Einfache experimentelle Beweise, dass sich die Erde um die Sonne dreht

Was sind die einfachsten Experimente oder Berechnungen, die belegen, dass sich die Erde um die Sonne dreht? Können Sie sie bitte erläutern und auf die Geschichte verweisen? Viele einfache Erklärungen wie diese zitieren Beobachtungen wie die relative Position zweier Sterne, die von der Erde aus beobachtet werden, variieren jede Nacht - was nicht wahr wäre, wenn die Sterne die Erde umkreisen würden. Aber stimmt die Beobachtung nicht auch mit einem Modell überein, bei dem die Sterne die Erde umkreisen, dies jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, während die Erde die Sonne noch umkreist? Einfache Erklärungen wären hilfreich.

Die Antwort ist ironisch: Ohne gute Instrumente gibt es keine Beweise . Die Leute, die dachten, dass die Sonne um die Erde ging, stimmten vollkommen, was die tatsächlichen Beweise betraf, bis Anfang des 18. und Mitte des 19. Jahrhunderts zwei Beweise auftauchten, die zeigten, dass sich die Erde bewegte.

Aberration des Sternenlichts

Wikipedia hat eine korrekte, aber zu komplizierte Erklärung . Die einfachste Möglichkeit, darüber nachzudenken, besteht darin, sich vorzustellen, dass Sie bei Regen an einem Stoppschild in einem Auto stehen und der Regen direkt nach unten fällt. Wenn Sie sich in Bewegung setzen, ändert sich die scheinbare Fallrichtung des Regens, sodass es so aussieht, als ob er vor Ihnen fällt und sich zu Ihnen neigt. Das ist eine Verirrung.

In den frühen 1700er Jahren wurde entdeckt, dass sich die Position der Sterne verschiebt, und 1727 identifizierte James Bradley sie aufgrund der Bewegung der Erde um die Sonne korrekt als Abberation des Sternenlichts. (Für jeden Stern in der Ekliptik bewegt sich die Erde zu einer bestimmten Zeit des Jahres auf ihn zu und sechs Monate später von ihm weg.)

Parallaxe

Der Wikipedia-Artikel über Parallaxe ist besser, und ich verweise Sie für Details darauf. Wenn Sie Ihren Finger vor sich halten und ihn mit geschlossenem linken Auge und dann mit geschlossenem rechten Auge betrachten, scheint er im Grunde genommen in Bezug auf den Hintergrund zu springen - die Mauer dahinter oder die Bäume draußen oder was auch immer. Wechseln Sie schnell zwischen Ihren Augen hin und her, um es klar zu sehen.

Während die Erde die Sonne umkreist, scheinen nahegelegene Sterne ihre Position relativ zu den weiter entfernten Sternen zu verschieben. Ein wichtiger Punkt ist, dass es gute wissenschaftliche Gründe gab anzunehmen, dass die Sterne viel kleiner als die Sonne waren. Durch ein Teleskop gesehen zeigten Sterne Scheiben, und wenn sie wie die Sonne wären, könnte ihre Entfernung von diesen Scheiben abgeleitet werden. Und sie waren nah genug dran, dass Parallaxe hätte beobachtet werden müssen, wenn die Erde wirklich um die Sonne gegangen wäre. Aber es war nicht so und das Fehlen einer wahrnehmbaren Parallaxe war ein starkes empirisches Argument gegen heliozentrische Theorien.

In Wirklichkeit existiert natürlich eine Parallaxe, aber die Parallaxe aller Sterne ist gering, weil sie viel weiter entfernt sind, als von ihren Scheiben angenommen wurde. (Die sichtbaren Scheiben waren eigentlich Beugungsscheiben und überhaupt keine echten Scheiben - aber erst ein knappes Jahrhundert später begann man, die Beugung zu verstehen.) Friedrich Bessel maß erstmals 1838 die reale Parallaxe eines Sterns.

