La navicella spaziale MESSENGER legata a mercurio catturò diverse immagini sbalorditive della Terra durante un'oscillazione assistita dalla gravità del suo pianeta natale il 2 agosto 2005. Diverse centinaia di immagini, scattate con la fotocamera grandangolare nel Mercury Dual Imaging System (MDIS) di MESSENGER, erano sequenziato in un film che documenta la vista di MESSENGER mentre lasciava la Terra. (NASA / MESSENGER MISSION)

Chiedi a Ethan: perché non possiamo sentire la terra volare attraverso lo spazio?

Il nostro movimento attraverso lo spazio è innegabile. Allora perché non possiamo sentirlo?

Il nostro pianeta non è il posto fisso che sentiamo essere sotto i nostri piedi, ma si muove in modo incredibilmente complesso attraverso l'Universo. Ruotiamo sul nostro asse una volta ogni 24 ore, ruotiamo attorno al Sole una volta all'anno, mentre l'intero Sistema Solare orbita a 220 km / s attorno alla Via Lattea, che accelera verso Andromeda nel Gruppo Locale, che a sua volta si muove rispetto alla radiazione lasciato dal Big Bang. È un sacco di moto cosmico! Eppure, non possiamo sentirlo affatto. Ciò preoccupa molti, tra cui la lettore Annie Bennett, che chiede:

Ho un disperato bisogno del tuo aiuto! Per favore, aiutami a spiegare a mio marito perché non riesci a sentire la terra volare nello spazio!

C'è un semplice motivo per cui non possiamo sentirlo nei nostri corpi, ma non sarà intuitivo per chiunque sia abituato alle loro esperienze qui sulla Terra.

Se spingi gli arti fuori da un'auto in movimento, sentirai una forza mentre l'aria scorre veloce. Se raddoppi la tua velocità, la forza quadruplica. Tuttavia, se sei a riposo rispetto all'aria, non sperimenterai alcuna forza. (PXHERE / NUMERO FOTO 151399)

Se sei in una macchina che si muove a 15 miglia all'ora (mph) e fai sporgere gli arti fuori dal finestrino, sentirai soffiare leggermente il vento. È vero che più vai veloce, maggiore è la forza che sentirai, ma il modo in cui la tua mano o il tuo piede percepiscono la forza non è necessariamente intuitivo. Se acceleri di muoverti a 30 mph, la forza sulla tua appendice sarà quattro volte quella che era a 15 mph; se si accelera fino a 60 mph, quella forza aumenta a sedici volte rispetto a 15 mph.

Ma quella forza esiste solo perché la tua mano, fisicamente, si sta muovendo a una velocità relativa rispetto alle molecole dell'aria con cui si scontrano. Se invece avessi i finestrini chiusi, la tua mano non avvertirebbe alcuna forza. E questo perché l'aria all'interno dell'auto è ferma rispetto al tuo corpo. È solo quando due oggetti sono in moto l'uno rispetto all'altro che puoi sentire una forza.

Un modello accurato di come i pianeti orbitano attorno al Sole, che poi si muove attraverso la galassia in una diversa direzione di movimento. Nota che i pianeti sono tutti sullo stesso piano e non si trascinano dietro il Sole o formano una scia di alcun tipo. (RHYS TAYLOR)

Quando la Terra orbita attorno al Sole, o quando il Sistema Solare orbita attorno alla galassia, o quando la nostra galassia si muove rispetto alle altre galassie nel nostro Gruppo Locale, o quando il Gruppo Locale si muove rispetto al resto dell'Universo, non c'è alcun effetto sul nostro corpi che siamo in grado di sentire.

Non esiste un sensore di forza che possiamo applicare per rilevare gli effetti di questo movimento per una semplice ragione: tutto ciò che esercita una forza sui nostri corpi, facendoci accelerare, esercita anche una forza proporzionale sulla Terra, facendola accelerare a lo stesso tasso esatto. Proprio come non puoi sentirti in movimento in un'auto senza problemi con i finestrini alzati, non puoi sentire la Terra muoversi attraverso l'Universo fintanto che anche tu sei legato al pianeta Terra. Questo vale per qualsiasi scala tu possa concepire, dalla dinamica del Sistema Solare fino alle scale dell'intero Universo.

