Prosty eksperymentalny dowód, że Ziemia obraca się wokół Słońca

Jakie są najprostsze eksperymenty lub obliczenia, które dowodzą, że Ziemia obraca się wokół Słońca? Czy możesz je wyjaśnić i odwołać się do historii? Wiele prostych wyjaśnień, takich jak cytowane obserwacje, takie jak relatywne położenie dwóch gwiazd obserwowanych z Ziemi, zmienia się każdej nocy - co nie byłoby prawdą, gdyby gwiazdy krążyły wokół Ziemi. Ale czy obserwacja nie jest również spójna z modelem, w którym gwiazdy krążą wokół Ziemi, ale robią to z różnymi prędkościami, podczas gdy Ziemia wciąż krąży wokół Słońca? Pomocne byłyby proste wyjaśnienia.

Odpowiedź jest ironiczna: bez dobrych instrumentów nie ma dowodów . Ludzie, którzy myśleli, że Słońce krąży wokół Ziemi, mieli całkowitą rację, jeśli chodzi o faktyczne dowody, aż do wczesnych lat 1700 i połowy 1800, kiedy to otworzyły się dwie linie dowodów wskazujące na ruch Ziemi.

Aberracja światła gwiazd

Wikipedia ma poprawne, ale zbyt skomplikowane wyjaśnienie . Najłatwiej jest to sobie wyobrazić w znakach stopu w samochodzie w deszczu, a deszcz pada prosto w dół. Kiedy zaczynasz się poruszać, pozorny kierunek deszczu zmienia się, tak że wydaje się, że spada przed tobą i pochyla się w twoją stronę. To jest aberracja.

Na początku 1700 roku odkryto, że gwiazdy zmieniają pozycję, aw 1727 roku James Bradley poprawnie zidentyfikował je jako abberację światła gwiazd z powodu ruchu Ziemi wokół Słońca. (W przypadku każdej gwiazdy ekliptyki Ziemia zbliża się do niej o jakiejś porze roku, a sześć miesięcy później).

Paralaksa

Artykuł Wikipedii na temat paralaksy jest lepszy i odsyłam do niego po szczegóły. Zasadniczo, jeśli podniesiesz palec przed sobą i spojrzysz na niego z zamkniętym lewym okiem, a następnie z zamkniętym prawym okiem, wydaje się, że przeskakuje w stosunku do tła - ściany za nią lub drzew na zewnątrz lub cokolwiek innego. Szybko przełączaj się między oczami, aby wyraźnie to zobaczyć.

Gdy Ziemia krąży wokół Słońca, wydaje się, że pobliskie gwiazdy również zmieniają swoje położenie względem gwiazd bardziej odległych. Kluczową kwestią jest to, że istniały dobre naukowe podstawy, aby przypuszczać, że gwiazdy były znacznie mniejsze niż Słońce. Widziane przez teleskop gwiazdy pokazały dyski i gdyby były podobne do Słońca, ich odległość można by było wywnioskować z tych dysków. Byli na tyle blisko, że gdyby Ziemia naprawdę okrążyła Słońce, należałoby zaobserwować paralaksę. Ale tak nie było, a brak zauważalnej paralaksy stanowił silny empiryczny argument przeciwko teoriom heliocentrycznym.

W rzeczywistości paralaksa istnieje, ale paralaksa wszystkich gwiazd jest niewielka, ponieważ znajdują się one znacznie dalej niż szacowano na podstawie ich dysków. (Widoczne dyski były w rzeczywistości dyskami dyfrakcyjnymi i wcale nie były prawdziwymi dyskami - ale dopiero prawie sto lat później dyfrakcja zaczęła być rozumiana.) Friedrich Bessel po raz pierwszy zmierzył prawdziwą paralaksę gwiazdy w 1838 r.

Nie możesz udowodnić, że Ziemia krąży wokół Słońca, a nie odwrotnie, ponieważ jest to bardzo sprzeczne z faktem, że wszystkie ramy odniesienia są jednakowo ważne (ale niektóre mają znacznie większy sens niż inne). Na przykład, o wiele bardziej sensowne jest stosowanie skoncentrowanego na Ziemi punktu widzenia, zamiast nieobrotowego geocentrycznego, heliocentrycznego, barycentrycznego lub galaktocentrycznego punktu widzenia podczas modelowania pogody lub pływów. Można na przykład użyć heliocentrycznego, a nawet galaktocentrycznego punktu widzenia do modelowania pogody na Ziemi, ale byłoby to głupie.

