁRÓL" (PDF). Matematikai és Természettudományi Értesítő (in Hungarian). 53: 542–568., 독일어로 추상적임.
  6. ^ Roll, P.G; Krotkov, R; Dicke, R.H (1964). "The equivalence of inertial and passive gravitational mass". Annals of Physics. Elsevier BV. 26 (3): 442–517. Bibcode:1964AnPhy..26..442R. doi:10.1016/0003-4916(64)90259-3. ISSN 0003-4916.
  7. ^ Dicke, Robert H. (December 1961). "The Eötvös Experiment". Scientific American. 205 (205, 6): 84–95. doi:10.1038/scientificamerican1261-84.
  8. ^ Fischbach, Ephraim; Sudarsky, Daniel; Szafer, Aaron; Talmadge, Carrick; Aronson, S. H. (31 March 1986). "Reanalysis of the Eötvös Experiment". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 56 (13): 1427. doi:10.1103/physrevlett.56.1427. ISSN 0031-9007.
  9. ^ Thodberg, Hans Henrik (1 August 1986). "Comment on the Sign in the Reanalysis of the Eötvös Experiment". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 57 (9): 1192. doi:10.1103/physrevlett.57.1192.5. ISSN 0031-9007.
  10. ^ Chu, S. Y.; Dicke, R. H. (13 October 1986). "New Force or Thermal Gradient in the Eötvös Experiment?". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 57 (15): 1823–1824. Bibcode:1986PhRvL..57.1823C. doi:10.1103/physrevlett.57.1823. ISSN 0031-9007. PMID 10033558.
  11. ^ Vecsernyés, P. (15 June 1987). "Constraints on a vector coupling to baryon number from the Eötvös experiment". Physical Review D. American Physical Society (APS). 35 (12): 4018–4019. Bibcode:1987PhRvD..35.4018V. doi:10.1103/physrevd.35.4018. ISSN 0556-2821. PMID 9957666.
  12. ^ Nordtvedt, Kenneth (15 February 1988). "Lunar laser ranging and laboratory Eötvös-type experiments". Physical Review D. American Physical Society (APS). 37 (4): 1070–1071. Bibcode:1988PhRvD..37.1070N. doi:10.1103/physrevd.37.1070. ISSN 0556-2821. PMID 9958777.
  13. ^ Bennett, Wm. R. (23 January 1989). "Modulated-Source Eötvös Experiment at Little Goose Lock". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 62 (4): 365–368. Bibcode:1989PhRvL..62..365B. doi:10.1103/physrevlett.62.365. ISSN 0031-9007. PMID 10040214.
  14. ^ Bod, L.; Fischbach, E.; Marx, G.; Náray-Ziegler, Maria (31 Aug 1990). "One Hundred Years of the Eötvös Experiment". Archived from the original on October 22, 2012.
  15. ^ 83(18), 3585(1999년)의 레트(83조),
  16. ^ 물리적. 97, 021603(2006) 수정판
  17. ^ 물리적. 레트 100, 041101(2008)