Fizyka 
 
Czy ziemia krąży wokół Słońca
Czyli o układach odniesienia
Hefajstos
Przyjęło się uważać, że to Ziemia krąży dookoła Słońca. Może dlatego, że wcześniej sadzono, że to Słońce krąży wokół Ziemi, wierząc że to Ziemia stanowi centrum wszechświata. W miarę jak nasza wiedza o kosmosie poszerzała jego horyzont, badając ruch innych ciał niebieskich, geocentryzm bardzo komplikował opis tych ruchów.

Założenie geocentryzmu ziemi nie musiało wynikać z egoizmu i może wcale nie było tak istotne, że układ odniesienia związaliśmy z powierzchnią ziemi, bo w końcu każdy ruch obserwowano głównie dzięki porównaniu do tego co jest nieruchome, czyli właśnie do ziemi1. Dopiero wraz z zawłaszczeniem nauki przez religię bazująca na wyjątkowości człowieka (a wyjątkowości człowieka wierzącego w tą akurat wiarę – w szczególności), geocentryzm niezauważenie przepoczwarzył się z wygodnego założenia, w dogmat nie podlegający jakiejkolwiek dyskusji. Jednak odkrycia planet – „gwiazd” wędrujący po niebie, a właściwie dziwnej regularności tego ruchu zrodziło pewne podejrzenia.

Prawda o ruchu Ziemi, podobnie jak innych planet, wokół Słońca, została opublikowana nie jako prawda filozofii przyrody, ale jako pewien matematyczny wybieg pozwalający na uproszczenie opisu. Uproszczenie trzeba przyznać – naprawdę piękne i stanowiące podstawę jednego z istotniejszych działów współczesnej fizyki. W końcu bez długotrwałych obserwacji i poprawek nie sformułowano by praw ruchu w których Newton dopatrzył się zasad mechaniki. Heliocentryzm był popularyzowany raczej jako teoria antagonistyczna do obecnie panującej.

Tymczasem teoria heliocentryczna, która pozwoliła uprościć opis ruchu planet, wcale nie jest bardziej poprawna. Po prostu ruch wygodnie jest rozpatrywać w układzie środka masy, a ten znajduje się akurat we pobliżu środka Słońca. A ponieważ na ruch planet nie wpływają znacząco inne gwiazdy możemy nasz układ słoneczny w tym wypadku, potraktować jak układ izolowany. Obserwowany ruch zgadzał się z modelem matematycznym, a to wystarczało, by potwierdzić tą naukową teorię. Jednak teraz zdajemy sobie sprawę, że także słońce krąży wokół jądra galaktyki – Drogi mlecznej, która także krąży wokół środka gromady galaktyk, te wokół środka supergromady i tak dalej. Czy można więc mówić, że słońce jest jakimś wybranym punktem odniesienia?

Co do krążenia Ziemi wokół Słońca, można mieć wątpliwości. Taki model bardzo pomaga przy planowaniu podróży międzyplanetarnych czy przy astronomicznych obserwacjach, ale na co dzień wybieramy inne układy odniesienia, w zależności od potrzeb. A potrzebą jest jak najprostszy opis ruchu. Jeśli spadający kamień opisywalibyśmy uwzględniając ruch obrotowy ziemi, wraz z ruchem wokół słońca – zagadnienia rzutu poziomego trzeba byłoby opisywać parą równań zawierających sporo funkcji trygonometrycznych. Rozwiązując te równania, ktoś mógłby dostrzec jak bardzo się one upraszczają gdy założymy, że to ziemia jest nieruchoma. Kiedy indziej nieruchomy będzie wagon, albo rower, w zależności od tego jakie założenie uprości nam opis rozważanego problemu.

Czy więc nie ma żadnego „szczególnego układu odniesienia? Niestety nie. No, może poza szczególna klasa układów zwaną układami inercjalnymi, to znaczy takimi w których nie występują dodatkowe siły związane z układem, zwane zazwyczaj – siłami bezwładności. Jednak takich układów jest nieskończenie wiele, poruszających się względem siebie ze stałymi prędkościami, choć przy dużych prędkościach zaczynają się problemy z czasem. Mogłoby się nawet wydawać, że istnieje taki szczególny układ odniesienia w którym czas płynie najdłużej, jednak i ten sposób nie zdaje egzaminu. Możemy jedynie rozróżnić w ten sposób dwa układy. W zasadzie na „nasz” i „ten drugi”, bo to który jak będzie odbierany zależy z którym będziemy akurat związani.

Ale i tu pojawiają się trudności, bo układ inercjalny jest piękną ideą pozwalającą uprościć równania ruchu, jednak w praktyce – nie istnieje, a przynajmniej jest wyjątkowo niepraktyczny, bo ruch wirowy, tak powszechny we wszechświecie jest ruchem przyspieszonym. Co prawda zmienia się głównie kierunek prędkości, jednak wymaga to działania siły, która wewnątrz układu jest odczuwana jako siła bezwładności. Zresztą podobny charakter ma grawitacja. Zupełnie jakby nasza przestrzeń rozciągła się i kurczyła wyjątkowo niejednorodnie.

Więc czy ziemia krąży wokół słońca?

Tak. I nie.


1
 z wyjątkiem statków, które trudno było uznać za nieruchomy punkt odniesienia;
 
Opinie
 
Facebook
 
  
42327 wyświetleń

numer 3-4/2017
2017-04-01


nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net