Sie können nicht beweisen, dass die Erde die Sonne umkreist und nicht umgekehrt, da dies sehr gegen die Richtigkeit aller Bezugsrahmen verstößt (aber einige sind viel sinnvoller als andere). Beispielsweise ist es viel sinnvoller, einen erdzentrierten, erdfesten Standpunkt zu verwenden, als einen nicht rotierenden geozentrischen, heliozentrischen, baryzentrischen oder galaktozentrischen Standpunkt, wenn das Wetter oder die Gezeiten modelliert werden. Man könnte zum Beispiel einen heliozentrischen oder sogar galaktozentrischen Standpunkt verwenden, um das Wetter auf der Erde zu modellieren, aber dies wäre alles andere als dumm.

Andererseits ist es bei der Modellierung des Verhaltens des Sonnensystems viel sinnvoller, eine heliozentrische oder noch besser eine baryzentrische Sichtweise des Sonnensystems zu verwenden. Man könnte jedoch einen erdzentrierten, erdfesten Standpunkt verwenden, da alle Bezugsrahmen (theoretisch) gleichermaßen gültig sind . Dies würde natürlich die Bewegungsgleichungen ziemlich hässlich machen und noch hässlicher bei dem Versuch, diese Bewegungsgleichungen relativistisch korrekt zu machen. Eine geozentrische Sichtweise bleibt jedoch theoretisch gültig - auch für die Modellierung des Verhaltens der Milchstraße.

Das Problem mit einer geozentrischen Sichtweise ist nicht, dass es ungültig ist (was es nicht ist). Das Problem ist, dass Befürworter des Geozentrismus argumentierten (und leider weiterhin argumentieren), dass dies der einzig gültige Standpunkt ist. Dieses Argument ist ungültig, da wiederum alle Referenzrahmen gleichermaßen gültig sind.

Gut zu beachten: Nur weil Inertial-Frames in gewissem Sinne etwas Besonderes sind, bedeutet dies nicht, dass Nicht-Inertial-Frames ungültig sind.

Wenn Sie mit der Idee beginnen, dass die Planeten, die Sonne, der Mond und die Erde alle Körper sind, die sich alle durch den Raum bewegen, schließen Sie die scheinbar fixierten Sterne aus und sehen Sie dann, welche Beweise dafür vorliegen, wie sie sich relativ zueinander bewegen. In diesem Zusammenhang gibt es auch Hinweise auf die Astronomie mit bloßem Auge, die von Navigationsinstrumenten unterstützt wird, die selbst den Alten zur Verfügung stehen.

Die beobachteten Bewegungsmuster der Planeten weisen auf eine heliozentrische Umlaufbahn hin. Die sichtbaren Planeten folgen bestimmten Mustern. Erstens, Merkur und Venus:

• Sie sind immer in der Nähe der Sonne zu sehen.
• Die beobachteten Winkelabstände von Merkur und Venus von der Sonne weisen ein regelmäßiges Muster auf.
• Merkur hat eine viel engere maximale Trennung als Venus, und seine Winkeltrennung ändert sich viel schneller.
• Beide Planeten bleiben in der Nähe der Ekliptik und oszillieren niemals normal dazu.
• Die Umlaufbahnen beider Planeten um die Sonne lassen sich relativ einfach dokumentieren und vorhersagen. Dies kann auch ohne ein Teleskop ungenau geschehen, obwohl es für Merkur viel schwieriger ist, so nah an der Sonne zu sein.

Ausgehend von der Annahme, dass sich Körper durch den Himmel bewegen, gibt es meines Erachtens Beweise dafür, dass Merkur und Venus eine heliozentrische Umlaufbahn haben. Kepler beschrieb es genau, aber die alten Griechen waren in der Lage, ihre Bewegung ohne Teleskope im Antikythera-Mechanismus in geozentrischen Begriffen sehr gut abzubilden .

Wenn ein altgriechischer Astronom die Bewegung der inneren Planeten in heliozentrischen Begriffen genau modellieren wollte , könnte er dies haben. Der Weg, dies zu tun, ist anzunehmen, dass die Fixsterne starr fixiert sind, und die Winkelabstände zwischen ihnen allen zu messen und dann die Bewegungen der sich bewegenden Planeten zwischen ihnen aufzuzeichnen. Sextanten und andere Hilfsmittel wurden von alten Seefahrern verwendet, die selbst mit primitiven hochqualifiziert waren . Dies hätte also getan werden können, um das "einfache Experimentieren oder Berechnen" zu realisieren, das Sie verlangen. Ob es jemals war getan, mit dieser Frage im Kopf, ist ein bisschen anders Problem.

