Спросите Итана: почему мы не чувствуем, как Земля летит сквозь космос?


Отправляющийся на Меркурий космический аппарат “Мессенджер” смог сделать несколько потрясающе красивых фотографий Земли, закладывая гравитационную петлю вокруг своей родной планеты 2 августа 2005 года. Несколько сотен изображений, сделанных широкоугольной камерой двойной системы получения изображений корабля (MDIS) были соединены в фильм

Наша планета – не неподвижное место, которое мы ощущаем под ногами, а тело, движущееся по невероятно сложному маршруту по Вселенной. Мы вращаемся вокруг своей оси каждые 24 часа, вращаемся вокруг Солнца раз в год, при этом вся Солнечная система вращается со скоростью 220 км/с вокруг центра Млечного пути, который ускоряется в направлении Андромеды в местной группе галактик, которая двигается относительно остаточного излучения Большого взрыва. Очень насыщенное космическое движение! Но при этом мы его совсем не чувствуем. Это беспокоит многих людей, включая читательницу, которая спрашивает:

Мне очень нужна ваша помощь! Пожалуйста, помогите мне объяснить моему мужу, почему мы не чувствуем, как Земля летит сквозь космос?

Есть простая причина, по которой мы не ощущаем этого движения телом, однако она не будет интуитивно понятной всем, привыкшим ощущать мир, живя на поверхности Земли.


Высуньте конечности из движущейся машины, и почувствуете силу проносящегося мимо воздуха. При удвоении скорости сила учетверяется. Но если вы покоитесь относительно воздуха, то никакой силы не ощущаете

Если вы находитесь в машине, движущейся со скоростью 25 км/ч, и решите высунуть в окно конечность, вы почувствуете умеренный ветер. Конечно, чем быстрее вы едете, тем больше будет действующая на вас сила, но то, как вы её ощущаете, не обязательно будет интуитивным. Если вы разгонитесь до 50 км/ч, сила, действующая на вашу конечность, будет в четыре раза больше, чем на скорости в 25 км/ч; если вы разгонитесь до 100 км/ч, то сила увеличится уже в 16 раз.

Однако эта сила существует только из-за того, что ваша рука движется относительно молекул воздуха, с которыми она сталкивается. Если бы окна вашей машины были бы закрыты, ваша рука не чувствовала бы никакой силы. Воздух внутри машины неподвижен относительно вашего тела. Только если два объекта движутся относительно друг друга, вы можете чувствовать силу.


Точная модель движения планет вокруг Солнца, движущегося сквозь Галактику. Отметьте, что все планеты остаются в одной плоскости и не отстают от Солнца

Когда Земля движется по орбите вокруг Солнца, или когда Солнечная система вращается вокруг центра Галактики, или когда наша Галактика движется относительно других галактик в местной группе, или когда местная группа движется относительно остальной Вселенной, на наши тела не действуют никакие силы, которые мы могли бы почувствовать.

Не существует датчика силы, который мы могли бы применить, чтобы обнаружить влияние этого движения, и всё из-за простой причины: всё, что воздействует на наши тела и заставляет нас ускоряться, пропорционально воздействует и на Землю, заставляя её ускоряться точно так же. Точно так же, как вы не чувствуете езды в плавно едущей машине, когда в ней подняты окна, вы не чувствуете, как Земля движется по Вселенной, пока вы связаны с Землёй. И это выполняется на всех масштабах, которые вы можете себе представить, вплоть до всей Вселенной.


Отталкивающие и притягивающие эффекты более плотных и более разреженных участков Млечного пути. Их общий эффект известен под именем дипольного отталкивателя. Хотя наша местная группа движется со скоростью 600 км/с относительно остаточного свечения Большого взрыва, мы его не чувствуем, поскольку нет никакого относительного движения между нашими телами и Землёй.

На самом деле эта история ещё глубже, как впервые понял Эйнштейн более 100 лет назад. Он понял, назвав это откровение “самой счастливой мыслью”, что любое изменение в движении объекта покажется ему ускорением, и что все формы постоянного ускорения, включая гравитацию, невозможно отличить друг от друга.

Сегодня мы называем это принципом эквивалентности Эйнштейна, и он сообщает нам, что в любой ускоренной системе отсчёта никакой объект, являющийся её частью, не может определить причину её ускорения. Иными словами, если вы являетесь частью Земли, а Земля ускоряется, то и вы ускоряетесь тоже, и не сможете почувствовать влияния никаких из различных причин этого.

Впервые это понял Галилей, сообразивший, что шар, падающий с Пизанской башни, будет падать строго вниз, и не будет отставать от Земли во время её вращения, поскольку атмосфера Земли движется вместе с нашей планетой.


Шар одинаково падает как в ускоряющейся ракете, так и на Земле – это демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна

Это явление останется верным, даже если вы будете не на Земле! Если вы попадёте в космос – к примеру, на Международную космическую станцию – вы также будете ускоряться под влиянием всего, что движет вас по Вселенной. Вас будет притягивать Земля; Солнце и планеты; оставшаяся часть Галактики и Вселенной тоже будут оказывать на вас гравитационное влияние.

