¿Por qué gira el sol alrededor de la tierra?

En Rusia, una organización conocida llamada VTsIOM realizó un estudio de caso en el que se pidió a los ciudadanos que respondieran la pregunta: "¿Está de acuerdo con la siguiente declaración: ¿El sol gira alrededor de la tierra?" Los datos de esta encuesta se reproducen repetidamente en los medios de comunicación, y en varios recursos de la red en los comentarios a menudo se refieren a ella cuando se discuten varios problemas sociopolíticos.

Si participara en esta encuesta, probablemente estaría entre el 30% que respondió afirmativamente. A continuación intentaré explicar por qué.

El hecho es que cualquier movimiento es relativo. Un objeto se mueve o permanece inmóvil, y cómo se mueve depende del sistema de referencia elegido. En la declaración "El sol gira alrededor de la Tierra" no hay indicaciones de un marco de referencia, solo hay 2 objetos, el Sol y la Tierra.

Supongamos que hay un sistema de 2 puntos A y B. Si, en el marco de referencia conectado con el punto A, el punto B se mueve en un círculo centrado en el punto A, entonces en el marco de referencia asociado con el punto B, el punto A se mueve en un círculo centrado en punto B.

Esto es muy fácil de probar. Es suficiente escribir la ecuación de rotación en coordenadas polares.

r = AB
φ = ωt

La distancia al centro del círculo no depende del tiempo y es igual a la longitud inicial del segmento AB. El ángulo polar es el producto de la velocidad angular por tiempo. Al moverse a coordenadas polares centradas en el punto B, la distancia entre los puntos A y B permanecerá exactamente igual, y el ángulo simplemente cambiará 180 °.

r = BA
φ = π + ωt

En lugar de un dibujo, propongo mirar una ilustración visual. Para ver las ilustraciones de este artículo, necesitará un navegador que muestre animaciones gif.

Aquí se muestra el movimiento de cuerpos en el sistema Sol-Tierra en 3 marcos de referencia. A la izquierda está el sistema heliocéntrico, es decir, el sistema en el centro del cual se encuentra el Sol, a la derecha está el sistema geocéntrico (centrado en la Tierra), y en el medio está el sistema de coordenadas asociado con el punto en el medio entre el Sol y la Tierra. Agregué un sistema intermedio específicamente para mostrar que hay mucho más de dos posibles marcos de referencia, y todos son iguales. Si la Tierra gira alrededor del Sol, entonces podemos hablar sobre su rotación alrededor de cualquier cosa.

En realidad, este podría ser el final. La pregunta de VTsIOM es analfabeta y no tiene una respuesta inequívoca. Puede estar de acuerdo con la afirmación de que el Sol gira alrededor de la Tierra, o no estar de acuerdo, no se pueden sacar conclusiones de esto, y tales estudios no merecen atención. Sin embargo, el tema planteado en este asunto es muy fructífero. En él puedes contar muchas cosas interesantes. Por lo tanto, continuamos.

La naturaleza del movimiento de los cuerpos celestes fue estudiada por personas para resolver problemas prácticos. El sol obviamente afecta el clima, por lo que para la planificación de muchas actividades, por ejemplo, la construcción o el trabajo agrícola, era necesario poder calcular su trayectoria. Los científicos observaron la luminaria, registraron los resultados y compilaron tablas sobre qué día, en qué lugar de la tierra a qué altura sale el Sol, cuánto durará la noche, etc. Tomando la Tierra como el centro alrededor del cual gira el Sol, todo podría ser bastante preciso para calcular El resultado de estos cálculos fue el calendario, que usamos ahora.

