Svemirska letjelica MESSENGER vezana Merkurom snimila je nekoliko zapanjujućih slika Zemlje tijekom gravitacijskog pomaka njihanja svog matičnog planeta 2. kolovoza 2005. Nekoliko stotina slika, snimljenih širokokutnom kamerom u MESSENGER-ovom Mercury Dual Imaging sustavu (MDIS), bilo je sekvenciran u film koji dokumentira pogled s MESSENGER-a dok je odlazio na Zemlju. (NASA / MESSENGER MISSION)

Pitajte Ethana: Zašto ne možemo osjetiti kako Zemlja leti kroz svemir?

Naše kretanje kroz prostor je nesporno. Zašto to ne možemo osjetiti?

Naš planet nije stacionarno mjesto za koje osjećamo da je ispod naših nogu, već se kreće na nevjerojatno složen način kroz Svemir. Rotiramo na svojoj osi jednom u 24 sata, okrećemo se oko Sunca jednom godišnje, dok cijeli Sunčev sustav kruži oko 220 km / s oko Mliječne staze, koja ubrzava prema Andromedi u Lokalnoj grupi, koja se sama kreće u odnosu na zračenje preostalo od Velikog praska. To je puno kozmičkog kretanja! A ipak, to uopće ne možemo osjetiti. To muči mnoge, uključujući čitateljicu Annie Bennett, koja pita:

Očajnički trebam vašu pomoć! Molim vas pomozite mi da objasnim svom mužu zašto ne možete osjetiti kako zemlja leti kroz svemir!

Postoji jednostavan razlog zašto to ne možemo osjetiti u svojim tijelima, ali to neće biti intuitivno onima koji su navikli na svoja iskustva ovdje na Zemlji.

Ako stegnete udove iz automobila koji se kreće, osjetit ćete silu dok zrak prolazi pored. Ako udvostručite brzinu, četverostruke sile. Ipak, ako ste u mirovanju u odnosu na zrak, iskusit ćete nikakvu silu. (PXHERE / FOTO BROJ 151399)

Ako ste u automobilu koji se kreće brzinom od 15 milja na sat, a gurnete udove kroz prozor, osjetit ćete kako vjetar lagano puše prema njemu. Istina je da što brže idete, to ćete osjećati većom snagom, ali način na koji vaša ruka ili noga osjeća silu nije nužno intuitivan. Ako ubrzate kretanje brzinom od 30 mph, snaga na vašem dodatku bit će četiri puta veća nego što je bila pri 15 mph; ako ubrzate do 60 mph, ta sila eskalira do šesnaest puta više nego što je bila pri 15 mph.

Ali ta sila postoji samo zato što se vaša ruka, fizički, kreće relativnom brzinom prema molekulama zraka sa kojima se sudara. Da ste umjesto toga zatvorili prozore automobila, vaša ruka uopće ne bi osjećala silu. I to je zbog toga što je zrak u autu nepomičan u odnosu na vaše tijelo. Tek kada se dva objekta međusobno pokreću, možete osjetiti silu.

Točan model kako planete kruže oko Sunca koje se tada kreće kroz galaksiju u različitom smjeru-kretanja. Imajte na umu da su planeti svi u istoj ravnini i ne vuku se iza Sunca niti formiraju budnost bilo koje vrste. (RHYS TAYLOR)

Kada Zemlja kruži oko Sunca ili kada Sunčev sustav orbitira oko galaksije, ili kada se naša galaksija kreće u odnosu na druge galaksije u našoj Lokalnoj grupi, ili kada se Lokalna skupina kreće u odnosu na ostatak Svemira, nema utjecaja na naš tijela koja smo sposobni osjetiti.

Ne postoji senzor sile koji bismo mogli primijeniti kako bismo otkrili učinke ovog pokreta iz jednostavnog razloga: sve što djeluje na silu na naša tijela, uzrokuje da ubrzavamo, također djeluje proporcionalno na Zemlju, uzrokujući da ubrzava na potpuno ista stopa. Baš kao što se ne možete osjećati u pokretu u glatkom vozilu s podignutim prozorima, tako ne možete osjetiti kako se Zemlja kreće kroz svemir dok ste i vi vezani za planetu Zemlju. To se odnosi na bilo koju ljestvicu koju možete zamisliti, od dinamike Sunčevog sustava do skalina cijelog Svemira.

