Почему мы говорим, что Земля движется вокруг Солнца?

Представьте себе два космических корабля в форме пончиков, встречающихся в глубоком космосе. Далее, предположим, что когда пассажир корабля А смотрит в окно, он видит, что судно В вращается по часовой стрелке. Это означает, что когда пассажир в B смотрит в окно, он видит, что судно A также вращается по часовой стрелке (поднимите обе руки и попробуйте!).

Исходя из чистой кинематики, мы не можем сказать, что «корабль А действительно вращается, а корабль Б действительно неподвижен», и наоборот. Два описания, одно с вращением A, а другое с B, эквивалентны. (Можно также сказать, что они оба вращаются частично.) Все, что мы знаем с точки зрения чистой кинематики, это то, что корабли имеют некоторое относительное вращение.

Однако физики не согласны с тем, что вращение кораблей является чисто относительным. Пассажиры кораблей будут чувствовать искусственную гравитацию . Возможно, корабль А чувствует сильную искусственную гравитацию, а корабль Б не ощущает никакой. Тогда мы можем с уверенностью сказать, что действительно вращается корабль А.

Итак, движение в физике не всегда относительно. Существует набор систем отсчета, называемых инерциальными системами отсчета, которые Вселенная каким-то образом выбирает как особенные. Корабли, не имеющие угловой скорости в этих инерциальных системах отсчета , не чувствуют искусственной гравитации. Все эти кадры связаны друг с другом через группу Пуанкаре .

В общей теории относительности картина немного сложнее (и я позволю другим отвечающим обсудить ОТО, так как я мало что знаю), но основная идея заключается в том, что у нас есть симметрия в физических законах, которая позволяет нам перейти к системам отсчета. движущихся с постоянной скоростью, но не в системах отсчета, которые ускоряются. Этот принцип лежит в основе существования инерции , потому что, если бы ускоренные системы отсчетов имели ту же физику, что и обычные системы отсчетов, для ускорения вещей не требовалась бы никакая сила.

Для Земли, вращающейся вокруг Солнца и наоборот, да, можно описать кинематику ситуации, сказав, что Земля неподвижна. Однако, когда вы делаете это, вы больше не работаете в инерциальной системе отсчета. Законы Ньютона не выполняются в системе отсчёта с неподвижной Землей.

Это было ярко продемонстрировано для вращения Земли вокруг своей оси с помощью маятника Фуко , который показал необъяснимое ускорение маятника, если мы не принимаем во внимание фиктивные силы, вызванные вращением Земли.

Точно так же, если бы мы считали, что Земля неподвижна, а Солнце вращается вокруг нее, мы бы не смогли объяснить движение Солнца, потому что оно чрезвычайно массивно, но не имеет достаточно большой силы, чтобы заставить его вращаться вокруг Земли. В то же время Солнце должно оказывать на Землю огромную силу, но Земля, будучи неподвижной, не движется — еще одно нарушение законов Ньютона.

Итак, причина, по которой мы говорим, что Земля вращается вокруг Солнца, заключается в том, что когда мы это делаем, мы можем рассчитать ее орбиту, используя только законы Ньютона.

На самом деле, в инерциальной системе отсчета Солнце немного движется из-за притяжения Земли (и гораздо больше из-за Юпитера), поэтому мы на самом деле не говорим, что Солнце неподвижно. Мы говорим, что она движется гораздо меньше, чем Земля.

(Этот ответ в значительной степени повторяет ответ Любоша выше, но я почти закончил, когда он опубликовал, и наши ответы достаточно разные, чтобы дополнять друг друга, я думаю.)

да, вы можете описать движение из любой системы отсчета, в том числе и из геоцентрической, при условии добавления соответствующих «фиктивных» сил (центробежных, кориолисовых и т. д.).

Но особое свойство системы отсчета, связанной с Солнцем, а точнее, с барицентром (центром масс) Солнечной системы, который находится всего в одном солнечном радиусе от центра Солнца, состоит в том, что эта система инерциальна. Это означает, что центробежные и другие инерционные силы отсутствуют. Уравнения физики имеют особенно простой вид в системе отсчета, связанной с Солнцем.

Это должен был быть комментарий к ответу Любоша Мотла, но сейчас он был бы более подходящим как полный ответ.

Его ответ гласит: законы физики могут быть записаны проще для центра масс Солнечной системы (барицентр), чем для точки на Земле (геоцентрической).

Только одно! Нельзя пренебрегать неидеальностью самого барицентра, который находится в Млечном Пути так, что смещает его, по крайней мере, гравитационно. На первый взгляд это щепотка, но важнее то, что идеальность любой системы отсчета также относительна , и никакой «конечной» системы отсчета не существует.

