Mengapa matahari berputar mengelilingi bumi

Di Rusia, satu organisasi terkenal yang disebut VTsIOM melakukan studi kasus di mana warga diminta untuk menjawab pertanyaan: "Apakah Anda setuju dengan pernyataan berikut: Apakah matahari berputar mengelilingi bumi?" Data survei ini berulang kali dicetak ulang di media, dan pada berbagai sumber daya jaringan di komentar sering merujuk ketika membahas berbagai masalah sosial-politik.

Jika saya mengambil bagian dalam survei ini, saya kemungkinan besar akan berada di antara 30% yang menjawab dalam persetujuan. Di bawah ini saya akan mencoba menjelaskan alasannya.

Faktanya adalah setiap gerakan itu relatif. Objek bergerak atau berdiri tanpa bergerak, dan bagaimana ia bergerak, tergantung pada sistem referensi yang dipilih. Dalam pernyataan "Matahari berputar mengelilingi Bumi" tidak ada indikasi kerangka acuan, hanya ada 2 benda, Matahari dan Bumi.

Misalkan ada sistem 2 titik A dan B. Jika, dalam kerangka referensi yang terhubung dengan titik A, titik B bergerak dalam lingkaran yang berpusat pada titik A, maka dalam kerangka referensi yang terkait dengan titik B, titik A bergerak dalam lingkaran yang berpusat di titik B.

Ini sangat mudah dibuktikan. Cukup menuliskan persamaan rotasi dalam koordinat polar.

r = AB
φ = ωt

Jarak ke pusat lingkaran tidak tergantung pada waktu dan sama dengan panjang awal segmen AB. Sudut kutub adalah produk dari kecepatan sudut oleh waktu. Saat bergerak ke koordinat kutub yang berpusat di titik B, jarak antara titik A dan B akan tetap sama persis, dan sudutnya akan bergeser 180 °.

r = BA
φ = π + ωt

Alih-alih menggambar, saya mengusulkan untuk melihat ilustrasi visual. Untuk melihat ilustrasi di artikel ini, Anda akan memerlukan browser yang menampilkan animasi gif.

Yang ditampilkan di sini adalah pergerakan benda di sistem Sun-Earth dalam 3 kerangka referensi. Di sebelah kiri adalah sistem heliosentris, yaitu sistem di pusat di mana Matahari berada, di sebelah kanan adalah sistem geosentris (berpusat di Bumi), dan di tengah adalah sistem koordinat yang terkait dengan titik di tengah antara Matahari dan Bumi. Saya menambahkan sistem perantara khusus untuk menunjukkan bahwa ada lebih dari dua kerangka referensi yang mungkin, dan mereka semua sama. Jika Bumi berputar mengelilingi Matahari, maka kita dapat berbicara tentang perputarannya di sekitar apa pun.

Sebenarnya, ini bisa menjadi akhir. Pertanyaan VTsIOM buta huruf dan tidak memiliki jawaban tegas. Anda bisa setuju dengan pernyataan bahwa Matahari berputar mengelilingi Bumi, atau tidak setuju, tidak ada kesimpulan yang bisa ditarik dari sini, dan studi semacam itu tidak layak mendapat perhatian. Namun, topik yang diangkat dalam masalah ini sangat bermanfaat. Di situ Anda bisa menceritakan banyak hal menarik. Karena itu, kami melanjutkan.

Sifat pergerakan benda langit dipelajari oleh orang-orang untuk memecahkan masalah praktis. Matahari jelas mempengaruhi cuaca, jadi untuk perencanaan banyak kegiatan, misalnya pekerjaan konstruksi atau pertanian, perlu untuk menghitung lintasannya. Para ilmuwan menyaksikan termasyhur, mencatat hasil dan menyusun tabel pada hari apa, di tempat apa di bumi dengan ketinggian berapa Matahari terbit, berapa lama malam akan berlangsung, dll. Mengambil Bumi sebagai pusat di mana Matahari berputar, semuanya dapat dilakukan dengan cukup akurat untuk menghitung. Hasil perhitungan ini adalah kalender, yang kami gunakan sekarang.