Relativni atraktivni i odbojni učinci prenapučenih i prenapučenih regija na Mliječnom putu. Kombinirani učinak poznat je pod nazivom Dipole Repeller. Iako se naša lokalna skupina kreće brzinom od oko 600 km / s u odnosu na preostali sjaj Velikog praska, to ne možemo osjetiti, jer između naših tijela i gibanja Zemlje nema relativnog kretanja ili sile. (YEHUDA HOFFMAN, DANIEL POMARÈDE, R. BRENT TULLY i HÉLÈNE COURTOIS, ASTRONOMIJA PRIRODE 1, 0036 (2017))

U stvari, priča ide još dublje od toga, kao što je Einstein prvi put intuitirao prije više od 100 godina. Nazivajući to "svojom najsretnijom mišlju", shvatio je da bi se svaka promjena u pokretu objekta činila kao ubrzanje i da će se svi oblici stalnog ubrzanja, uključujući gravitaciju, razlikovati jedan od drugog.

Sada nazivamo ovaj Einsteinov princip ekvivalencije i govori nam da nijedan ubrzani referentni okvir ne može imati uzrok ubrzanja određen objektom koji je dio unutarnjeg sustava. Drugim riječima, ako ste dio Zemlje (i oprosti, Annie, ti i tvoj suprug ste oboje) i Zemlja ubrzava, tada ćete i vi ubrzavati i nećete moći osjetiti učinke bilo kojeg od različitih uzroka.

To je prvi shvatio Galileo, koji je shvatio da će kuglica koja je pala s nagnutog Pizskog tornja pasti ravno dolje, umjesto da zaostaje kako se Zemlja rotira, jer se Zemljina atmosfera kretala zajedno s našim planetom.

Identično ponašanje kugle koja pada na pod ubrzanom raketom (lijevo) i na Zemlju (desno) dokaz je Einsteinova načela ekvivalencije. (WIKIMEDIA ZAJEDNO KORISNIK MARKUSA POESSELA, POVRATAK PBROKS13)

Ovaj bi fenomen ostao istinit čak i da niste bili na Zemlji! Da ste bili u svemiru - na primjer, na Međunarodnoj svemirskoj stanici - apsolutno biste ubrzavali zbog utjecaja svega što vas kreće kroz svemir. Zemlja vas vuče; Sunce i planete vas vuku; ostatak galaksije i svemira također djeluju gravitacijsko na vas.

Te sile uzrokuju da ubrzate. Ali iste te sile uzrokuju da svi predmeti u vašem okruženju, uključujući ostale astronaute sa sobom, neživi predmeti (poput voća) i samu svemirsku stanicu, ubrzavaju istom brzinom kao i vi. Nalazite se u onome što doživljavate kao "slobodni pad", kao i svi drugi predmeti tamo. U odnosu na vaše okruženje, ne postoji neto sila, pa samim tim ni vidljivo ubrzanje.

Astronauti i voće na međunarodnoj svemirskoj stanici. Imajte na umu da gravitacija nije isključena, već da je sve - uključujući svemirski brod - jednoliko ubrzano, što rezultira nultim iskustvom. ISS je primjer inercijalnog referentnog okvira. (PUBLIC DOMAIN IMAGE)

No, postoje neke iznimke koje možete otkriti, mada je sumnjivo da je vaše tijelo dovoljno osjetljivo. Postoje sile koje doživljavamo iz činjenice da je Zemlja veliki trodimenzionalni objekt, a da se nalazimo u samo jednoj točki na njegovoj površini. U odnosu na Zemlju, neke sile doživljavamo nešto drugačije od onoga kako je Zemlja, sveukupno, doživljava.

Jedna takva iznimka su plimne sile. Vi ste sami trodimenzionalni objekt. Vaša stopala na zemlji malo su bliže središtu Zemlje od glave, što znači da je gravitacijska sila sa Zemlje malo veća na vašim stopalima. Ovo možda nije dovoljno značajno da biste ga primijetili, ali možete dizajnirati eksperiment koji je dovoljno osjetljiv na sitne razlike gravitacione sile. Prvi ga je vidio eksperiment Pound-Rebka, koji je bio jedan od klasičnih testova Einsteinove teorije gravitacije, te je to spektakularno potvrdio.

Fizičar Glen Rebka, na donjem kraju Jefferson Towersa, Sveučilište Harvard, nazvao je profesora Pounda telefonom tijekom postavljanja poznatog eksperimenta Pound-Rebka. (CORBIS MEDIA / HARVARD UNIVERSITY)

Drugi je učinak plime i oseke na samoj Zemlji. Zemlja se vrti, a Mjesec vuče kako na Zemljinoj kori tako i na oceanima koji je okružuju. Kako se Zemlja okreće, sila s Mjeseca mijenja se na svakoj pojedinoj točki, uzrokujući izlijevanje oceana.