I relativi effetti attrattivi e repulsivi delle regioni overdense e underdense sulla Via Lattea. L'effetto combinato è noto come Dipole Repeller. Anche se il nostro gruppo locale si muove a circa ~ 600 km / s rispetto al bagliore residuo del Big Bang, non possiamo sentirlo, poiché non c'è movimento o forza relativa tra i nostri corpi e il movimento della Terra. (YEHUDA HOFFMAN, DANIEL POMARÈDE, R. BRENT TULLY E HÉLÈNE COURTOIS, NATURE ASTRONOMY 1, 0036 (2017))

In effetti, la storia va ancora più in profondità, come Einstein ha intuito per la prima volta più di 100 anni fa. Chiamandolo "il suo pensiero più felice", si rese conto che qualsiasi cambiamento nel movimento di un oggetto sembrerebbe essere un'accelerazione e che tutte le forme di accelerazione costante - inclusa la gravitazione - sarebbero indistinguibili l'una dall'altra.

Ora chiamiamo questo principio di equivalenza di Einstein e ci dice che qualsiasi quadro di riferimento accelerato non può avere la sua causa di accelerazione determinata da un oggetto che fa parte del sistema interno. In altre parole, se fai parte della Terra (e mi dispiace, Annie, entrambe insieme a tuo marito) e la Terra sta accelerando, allora anche tu accelererai e non sarai in grado di sentire gli effetti di una qualsiasi delle diverse cause.

Questo è stato realizzato per la prima volta da Galileo, il quale ha capito che una palla caduta dalla Torre Pendente di Pisa sarebbe caduta dritta, anziché restare indietro mentre la Terra ruotava, perché l'atmosfera della Terra si muoveva insieme al nostro pianeta.

Lo stesso comportamento di una palla che cade a terra in un razzo accelerato (a sinistra) e sulla Terra (a destra) è una dimostrazione del principio di equivalenza di Einstein. (WIKIMEDIA COMUNE UTENTE MARKUS POESSEL, RINNOVATO DA PBROKS13)

Questo fenomeno sarebbe vero anche se non fossi sulla Terra! Se tu fossi nello spazio - sulla Stazione Spaziale Internazionale, per esempio - accelereresti assolutamente a causa dell'influenza di tutto ciò che ti muove attraverso l'Universo. La Terra ti attira; il Sole e i pianeti ti attirano; anche il resto della galassia e dell'Universo esercitano una forza gravitazionale su di te.

Queste forze ti fanno accelerare. Ma quelle stesse forze fanno anche accelerare tutti gli oggetti nel tuo ambiente, inclusi gli altri astronauti con te, gli oggetti inanimati (come il frutto) e la stessa stazione spaziale. Sei in quello che sperimenta come "caduta libera", e così sono tutti gli altri oggetti lì. Rispetto al tuo ambiente, non esiste una forza netta e, quindi, nessuna accelerazione percepibile.

Astronauti e frutta a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Nota che la gravità non è disattivata, ma che tutto, incluso il veicolo spaziale, è uniformemente accelerato, con conseguente esperienza di zero g. L'ISS è un esempio di un quadro di riferimento inerziale (IMMAGINE DEL DOMINIO PUBBLICO)

Ma ci sono alcune eccezioni che puoi rilevare, anche se è dubbio che il tuo corpo sia abbastanza sensibile. Ci sono forze che sperimentiamo dal fatto che la Terra è un grande oggetto tridimensionale e che siamo situati in un solo punto della sua superficie. Rispetto alla Terra, sperimentiamo alcune forze in modo leggermente diverso da come la Terra, nel complesso, la sperimenta.

Una di queste eccezioni sono le forze di marea. Tu stesso sei un oggetto tridimensionale. I tuoi piedi, a terra, sono leggermente più vicini al centro della Terra rispetto alla tua testa, il che significa che la forza gravitazionale dalla Terra è leggermente maggiore sui tuoi piedi. Questo potrebbe non essere abbastanza significativo da notare, ma puoi progettare un esperimento che sia abbastanza sensibile alle minuscole differenze nella forza gravitazionale. Il primo a vederlo fu l'esperimento di Pound-Rebka, che fu uno dei test classici della teoria della gravità di Einstein, verificandolo in modo spettacolare.

Il fisico Glen Rebka, all'estremità inferiore delle Jefferson Towers, dell'Università di Harvard, chiama il professor Pound al telefono durante l'installazione del famoso esperimento Pound-Rebka. (CORBIS MEDIA / HARVARD UNIVERSITY)

Un altro è l'effetto delle maree sulla Terra stessa. La Terra gira e la Luna attacca sia la crosta terrestre che gli oceani che la circondano. Mentre la Terra ruota, la forza della Luna cambia su ogni singolo punto, causando il rigonfiamento degli oceani.

