Warum dreht sich die Sonne um die Erde?

In Russland führte eine bekannte Organisation namens VTsIOM eine Fallstudie durch, in der die Bürger gebeten wurden, die Frage zu beantworten: „Stimmen Sie der folgenden Aussage zu: Dreht sich die Sonne um die Erde?“ Die Daten dieser Umfrage werden wiederholt in den Medien abgedruckt, und auf verschiedene Netzwerkressourcen in den Kommentaren wird häufig Bezug genommen, wenn verschiedene gesellschaftspolitische Probleme diskutiert werden.

Wenn ich an dieser Umfrage teilnehmen würde, würde ich höchstwahrscheinlich zu den 30% gehören, die dies bejahten. Im Folgenden werde ich versuchen zu erklären, warum.

Tatsache ist, dass jede Bewegung relativ ist. Ein Objekt bewegt sich oder steht bewegungslos und wie es sich bewegt, hängt vom gewählten Bezugssystem ab. In der Aussage „Die Sonne dreht sich um die Erde“ gibt es keine Hinweise auf einen Bezugsrahmen, es gibt nur 2 Objekte, die Sonne und die Erde.

Angenommen, es gibt ein System von 2 Punkten A und B. Wenn sich in dem mit Punkt A verbundenen Referenzrahmen Punkt B in einem am Punkt A zentrierten Kreis bewegt, bewegt sich Punkt A in dem mit Punkt B verbundenen Referenzrahmen in einem am Punkt zentrierten Kreis Punkt B.

Dies ist sehr leicht zu beweisen. Es reicht aus, die Rotationsgleichung in Polarkoordinaten zu schreiben.

r = AB
φ = ωt

Der Abstand zum Mittelpunkt des Kreises ist nicht zeitabhängig und entspricht der Anfangslänge des Segments AB. Der Polarwinkel ist das Produkt der Winkelgeschwindigkeit über die Zeit. Wenn Sie sich zu Polarkoordinaten bewegen, die am Punkt B zentriert sind, bleibt der Abstand zwischen den Punkten A und B genau gleich, und der Winkel verschiebt sich einfach um 180 °.

r = BA
φ = π + ωt

Anstelle einer Zeichnung schlage ich vor, eine visuelle Illustration zu betrachten. Um die Abbildungen in diesem Artikel anzuzeigen, benötigen Sie einen Browser, der GIF-Animationen anzeigt.

Hier ist die Bewegung von Körpern im Sonne-Erde-System in 3 Referenzrahmen dargestellt. Links ist das heliozentrische System, d. H. Das System, in dessen Zentrum sich die Sonne befindet, rechts das geozentrische System (auf der Erde zentriert) und in der Mitte das Koordinatensystem, das dem Punkt in der Mitte zwischen Sonne und Erde zugeordnet ist. Ich habe speziell ein Zwischensystem hinzugefügt, um zu zeigen, dass es viel mehr als zwei mögliche Referenzrahmen gibt und alle gleich sind. Wenn sich die Erde um die Sonne dreht, können wir über ihre Rotation um alles sprechen.

Eigentlich könnte dies das Ende sein. Die VTsIOM-Frage ist Analphabet und hat keine eindeutige Antwort. Sie können entweder der Aussage zustimmen, dass sich die Sonne um die Erde dreht, oder nicht zustimmen, daraus können keine Schlussfolgerungen gezogen werden, und solche Studien verdienen keine Aufmerksamkeit. Das in dieser Angelegenheit angesprochene Thema ist jedoch sehr fruchtbar. Darauf kann man viele interessante Dinge erzählen. Deshalb fahren wir fort.

Die Art der Bewegung von Himmelskörpern wurde von Menschen untersucht, um praktische Probleme zu lösen. Die Sonne wirkt sich offensichtlich auf das Wetter aus. Für die Planung vieler Aktivitäten, z. B. Bau- oder Landwirtschaftsarbeiten, war es daher erforderlich, die Flugbahn berechnen zu können. Wissenschaftler beobachteten die Leuchte, zeichneten die Ergebnisse auf und erstellten Tabellen an welchem ​​Tag, an welchem ​​Ort auf der Erde, auf welcher Höhe die Sonne aufgeht, wie lange die Nacht dauern wird usw. Wenn man die Erde als Zentrum nimmt, um das sich die Sonne dreht, könnte alles ziemlich genau sein zu berechnen. Das Ergebnis dieser Berechnungen war der Kalender, den wir jetzt verwenden.