Z drugiej strony, modelując zachowanie układu słonecznego, sensowniejsze jest użycie heliocentrycznego, a nawet lepiej barycentrycznego punktu widzenia układu słonecznego. Można jednak użyć punktu widzenia skoncentrowanego na Ziemi, ustalonego przez Ziemię, ponieważ wszystkie ramy odniesienia są jednakowo ważne (teoretycznie). Takie postępowanie spowodowałoby oczywiście, że równania ruchu byłyby dość brzydkie, a jeszcze trudniejsze, gdyby próbowano je relatywistycznie poprawić. Geocentryczny punkt widzenia pozostaje jednak teoretycznie aktualny - nawet do modelowania zachowania Drogi Mlecznej.

Problem z geocentrycznym punktem widzenia nie polega na tym, że jest nieważny (a nie jest). Problem polega na tym, że zwolennicy geocentryzmu argumentowali (i niestety nadal twierdzą), że jest to jedyny słuszny punkt widzenia. Ten argument jest nieprawidłowy, ponieważ ponownie wszystkie ramy odniesienia są jednakowo ważne.

Uwaga: tylko dlatego, że ramki inercyjne są w pewnym sensie wyjątkowe, nie oznacza to, że ramki inne niż inercyjne są nieprawidłowe.

Jeśli zaczniesz od pomysłu, że planety, słońce, księżyc i ziemia są ciałami, które wszystkie poruszają się w przestrzeni, wyklucz pozornie ustalone gwiazdy, a następnie zobacz, jakie są dowody na to, jak poruszają się względem siebie, następnie w tym kontekście istnieją pewne dowody w astronomii gołym okiem wspomaganej instrumentami nawigacyjnymi dostępnymi nawet dla starożytnych.

Wzory obserwowanego ruchu planet są dowodem na orbitę heliocentryczną. Widoczne planety podążają za pewnymi wzorami. Po pierwsze, Merkury i Wenus:

• Zawsze są widoczne w pobliżu słońca.
• Obserwowane odchylenia kątowe Merkurego i Wenus od Słońca mają regularny wzór.
• Rtęć ma znacznie bliższą maksymalną separację niż Wenus, a jej separacja kątowa zmienia się w znacznie szybszym tempie.
• Obie planety pozostają blisko ekliptyki i nigdy nie oscylują wokół niej normalnie.
• Orbity obu planet wokół Słońca można stosunkowo łatwo udokumentować i przewidzieć. Można to zrobić nieprecyzyjnie, nawet bez teleskopu, chociaż Merkury jest o wiele trudniejszy, będąc tak blisko słońca.

Począwszy od założenia ciał poruszających się po niebie, uważam, że istnieją dowody na to, że Merkury i Wenus mają orbitę heliocentryczną. Kepler dokładnie to opisał, ale starożytni Grecy potrafili bardzo dobrze modelować swój ruch bez teleskopów w mechanizmie Antikythera w kategoriach geocentrycznych .

Gdyby starożytny grecki astronom chciał precyzyjnie wymodelować ruch planet wewnętrznych w kategoriach heliocentrycznych , mógłby to zrobić. Można to zrobić, zakładając, że ustalone gwiazdy są sztywno ustalone, i zmierzyć odległości kątowe między nimi wszystkimi, a następnie wykreślić ruchy poruszających się planet między nimi. Sekstanty i inne urządzenia były używane przez starożytnych marynarzy, którzy byli bardzo wykwalifikowani nawet w przypadku prymitywnych . Można to zrobić, aby zrealizować „proste eksperymenty lub obliczenia”, o które prosisz. To, czy kiedykolwiek zostało to zrobione, mając na uwadze to pytanie, jest nieco inną kwestią.

Teraz sama ziemia. Nawet w starożytnym świecie związek między dniem gwiezdnym a dniem słonecznym został dobrze zrozumiany . Precesja Słońca wokół płaszczyzny ekliptyki jest dowodem na orbitę heliocentryczną. Wystarczy to wymodelować, aby to wyjaśnić. Starożytne obliczenia odnoszące się do czasu gwiezdnego i cyklu metonicznego ujawniają, że ruch heliocentryczny Ziemi można by modelować matematycznie, o ile jest to pożądane i pożądane.

Jeśli chodzi o planety zewnętrzne, to moim zdaniem jest to najmniej intuicyjne, ale istnieją również dowody na istnienie dla nich orbit heliocentrycznych, ale tylko poprzez oparcie się na idei, że Ziemia i planety wewnętrzne krążą wokół Słońca. Wynika to z obserwacji ich ruchu wstecznego . Planety te poruszają się wstecz w stosunku do „ustalonych gwiazd tła” w określonych momentach, a czasy te można skorelować z ich kątowym oddzieleniem od Słońca. Także różne planety poruszają się przez zodiak z różnymi prędkościami, które również korelują z amplitudą ruchu wstecznego.