Nun zur Erde selbst. Auch in der Antike wurde die Beziehung zwischen dem Sterntag und dem Sonnentag gut verstanden . Die Präzession der Sonne um die Ekliptikebene ist ein Hinweis auf eine heliozentrische Umlaufbahn. Man muss es nur modellieren , um dies zu verdeutlichen. Alte Berechnungen, die sich auf die Sternzeit und den metonischen Zyklus beziehen, zeigen, dass die heliozentrische Bewegung der Erde mathematisch modelliert werden könnte, wenn sie gedacht und gewünscht wäre.

Was die äußeren Planeten betrifft, ist dies meines Erachtens die am wenigsten intuitive, aber es gibt Hinweise auf eine heliozentrische Umlaufbahn für sie, aber nur, wenn man auf der Idee aufbaut, dass die Erde und die inneren Planeten die Sonne umlaufen. Dies ergibt sich aus der Beobachtung ihrer rückläufigen Bewegung . Diese Planeten bewegen sich zu bestimmten Zeiten rückwärts gegen die "festen Hintergrundsterne", und diese Zeiten können mit ihrem Winkelabstand von der Sonne korreliert werden. Auch die verschiedenen Planeten bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch den Tierkreis, die auch mit der Amplitude der rückläufigen Bewegung korrelieren.

Wenn Sie dies alles mit einer heliozentrischen Umlaufbahn simulieren, ist es sehr deutlich, dass wir auf einem inneren, schnelleren Planeten einen äußeren, langsameren Planeten in seiner Umlaufbahn beobachten. Die alten Griechen hatten genug Geschick, um die Bewegungen von Mars, Jupiter und Saturn in ihrem Antikythera-Mechanismus in geozentrischen Begriffen zu modellieren . Daraus folgt, dass ein präzises mathematisches Modell der heliozentrischen Bewegung für die äußeren Planeten in Reichweite war, falls sie jemals danach griffen.

Es gibt auch einige Hinweise darauf , dass einige alten Denker zumindest waren die Lage , dies alles in ein heliozentrisches Modell zu entschlüsseln. Der antike griechische Aristarchos von Samos hatte ein heliozentrisches Modell. Plato und andere schienen es jedoch zu missbilligen, und diese Rekonstruktion des Antikythera-Mechanismus, von der angenommen wird, dass sie weit nach Aristarchos 'Tag erfolgt, weist ein geozentrisches Orrerium auf, das die retrograde Bewegung des Planeten modelliert. Und heliozentrisches Denken blieb in der Minderheitim Westen bis in die Neuzeit. Vielleicht die offensichtliche geozentrische Umlaufbahn des Mondes oder die Frage nach den Sternen (ob sie in ein korrektes Modell einbezogen werden sollten oder nicht) oder das Fehlen einer universellen Gravitationstheorie, die für sie ausreichend undurchsichtig ist, was für uns klar ist.

Der beste experimentelle Beweis ist wahrscheinlich eine rückläufige Bewegung . Die Daten sind nicht einfach zu erfassen: Das Sammeln dauert lange, und ein Astronom müsste jede Nacht aufbleiben, um die Positionen der einzelnen Objekte sorgfältig zu messen. Aber es ist möglich (die alten Griechen waren sich dessen bewusst) und in der modernen Welt können Sie einfach einen Simulator wie Stellarium verwenden .

Laden Sie Stellarium herunter, starten Sie es und navigieren Sie zu Ihrer lokalen Position. Stellen Sie dann die Simulation ein und beschleunigen Sie sie um ein Vielfaches. Sie sollten die Sonne und die Sterne sehen, die um Sie sich drehen. Schalten Sie dann den Boden aus (damit Sie durch die Erde sehen können), die Atmosphäre aus (damit Sie tagsüber Sterne sehen können), und wechseln Sie zum äquatorialen Berg (Strg + M; dies ist der Berg, auf dem sich der größte Teil des Himmels befindet stationär), und zoomen Sie heraus, bis sich Sonne, Mond und alle Planeten in einem Kreis zu bewegen scheinen.