Schwierigkeiten treten auf, wenn es notwendig wird, die Flugbahnen der Planeten zu berechnen. Sag Venus. Es hat keinen Einfluss auf das Wetter, aber es ist völlig unmöglich, es zu ignorieren, da es das dritthellste Objekt am Himmel ist. In einer klaren Nacht im Licht dieses Planeten kann man sogar lesen. Mal sehen, wie die Umlaufbahn der Venus aussieht, wenn man bedenkt, was wir darüber wissen. Es sollte beachtet werden, dass es fast unmöglich ist, ein Bild des Sonnensystems in Übereinstimmung mit allen Proportionen zu machen, daher werden in meinen Abbildungen die Proportionen nicht beobachtet. Ich habe versucht, nur Beziehungen zu beobachten, die weniger und langsamer und schneller sind (Venus ist kleiner als Jupiter, Merkur relativ zur Sonne bewegt sich schneller als die Erde usw.).

So sieht die Flugbahn der Venus in verschiedenen Referenzrahmen aus.

Versuchen Sie, entlang einer solchen Flugbahn zu berechnen, wenn sich die Venus auf derselben Linie zwischen Sonne und Erde befindet oder wenn sie sich hinter der Sonne versteckt. Die Aufgabe ist nicht einfach.

Und neben der Venus aus der Antike waren auch andere Planeten bekannt. Zum Beispiel ist Merkur der Sonne am nächsten. Seine Flugbahn in den gleichen Koordinaten ist wie folgt.

Wenn Sie mehrere Screenshots hintereinander machen, werden Sie feststellen, dass der Zustand des Sonnen-Merkur-Venus-Erde-Systems zu jedem Zeitpunkt in allen drei Systemen gleich ist. Die Linien, die die Planeten zeichnen, existieren nicht wirklich. Dies sind mathematische Abstraktionen, die unsere Vorstellungskraft zeichnet, um das Thema besser zu verstehen.

Angesichts dieser Schönheit scheinen die Vorteile des heliozentrischen Systems überhaupt nicht offensichtlich zu sein.

Da es nicht möglich war, verschiedene planetarische Saltos der Planeten im geozentrischen System vorherzusagen, und die verfügbaren Tabellen mit Koordinaten von den Beobachtungen abwichen, arbeiteten Astronomen an anderen Systemen. Mitte des 16. Jahrhunderts veröffentlichte Nikolai Nikolaevich Copernicus ein Buch mit einer Beschreibung des heliozentrischen Systems. So entstanden zwei Ansichten über die Struktur des uns umgebenden Raumes. Trotz schwerwiegender Unterschiede hatten sie einige Ähnlichkeiten.

1. Sowohl dort als auch dort wurde das Zentrum, um das sich alles dreht, als Zentrum des Universums angesehen.
2. Beide Systeme waren ungenau und ihre Vorhersagen weichen von den Beobachtungen ab.

Es war nicht überraschend, dass Bücher über Heliozentrismus in das Register verbotener Literatur fielen, das von Vertretern der Kirche geführt wurde. Der erste Absatz widerspricht dem religiösen Dogma und verletzt die Gefühle der Gläubigen, und der zweite Absatz schließt Argumente zur Rechtfertigung aus.

Es dauerte mehrere Dutzend Jahre sorgfältiger Beobachtung, bis Johann Kepler schließlich Formeln fand, mit denen die Position aller bekannten Planeten zu unterschiedlichen Zeiten mit zufriedenstellender Genauigkeit berechnet werden konnte. Diese Formeln arbeiteten in einem Bezugsrahmen mit der bewegungslosen Sonne, und so etablierte sich das heliozentrische System der Welt als anerkannte Theorie.

Die moderne Wissenschaft hat die Idee, dass das bewegungslose Objekt wichtiger ist, lange aufgegeben. Niemand sucht bereits nach dem "Zentrum des Universums". Das Referenzsystem ist eine mathematische Abstraktion, die als Werkzeug verwendet wird. Für einige Aufgaben wird ein heliozentrisches System benötigt, für andere Aufgaben ist ein geozentrisches System geeignet, und es gibt Aufgaben, für die weder das eine noch das andere geeignet ist. Darüber hinaus ist es geeignet - es ist nicht geeignet, es ist eine subjektive Bewertung. Das geeignete Referenzsystem ist dasjenige, bei dem die erforderlichen Berechnungen mit der erforderlichen Genauigkeit einfacher durchzuführen sind. Mit dem Aufkommen der Computertechnologie wird diese Grenze noch mehr gelöscht. Mit einem einfachen Python-Programm zu Hause können Sie das Ergebnis in mehreren Referenzsystemen mit derselben Genauigkeit erhalten. Welches System Sie fragen, in solchen und Sie erhalten Ergebnis.

Wenn also jemand im Internet darüber diskutiert, wer sich dreht und wie viele Prozent der Bevölkerung mit dieser „Tatsache“ nicht vertraut sind, können Sie diesen Benutzer als Gast aus dem vergangenen Jahrhundert von etwa XVI-XVIII betrachten.