Jeśli to wszystko zasymulujesz za pomocą heliocentrycznej orrery, bardzo wyraźnie widać, że na wewnętrznej, szybszej planecie obserwujemy zewnętrzną, wolniejszą planetę na jej orbicie. Starożytni Grecy mieli dość umiejętności, aby modelować ruchy Marsa, Jowisza i Saturna w ich mechanizmie Antikythera w kategoriach geocentrycznych . Wynika z tego, że dokładny, matematyczny model ruchu heliocentrycznego dla planet zewnętrznych był w ich zasięgu, o ile kiedykolwiek po nie sięgnął.

Istnieją również dowody na to, że przynajmniej niektórzy starożytni myśliciele byli w stanie zdekodować to wszystko do modelu heliocentrycznego. Starożytny grecki Arystarch z Samos miał model heliocentryczny. Jednakże, Platon i inni wydawało się to niełaskę, a to rekonstrukcja z Mechanizmu Antikythera który jak się uważa, są również po dniu Arystarch dysponuje geocentrycznego orrery które modele planetarny ruch wsteczny. A myślenie heliocentryczne pozostało w mniejszościna zachodzie do współczesności. Być może oczywista geocentryczna orbita Księżyca lub pytanie gwiazd (czy powinny one być uwzględnione w jakimkolwiek poprawnym modelu, czy nie), lub brak uniwersalnej teorii grawitacji, wystarczająco niejasnej dla nich, co dla nas jest jasne.

Najlepszym dowodem eksperymentalnym jest prawdopodobnie ruch wsteczny . Dane nie są łatwe do zebrania: gromadzenie danych zajmuje dużo czasu, nie wspominając o tym, że astronom musiałby co noc pozostawać na nogach, wykonując skrupulatne pomiary pozycji każdego obiektu. Ale można to zrobić (starożytni Grecy byli tego świadomi), a we współczesnym świecie można po prostu użyć symulatora, takiego jak Stellarium .

Pobierz Stellarium, uruchom go i przejdź do pozycji lokalnej. Następnie ustaw uruchomioną symulację i przyspiesz ją wiele razy. Powinieneś zobaczyć słońce i gwiazdy obracające się wokół ciebie. Następnie wyłącz ziemię (abyś mógł widzieć Ziemię), wyłącz atmosferę (abyś mógł widzieć gwiazdy w ciągu dnia), przełącz się na wierzchowiec równikowy (Ctrl + M; jest to góra, na której znajduje się większość nieba stacjonarne) i pomniejszaj, aż Słońce, Księżyc i wszystkie planety poruszają się w kółko.

Teraz przyjrzyj się uważnie ruchom wszystkich planet. Powinieneś zobaczyć, że Księżyc (i Słońce) krąży w kółko, nigdy nie zwalniając. Tego można się spodziewać, gdyby okrążyli Ziemię. Jednak Merkury nie podąża za tym ruchem - widocznie znika wokół Słońca. Mars zachowuje się również inaczej: krąży w kółko, następnie zatrzymuje się, cofa się, a następnie krąży w kółko. To ostatnie zachowanie nazywa się ruchem wstecznym, a jego wyjaśnienie zajmowało wiele starożytnej astronomii. Starożytni Grecy wymyślili skomplikowaną teorię epicyklów, aby ją wyjaśnić, biorąc pod uwagę, że planety krążą wokół Ziemi i poruszają się w idealnych kręgach (żadna z nich nie jest prawdziwa we współczesnej wiedzy).

Jednak ruch wsteczny można łatwo wyjaśnić, jeśli Mars nie okrążył Ziemi, lecz zamiast tego okrążył Słońce. Oznaczałoby to po prostu, że Mars idzie wstecz, gdy wyprzedzamy go na swojej orbicie. Ponadto wyjaśnia to również, że za każdym razem, gdy Mars porusza się wstecz, jest najjaśniejszy, a ponadto znajduje się po przeciwnej stronie nieba w stosunku do Słońca. Wyjaśnia także, dlaczego Merkury wykonuje pętle wokół Słońca.

Nie oznacza to, że model geocentryczny nie jest w stanie uwzględnić tych samych obserwacji, ale jest znacznie prostszy. W modelu heliocentrycznym każda planeta okrąża Słońce prostą ścieżką, elipsą. W modelu geocentrycznym każda planeta okrąża Ziemię, ale epicykl po epicyklu. Wtedy zastosujemy Razor Razor i stwierdzimy, że prostsze wyjaśnienie jest prawidłowe.

Cóż ... cykl sezonowy jest wystarczającym dowodem na to, że Ziemia i Słońce krążą wokół siebie. To, czy A krąży na orbicie B, czy na orbicie B, jest argumentem o względnej masie. Jeśli stwierdzisz, że ruch wszystkich innych planet jest zgodny z nimi, krążąc wokół Słońca, ale nie Ziemi, możesz dojść do wniosku, że masa Słońca jest ogromna, a zatem prawie nie ma na nią wpływu przyciąganie Ziemi.

