Доказательство того, что Земля вращается?

Маятник Фуко — отличный эксперимент, демонстрирующий, что Земля вращается, но он был введен только в 1851 году. Известно, что Земля вращается за несколько столетий до этого, вероятно, под влиянием Коперника и Галилея, продвигающих гелиоцентрическую модель солнечного движения. системы в 16 веке.

За пару десятилетий до маятника Фокальта был открыт эффект Кориолиса . Это влияет (среди других столь же больших систем) на ураганы, заставляя их вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки в зависимости от того, находятся ли они в южном или северном полушарии. Это кажущаяся сила, которая проявляется в любой вращающейся системе отсчета (например, во вращающейся планете). Это опять же не помогло ранним сторонникам «вращающейся Земли».

Ранним доказательством того, что Земля вращается, почти наверняка были наблюдения за солнцем, планетами и звездами, движущимися по небу, а затем, с помощью телескопов, за другими планетами, также вращающимися. Конечно, это требует от вас веры в то, что Земля не является центром вселенной, и поэтому не «доказывает», что Земля вращается так же, как наблюдение маятника Фуко или эффекта Кориолиса.

Идея «доказательства» в физике сложна. Теория, такая как «вращающаяся Земля», сначала будет просто представлена ​​для объяснения аномальных наблюдений, которые не могут объяснить современные теории (например, почему другие планеты и Солнце движутся независимо от фоновых звезд, если все вместе вращается вокруг Земли). ?). Затем его проверяют экспериментами, вдохновленными или предсказанными теорией (если Земля вращается, что мы должны наблюдать?). Если все держится, это принимается как факт. В конце концов, какая-то яркая искра понимает, что может продемонстрировать, что Земля вращается, с помощью небольшого хитроумного эксперимента (маятник Фуко/эффект Кориолиса/запуск ракеты в космос), и это добавляется к уже накопленной горе свидетельств по этому вопросу.

Маятник Фуко . Я не знаю, как это делали древние, но это, безусловно, чистая классическая механика.

Анимация описывает движение маятника Фуко на 30° северной широты.

Думаю, маятник Фуко — лучший ответ, но для разнообразия добавлю еще один очень интересный: экваториальная выпуклость , влияющая на фигуру Земли . Это «раскатывание» планеты из-за ее вращения. Вы можете измерить геометрию Земли, не покидая ее поверхности, и обнаружить, что она выпячивается в соответствии с вашими ожиданиями, если бы это выпячивание было вызвано вращением с той же скоростью, которую мы наблюдаем относительно далеких звезд. Как всегда, в физике нет такого понятия, как «доказательство», но это убедительное подтверждающее доказательство.

Косвенным указанием на то, что Земля вращается, является тот факт, что вращение меняется во времени. Во-первых, меняется ориентация земной оси: долгосрочные эффекты, такие как прецессия и медленные вариации наклона оси , а также небольшие кратковременные вариации, такие как нутация. Прецессия была известна еще в Древнем мире (Гиппарх, Птолемей,...), а изменение осевого наклона было признано такими людьми, как Фракасторо (в 1538 г.). См. страницы вики для исторической справки.

Меняется и период вращения Земли. Во-первых, замедляется вращение, вызванное приливным взаимодействием Земли и Луны: продолжительность суток увеличивается примерно на 2 миллисекунды в столетие. Эдмон Галлей был первым, кто заметил, что период обращения Луны изменился по сравнению с древними записями, и этот эффект был объяснен в 18 и 19 веках.

В наши дни мы можем очень точно измерить вращение Земли, и мы обнаруживаем, что вращение немного меняется день ото дня. В частности, изменения атмосферных ветров и океанских течений вызывают периодические колебания наклона оси и периода вращения: годовое колебание с амплитудой 0,34 мс, полугодовое с амплитудой 0,29 мс, 10-суточные колебания порядка 0,1 миллисекунды, колебания из-за явлений Эль-Ниньо и т. д. (см. википедию , а также этот пост ). Сильные землетрясения также могут изменить период вращения на несколько микросекунд, но эти эффекты трудно измерить (см. эту статью о землетрясении в Японии 2011 года).

Доказывают ли эти изменения, что Земля вращается? Не напрямую, но я хотел бы услышать, как геоцентристы объясняют, как вся Вселенная может менять свое вращение не только в течение тысяч лет, но даже ежедневно, когда причины этих изменений можно проследить до событий на Земле или ее орбита.