Эти силы заставляют вас ускоряться. Однако те же силы также заставляют все окружающие вас объекты, включая других астронавтов, неодушевлённые объекты и саму МКС ускоряться так же, как и вас. Вы будете ощущать “свободное падение”, как и все остальные находящиеся там объекты. Относительно вашего окружения на вас не будут действовать силы, и вы не будете ощущать ускорения.


Астронавты и фрукты на борту МКС. Гравитацию никто не отменял, но всё – включая корабль – ускоряется одинаково, в результате чего ощущается нулевая гравитация. МКС – пример инерциальной системы отсчёта

Однако некоторые исключения вы можете обнаружить, хотя вряд ли ваше тело будет настолько чувствительным. Существуют силы, связанные с тем, что Земля – крупный трёхмерный объект, а мы расположены только в одной его точке на поверхности. Относительно Земли мы ощущаем некоторые силы не так, как в целом их ощущает вся Земля.

Оплатите подписку, и реклама отключится

Одно из исключений – приливные силы. Вы и сами являетесь трёхмерным объектом. Ваши ступни на земле оказываются чуть ближе к центру Земли, чем голова, то есть, на ваши ступни действует чуть большая гравитация. Эта разница, возможно, будет незначительной для того, чтобы вы смогли её заметить, однако можно придумать эксперимент, достаточно чувствительный к крохотной разнице в воздействиях гравитации. Первым экспериментом, показавшим эту разницу, стал эксперимент Паунда и Ребки, ставший одним из классических тестов теории гравитации Эйнштейна, и прекрасно её подтвердивший.


Физик Глен Ребка в нижней части башен Джефферсона в Гарвардском университете, звонит профессору Паунду по телефону во время настройки эксперимента Паунда-Ребки

Ещё один эффект – приливы самой Земли. Земля вращается, Луна притягивает как кору Земли, так и окружающие её океаны. Во время вращения притяжение Луны в каждой точке поверхности меняется, из-за чего океаны формируют утолщения.

И хотя лично вы недостаточно чувствительны для обнаружения этих изменений в силе, вы легко можете наблюдать приливы и отливы при вращении Земли. То, что у нас получается два вздутия океана, и то, что Земля делает один оборот в день, означает, что у нас каждый день происходит два прилива и два отлива. Вы не можете чувствовать приливные силы телом, но можете видеть их действие на берегу.


Луна не только оказывает приливное воздействие на Землю, но и тормозит её вращение, что увеличивает день.

Наконец, вращение Земли приводит к появлению особой силы, которую может обнаружить всё, что находится на её поверхности: силы Кориолиса. Поскольку Земля вращается относительно неподвижной точки (оси), точки на её поверхности на разных широтах испытывают небольшую силу.

Максимальной эта сила будет на Северном и Южном полюсах, и находящийся там объект повернулся бы на 360 градусов относительно объекта не на поверхности Земли. Но два полушария планеты вращаются в разных направлениях – на Северном полюсе ощущается вращение против часовой стрелки, а на Южном полюсе – по часовой. Для наблюдателя на экваторе сила падает до нуля, а на других широтах ощущается только частичное вращение.


Воздействие силы Кориолиса на маятник, качающийся на 45 градусах северной широты. На полный поворот маятника уходит два полных поворота Земли.

Впервые такой эксперимент драматически обставил Леон Фуко во Франции в 1851 году, привязав огромный вес на длинную верёвку, и подвесив её к потолку Пантеона в Париже. Маятник отпустили качаться по прямой и наблюдали за ним в течение дня. Через несколько часов стало ясно, что маятник двигается не просто вперёд и назад, но вращается по отношению к Пантеону.

Это было неоспоримое доказательство вращения Земли, реальности силы Кориолиса, и что вращение Земли можно продемонстрировать прямым и ясным экспериментом.


Маятник Фуко, выставляемый в Городе наук в Валенсии (Испания). Качаясь в течение дня, и вращаясь, он сбивает расположенные на полу колышки.

Силовые датчики нашего человеческого тела примитивны и работают на очень малых промежутках. Для ощущения вращения Земли требуются огромные кумулятивные эффекты, накапливающиеся в течение целого дня, и точные измерения, далеко выходящие за рамки возможностей наших тел.

Но это движение реально, и мы не чувствуем его не потому, что не движемся, но потому, что наше тело находится в постоянном и единообразном движении вместе с Землёй. Если бы что-либо оказало на вас не такое воздействие, как на Землю, вы бы сразу это почувствовали. Но в ином случае вам потребуются куда как более точные инструменты, чем простое тело человека. В целом, наука заключается именно в этом: в поиске способов, выходящих за пределы обычных органов чувств, помогающих нам изучать и исследовать Вселенную. Земля движется, и увидеть это вы можете при помощи маятника Фуко!

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

2,127 просмотров всего, 9 просмотров сегодня