Точно так же выбор точки на шкуре слона вместо геоцентрической точки приносит в жертву универсальность точно так же, как выбор геоцентрической точки вместо барицентра. Однако для бегства рассмотрение физики, сформулированное за пределами поверхности слона, может быть просто «академическим». Звучит знакомо?

Да, утверждение: «Солнце движется вокруг Земли» имело в виду, что Земля неподвижна. Это соответствовало богословию того времени, которое было полностью антропоцентрическим, и поэтому оно преобладало над другими теориями, пришедшими из древности, такими как Аристарх, у которого было гелиоцентрическое предложение.

Относительность движения была исследована, как описывает Любош, когда уравнения можно было записать, а гелиоцентрическую систему выбрали за ее красоту и простоту. Эпициклы существуют, если наносить решения в геоцентрической системе, но они такие громоздкие и «уродливые», как стенограмма физики.

Может возникнуть путаница: неправильно говорить, что Земля является центром Вселенной , то есть (уникальной) точкой, из которой Вселенная подлежит (фундаментальному) описанию (тот факт, что Солнце вращается вокруг Земли является лишь следствием этого); на самом деле важно то, что центра Вселенной нет: нет такой точки; описание Вселенной из любой точки эквивалентно описанию Вселенной из любой другой (тогда можно описывать движения либо от Земли, либо от Солнца).

Математически в классической механике Вселенная называется аффинным пространством.

И Солнце, и Земля движутся по кругу вокруг своего барицентра, т.е. центра масс.

Хитрость в том, что, поскольку Солнце слишком массивно, центр масс находится слишком близко к Солнцу, фактически под поверхностью Солнца, что делает движение Солнца незначительным. И мы говорим, что Земля движется вокруг Солнца.

Я должен использовать это как возможность повторить великую историю о философе Витгенштейне, рассказанную его ученицей Элизабет Анскомб:

[Витгенштейн] однажды приветствовал меня вопросом: «Почему люди говорят, что естественно думать, что солнце вращается вокруг Земли, а не Земля вращается вокруг своей оси?» Я ответил: «Наверное, потому что казалось, что солнце вращается вокруг земли». «Ну, — спросил он, — как бы это выглядело, если бы Земля вращалась вокруг своей оси?»

Но как насчет физики? С точки зрения реальных физических теорий, действительно ли Солнце вращается вокруг Земли или только кажется, что мы наблюдаем за ним из вращающейся системы отсчета Земли?

Вращающуюся систему отсчета можно отличить от невращающейся системы безотносительно к чему-либо внешнему. Это верно как в ньютоновской механике, так и в специальной и общей теории относительности. Существуют различные способы определить, находитесь ли вы во вращающейся системе координат, включая маятник Фуко, механический гироскоп или кольцевой лазерный гироскоп, используемый в коммерческих самолетах. Маятник Фуко как доказательство вращения Земли восходит к 1850 году. (Задолго до этого гелиоцентризм был принят среди физиков на менее определенных основаниях, таких как тот факт, что законы Кеплера имеют простую форму в гелиоцентрической системе отсчета.) релятивистский пример, анализ знаменитого теста Хафеле-Китингаобщей теории относительности потребовало введения трех эффектов: кинематического замедления времени; гравитационное замедление времени; и эффект Саньяка, чувствительный к вращению Земли.

Есть и другие теории, в которых вы не можете обнаружить вращение системы отсчета, кроме как относительно удаленной материи, например, гравитация Бранса-Дикке. Оригинальная статья о гравитации BD доступна на сайте http://loyno.edu/~brans/ST-history/ , и ее легко прочитать, даже если вы не специалист. Тогда положительные результаты перечисленных выше методов будут интерпретированы не как свидетельство абсолютного вращения, а как свидетельство вращения относительно далеких галактик. Но гравитация BD больше не жизнеспособна , судя по испытаниям в Солнечной системе, проведенным еще в 1970-х годах. Так что, если хотите, вы можете сказать, что Галилей окончательно доказал свою правоту только в 1970-х годах.

Солнце, луна, земля (и так далее) движутся друг вокруг друга.

Причина, по которой мы говорим, что Земля движется вокруг Солнца, заключается в том, что эффекты более заметны в макромасштабе и их легче предсказать с разумной точностью. Да, правильнее всего сказать, что все движения относительны, но объяснить это становится намного сложнее, если вы говорите с непрофессионалом.

Очень поздний ответ, который, я надеюсь, добавит отличные ответы Марка и Любоша.

