ทฤษฎีสัมพัทธภาพสร้างความแตกต่างว่าโลกหมุนรอบดวงอาทิตย์หรือไม่?

Aug 20 2020

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่มีกรอบอ้างอิงที่ดีที่สุดในจักรวาลของเรา หมายความว่าเมื่อใดก็ตามที่มีการเคลื่อนไหวระหว่างวัตถุ A และวัตถุ B ไม่ว่าวัตถุ A กำลังเคลื่อนที่หรือวัตถุ B กำลังเคลื่อนที่หรือทั้งสองกำลังเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิงของคุณ

หากเราทำตามข้อโต้แย้งนี้สิ่งที่เราศึกษาในหนังสือที่ว่าโลกหมุนรอบดวงอาทิตย์นั้นไม่ถูกต้องเสมอไป แต่ควรจะถูกต้องเฉพาะในกรอบอ้างอิงบางกรอบเท่านั้นและควรบอกว่าดวงอาทิตย์หมุนรอบโลกด้วย ตามกรอบอ้างอิงบนโลก ทำไมเราถึงพูดว่าโลกเท่านั้นที่หมุนรอบดวงอาทิตย์? หมายความว่า heliocentrism ไม่ถูกต้องหรือไม่?

คำตอบ

4 rghome Aug 20 2020 at 11:00

ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์สามารถคิดได้ว่าเป็นแบบจำลองที่ใช้ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ซับซ้อนและพยายามจัดหากฎเกณฑ์ที่อธิบายพฤติกรรมในแง่ที่ง่ายกว่า

โมเดลเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องสมบูรณ์แบบเพื่อเป็นประโยชน์ ตัวอย่างเช่นเรารู้ว่ากฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันไม่แม่นยำเท่ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ แต่ก็ยังดีพอสำหรับวัตถุประสงค์ส่วนใหญ่ในชีวิตประจำวันและความแตกต่างก็ไม่ได้สังเกตเห็นมานานหลายศตวรรษ

แบบจำลองที่โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ (และดวงอาทิตย์ได้รับการแก้ไข) ไม่แม่นยำมากนัก แต่ทำได้ง่ายมาก เราสามารถปรับปรุงได้โดยเพิ่มกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันและระบุว่าโลกและดวงอาทิตย์หมุนรอบจุดศูนย์ถ่วงร่วมกัน จากนั้นเราสามารถเพิ่มผลของแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ดวงอื่นเราสามารถใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพและแม้แต่ผลของวัตถุนอกระบบสุริยะ แต่แล้วกฎก็ซับซ้อนขึ้นมากและบางทีเราอาจไม่ต้องการสิ่งนั้นสำหรับสิ่งที่เราพยายามทำความเข้าใจ

ใช่แล้วแบบจำลองธรรมดาของโลกที่หมุนรอบดวงอาทิตย์นั้นไม่แม่นยำนัก แต่สิ่งที่เราสามารถพูดได้คือมันดีกว่าแบบจำลองง่ายๆของดวงอาทิตย์ที่หมุนรอบโลก ถ้าเราลองใช้แบบจำลองนี้เมื่อเราดูดาวเคราะห์ดวงอื่นเราพบว่าพวกมันมีเส้นทางแปลก ๆ รอบโลก (วนกลับมาที่ตัวเอง) ในขณะที่ถ้าเราพิจารณาดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางเราจะพบว่าดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์

ใช่แล้วแนวคิดเรื่องดวงอาทิตย์ที่อยู่ตรงกลางนั้นเป็นการทำให้เข้าใจง่ายขึ้นมาก แต่ก็เป็นประโยชน์ที่สามารถช่วยให้เราเข้าใจระบบสุริยะได้ในขณะที่แนวคิดเรื่องโลกที่ศูนย์กลางนั้นไม่มีประโยชน์มากนัก

1 BioPhysicist Aug 20 2020 at 12:18

มันควรจะถูกต้องเช่นกันที่จะบอกว่าดวงอาทิตย์หมุนรอบโลกตามกรอบอ้างอิงบนโลก ทำไมเราถึงพูดว่าโลกเท่านั้นที่หมุนรอบดวงอาทิตย์?