Iako vi, kao pojedinac, niste dovoljno osjetljivi da biste otkrili promjene sile, lako možete osjetiti plimu koja ulazi i izlazi kad se Zemlja vrti na svojoj osi. Činjenica da imamo dvije oceanske ispupčenja i da se Zemlja vrti jednom dnevno, znači da svakodnevno imamo dvije plime i dvije plime. Možda nećete moći osjetiti sile plima u vlastitom tijelu, ali očito možete osjetiti njegove učinke.

Mjesec djeluje na Zemlju plimna sila koja ne samo da uzrokuje našu plimu, već uzrokuje kočenje Zemljine rotacije i kasnije produžavanje dana. Kako Mjesec stvara dvije plime na Zemlji, koje se vrte jednom dnevno, svakodnevno doživljavamo dvije plime i dvije plime. (WIKIMEDIA ZAJEDNO KORISNIK WIKIKLAAS I E. SIEGEL)

Napokon, činjenica da se sama Zemlja okreće rezultira u posebnoj vrsti sile koju iskusi sve što se nalazi na njenoj površini: Coriolisova sila. Budući da se Zemlja okreće u odnosu na određeno mjesto (tj. Oko svoje osi), točke duž njezine površine na različitim zemljopisnim širinama osjetit će malu silu koja uzrokuje dodatnu rotaciju.

Maksimalnu količinu sile doživio bi objekt na Sjevernom ili Južnom polu, zbog čega bi on imao dodatnu rotaciju od 360 stupnjeva nad objektom koji nije bio na Zemlji. Ali dvije različite hemisfere doživljavaju rotaciju u suprotnim smjerovima: Sjeverni pol osjeća rotaciju u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, dok se Južni pol osjeća u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Za nekoga na ekvatoru sila se spušta na nulu, a netko na srednjim širinama dobiva samo djelomičnu rotaciju tokom dana.

Učinci Coriolisove sile na klatno koje se okreće na 45 stupnjeva sjeverne širine. Imajte na umu da klatno traje dvije pune rotacije Zemlje kako bi na ovoj zemljopisnoj širini napravili jedinstvenu potpunu rotaciju (CLEON TEUNISSEN / CLEONIS.NL)

Prvi je puta ovaj eksperiment dramatično izveden u Francuskoj, Léon Foucault, koji je izveo svoj eksperiment iz 1851. godine, pričvrstivši ogromnu težinu dugačkim nizom na strop Panteona u Parizu, Francuska. Nakon što ga je pustio u ravnu liniju, pratio se tokom dana, njihao se i ljuljao. Kako su sate otkucavale, postalo je jasno da se klatno ne kreće u jednostavnom naprijed-natrag, već da se okreće u odnosu na ostatak Panteona.

To je bio nepobitan dokaz da se Zemlja sama rotira, da je Coriolisova sila stvarna i da su predviđanja o okretnoj Zemlji potkrijepila izravnim, lako vidljivim eksperimentom.

Ovo klatno Foucault, prikazano u akciji na Ciudad de las Artes y las las Ciencias de Valencia u Malagi, Španjolska, rotira se tijekom dana, rušijući različite klinove (prikazane na podu) dok se ljulja, a Zemlja se okreće , (DANIEL SANCHO / FLICKR)

Kao ljudsko biće, senzori sile na našim tijelima su primitivni i rade samo u vrlo kratkim uvjetima. Potrebni su ogromni kumulativni efekti koji se javljaju samo tokom dana da bismo mogli iskusiti rotaciju Zemlje ili precizna mjerenja koja nadilaze mogućnosti našeg tijela da bi otkrili kretanje Zemlje.

Ali taj je pokret stvaran, i razlog što ne možete osjetiti to nije zato što se ne krećemo, već zato što je vaše ljudsko tijelo u stalnom, jednoličnom kretanju u odnosu na samu Zemlju. Ako bi nešto utjecalo na Zemlju različitu silu, osjetit ćete to odmah. Ali u nedostatku toga, trebat će vam mnogo osjetljiviji instrument od pukog ljudskog tijela. Ukratko, to je ogroman dio onoga što je znanost: smišljanje načina izvan naših očiglednih osjetila za istraživanje i učenje o Univerzumu. Zemlja se kreće, a klatno Foucaulta je kako sami možete vidjeti njegove učinke!

Pošaljite svoje zahtjeve pitajte Ethana na startwithabang na gmail dot com!

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.