Kesulitan muncul ketika menjadi perlu untuk menghitung lintasan planet-planet. Katakanlah Venus. Itu tidak mempengaruhi cuaca, tetapi sama sekali tidak mungkin untuk mengabaikannya, karena itu adalah objek paling terang ketiga di langit. Pada malam yang cerah dalam cahaya planet ini Anda bahkan dapat membaca. Mari kita lihat seperti apa bentuk orbit Venus, mengingat apa yang kita ketahui tentangnya. Perlu dicatat bahwa untuk membuat gambar Tata Surya sesuai dengan semua proporsi hampir mustahil, oleh karena itu, dalam ilustrasi saya, proporsi tidak diamati. Saya mencoba mengamati hanya hubungan yang lebih sedikit dan lebih lambat lebih cepat (Venus lebih kecil dari Jupiter, Merkurius relatif terhadap Matahari bergerak lebih cepat dari Bumi, dll.).

Inilah lintasan Venus di berbagai kerangka referensi.

Cobalah untuk menghitung sepanjang lintasan seperti itu ketika Venus berada di garis yang sama antara Matahari dan Bumi atau ketika bersembunyi di balik Matahari. Tugasnya tidak mudah.

Dan selain Venus dari zaman kuno, planet lain dikenal. Misalnya, yang paling dekat dengan Matahari adalah Merkurius. Lintasannya dalam koordinat yang sama adalah sebagai berikut.

Jika Anda mengambil beberapa tangkapan layar secara berturut-turut, Anda akan melihat bahwa pada setiap saat keadaan sistem Sun-Mercury-Venus-Earth sama di ketiga sistem. Garis-garis yang digambarkan planet tidak benar-benar ada. Ini adalah abstraksi matematis yang digambar oleh imajinasi kita untuk lebih memahami subjek.

Melihat keindahan seperti itu, keunggulan sistem heliosentris tampaknya tidak jelas sama sekali.

Karena tidak mungkin untuk memprediksi berbagai jungkir balik planet dari planet-planet dalam sistem geosentris, dan tabel yang tersedia dengan koordinat berbeda dari pengamatan, para astronom bekerja pada sistem lain. Pada pertengahan abad ke-16, Nikolai Nikolaevich Copernicus menerbitkan sebuah buku dengan deskripsi sistem heliosentris. Jadi, dua pandangan muncul pada struktur ruang di sekitar kita. Meskipun ada perbedaan serius, mereka memiliki beberapa kesamaan.

1. Baik di sana maupun di sana, pusat di mana segala sesuatu berputar dianggap sebagai Pusat Semesta.
2. Kedua sistem tidak akurat, dan prediksi mereka berbeda dari pengamatan.

Tidak mengherankan bahwa buku-buku tentang heliosentrisme mulai masuk dalam daftar literatur yang dilarang, yang disimpan oleh perwakilan gereja. Paragraf pertama bertentangan dengan dogma agama dan menyinggung perasaan orang percaya, dan paragraf kedua mengecualikan argumen untuk pembenaran.

Butuh beberapa lusin tahun pengamatan yang cermat sebelum Johann Genrikhovich Kepler akhirnya menemukan formula yang dapat, dengan akurasi memuaskan, menghitung posisi semua planet yang diketahui pada waktu yang berbeda. Rumus-rumus ini bekerja dalam kerangka referensi dengan Matahari yang tidak bergerak, dan dengan demikian sistem heliosentris dunia memantapkan dirinya sebagai teori yang dikenal.

Ilmu pengetahuan modern telah lama meninggalkan gagasan bahwa objek yang tidak bergerak lebih penting. Tidak ada yang mencari "Pusat Semesta." Sistem referensi adalah abstraksi matematis yang digunakan sebagai alat. Untuk beberapa tugas, sistem heliosentris diperlukan, untuk tugas lain sistem geosentris cocok, dan ada tugas yang tidak cocok untuk keduanya. Selain itu, itu cocok - tidak cocok, ini penilaian subyektif. Sistem referensi yang sesuai adalah sistem di mana perhitungan yang diperlukan dengan akurasi yang diperlukan lebih mudah dilakukan. Dengan kemajuan teknologi komputer, perbatasan ini semakin terhapus. Menggunakan program python sederhana di rumah, Anda bisa mendapatkan hasilnya di beberapa sistem referensi dengan akurasi yang sama. Sistem apa yang Anda minta, sedemikian rupa dan Anda akan menerima hasilnya.

Jadi ketika seseorang mulai berdiskusi di Internet yang sedang berputar, dan berapa persen dari populasi yang tidak terbiasa dengan "fakta" ini, jangan ragu untuk menganggap pengguna ini sebagai tamu dari abad yang lalu, dari sekitar XVI-XVIII.