Las dificultades surgen cuando se hace necesario calcular las trayectorias de los planetas. Di Venus No afecta el clima, pero es completamente imposible ignorarlo, porque es el tercer objeto más brillante en el cielo. En una noche despejada a la luz de este planeta, incluso puedes leer. Veamos cómo se ve la órbita de Venus, dado lo que sabemos al respecto. Cabe señalar que hacer una imagen del Sistema Solar de acuerdo con todas las proporciones es casi imposible, por lo tanto, en mis ilustraciones, no se observan las proporciones. Traté de observar solo las relaciones menos y más lento (Venus es más pequeño que Júpiter, Mercurio en relación con el Sol se mueve más rápido que la Tierra, etc.).

Así es como se ve la trayectoria de Venus en varios marcos de referencia.

Intenta calcular a lo largo de esa trayectoria cuando Venus está en la misma línea entre el Sol y la Tierra o cuando se esconde detrás del Sol. La tarea no es fácil.

Y además de Venus desde la antigüedad, se conocían otros planetas. Por ejemplo, el más cercano al Sol es Mercurio. Su trayectoria en las mismas coordenadas es la siguiente.

Si toma varias capturas de pantalla seguidas, notará que en cada momento el estado del sistema Sol-Mercurio-Venus-Tierra es el mismo en los tres sistemas. Las líneas que dibujan los planetas no existen realmente. Estas son abstracciones matemáticas que nuestra imaginación dibuja para comprender mejor el tema.

A la vista de tal belleza, las ventajas del sistema heliocéntrico no parecen obvias en absoluto.

Como no era posible predecir varios saltos mortales planetarios de los planetas en el sistema geocéntrico, y las tablas disponibles con coordenadas divergían de las observaciones, los astrónomos trabajaron en otros sistemas. A mediados del siglo XVI, Nikolai Nikolaevich Copernicus publicó un libro con una descripción del sistema heliocéntrico. Así, surgieron dos puntos de vista sobre la estructura del espacio que nos rodea. A pesar de las serias diferencias, tenían algunas similitudes.

1. Tanto allí como allí, el centro alrededor del cual gira todo se consideraba el Centro del Universo.
2. Ambos sistemas eran inexactos y sus predicciones divergían de las observaciones.

No es sorprendente que los libros sobre heliocentrismo comenzaron a caer en el registro de literatura prohibida, que fue conservada por representantes de la iglesia. El primer párrafo contradice el dogma religioso y ofende los sentimientos de los creyentes, y el segundo párrafo excluye los argumentos de justificación.

Tomó varias docenas de años de observación cuidadosa antes de que Johann Genrikhovich Kepler finalmente encontrara fórmulas que pudieran, con una precisión satisfactoria, calcular la posición de todos los planetas conocidos en diferentes momentos. Estas fórmulas funcionaron en un marco de referencia con el Sol inmóvil, y por lo tanto el sistema heliocéntrico del mundo se estableció como una teoría reconocida.

La ciencia moderna ha abandonado por mucho tiempo la idea de que el objeto inmóvil es más importante. Nadie ya está buscando el "Centro del Universo". El sistema de referencia es una abstracción matemática utilizada como herramienta. Para algunas tareas, se necesita un sistema heliocéntrico, para otras tareas es adecuado un sistema geocéntrico, y hay tareas para las cuales ni uno ni el otro son adecuados. Además, encaja, no encaja, es una evaluación subjetiva. El sistema de referencia apropiado es aquel en el que los cálculos necesarios con la precisión requerida son más fáciles de realizar. Con el advenimiento de la tecnología informática, esta frontera se borra aún más. Con un simple programa de Python en casa, puede obtener el resultado en varios sistemas de referencia con la misma precisión. En qué sistema pides, en tal y recibirás resultado.

Entonces, cuando alguien comienza a discutir en Internet quién está dando vueltas y cuánto porcentaje de la población no está familiarizado con este "hecho", siéntase libre de considerar a este usuario como un invitado del siglo pasado, alrededor del XVI-XVIII.