Szczegółowe obserwacje dowolnej gwiazdy na niebie ujawniają, że Ziemia porusza się po orbicie eliptycznej z prędkością około 30 km / s.

Kiedy linia prędkości wzroku gwiazd jest mierzona za pomocą efektu Dopplera, należy je skorygować względem ruchu Ziemi. Jeśli tak nie jest, można by zobaczyć niewyjaśnioną modulację prędkości, z okresem 1 roku i amplitudą do 30 km / s, które różniłyby się w zależności od kierunku gwiazdy względem orbity Ziemia-Słońce samolot.

Podobnie, model geocentryczny nie wyjaśnia, dlaczego obserwator na Ziemi widzi pozycje gwiazd na niebie wykonujących okresowe elipsy na niebie z amplitudami (inaczej paralaksą trygonometryczną), które wydają się być odwrotnie skorelowane z odległością, ale wszystko z okresem jednego roku.

Być może nie są to „proste” eksperymenty, o których myślałeś, ale wszechświata nie zawsze można zrozumieć za pomocą tego, co widać gołym okiem i zdrowego rozsądku.

Może to uprościć rzeczy, ale oto moja sprawa:

• Utwórz płaską powierzchnię (im większa, tym lepiej, o ile pozostanie płaska), np. Umieszczając deskę na spokojnej powierzchni wody.
• Połóż długi słup (im dłuższy, tym lepiej) pionowo na tej powierzchni w południe.
• Zmierz jego cień (kierunek i długość), który musi znajdować się całkowicie na płaskiej powierzchni.
• Niech ktoś zrobi to samo (zwłaszcza ta sama długość bieguna) w tym samym czasie daleko na północ od ciebie (im dalej, tym lepiej).
• Miej jedną trzecią dokładnie takich samych pomiarów daleko na południe od ciebie.

Ocena pomiarów powinna ustalić:

• Powierzchnia Ziemi jest z grubsza kulista (właściwie Ziemia jest spłaszczoną elipsoidą, ale potrzeba więcej niż 3 pomiarów, aby to potwierdzić)
• Średnica ziemi mieści się w podanych wartościach (oczekiwane odchylenie +/- dla błędu pomiaru i fakt, że zmierzyłeś tylko bardzo przybliżone oszacowanie)
• Szorstkie oszacowanie odległości ziemia-słońce za pomocą triangulacji

Za pomocą kamery otworkowej możesz teraz zgrubnie oszacować rzeczywistą średnicę Słońca na podstawie jego średnicy pozornej i odległości od góry. Nawet kumulując wszystkie błędy pomiaru, różnica wielkości między słońcem a ziemią powinna wynosić kilka rzędów wielkości.

Przymocuj dwie kule do przeciwległych końców pręta (im lżejszy pręt w porównaniu do kulek, tym lepiej). Kulki muszą być przybliżonymi przybliżeniami wyżej ustalonych pomiarów (np. Można się domyślać, że słońce jest czystym wodorem, a ziemia jest czystym żelazem, aby uzyskać oszacowanie masy). Przymocuj sznurek do pręta i znajdź punkt równowagi. Najprawdopodobniej będzie to droga do piłki reprezentującej słońce (musisz uwzględnić ciężar pręta).

Możesz teraz sprawić, by dwie kule krążyły wokół siebie, zwisając z sznurka.

Który obraca się wokół drugiego?

Przy stosunkowo prostym sprzęcie można obserwować zachowanie satelitów Jowisza. Zakładając hipotezę, że Jowisz i wszystkie planety obracają się wokół Ziemi, należy się spodziewać, że okluzja satelitów przez Jowisza odbywałaby się bardzo regularnie. Ale to, co widzimy, dzieje się w różnym czasie w stosunku do zegarów na Ziemi, nawet niezbyt dokładnych, co dowodzi, że orbita Jowisza nie jest prostym epicyklem wokół Ziemi. Również obserwacja dowolnego satelity, który nie krąży bezpośrednio wokół Ziemi, budzi wątpliwości co do widoku skoncentrowanego na Ziemi.

Bardzo prosto: z powodu względnego ruchu nie istnieje żaden dowód. Każda wymyślona sytuacja może być wyjaśniona przez poprawiony moduł geocentryczny. Albert Einstein doszedł do tego samego wniosku, gdy powiedział: „Uwierzyłem, że ruch Ziemi nie może zostać wykryty przez żaden eksperyment optyczny”. i „... na pytanie, czy ruch Ziemi w przestrzeni kosmicznej może być zauważalny w eksperymentach naziemnych. Już zauważyliśmy ... że wszystkie próby tego rodzaju doprowadziły do ​​negatywnego wyniku. Przed teorią względności zaproponowano, trudno było pogodzić się z tym negatywnym wynikiem ”.