Strona głównaPytania → Czy można mówić o tym,...

Czy można mówić o tym, że coś bezwzględnie krąży wokół czegoś?

Pytanie

Pyta Wojtek

Powszechnie znane jest stwierdzenie Kopernika, który stwierdził, że to Ziemia krąży wokół Słońca. Czy w świetle względności ruchu można mówić o tym, że coś bezwzględnie krąży wokół czegoś?

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Piotr Sułkowski

Rzeczywiście jako początek układu odniesienia można przyjąć zarówno Słońce jak i Ziemię i w pierwszym przypadku uznać, że to Ziemia krąży wokół Słońca, a w drugim, że Słońce krąży wokół Ziemi (i jeszcze ogólniej – dowolny punkt lub obiekt we Wszechświecie możemy wybrać jako początek pewnego układu odniesienia). Jednakże, jeśli przyjmiemy że Słońce jest bardzo ciężkie (nieskończenie cięższe od Ziemi, oraz jeśli pominiemy ruch naszego układu słonecznego wokół centrum galaktyki, wpływ innych planet, etc.), to wtedy istnieje zasadnicza różnica między tymi dwoma układami odniesienia: układ w którym Słońce spoczywa jest tzw. układem inercjalnym, a układ w którym Ziemia spoczywa (a wokół niej krąży Słońce) jest układem nieinercjalnym. W układzie nieinercjalnym występują dodatkowe (pozorne) siły, których obecność świadczy właśnie o nieinercjalności układu. Zupełnie analogiczna sytuacja występuje na karuzeli: jeśli będziemy siedzieć na krzesełku kręcącej się karuzeli, to będziemy czuć dodatkową (pozorną) siłę wypychającą nas na zewnątrz (i gdyby nie oparcie krzesełka to moglibyśmy z niego spaść), zatem nie jest to układ inercjalny; jeśli natomiast siądziemy na ziemi (lub na osi obrotu karuzeli), to takiej siły nie będziemy czuć. Z tego powodu układ inercjalny (w którym Słońce spoczywa) jest wyróżniony.

Jeśli natomiast przyjmiemy masę Słońca jako skończoną (oraz pominiemy wpływ innych planet, ruch wokół centrum galaktyki, etc.), to zarówno Słońce jak i Ziemia będą krążyć wokół ich wspólnego środka ciężkości. W takim wypadku to układ odniesienia związany ze środkiem ciężkości tych ciał jest układem inercjalnym, natomiast układy odniesienia związane z Ziemią oraz Słońcem są układami nieinercjalnymi.

Należy też podkreślić, iż opis ruchu planet w układzie odniesienia związanym z Ziemią jest o wiele bardziej skomplikowany, niż w układzie odniesienia związanym ze Słońcem. W układzie odniesienia związanym ze Słońcem (przyjmując założenia wspomniane powyżej) każda planeta porusza się po elipsie (a Słońce znajduje się w jednym z ognisk takiej elipsy). Natomiast w układzie związanym z Ziemią ruch innych planet jest niezwykle skomplikowany, i w przybliżeniu opisać go można przy pomocy tzw. deferentówepicykli (które stosowano do opisu planet już w starożytności i średniowieczu); ruch innych planet widziany z Ziemi wygląda mniej więcej tak jak na poniższym rysunku (a zatem jest dużo bardziej skomplikowany niż ruch po elipsie w układzie odniesienia związanym ze Słońcem).

epicykl-deferent

Należy też podkreślić, iż ruch planet jest jeszcze bardziej skomplikowany, jeśli pod uwagę weźmie się poprawki wynikające z ogólnej teorii względności Einsteina. Teoria ta przewiduje m.in. ruch peryhelium planet. W przypadku cięższych planet efekt taki jest znikomy, natomiast jest on dosyć dobrze widoczny w przypadku Merkurego, co raz pierwszy zaobserwował Urbain Le Verrier w 1859 r. Wyjaśnienie anomalnego ruchu peryhelium Merkurego przez Einsteina w 1915 r. było istotnym dowodem na poprawność sformułowanej przez niego ogólnej teorii względności; artykuł Einsteina poświęcony temu zagadnieniu (we współczesnym tłumaczeniu i z dodatkowymi komentarzami) znaleźć można tutaj.