С точки зрения ньютоновской механики, в этом нет ничего плохого .с использованием геоцентрической точки зрения. Такая точка зрения требует добавления фиктивных сил и крутящих моментов, которые иначе отсутствовали бы в инерционной перспективе, но если это имеет смысл, то ничего страшного. Тем не менее, существует огромная разница между выбором использования геоцентрической точки зрения, когда это имеет смысл, например, предсказание погоды, и ненаучным требованием всегда использовать геоцентрическую перспективу. Есть хорошее объяснение тех фиктивных сил и крутящих моментов, которые возникают в результате выбора использования геоцентрической точки зрения: это вымысел, являющийся результатом такого выбора точки зрения. Вместо этого этот мандат каким-то образом сделал бы все эти фиктивные силы и крутящие моменты реальными. Что вызывает эти силы,

Несмотря на то, что геоцентрическая точка зрения концептуально верна с ньютоновской точки зрения, концепция экономии (она же простота, она же бритва Оккама) говорит, что мы должны отвергнуть идею возвращения к обязательной геоцентрической точке зрения (и тем самым отказаться от полутысячелетия научного прогресса). ). Экономия играла очень важную роль в науке со времен Галилея. Ученые гораздо предпочитают простые объяснения сложным. Использование геоцентрической точки зрения для описания движения экзолуны вокруг экзопланеты — смехотворное предложение.

С точки зрения общей теории относительности, использование геоцентрической точки зрения для описания всей Вселенной само по себе является неправильным . Хотя в ньютоновской механике системы координат глобальны, в общей теории относительности они локальны. Системы координат — это локальные карты риманового пространства-времени в общей теории относительности. Они не имеют универсального масштаба. Обязательная геоцентрическая перспектива не имеет смысла с точки зрения общей теории относительности.

Поскольку это повторяющийся вопрос, я скорее добавлю свой ответ здесь, чем к более поздним.

Я надеюсь, что смогу прояснить некоторые моменты, которые не были полностью сфокусированы в некоторых предыдущих ответах.

Кинематическое описание

После того, как мы выбрали любую систему отсчета, которая нам нравится (здесь не имеет значения, инерциальная она или нет), и мы имеем описание траекторий N тел, скажем, N векторов${\bf r}_i(t)$, мы всегда можем использовать систему отсчета с центром в одном из тел, скажем, a -th, просто вычитая вектор положения выбранного тела из любого другого вектора положения. Следовательно, в этой новой системе отсчета траектории исходной системы из N тел будут:

Примером такого преобразования координат является смена системы отсчета, необходимая, если мы хотим найти правильное описание Солнечной системы, как ее видит наблюдатель на Земле, начиная с траекторий в (инерциальной) системе отсчета, где центр масс Солнечная система находится в покое. Обратите внимание , что наблюдатель, находящийся в покое на поверхности Земли, не только перемещается вместе с планетой относительно центра масс, но и вращается, поэтому фактическое преобразование будет более сложным, чем уравнение. [$1$]. Однако мы можем игнорировать необходимость дополнительного поворота наших векторов , если ограничим наши рассмотрения системами отсчета, которые не вращаются относительно исходной системы отсчета .

К этому моменту должно быть ясно, что нет ничего плохого в том, чтобы описать движение тел Солнечной системы с Земли. Это всего лишь один из бесконечных возможных вариантов начала системы отсчета, возможно, самый полезный для земных наблюдателей. Он имеет такое же право на использование в качестве системы отсчета, закрепленной на движущемся автомобиле, для описания того, что видят пассажиры.

Однако возможность изменения точки зрения не означает, что разные варианты дадут одно и то же описание траекторий в системе из N тел. Довольно интересно, если мы начнем с системы отсчета, где тело$a$находится в состоянии покоя, т.${\bf r}_a(t)=0$, где второе тело b движется согласно${\bf r}_b(t)$, и мы переходим к новой системе отсчета на основе тела$b$, в новом системном теле$a$будет описываться вектором${\bf r}^{\prime}_a(t)=-{\bf r}_b(t)$. Это означает, что движение$a$как видно$b$или движение$b$как видно$a$отличаются только инверсией и поэтому имеют одно и то же синтетическое описание.

Как насчет того, чтобы применить приведенное выше соображение к системе Земля-Солнце? В случае системы двух тел все довольно просто. Форма траектории Земли, если смотреть с Солнца, или траектории Солнца, если смотреть с Земли, одинакова. Кроме того, поскольку центр масс системы Солнце-Земля находится внутри Солнца, траектория Земли, наблюдаемая со стороны Солнца, почти совпадает с той же орбитой, которая описывается из центра масс.