Sebbene tu, come individuo, non sei abbastanza sensibile da rilevare i cambiamenti di forza, puoi facilmente sperimentare le maree che entrano ed escono, mentre la Terra gira sul suo asse. Il fatto che abbiamo due rigonfiamenti oceanici e che la Terra giri una volta al giorno, significa che ogni giorno riceviamo due basse maree e due alte maree. Potresti non essere in grado di sentire le forze di marea nel tuo corpo, ma puoi chiaramente sperimentarne gli effetti.

La Luna esercita una forza di marea sulla Terra, che non solo provoca le nostre maree, ma provoca la frenata della rotazione terrestre e un successivo allungamento della giornata. Mentre la Luna crea due rigonfiamenti di marea sulla Terra, che a sua volta ruota una volta al giorno, sperimentiamo due maree basse e due maree alte ogni giorno. (UTENTE COMUNE WIKIMEDIA WIKIKLAAS ED E. SIEGEL)

Infine, il fatto che la Terra stessa ruoti si traduce in uno speciale tipo di forza sperimentata da tutto sulla sua superficie: la forza di Coriolis. Poiché la Terra sta ruotando rispetto a una posizione fissa (cioè attorno al suo asse), i punti lungo la sua superficie a diverse latitudini subiranno una leggera forza che provoca un'ulteriore rotazione.

La massima quantità di forza verrebbe sperimentata da un oggetto al Polo Nord o Sud, il che provocherebbe una rotazione extra di 360 gradi su un oggetto che non era sulla Terra. Ma i due diversi emisferi subiscono una rotazione in direzioni opposte: il Polo Nord avverte una rotazione in senso antiorario mentre il Polo Sud ne avverte una in senso orario. Per qualcuno all'equatore, la forza scende a zero e qualcuno a latitudini intermedie ottiene solo una rotazione parziale nel corso della giornata.

Gli effetti della Forza di Coriolis su un pendolo che ruota a 45 gradi di latitudine nord. Si noti che il pendolo esegue due rotazioni complete della Terra per effettuare una singola rotazione completa a questa latitudine (CLEON TEUNISSEN / CLEONIS.NL)

La prima volta che questo esperimento fu condotto fu in modo drammatico in Francia da Léon Foucault, che eseguì il suo esperimento del 1851 attaccando un enorme peso attraverso una lunga corda al soffitto del Pantheon di Parigi, in Francia. Dopo averlo lasciato andare in linea retta, è stato monitorato nel corso della giornata, oscillando e oscillando. Con il passare delle ore, divenne chiaro che il pendolo non si muoveva con un semplice movimento avanti e indietro, ma ruotava rispetto al resto del Pantheon.

Questa era una prova indiscutibile che la Terra stessa stesse ruotando, che la forza di Coriolis era reale e che le previsioni di una Terra in rotazione erano, in effetti, confermate da un esperimento diretto e facilmente visibile.

Questo pendolo di Foucault, esposto in azione presso la Città delle Arti e delle Città di Valencia a Malaga, in Spagna, ruota nel corso della giornata, abbattendo vari pioli (mostrati sul pavimento) mentre oscilla e la Terra ruota . (DANIEL SANCHO / FLICKR)

Come essere umano, i sensori di forza sui nostri corpi sono primitivi e funzionano solo su termini estremamente brevi. Ci vogliono gli enormi effetti cumulativi che si verificano solo nel corso di una giornata per essere in grado di sperimentare la rotazione della Terra, o misurazioni di precisione che vanno ben oltre le capacità del nostro corpo, per rilevare il movimento della Terra.

Ma questo movimento è reale e la ragione per cui non puoi sentirlo non è perché non ci stiamo muovendo, ma piuttosto perché il tuo corpo umano è in costante, uniforme movimento rispetto alla Terra stessa. Se qualcosa esercitasse una forza differenziale su di te dalla Terra, la sentiresti immediatamente. Ma in mancanza di ciò, avrai bisogno di uno strumento molto più sensibile di un semplice corpo umano. In breve, questa è una parte enorme di ciò che è la scienza: capire modi oltre i nostri semplici sensi ovvi per esplorare e conoscere l'Universo. La Terra si muove e un pendolo di Foucault è come puoi vederne gli effetti!

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Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.