ในทางเทคนิคหากคุณกำลังพิจารณาเฉพาะระบบโลก - ดวงอาทิตย์ร่างกายทั้งสองจะโคจรรอบจุดศูนย์กลางมวล เนื่องจากดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่มากสิ่งนี้จึงถือว่าโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ตามที่เห็นได้จากกรอบอ้างอิงเฉื่อยใด ๆ

แน่นอนว่าการย้ายไปยังกรอบอ้างอิงที่โลกอยู่นิ่งเราจะสังเกตเห็นดวงอาทิตย์กำลังเคลื่อนที่รอบตัวเรา แต่เพื่อที่จะอธิบายว่าเหตุใดเราจึงเห็นการเคลื่อนไหวประเภทนี้และเพื่ออธิบายว่าเหตุใดเราจึงหยุดนิ่งเราจำเป็นต้องนำกองกำลังหลอกที่ "มีอยู่" ในเฟรมที่ไม่เฉื่อยเท่านั้น

หมายความว่า heliocentrism ไม่ถูกต้องหรือไม่?

ไม่มันไม่ได้หมายความเช่นนี้ ในกรอบเฉื่อยใด ๆ คุณจะเห็นดาวเคราะห์ทั้งหมดเคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ แม้ในกรอบที่ไม่เฉื่อยที่เราเห็นดวงอาทิตย์เคลื่อนที่รอบตัวเราเราก็ไม่ได้บอกว่าทุกสิ่งหมุนรอบตัวเรา


ท้ายที่สุดแล้วฉันคิดว่าปัญหาที่นี่เริ่มตั้งแต่จุดเริ่มต้น คุณกำลังอ่านข้อความนี้

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่มีกรอบอ้างอิงที่ดีที่สุดในจักรวาลของเรา

เช่น

หากกรอบอ้างอิงสองกรอบไม่เห็นด้วยกับบางสิ่งหนึ่งในนั้นจะต้องผิด

ไม่มีอะไรผิดที่บอกว่าโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์หรือดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ มันเป็นความจริงในเฟรมเฉื่อยดังนั้นจึงเป็นสิ่งที่ถูกต้องที่จะพูด

1 Umaxo Aug 20 2020 at 11:44

การเคลื่อนที่เฉื่อยทั้งหมดสัมพันธ์กับทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่ใช่แค่การเคลื่อนที่ใด ๆ

ใน STR การเคลื่อนที่แบบวงกลมจะถูกเร่งเสมอและกรอบอ้างอิงนี้แตกต่างจากกรอบเฉื่อย

ใน GR กาลอวกาศมีลักษณะโค้งและเกิดขึ้นได้แม้วัตถุที่กำลังหมุนอยู่ก็อาจมีความเฉื่อยซึ่งมากหรือน้อยในกรณีของวัตถุในการตกอย่างอิสระเช่นโลกปฏิวัติรอบดวงอาทิตย์

GR เป็นทฤษฎีท้องถิ่น ซึ่งหมายความว่าโดยปกติแล้วกรอบอ้างอิงนั้นจะมีความหมายทางกายภาพเฉพาะในพื้นที่ใกล้เคียงของตำแหน่งของคุณและยิ่งคุณอยู่ห่างออกไปและยิ่งสนามโน้มถ่วงมีความแรงและไวขึ้นเท่าใดกรอบการอ้างอิงก็จะกลายเป็นเพียงระบบพิกัดบางส่วนโดยไม่มีความหมายโดยธรรมชาติ นี่หมายความว่าเราไม่สามารถพูดเกี่ยวกับการปฏิวัติโลกรอบดวงอาทิตย์ได้โดยไม่ต้องระบุกรอบอ้างอิง

แต่ในกรณีของดวงอาทิตย์และโลกแรงโน้มถ่วงค่อนข้างอ่อนแอและถูกครอบงำโดยดวงอาทิตย์ ดังนั้นในการประมาณครั้งแรกคุณมีสนามสถิตในสุญญากาศของวัตถุทรงกลมที่สมบูรณ์แบบซึ่งนำไปสู่รูปทรงเรขาคณิตของชวาร์สไชลด์ สิ่งนี้ก็คือในการประมาณครั้งแรกนี้มีเพียงดวงอาทิตย์ในจักรวาลทั้งหมดและมันหยิบกรอบอ้างอิงพิเศษขึ้นมา - กรอบที่ถูกล็อคไว้ (และไปยังดวงดาวที่อยู่ห่างไกลซึ่งแก้ไขการหมุน) ดังนั้นในระบบสุริยะระบบเองก็มีกรอบอ้างอิงตามธรรมชาติและข้อความเกี่ยวกับการปฏิวัติของโลกถูกระบุไว้โดยปริยายในกรอบอ้างอิงนี้ เนื่องจากเป็นเรื่องธรรมดาคุณไม่จำเป็นต้องพูดถึงเรื่องนี้อย่างชัดเจน

