En general, se enumeran tres principios de equivalencia : el principio "débil", el de Einstein y el principio "fuerte".
El primero es la observación de la igualdad entre la masa inercial y la masa gravitacional. Albert Einstein presenta el segundo como una "interpretación" del primero en términos de equivalencia local entre gravitación y aceleración (son localmente indistinguibles); es un elemento clave en la construcción de la relatividad general . El tercero es una extensión del segundo y también está verificado por la relatividad general.
Las verificaciones experimentales y observacionales de estos principios deben permitir, por su creciente precisión, eliminar las teorías de la gravitación que no se ajustan a la realidad en estos puntos precisos.
Observaciones terminológicasAlgunos autores distinguen, dentro del principio de equivalencia débil , dos principios, a saber: por un lado, el “principio de equivalencia de Galileo” según el cual la caída libre de los cuerpos es universal; y, por otro lado, el “principio de equivalencia de Newton” según el cual la masa gravitacional es igual a la masa inercial.
Algunos autores califican el principio de equivalencia de Einstein como un "principio de equivalencia fuerte" ; Luego describen el principio de equivalencia fuerte del "principio de equivalencia ultrafuerte" .
Este principio es una observación experimental, nunca negada y con consecuencias tanto teóricas como prácticas, elevado al rango de principio por inexplicado (por un principio más simple o más natural). El principio de equivalencia débil dice que la masa inercial y la masa gravitacional son iguales sea cual sea el cuerpo (de hecho se trata de su proporcionalidad, pero de esto deducimos que con una buena elección de unidades de medida, obtenemos su igualdad).
La consecuencia de este principio es que todos los cuerpos sometidos a un mismo campo gravitacional (y sin ninguna otra influencia externa, por lo tanto en el vacío ) caen simultáneamente cuando se liberan simultáneamente, cualquiera que sea su composición interna.
Esta observación de la simultaneidad de las cataratas se realizó ya en Galileo . Isaac Newton por su ley universal de gravitación demostró que esto era equivalente a la igualdad entre masa inercial y masa gravitacional, y experimentó con esta igualdad usando la comparación de las frecuencias de péndulos hechos de diferentes materiales.
Posteriormente, múltiples experimentadores probaron esta igualdad, reduciendo aún más la posible brecha entre estas dos masas.
Experimentador | Año | Método | Resultado |
Simon stevin | ~ 1586 | Deja caer bolas de plomo de diferentes pesos. | No se detectó diferencia |
Galileo Galilei | ~ 1610 | Hacer rodar bolas a lo largo de un plano inclinado | No se detectó diferencia |
Isaac Newton | ~ 1680 | Medición de los períodos de péndulos pesados de diferentes masas y materiales, pero de la misma longitud. | No se detectó diferencia |
Friedrich Wilhelm Bessel | 1832 | Mismo método que Newton | No se detectó diferencia |
Loránd Eötvös | 1908 | Balance de torsión: medida de la torsión de un alambre, del cual se suspende una varilla en cuyos extremos se colocan dos masas idénticas, sometidas a la gravedad y al giro de la Tierra sobre sí misma. | La diferencia es menor que 1 para |
Roll, Krotkov y Dicke | 1964 | Escala de torsión, con masas de aluminio y oro. | La diferencia es menor que 1 para |
David Scott | 1971 | Deja caer un martillo y una pluma sobre la luna | No se detectó ninguna diferencia. El experimento es famoso porque está filmado y es el primero de su tipo en la Luna: video de arriba. |
Branginsky y Panov | 1971 | Escala de torsión, con masas de aluminio y platino. | La diferencia es menor que 1 para |
Eöt-Wash | 1987– | Escala de torsión, con diferentes materiales. | La diferencia es menor que 1 para |
Satélite MICROSCOPIO | 2016-2018 | acelerómetro colocado en órbita síncrona con el sol | La diferencia es menor que 1 para (resultados parciales dediciembre de 2017) |
El principio de equivalencia de Einstein se designa así en honor a Albert Einstein (1879-1955) quien lo declaró, por primera vez, en 1907 y calificarlo, en 1920, de "la idea más feliz de una vida" .