На следующих двух рисунках я изобразил орбиты двух тел в системе отсчета центра масс.

и в системе отсчета (невращающейся) Земли. Единицы расстояния – миллионы километров.

Все сильно меняется, когда мы описываем движение других тел Солнечной системы. Следующие два графика показывают движение Солнца, Венеры, Земли, Марса и Юпитера, как видно из центра масс системы или с (невращающейся) Земли.

Даже на этом кинематическом уровне очевидна большая простота описания в системе центра масс. Тем не менее, я хочу еще раз подчеркнуть, что в этом описании нет ничего плохого. Это наиболее близко к тому, что мы получаем из наземных наблюдений.

Динамическое описание

С точки зрения решения задачи ньютоновской динамики все мы знаем, что центр масс системы отсчета системы из N тел удобен. Поскольку это инерциальная система отсчета, мы можем использовать закон Ньютона${\bf F}=m{\bf a}$в связи с законом силы тяготения Ньютона, без необходимости введения дополнительных сил инерции.

Однако обратите внимание, что после того, как вы написали систему дифференциальных уравнений движения для гравитационной задачи N тел:

1. второй член в правой части есть не что иное, как вклад силы инерции в ускорение частицы$i$-й. Это чисто поступательный термин, и в нем не фигурирует центробежная сила или сила Кориолиса , поскольку неинерциальная система отсчета, совпадающая с телом$a$не вращается. Довольно распространено заблуждение, что во всех геоцентрических системах отсчета должна присутствовать центробежная сила. В самом деле, система отсчета, закрепленная на Земле, но не вращающаяся относительно системы центра масс, не вносит такой силы инерции, как это видно из формулы [$2$].
2. в частном случае задачи двух тел уравнение [$2$] для тела$1$становится: $${\bf a'}_{1} = G m_2 \frac{ ({\bf r'}_2 - {\bf r'}_1) }{ \left|{\bf r'}_2 - {\bf r'}_1\right|^3 } - G m_1 \frac{ ({\bf r'}_1 - {\bf r'}_2) }{ \left|{\bf r'}_1 - {\bf r'}_2\right|^3 } = G (m_1+m_2) \frac{ ({\bf r'}_2 - {\bf r'}_1) }{ \left|{\bf r'}_2 - {\bf r'}_1\right|^3 }.$$ Умножая обе части на$\mu=m_1m_2/(m_1+m_2)$, мы узнаем классическое уравнение для относительного движения $$\mu {\bf a'}_{1} = G m_1m_2\frac{ ({\bf r'}_2 - {\bf r'}_1) }{ \left|{\bf r'}_2 - {\bf r'}_1\right|^3 }$$ где приведенная масса $\mu$здесь проявляется как действие силы инерции.

В древние времена механика орбитального движения за счет гравитационного притяжения не была известна. Однако было известно, что если Земля вращается вокруг Солнца, то звезды будут демонстрировать циклическое движение, называемое «параллаксом». Греки на самом деле предсказали это, но не имели технологии, чтобы это наблюдать. Это было основной причиной того, что геоцентрическая модель Солнечной системы просуществовала так долго. Однако параллакс реален, его можно наблюдать, и он обеспечивает прямое наблюдательное свидетельство того, что Земля вращается вокруг Солнца.

Его можно вывести с помощью некоторых тщательных наблюдений, немного логики и предпосылки, что самое простое решение, скорее всего, является правильным.

Мы можем наблюдать за звездами и планетами, использовать параллакс для оценки их расстояний и разумно заключить, что звезды находятся очень далеко, а Солнце очень большое и, вероятно, очень тяжелое. Мы также можем определить (как это делали древние греки) размер Земли и заметить, что Солнце намного, намного больше.

Мы можем взять мяч на веревке и раскрутить его, заметив, что нам нужна некоторая сила, чтобы удерживать мяч на круговой траектории.

Если бы мы предположили, что Земля неподвижна, а все в небе вращается вокруг нас, что удерживало бы все это на месте (подумайте о мяче на веревке)? С другой стороны, если бы вместо этого вращалась Земля, то не требовалось бы ничего, чтобы удерживать все, что там наверху, от разлетания во всех направлениях. Итак, вращается Земля, а не небо.

Пути всех планет имеют гораздо больше смысла, если рассматривать их как движущиеся вокруг Солнца, а не Земли — с этим ретроградным движением Марса и всем остальным. И это будет очень похоже на то, что мы видим, когда очень внимательно смотрим на Юпитер и его спутники — большие тела в космосе будут вращаться вокруг него поменьше.