หากคุณมีความแม่นยำมากขึ้นคุณสามารถคงกรอบอ้างอิงเดิมไว้และคำนวณการรบกวนรอบ ๆ ดังนั้นแม้ในทฤษฎีความเที่ยงตรงไม่มีที่สิ้นสุดกรอบที่กำหนดโดยการประมาณครั้งแรกก็ยังคงเป็นสิ่งที่เป็นธรรมชาติและข้อความเกี่ยวกับการปฏิวัติยังคงมีความหมาย

ดังนั้นในทฤษฎีสัมพัทธภาพ - ทั้ง STR และ GR - คำกล่าวที่ว่าโลกหมุนรอบดวงอาทิตย์เป็นเรื่องธรรมชาติและเราไม่จำเป็นต้องพูดในกรอบอ้างอิงใดที่เป็นคำพูดนี้

AgniusVasiliauskas Aug 20 2020 at 13:57

ใน SR เฉพาะกรอบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้นที่เทียบเท่ากันดังนั้นคุณจึงไม่สามารถบอกได้ว่าวัตถุใดเคลื่อนที่โดยการทดลองที่ดำเนินการในกรอบอ้างอิงที่แตกต่างกันเท่านั้น แต่กรณีนี้ไม่ได้สำหรับกรอบอ้างอิงที่ไม่ใช่เฉื่อยซึ่งการเคลื่อนไหวด้วยการเร่งความเร็ว โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ดังนั้นจึงมีแรงหลอกศูนย์กลางและแรงเหวี่ยงที่กระทำต่อมันดังนั้นสิ่งนี้ทำให้โลกเป็นกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยทำให้ตอนนี้มีความเร่งศูนย์กลางซึ่งโดยหลักการแล้วสามารถวัดได้ รูปแบบทั่วไปของความเร่งโน้มถ่วงบนพื้นผิวโลกคือ:

$$ g= G\frac{M}{r^2}-\left(\frac{v_{e\perp}^2}{r}~\pm\frac{v_{s\perp}^2}{R}\right) $$

ที่ไหน $M$ คือมวลโลก $r$ คือรัศมีโลก $R$ คือรัศมีวงโคจรของโลก $v_{e\perp}$ - การหมุนของโลกรอบความเร็วสัมผัสแกนของตัวเองและ $v_{s\perp}$คือการหมุนของโลกรอบความเร็วสัมผัสของดวงอาทิตย์ ลงชื่อ$+$ หรือ $-$ ในสูตรขึ้นอยู่กับว่าคุณกำลังวัดความเร่งโน้มถ่วงอยู่ที่ใด - ในด้านที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์หรือด้านที่พุ่งออกไปจากดวงอาทิตย์ (จากนั้นเอฟเฟกต์กระพุ้งของแกนโลกจะเพิ่มแรงเหวี่ยงของดวงอาทิตย์)

การเร่งความเร็วแบบแรงเหวี่ยงเนื่องจากการหมุนของโลกรอบแกนของตัวเองมีขนาดเล็กประมาณ $0.03 ~m/s^2$. การเร่งความเร็วแบบแรงเหวี่ยงเนื่องจากโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ยิ่งมีขนาดเล็กลงประมาณ$0.005 ~m/s^2$. แต่ไม่ได้เป็นศูนย์และสามารถวัดได้ตามความแปรผันของความเร่งโน้มถ่วงในช่วงเวลาหนึ่งของวัน (ขึ้นอยู่กับตำแหน่งรัศมีสัมพัทธ์ของคุณที่มีต่อดวงอาทิตย์) ถ้าอย่างที่คุณบอกไม่ใช่โลกจะหมุนรอบดวงอาทิตย์ แต่มีดวงอาทิตย์อยู่รอบตัวเราแทน - เราจะไม่ได้คำที่สามในสมการและจะไม่พบการแปรผันของแรงโน้มถ่วงตามเวลาที่กล่าวถึง ดังนั้นกรอบอ้างอิงของโลก / ดวงอาทิตย์จึงไม่เหมือนกันและซึ่งสามารถวัดได้โดยการทดลองในท้องถิ่นใน RF