El principio de equivalencia de Einstein afirma que el principio de equivalencia débil es válido y que, localmente, los efectos de un campo gravitacional son idénticos a los efectos de una aceleración del marco de referencia del observador, para un experimento n 'que no usa la gravedad .
Es equivalente considerar que en cualquier punto del espacio existe un marco de referencia localmente inercial, el marco de referencia en caída libre en el campo gravitacional (y en ausencia de cualquier otro campo externo, por lo tanto en el vacío ), que ' ninguna experiencia local no gravitacional puede distinguirse de un marco que no esté sujeto a la gravedad. En el contexto de la relatividad general, esto implica que este marco de referencia es (localmente) un espacio de Minkowski .
Agregamos en general la afirmación, estrechamente ligada al principio de relatividad , de que el experimento es independiente del lugar y del momento en que se realiza.
Este principio permite una extensión del principio de relatividad para incluir la gravitación, localmente y en forma de marcos de referencia acelerados. Gracias a él, Einstein dio el primer paso para pasar de la relatividad especial a la relatividad general . Es uno de los principios fundamentales en el origen de la teoría de la relatividad general.
Einstein lo presenta como una interpretación del principio de equivalencia, llamado débil ya que, es decir que el principio de equivalencia de Albert Einstein da un significado relativista al principio de equivalencia débil, desde el punto de vista de la relatividad de la gravitación y la aceleración. Esta interpretación se concibe con la ayuda del experimento mental del ascensor de Einstein . Este experimento mental solo utiliza fenómenos mecánicos y, por lo tanto, solo puede ser una justificación del principio de equivalencia para ellos.
Este principio se puede dividir en dos etapas:
Solo el primer paso está justificado por el experimento mental del ascensor, la inclusión del electromagnetismo es un postulado. Teniendo en cuenta la fuerza débil y la fuerza fuerte de la física cuántica , podemos reescribir este principio para incluir experimentos a nivel cuántico.
Este principio se interpreta como un acoplamiento universal entre el campo gravitacional y todos los demás campos de "fuerza": ninguno de ellos permite introducir una distinción entre los efectos de la gravitación y las propiedades del espacio-tiempo .
El principio de equivalencia de Einstein combina tres condiciones:
La primera prueba de la invariancia de la posición local está relacionada con el efecto Einstein. La mejor prueba para la invariancia de Lorentz local es la obtenida por el experimento de Hughes-Drever.
La conjetura de Schiff dice que cualquier teoría de la gravitación "integral y coherente" y comprobando el principio de equivalencia débil debe necesariamente comprobar el principio de equivalencia de Einstein.
Las teorías métricas gravitacionales postulan la equivalencia de Einstein.
Por otro lado, ciertas teorías no métricas de la gravitación introducen un acoplamiento entre la gravitación y el electromagnetismo, y no respetan el principio de equivalencia de Einstein (en experimentos de electromagnetismo), aunque son compatibles con el principio de equivalencia débil, y por lo tanto parecen invalidar Conjetura de Schiff. Carroll y Fields hicieron predicciones experimentales en 1991 a partir de teorías no métricas y se probaron en 1994 observando la rotación de la polarización de la luz emitida por radiogalaxias distantes. Estas observaciones no revelaron una violación del principio de equivalencia de Einstein.
Sin embargo, la conjetura de Schiff todavía no se considera probada ni invalidada.
El principio de Einstein, incluido el principio débil, cualquier experimento sobre este último es también uno sobre el de Einstein.
El principio de equivalencia fuerte generaliza el principio de Einstein al afirmar que, localmente, los efectos de un campo gravitacional en cualquier experimento, incluso en la gravedad misma (como el experimento de Cavendish, por ejemplo), son idénticos a los efectos de una aceleración del marco de referencia del observador.