Pada akhir abad ke-17, Isaac Isaakovich Newton merumuskan hukum gravitasi universal dan hukum mekanika, yang mengonfirmasikan formula Johann Genrihovich dan bekerja dengan akurasi yang wajar dalam kerangka referensi heliosentris. Ini menyoroti sistem heliosentris, di mana Bumi berputar mengelilingi Matahari, di antara semua sistem lainnya.

Mekanika Newton setuju dengan hasil pengamatan yang diketahui pada saat penciptaannya, tetapi pada saat yang sama mengajukan pertanyaan baru yang membutuhkan penjelasan. Dan dengan ini dia cantik, karena pertanyaan baru menginspirasi pencarian jawaban baru. Hukum Newton memiliki masalah berikut:

1. Kekuatan gravitasi menyebar secara instan dan tanpa akhir. Banyak percobaan di berbagai bidang fisika selama bertahun-tahun memberi alasan untuk berpendapat bahwa ini tidak terjadi di alam, dan jika sesuatu menyebar secara instan, maka kemungkinan besar kita tidak memahami sesuatu.
2. Orbit Merkuri menyimpang dari yang dihitung dari waktu ke waktu. Offsetnya tidak terlalu besar, tetapi terlihat.
3. Hukum Newton hanya terpenuhi dalam kerangka referensi inersia.

Titik terakhir adalah titik terlemah dalam mekanika klasik. Hukum diimplementasikan dalam kerangka referensi inersia, tetapi sistem apa yang tidak ada definisi pasti. Tidak peduli berapa banyak orang yang bingung, mereka tidak menemukan apa-apa, kecuali bahwa kerangka referensi inersia adalah kerangka referensi yang membuat hukum Newton puas. Ternyata sebuah loop, definisi dari istilah itu sendiri. Sistem heliosentris dapat dianggap hanya inersia kira-kira , dan sistem inersia nyata tidak ada sama sekali.

Inilah saatnya memberi kesempatan kepada akademisi kehormatan Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet Albert Germanovich Einstein:

Bisakah kita merumuskan undang-undang sedemikian rupa sehingga mereka berlaku untuk semua sistem koordinat, tidak hanya untuk sistem yang bergerak lurus dan seragam, tetapi juga untuk sistem yang bergerak secara mutlak sewenang-wenang sehubungan dengan satu sama lain? Jika ini bisa dilakukan, maka kesulitan kita akan teratasi. Kemudian kita akan dapat menerapkan hukum alam dalam sistem koordinat apa pun. Perjuangan antara pandangan Ptolemeus dan Copernicus, yang begitu sengit di awal-awal sains, akan menjadi sama sekali tidak berarti. Setiap sistem koordinat dapat diterapkan dengan fondasi yang sama. Dua kalimat - "Matahari beristirahat dan bumi bergerak" dan "Matahari bergerak dan bumi beristirahat" - akan berarti dua perjanjian yang berbeda pada sistem koordinat yang berbeda.
Bisakah kita membangun fisika relativistik nyata, berlaku di semua sistem koordinat; fisika, di mana tidak akan ada yang absolut, tetapi hanya gerak relatif? Ini, sebenarnya, adalah mungkin!

Asli The Evolution of Physics, 1938

Bisakah kita merumuskan hukum fisik sehingga mereka berlaku untuk semua cs, tidak hanya yang bergerak secara seragam, tetapi juga yang bergerak cukup sewenang-wenang, relatif satu sama lain? Jika ini bisa dilakukan, kesulitan kita akan berakhir. Kami kemudian akan dapat menerapkan hukum-hukum alam untuk setiap cs. Perjuangan, yang sangat kejam di masa awal sains, antara pandangan Ptolemy dan Copernicus kemudian akan menjadi sangat tidak berarti. Cs bisa digunakan dengan justifikasi yang sama. Dua kalimat, "matahari diam dan bumi bergerak," atau "matahari bergerak dan bumi diam", akan berarti dua konvensi yang berbeda mengenai dua c yang berbeda.
Bisakah kita membangun fisika relativistik nyata yang berlaku di semua cs; sebuah fisika di mana tidak akan ada tempat untuk gerak absolut, tetapi hanya untuk relatif,? Ini memang mungkin!

Kamerad Einstein mengembangkan teori gravitasi, yang tidak memerlukan kerangka referensi inersia. Teori relativitas umumnya menjelaskan anomali orbit Merkurius, menemukan banyak konfirmasi eksperimental lainnya, dan mengajukan banyak pertanyaan baru pada sains. Dan dengan ini dia cantik.