Schauen Sie sich nun die Bewegungen aller Planeten genau an. Sie sollten sehen, dass der Mond (und die Sonne) im Kreis laufen, ohne jemals langsamer zu werden. Dies ist, was Sie erwarten würden, wenn sie um die Erde gingen. Quecksilber folgt dieser Bewegung jedoch nicht - es verschwindet sichtbar um die Sonne. Auch der Mars verhält sich anders: Er dreht sich und dreht sich, bleibt dann stehen, dreht sich rückwärts und dreht sich dann immer wieder. Dieses letzte Verhalten wird als rückläufige Bewegung bezeichnet, und seine Erklärung beschäftigte einen Großteil der alten Astronomie. Die alten Griechen hatten eine komplizierte Theorie der Epizyklen aufgestellt, um dies zu erklären, da die Planeten die Erde umkreisten und sich in perfekten Kreisen bewegten (beides trifft im modernen Wissen nicht zu).

Rückläufige Bewegungen können jedoch leicht erklärt werden, wenn der Mars nicht um die Erde, sondern um die Sonne ging. Dies würde einfach bedeuten, dass der Mars rückläufig wird, wenn wir ihn auf seiner Umlaufbahn überholen. Dies erklärt auch, wie der Mars jedes Mal, wenn er sich rückwärts bewegt, am hellsten ist und sich auf der gegenüberliegenden Seite des Himmels in Bezug auf die Sonne befindet. Es erklärt auch, warum Merkur seine Schleifen um die Sonne macht.

Dies bedeutet nicht, dass das geozentrische Modell nicht in der Lage ist, dieselben Beobachtungen zu berücksichtigen, aber es ist drastisch einfacher. Im heliozentrischen Modell umrundet jeder Planet die Sonne auf einem einfachen Pfad, einer Ellipse. Im geozentrischen Modell umrundet jeder Planet die Erde, jedoch auf einem Epizyklus nach dem anderen. Dann wenden wir Occam's Razor an und kommen zu dem Schluss, dass die einfachere Erklärung korrekt ist.

Nun ... der jahreszeitliche Zyklus ist ein Beweis dafür, dass sich die Erde und die Sonne gegenseitig umkreisen. Ob A B umkreist oder B A umkreist, ist ein Argument über die relative Masse. Wenn Sie feststellen, dass die Bewegungen aller anderen Planeten mit denen übereinstimmen, die die Sonne, aber nicht die Erde umkreisen, können Sie daraus schließen, dass die Masse der Sonne enorm ist und daher kaum durch den Zug der Erde beeinflusst wird.

Detaillierte Beobachtungen aller Sterne am Himmel zeigen, dass sich die Erde in einer elliptischen Umlaufbahn mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 30 km / s bewegt.

Wenn die Sichtliniengeschwindigkeiten von Sternen unter Verwendung des Doppler-Effekts gemessen werden, müssen sie für die Bewegung der Erde korrigiert werden. Wenn dies nicht der Fall ist, würde man eine ungeklärte Modulation der Geschwindigkeiten mit einem Zeitraum von 1 Jahr und einer Amplitude von bis zu 30 km / s sehen, die sich abhängig von der Richtung des Sterns in Bezug auf das Erd-Sonnen-Orbital unterscheiden würde Ebene.

Ebenso kann ein geozentrisches Modell nicht erklären, warum ein Beobachter auf der Erde sieht, dass die Positionen der Sterne am Himmel periodische Ellipsen am Himmel mit Amplituden (auch als trigonometrische Parallaxe bezeichnet) ausführen, die umgekehrt mit ihrer Entfernung korrelieren alle mit einem zeitraum von einem jahr.

Vielleicht sind dies nicht die "einfachen" Experimente, an die Sie gedacht haben, aber das Universum kann nicht immer mit dem verstanden werden, was mit bloßem Auge und gesundem Menschenverstand sichtbar ist.