A finales del siglo XVII, Isaac Isaakovich Newton formuló la ley de la gravitación universal y las leyes de la mecánica, que confirmaron las fórmulas de Johann Genrihovich y trabajaron con una precisión razonable en el marco de referencia heliocéntrico. Esto destacó el sistema heliocéntrico, donde la Tierra gira alrededor del Sol, entre todos los demás sistemas.

La mecánica newtoniana estuvo de acuerdo con los resultados de observación conocidos en el momento de su creación, pero al mismo tiempo planteó nuevas preguntas que necesitaban explicación. Y por esto es hermosa, porque las nuevas preguntas inspiran la búsqueda de nuevas respuestas. Las leyes de Newton tienen los siguientes problemas:

1. La fuerza de la gravedad se extiende al instante y sin fin. Muchos experimentos en diferentes campos de la física durante muchos años dan razones para argumentar que esto no sucede en la naturaleza, y si algo se propaga instantáneamente, lo más probable es que no entendamos algo.
2. La órbita de Mercurio se desvía de la calculada con el tiempo. El desplazamiento no es muy grande, pero notable.
3. Las leyes de Newton se satisfacen solo en el marco de referencia inercial.

El último punto es el punto más débil de la mecánica clásica. Las leyes se implementan en un marco de referencia inercial, pero qué tipo de sistema es, no hay una definición exacta. No importa cuántas personas se desconcertaron, no se les ocurrió nada, excepto que el marco de referencia inercial es un marco de referencia en el que se cumplen las leyes de Newton. Resulta un bucle, la definición del término a través de sí mismo. El sistema heliocéntrico puede considerarse inercial solo aproximadamente , y los sistemas inerciales reales no existen en absoluto.

Este es el momento de dar la palabra al académico honorario de la Academia de Ciencias de la URSS Albert Germanovich Einstein:

¿Podemos formular leyes de tal manera que sean válidas para todos los sistemas de coordenadas, no solo para los sistemas que se mueven de manera rectilínea y uniforme, sino también para los sistemas que se mueven de manera absolutamente arbitraria entre sí? Si esto se puede hacer, nuestras dificultades se resolverán. Entonces podremos aplicar las leyes de la naturaleza en cualquier sistema de coordenadas. La lucha entre los puntos de vista de Ptolomeo y Copérnico, tan feroz en los primeros días de la ciencia, no tendría sentido. Cualquier sistema de coordenadas podría aplicarse con la misma base. Dos oraciones: “El sol está descansando y la tierra se está moviendo” y “El sol se está moviendo y la tierra está descansando”, simplemente significaría dos acuerdos diferentes en diferentes sistemas de coordenadas.
¿Podríamos construir una física relativista real, válida en todos los sistemas de coordenadas; física, en la cual no habría movimiento absoluto, sino solo relativo? ¡Esto, de hecho, es posible!

Original La evolución de la física, 1938

¿Podemos formular leyes físicas para que sean válidas para todos los cs, no solo para aquellos que se mueven de manera uniforme, sino también para aquellos que se mueven de manera bastante arbitraria, entre sí? Si esto se puede hacer, nuestras dificultades habrán terminado. Entonces podremos aplicar las leyes de la naturaleza a cualquier cs. La lucha, tan violenta en los primeros días de la ciencia, entre los puntos de vista de Ptolomeo y Copérnico no tendría sentido. Cualquiera de los cs podría usarse con igual justificación. Las dos oraciones, "el sol está en reposo y la tierra se mueve en", o "el sol se mueve y la tierra está en reposo", simplemente significarían dos convenciones diferentes con respecto a dos cs diferentes
¿Podríamos construir una verdadera física relativista válida en todos los cs; ¿Una física en la que no habría lugar para el movimiento absoluto, sino solo para el relativo? ¡Esto es realmente posible!

El camarada Einstein desarrolló la teoría de la gravedad, que no requiere un marco de referencia inercial. Su teoría general de la relatividad explicó la anomalía de la órbita de Mercurio, encontró muchas otras confirmaciones experimentales y planteó muchas preguntas nuevas a la ciencia. Y por esto ella es hermosa.