Таким образом, вы можете заключить, что все планеты в ночном небе вращаются вокруг Солнца, но Солнце вращается вокруг Земли. За исключением того, что Солнце намного больше, и модель была бы намного проще, если бы Земля вращалась вокруг Солнца, как и другие планеты.

...И мы пришли к нашему нынешнему пониманию.

На мой взгляд, «описание траектории» — это не тема физики, это тема кинематики (геометрия движения, см. http://en.wikipedia.org/wiki/Kinematics ). В то время как объяснение механизма, заставляющего объект следовать определенной траектории, ЯВЛЯЕТСЯ делом физики.

Сказать, что «В обходит С», значит описать траекторию в пространстве и времени. Траектория может быть описана графически, например, кругом, эллипсом, спиралью. Но все подобные графические представления траектории субъективны, т. е. зависят от системы отсчета наблюдателя. Наблюдатель, прикрепленный к C, будет наблюдать, что B вращается вокруг C. В то время как наблюдатель, прикрепленный к B, будет наблюдать, что C вращается вокруг B.

В евклидовой системе описания конкретная траектория объекта может быть описана абсолютно, связывая пространственные смещения (расстояние и направление) объекта (в различные моменты времени) относительно одного или нескольких эталонных объектов (траектории которых сами по себе известны... относительно некоторого полезного стандарта).

Если вы сидите в офисном кресле, и кто-то крутит его вокруг вас, вы увидите, как стены офиса движутся вокруг вас. Я утверждаю, что может быть приемлемым и полезным сказать, что «офис движется вокруг вас». Точно так же ошибочно категорически утверждать, что «офис НЕ ДВИЖЕТСЯ вокруг вас». Любое описание движения (движения) связывает положения как минимум двух объектов. Это относится как к линейным, так и к нелинейным моделям движения. Физики могут описывать, измерять и объяснять ощущения и движения, которые вы испытываете, выбирая определенные системы отсчета, потому что они более просты или более полезны. Но это не диктует, как вы решите описать динамическую геометрию вашего опыта.

Поэтому все следующие описания динамической геометрии приемлемы, потенциально полезны и потенциально двусмысленны: «Земля движется вокруг Солнца», «Солнце движется вокруг Земли». «Солнце и Земля движутся вокруг своего общего барицентра».

Имеются экспериментальные свидетельства абсолютного движения Земли вокруг Солнца. Существует дипольная анизотропия в тонких измерениях температуры фонового излучения, известная из анализа спутниковых измерений COBE в начале 90-х годов. См., например, эту статью .

Чтобы сделать адекватные поправки, чтобы Космическое фоновое излучение «казалось» изотропным, необходимо учитывать абсолютную скорость Местной группы по отношению к Космическому фоновому излучению, но эта поправка зависит от месяца года, потому что небольшая часть поправки исходит из орбитальной скорости Земли вокруг барицентра Солнечной системы (среди прочего).

Эта небольшая часть необходимых поправок — это именно то, чего можно было бы ожидать, если бы вы предположили, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот.

(дипольная анизотропия космического фона, изображение с сайта map.gsfc.nasa.gov)

Вот выдержка из реферата цитируемой статьи:

Мы представляем определение амплитуды и направления диполя космического микроволнового фона по данным дифференциальных микроволновых радиометров COBE (DMR) за первый год (...) Подразумеваемая скорость Местной группы относительно системы покоя реликтового излучения равна$v_{LG}=627 \pm 22 km s^{-1}$к (...). DMR также нанес на карту анизотропию диполя, возникающую в результате орбитального движения Земли вокруг барицентра Солнечной системы, что дало измерение температуры реликтового излучения монополя (...)$T_0=2.75 \pm 0.05 K$

Однако это не означает, что во Вселенной существует абсолютная система отсчета. Другие сопутствующие наблюдатели обнаружат другую дипольную анизотропию. Поверхность последнего рассеяния, как и космологические горизонты, различны для разных сопутствующих наблюдателей. Но тем не менее это доказывает, что именно Земля движется вокруг Солнца, а не наоборот. С 90-х годов это больше не философский вопрос: МЫ определенно, абсолютно, уверенно и славно движемся вокруг Солнца.

Я напишу гораздо более короткий ответ: Солнце не движется, движется Земля (вместе с другими вращающимися планетами в нашей галактике). Земля в основном вращается вокруг Солнца по кольцу (и вокруг своей оси, но это не главное). Кроме того, церкви всегда делали много неверных утверждений (особенно в средние века), например, что земля плоская. Они думают так, потому что мы «стоим на вершине земли», в то время как на самом деле нет ни верха, ни низа.