Редактировать

Еще одно доказательство того, что Земля вращается, хотя это можно измерить только современными методами: аберрация .

Вы все знакомы с этим эффектом: предположим, вы стоите под дождем, а ветра нет. Так как дождь будет падать вертикально, зонт нужно держать вертикально. Но теперь начните бежать. Что случается? С вашей точки зрения, дождь больше не будет падать вертикально: вам придется наклонить зонт вперед, чтобы голова оставалась сухой. Аналогичное явление происходит и со светом: направление, в котором вы видите луч света, зависит от вашей скорости. Этот эффект называется аберрацией .

Например, предположим, что у вас есть две звезды, разделенные углом$\theta$в кадре покоя. Если наблюдатель движется к звезде по горизонтальной оси, то вторую звезду он увидит под углом$\varphi$, вместо$\theta$. Если скорость наблюдателя изменится, то угол$\varphi$меняется, и звезда будет казаться «раскачивающейся» по отношению к звездам, находящимся в разных положениях.

Орбитальная скорость$v\approx 30\;\text{km/s}$Земли вокруг Солнца вызывает ежегодную аберрацию : в течение года каждая звезда и галактика будут колебаться по эллипсу с максимальным смещением$v/c\approx 20.5''$вокруг их среднего положения, независимо от их расстояния до Земли (в отличие от параллакса, который зависит от расстояния). Впервые он был обнаружен Джеймсом Брэдли в 1725 году и является прямым доказательством того, что Земля вращается вокруг Солнца.

Но есть и другая, гораздо меньшая аберрация: дневная аберрация , вызванная вращением Земли вокруг своей оси. Эффект сильнее всего для наблюдателя на экваторе, который имеет экваториальную скорость$v = 0.465\;\text{km/s}$, а наблюдатель на полюсах эффекта не увидит. Для наблюдателя на экваторе положение каждой звезды ежедневно колеблется с максимальным смещением$v/c\approx 0.32''$. Это невероятно малый эффект, но его можно измерить, и его необходимо учитывать при выполнении высокоточной астрометрии. Более того, это доказывает, что Земля действительно вращается.

Все, что связано с эффектом Кориолиса (красивые картинки можно найти по ссылке), т.е. даже пушки будут (не совсем, а скорее кажутся) отклоняться из-за вращения Земли.

Измеряя геометрию Земли, мы обнаруживаем, что она имеет экваториальную выпуклость. Мы не делаем никаких предположений о причине выпуклости, хотя она уже предполагает, что Земля вращается, как описал @Mike.

Мы измеряем ускорение свободного падения на полюсах и на экваторе. Большая часть различий, которые мы находим, объясняется выпуклостью, но есть и$0.3\%$несоответствие. Ускорение свободного падения на экваторе меньше, чем мы ожидаем. Это несоответствие хорошо объясняется, если предположить, что Земля вращается. Фактически, делая это предположение, мы можем произвести грубый расчет периода Земли.

Мы могли бы даже тщательно измерить ускорение свободного падения вдоль различных линий широты и, таким образом, найти ускорение свободного падения как функцию широты. Мы обнаружим, что эти измерения хорошо описываются моделью, в которой сжатая Земля вращается с периодом около суток.

Проверим утверждение, что Земля вращается вокруг своей оси. Мы можем выбрать эту ось в качестве$z$-ось. Земля может быть аппроксимирована сферой. Рассмотрим маятник, живущий где-то на поверхности земли, первоначально качающийся по линии север-юг. Положение боба описывается вектором${V} = (V^{\theta}, V^{\phi})$живущих в касательном пространстве этой сферы. Когда Земля вращается,$V$параллельно транспортируется по кривой, очерченной вращением Земли, назовем ее$\gamma(t) = (\theta(t), \phi(t))$(круг). Тогда уравнению подчиняется$V$дан кем-то,

Несложное вычисление показывает, что неисчезающие символы Кристоффеля сферы равны$\Gamma^{\theta}_{\phi \phi} = -\text{sin}{\theta}\text{cos}{\theta},$ $\Gamma^{\phi}_{\phi \theta} = \text{cot}{\theta}.$Эти уравнения становятся связанными уравнениями следующим образом:

Эффект Саньяка может обнаруживать абсолютное вращение. Это используется, например, в кольцевом лазерном гироскопе, используемом на современных самолетах в качестве навигационных устройств. Мало того, что этот эффект можно использовать для доказательства того, что Земля вращается, его точность для обнаружения изменений во вращении начинает конкурировать с самыми точными современными методами: см.