Después del reconocimiento de la teoría de la relatividad, el debate sobre si el Sol gira alrededor de la Tierra o viceversa, finalmente se equiparó con la guerra de puntos puntiagudos y romos. Y el hecho de que en nuestra sociedad todavía tengamos que lidiar con ideas obsoletas sobre las leyes de la naturaleza causa tristeza y arrepentimiento.

Recuerdo un episodio de "Etudes in Scarlet", brillantemente filmado por el director Igor Fedorovich Maslennikov:

Watson, un hombre educado y de buena lectura, informa a Holmes sobre el marco de referencia adoptado en la ciencia moderna. Al mismo tiempo, comete un error típico del hombre promedio. Él cree que la teoría científica es una verdad absoluta y no permite dudas. Mientras tanto, cualquier teoría científica, en primer lugar, tiene límites de aplicabilidad y, en segundo lugar, en cualquier momento puede ser refutada por un nuevo experimento, y luego necesariamente será revisada.

Holmes, por otro lado, no está familiarizado con los trabajos de grandes físicos, y esta ignorancia solo lo ayuda a no enfocarse en un punto de vista, lo hace comenzar a razonar sobre el problema durante la conversación. La mente astuta y la gran erudición de Holmes le permitieron mirar un poco más allá de la ciencia moderna y formular con sus propias palabras el principio básico de la nueva teoría: las leyes de la naturaleza son invariables con respecto al marco de referencia.

Total

• La cuestión de quién gira en torno a quién no tiene sentido si no se proporciona un marco de referencia.
• Si uno de los lectores desea dibujar sus esquemas simplificados de movimiento planetario en diferentes sistemas de referencia, puede usar mi script de Python . El script usa la biblioteca matplotlib. Para un modelado preciso del sistema solar, puedo recomendar el alcance del sistema solar .

Epílogo

Mientras preparaba los GIF para este artículo, tuve otra idea interesante, aunque no indiscutible. Esta idea cambia significativamente la conclusión que hice, así que decidí que no sería superfluo compartirla.

Como el movimiento es relativo, podemos hablar de él solo en el contexto del conocido marco de referencia. Sin embargo, en la vida cotidiana no lo hacemos. Cada máquina tiene un dispositivo que muestra la velocidad. Sabemos muy bien que muestra la velocidad relativa a la superficie de la carretera. Cerca de la carretera hay una señal que indica la velocidad máxima. Nadie multará al conductor por moverse a una velocidad de 29 km / s en relación con el sol. Tanto los conductores como los inspectores saben que el límite de velocidad en una señal se mide en relación con esa señal. Las previsiones meteorológicas, los logros deportivos, el tráfico, la navegación, todo esto requiere una designación de velocidad, pero en ninguna parte se indica explícitamente el sistema de referencia.

Por lo tanto, podemos concluir que:

Existe un sistema de referencia predeterminado, que se utiliza en la vida cotidiana cuando no hay una indicación explícita de un sistema de referencia diferente. Este sistema es geocéntrico.

Se deduce que la pregunta VTsIOM tiene la única respuesta correcta: “Sí. Estoy de acuerdo El sol gira alrededor de la tierra ". Espero que los sociólogos no me quemen en la hoguera por esta herejía.

Los resultados del famoso "estudio de caso" ahora se pueden interpretar de la siguiente manera:

¡Eso es a lo que los gerentes efectivos han llevado al país! Solo un tercio de la población sabe que el Sol gira alrededor de la Tierra. Los 2/3 restantes son víctimas del examen. Es cierto que existe una tendencia positiva, de 2007 a 2011, la proporción de ciudadanos educados aumentó del 28% al 32%, pero esto claramente no es suficiente. A este ritmo, alcanzaremos la alfabetización universal solo para el año 2080. Algo debe hacerse urgentemente.