Setelah pengakuan teori relativitas, perdebatan tentang apakah Matahari berputar mengelilingi bumi atau sebaliknya, akhirnya disamakan dengan perang titik runcing dan tumpul. Dan fakta bahwa di masyarakat kita masih harus berurusan dengan ide-ide usang tentang hukum alam menyebabkan kesedihan dan penyesalan.

Saya ingat sebuah episode dari "Etudes in Scarlet", yang difilmkan dengan gemilang oleh sutradara Igor Fedorovich Maslennikov:

Watson, seorang pria berpendidikan yang banyak membaca, memberi tahu Holmes tentang kerangka acuan yang diadopsi dalam sains modern. Pada saat yang sama, ia melakukan kesalahan tipikal dari orang kebanyakan. Dia percaya bahwa teori ilmiah adalah kebenaran absolut dan tidak membiarkan keraguan. Sementara itu, setiap teori ilmiah, pertama, memiliki batas penerapan, dan kedua, setiap saat dapat dibantah oleh percobaan baru, dan kemudian harus direvisi.

Holmes, di sisi lain, tidak terbiasa dengan karya fisikawan hebat, dan ketidaktahuan ini hanya membantunya untuk tidak fokus pada satu sudut pandang, itu membuatnya mulai berpikir tentang masalah selama percakapan. Pikiran Holmes yang cerdas dan pengetahuan yang luas memungkinkannya untuk melihat sedikit lebih jauh dari sains modern dan merumuskan dengan kata-katanya sendiri prinsip dasar dari teori baru: hukum-hukum alam bersifat invarian terkait dengan kerangka acuan.

Total

• Pertanyaan tentang siapa yang berputar di sekitar siapa yang tidak masuk akal jika kerangka referensi tidak diberikan.
• Jika salah satu pembaca memiliki keinginan untuk menggambar skema gerak planet mereka yang disederhanakan dalam sistem referensi yang berbeda, maka mereka dapat menggunakan skrip python saya. Script menggunakan perpustakaan matplotlib. Untuk pemodelan tata surya yang akurat, saya dapat merekomendasikan Ruang Lingkup Tata Surya .

Kata penutup

Ketika saya sedang mempersiapkan GIF untuk artikel ini, saya punya ide lain yang menarik, meskipun tidak bisa dibantah. Gagasan ini secara signifikan mengubah kesimpulan yang saya buat, jadi saya memutuskan bahwa tidak akan berlebihan untuk membagikannya.

Karena gerakan itu relatif, kita dapat membicarakannya hanya dalam konteks kerangka referensi yang terkenal. Namun, dalam kehidupan sehari-hari kita tidak. Setiap mesin memiliki perangkat yang menunjukkan kecepatan. Kami tahu betul bahwa itu menunjukkan kecepatan relatif terhadap permukaan jalan. Di dekat jalan ada tanda yang menunjukkan kecepatan maksimum. Tidak ada yang akan mendenda pengemudi untuk bergerak dengan kecepatan 29 km / s relatif terhadap Matahari. Baik pengemudi dan inspektur tahu bahwa batas kecepatan pada tanda diukur relatif terhadap tanda itu. Prakiraan cuaca, prestasi olahraga, lalu lintas, navigasi, semua ini memerlukan penunjukan kecepatan, tetapi tidak ada sistem referensi yang ditunjukkan secara eksplisit.

Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa:

Ada sistem referensi default, yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari ketika tidak ada indikasi eksplisit dari sistem referensi yang berbeda. Sistem ini geosentris.

Karena itu pertanyaan VTsIOM memiliki satu-satunya jawaban yang benar: "Ya. Saya setuju. Matahari berputar mengelilingi bumi. " Saya berharap bahwa sosiolog tidak akan membakar saya di tiang pancang untuk bid'ah ini.

Hasil dari "studi kasus" terkenal sekarang dapat ditafsirkan sebagai berikut:

Itulah yang dibawa oleh manajer yang efektif ke negara ini! Hanya sepertiga dari populasi yang sadar bahwa Matahari berputar mengelilingi Bumi. 2/3 sisanya adalah korban ujian. Benar, ada tren positif, dari 2007 hingga 2011 pangsa warga negara berpendidikan meningkat dari 28% menjadi 32%, tetapi ini jelas tidak cukup. Pada kecepatan ini, kita akan mencapai keaksaraan universal hanya pada tahun 2080. Sesuatu perlu segera dilakukan.