Ende des 17. Jahrhunderts formulierte Isaac Isaakovich Newton das Gesetz der universellen Gravitation und die Gesetze der Mechanik, die die Formeln von Johann Genrihovich bestätigten und im heliozentrischen Referenzrahmen mit angemessener Genauigkeit arbeiteten. Dies hob das heliozentrische System hervor, in dem sich die Erde unter allen anderen Systemen um die Sonne dreht.

Die Newtonsche Mechanik stimmte gut mit den zum Zeitpunkt ihrer Entstehung bekannten Beobachtungsergebnissen überein, warf jedoch gleichzeitig neue Fragen auf, die einer Erklärung bedurften. Und dadurch ist sie schön, weil neue Fragen die Suche nach neuen Antworten inspirieren. Newtons Gesetze haben folgende Probleme:

1. Die Schwerkraft breitet sich sofort und endlos aus. Viele Experimente in verschiedenen Bereichen der Physik über viele Jahre hinweg geben Anlass zu der Annahme, dass dies in der Natur nicht der Fall ist. Wenn sich etwas sofort ausbreitet, verstehen wir höchstwahrscheinlich etwas nicht.
2. Die Umlaufbahn von Merkur weicht im Laufe der Zeit von der berechneten ab. Der Versatz ist nicht sehr groß, aber spürbar.
3. Newtons Gesetze sind nur im Trägheitsreferenzrahmen erfüllt.

Der letzte Punkt ist der schwächste Punkt in der klassischen Mechanik. Gesetze werden in einem Trägheitsreferenzrahmen implementiert, aber welche Art von System es gibt, gibt es keine genaue Definition. Egal wie viele Leute verwirrt waren, sie haben sich nichts ausgedacht, außer dass der Trägheitsreferenzrahmen ein solcher Referenzrahmen ist, in dem Newtons Gesetze erfüllt sind. Es stellt sich eine Schleife heraus, die Definition des Begriffs durch sich selbst. Das heliozentrische System kann nur annähernd als Trägheitssystem betrachtet werden, und echte Trägheitssysteme existieren überhaupt nicht.

Hier ist die Zeit, dem Ehrenakademiker der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, Albert Germanovich Einstein, das Wort zu erteilen:

Können wir Gesetze so formulieren, dass sie für alle Koordinatensysteme gelten, nicht nur für Systeme, die sich geradlinig und gleichmäßig bewegen, sondern auch für Systeme, die sich absolut willkürlich zueinander bewegen? Wenn dies möglich ist, werden unsere Schwierigkeiten gelöst sein. Dann können wir die Naturgesetze in jedem Koordinatensystem anwenden. Der Kampf zwischen den Ansichten von Ptolemaios und Kopernikus, der in den frühen Tagen der Wissenschaft so heftig war, würde dann völlig bedeutungslos werden. Jedes Koordinatensystem kann mit derselben Grundlage angewendet werden. Zwei Sätze - "Die Sonne ruht und die Erde bewegt sich" und "Die Sonne bewegt sich und die Erde ruht" - würden einfach zwei unterschiedliche Vereinbarungen über unterschiedliche Koordinatensysteme bedeuten.
Könnten wir eine echte relativistische Physik aufbauen, die in allen Koordinatensystemen gültig ist? Physik, in der es keine absolute, sondern nur relative Bewegung geben würde? Dies ist tatsächlich möglich!

Original Die Evolution der Physik, 1938

Können wir physikalische Gesetze so formulieren, dass sie für alle cs gelten, nicht nur für diejenigen, die sich gleichmäßig bewegen, sondern auch für diejenigen, die sich relativ willkürlich relativ zueinander bewegen? Wenn dies möglich ist, sind unsere Schwierigkeiten vorbei. Wir werden dann in der Lage sein, die Naturgesetze auf jedes cs anzuwenden. Der in den frühen Tagen der Wissenschaft so gewalttätige Kampf zwischen den Ansichten von Ptolemaios und Kopernikus wäre dann ziemlich bedeutungslos. Beide cs könnten mit gleicher Begründung verwendet werden. Die beiden Sätze "Die Sonne ruht und die Erde bewegt sich" oder "Die Sonne bewegt sich und die Erde ruht" würden einfach zwei verschiedene Konventionen in Bezug auf zwei verschiedene cs bedeuten
Könnten wir eine echte relativistische Physik aufbauen, die in allen cs gültig ist? eine Physik, in der es keinen Platz für absolute, sondern nur für relative Bewegung geben würde? Das ist ja möglich!

Genosse Einstein entwickelte die Gravitationstheorie, die keinen Trägheitsreferenzrahmen erfordert. Seine allgemeine Relativitätstheorie erklärte die Anomalie der Merkurbahn, fand viele andere experimentelle Bestätigungen und stellte die Wissenschaft vor viele neue Fragen. Und dadurch ist sie wunderschön.