Es equivalente considerar que en cualquier punto del espacio existe un marco de referencia localmente inercial, el marco en caída libre en el campo gravitacional (y en ausencia de cualquier otro campo externo), que ninguna experiencia (gravitacional o no) no puede distinguir de un marco de referencia no sujeto a la gravedad.
Agregamos en general la afirmación, estrechamente ligada al principio de relatividad , de que el experimento es independiente del lugar y del momento en que se realiza.
Para este principio, la noción de habitación está más extendida que en el principio anterior: podemos así considerar que el sistema solar en su conjunto es una experiencia gravitacional en un marco de referencia prácticamente inercial sustancialmente mayor.
La relatividad general con este principio de que solo la métrica del espacio-tiempo determina el campo gravitacional.
La teoría de Brans y Dicke no respeta este principio porque además de la métrica, un campo escalar determina la gravitación, y ésta no puede ser eliminada localmente mediante una elección de marco de referencia: incluso en un marco en caída libre, un experimento. gravitacional está influenciado por este campo escalar.
Las teorías " con un preliminar geométrico " combinan la gravitación con un dato geométrico no métrico, local o global (como una coordenada temporal cosmológica, que hace posible la hipótesis del Big Bang ): es concebible que entonces el campo de gravitación dependa de dónde o cuando se considere.
No se ha demostrado rigurosamente que si se respeta el principio, la gravitación solo depende de la métrica del espacio. La relatividad general parece ser la única teoría métrica que respeta el principio fuerte, aparte de la teoría de Gunnar Nordström que data de 1913, que respeta la versión gravitacional del principio fuerte, pero no ciertos aspectos del principio de equivalencia de Einstein, por ejemplo. gravedad.
Si no se respeta el principio fuerte, entonces la gravitación tiene diferentes efectos en los diferentes marcos de referencia que son inerciales para el principio de Einstein. Incluso el principio débil sería violado en marcos de referencia que no son inerciales con respecto al Universo : así, el sistema solar al estar en caída libre en un campo gravitacional (porque solo la gravitación actúa sobre él), puede considerarse como un marco de inercial (para el principio de Einstein) y los experimentos gravitacionales que se llevan a cabo allí dependen del campo gravitacional en el que está inmerso, en particular, esto debe poder ser detectado en los experimentos que prueban el principio débil para cuerpos masivos (de masa significativa en comparación con el campo gravitacional circundante), y en medidas precisas de los movimientos de los planetas, incluso mediante una (lenta) evolución de la constante gravitacional en comparación con la edad del universo .
El método más preciso para probar el principio fuerte es actualmente el Lunar Laser Ranging (LLR) llevado a cabo por la NASA . El experimento consiste en utilizar un reflector colocado en el suelo lunar (durante el Apolo 11 en 1969, seguido de otros reflectores depositados por Apolo 14 y Apolo 15 ) para medir la distancia Tierra-Luna mediante láseres con una precisión de unos 2 cm (frente a 384,400 km entre la Tierra y la Luna), por lo que se pueden detectar pequeñas variaciones. Actualmente, los datos permiten decir eso y en el año -1 , lo que confirma la idea de que se respeta el principio fuerte. Asimismo, las medidas relativas a las consecuencias de las variaciones espaciales y anisotrópicas de la constante gravitacional resultaron ser inferiores a las incertidumbres de medida.
Para refinar las mediciones, la NASA está considerando la posibilidad de establecer un experimento similar, pero más completo, llamado Operación de alcance láser lunar del Observatorio Apache Point (APOLLO).
Las observaciones de púlsares binarios no proporcionaron mediciones más precisas.
La investigación teórica y experimental en gravedad cuántica lleva a plantearse una revisión del principio de equivalencia a nivel cuántico porque parece que en este contexto "la caída de los objetos se realiza por etapas en función de la masa".
: documento utilizado como fuente para este artículo.
Libros que tratan los principios solo desde la perspectiva de la relatividad general