Dies könnte die Dinge zu stark vereinfachen, aber hier ist meine Entscheidung:

• Erstellen Sie eine flache Oberfläche (je größer, desto besser, solange sie flach bleibt), z. B. indem Sie ein Brett auf eine unbewegte Wasseroberfläche legen.
• Stellen Sie mittags eine lange Stange (je länger, desto besser) senkrecht auf die Oberfläche.
• Messen Sie den Schatten (Richtung und Länge), der vollständig auf der ebenen Fläche liegen muss.
• Lassen Sie jemanden das Gleiche (insb. Die gleiche Länge der Stange) zur selben Zeit weit nördlich von Ihnen tun (je weiter desto besser).
• Haben Sie ein Drittel der exakt gleichen Maße weit südlich von Ihnen.

Die Auswertung der Messungen sollte ergeben:

• Die Erdoberfläche ist ungefähr kugelförmig (tatsächlich ist die Erde ein abgeflachtes Ellipsoid, aber Sie benötigen mehr als 3 Messungen, um dies zu bestätigen).
• Erddurchmesser liegt innerhalb der angegebenen Werte (+/- erwartete Abweichung für Messfehler und die Tatsache, dass Sie nur eine sehr grobe Schätzung gemessen haben)
• Grobe Abschätzung des Abstandes zwischen Erde und Sonne durch Triangulation

Mit einer Lochkamera können Sie nun den tatsächlichen Durchmesser der Sonne anhand ihres scheinbaren Durchmessers und der Entfernungsschätzung von oben grob abschätzen. Trotz aller Messfehler sollte der Größenunterschied zwischen Sonne und Erde einige Größenordnungen betragen.

Befestigen Sie zwei Kugeln an den gegenüberliegenden Enden einer Stange (je leichter die Stange im Vergleich zu den Kugeln, desto besser). Die Kugeln müssen grobe Annäherungen der oben ermittelten Maße sein (z. B. könnte man annehmen, dass die Sonne reiner Wasserstoff und die Erde reines Eisen ist, um eine Schätzung der Masse zu erhalten). Befestigen Sie eine Schnur an der Stange und finden Sie den Gleichgewichtspunkt. Höchstwahrscheinlich ist es der Weg zum Ball, der die Sonne darstellt (Sie müssen das Gewicht der Stange ausgleichen).

Sie können jetzt die beiden Kugeln kreisen lassen, während Sie an der Schnur hängen.

Welches dreht sich um das andere?

Mit relativ einfacher Ausrüstung ist es möglich, das Verhalten der Satelliten von Jupiter zu beobachten. Unter der Annahme, dass sich Jupiter und alle Planeten um die Erde drehen, ist zu erwarten, dass die Okklusion der Satelliten durch Jupiter sehr regelmäßig erfolgt. Was wir jedoch sehen, ist, dass das Ereignis relativ zu erdgebundenen Uhren zu unterschiedlichen Zeiten stattfindet, auch wenn diese nicht sehr genau sind, was beweist, dass die Umlaufbahn des Jupiter kein einfaches Epizyklus um die Erde ist. Auch die Beobachtung eines Satelliten, der die Erde nicht direkt umkreist, wirft Zweifel an der erdzentrierten Sicht auf.

Ganz einfach: Aufgrund von Relativbewegungen gibt es keinen Beweis. Jede Situation, die Ihnen einfällt, kann durch ein optimiertes geozentrisches Modul erklärt werden. Albert Einstein kam zu dem gleichen Schluss, als er sagte: "Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass die Bewegung der Erde durch kein optisches Experiment erfasst werden kann." und "... auf die Frage, ob die Bewegung der Erde im Weltraum in terrestrischen Experimenten wahrnehmbar gemacht werden kann oder nicht. Wir haben bereits bemerkt ..., dass alle Versuche dieser Art zu einem negativen Ergebnis geführt haben. Vor der Relativitätstheorie vorgebracht wurde, war es schwierig, sich mit diesem negativen Ergebnis abzufinden. "