Nach der Anerkennung der Relativitätstheorie wurde die Debatte darüber, ob sich die Sonne um die Erde dreht oder umgekehrt, schließlich mit dem Krieg der spitzen und stumpfen Punkte gleichgesetzt. Und die Tatsache, dass wir uns in unserer Gesellschaft immer noch mit veralteten Vorstellungen über die Naturgesetze auseinandersetzen müssen, verursacht Traurigkeit und Bedauern.

Ich erinnere mich an eine Episode aus "Etudes in Scarlet", die von Regisseur Igor Fedorovich Maslennikov brillant gedreht wurde:

Watson, ein gut gelesener gebildeter Mann, informiert Holmes über den Bezugsrahmen der modernen Wissenschaft. Gleichzeitig begeht er einen typischen Fehler eines durchschnittlichen Mannes. Er glaubt, dass die wissenschaftliche Theorie eine absolute Wahrheit ist und keinen Zweifel zulässt. In der Zwischenzeit hat jede wissenschaftliche Theorie erstens Grenzen der Anwendbarkeit, und zweitens kann sie jederzeit durch ein neues Experiment widerlegt werden, und dann wird sie notwendigerweise überarbeitet.

Holmes hingegen ist nicht mit den Arbeiten großer Physiker vertraut, und diese Unwissenheit hilft ihm nur, sich nicht auf einen Standpunkt zu konzentrieren, sondern lässt ihn während des Gesprächs über das Problem nachdenken. Holmes 'kluger Verstand und seine große Gelehrsamkeit erlaubten ihm, ein wenig weiter als die moderne Wissenschaft zu schauen und in seinen eigenen Worten das Grundprinzip der neuen Theorie zu formulieren: Die Naturgesetze sind in Bezug auf den Bezugsrahmen unveränderlich.

Insgesamt

• Die Frage, wer sich um wen dreht, macht keinen Sinn, wenn kein Referenzrahmen angegeben wird.
• Wenn einer der Leser den Wunsch hat, seine vereinfachten Diagramme der Planetenbewegung in verschiedenen Referenzsystemen zu zeichnen, kann er mein Python-Skript verwenden . Das Skript verwendet die matplotlib-Bibliothek. Für eine genaue Modellierung des Sonnensystems kann ich den Umfang des Sonnensystems empfehlen.

Nachwort

Während ich GIFs für diesen Artikel vorbereitete, hatte ich eine andere interessante, wenn auch nicht unbestreitbare Idee. Diese Idee ändert meine Schlussfolgerung erheblich und ich entschied, dass es nicht überflüssig wäre, sie zu teilen.

Da die Bewegung relativ ist, können wir nur im Zusammenhang mit dem bekannten Referenzrahmen darüber sprechen. Im Alltag tun wir dies jedoch nicht. Jede Maschine verfügt über ein Gerät, das die Geschwindigkeit anzeigt. Wir wissen sehr gut, dass es Geschwindigkeit relativ zur Straßenoberfläche zeigt. In der Nähe der Straße gibt es ein Schild, das die Höchstgeschwindigkeit anzeigt. Niemand wird den Fahrer dafür bestrafen, dass er sich mit einer Geschwindigkeit von 29 km / s relativ zur Sonne bewegt. Sowohl Fahrer als auch Inspektoren wissen, dass die Geschwindigkeitsbegrenzung auf einem Schild relativ zu diesem Schild gemessen wird. Wettervorhersagen, sportliche Erfolge, Verkehr, Navigation, all dies erfordert eine Geschwindigkeitsangabe, aber nirgends wird das Bezugssystem explizit angegeben.

Daraus können wir schließen:

Es gibt ein Standardreferenzsystem, das im Alltag verwendet wird, wenn kein expliziter Hinweis auf ein anderes Referenzsystem vorliegt. Dieses System ist geozentrisch.

Daraus folgt, dass die VTsIOM-Frage die einzig richtige Antwort hat: „Ja. Ich bin damit einverstanden Die Sonne dreht sich um die Erde. " Ich hoffe, dass Soziologen mich wegen dieser Häresie nicht auf dem Scheiterhaufen verbrennen.

Die Ergebnisse der berüchtigten „Fallstudie“ können nun wie folgt interpretiert werden:

Das haben effektive Manager dem Land gebracht! Nur ein Drittel der Bevölkerung weiß, dass sich die Sonne um die Erde dreht. Die restlichen 2/3 sind Opfer der Prüfung. Zwar gibt es einen positiven Trend, von 2007 bis 2011 stieg der Anteil der gebildeten Bürger von 28% auf 32%, aber dies ist eindeutig nicht genug. In diesem Tempo werden wir erst bis zum Jahr 2080 eine universelle Alphabetisierung erreichen. Es muss dringend etwas getan werden.