Monday, February 24, 2014

Maa ei liigu ümber Päikese

Näe! Uuring kategooriast ameeriklased on ikka nii lollid! ütleb, et veerand küsitletud ameeriklastest ei tea, et Maa liigub ümber Päikese. Lollimad kui Holmes! Häda on selles, et sellel veerandil on kahtlemata täiesti õigus. Päike liigub ümber Maa, see on teaduslik fakt. Samuti on vaieldamatu, et kogu universum tiirleb ümber minu.

Nagu teab iga põhikoolilõpetaja, on tõepoolest korrektne väide "Maa orbiit on ellips, mille ühes fookuses on Päike".* Tundub ilmselt, nagu ma näriksin tähti. Need väited on aga täiesti erineva sisuga - teine on kirjeldava iseloomuga, mis on teaduslikule tähelepanekule igati omane. Väide "Maa liigub ümber Päikese" ei kanna endas aga mingit tegelikku sisu peale astronoomilise mõtteloo arengut kirjeldava tähenduse.
Epitsüklid on jumala okei värk.

Kopernik on kahtlemata ajalooliselt oluline figuur. Tema heliotsentrilises teoorias oli palju olulisi tähelepanekuid (Kepleri esimene seadus, silmuse-efekti seletamine, mõistmine, et Päike on lähedal ja tähed on kaugel) ja ka palju asju, mis ei ole tänapäeva teaduses sugugi vastuvõetavad (peamiselt väide, et Päike on universumi keskpunkt ja massikese). Tema teooria on nagu Rutherfordi mudel aatomifüüsikas - see, mis ütleb, et on tuum ja tuuma ümber orbiitidel tiirlevad elektronid. Oluline ajaloolisel kujutlemisel, täiesti vale ja millegipärast asi, millele koolides liialt palju tähelepanu pööratakse.

Niisiis, mis probljema selle Päikese ümber liikumisega lõppude lõpuks on? Väga lihtne: liikumine on suhteline ja oleneb taustsüsteemi valikust. Hetkel kirjutades istun ma toolil ja mu kiirus maapinna suhtes on null, aga Päikese suhtes on mu kiirus ligikaudu 30 kilomeetrit sekundis. Sama kiirus on Päikesel minu suhtes. Ilma mingi vaevata võiksime siseneda taustsüsteemi, kus Maa on kogu universumis toimuva liikumise alguspunkt, see tähendab, kõik objektid, mis liiguvad, teevad seda Maa suhtes - see oleks lihtsalt tüütu, nii et me ütleme, et Päikesesüsteemi objektid on peamiselt seotud Päikesega. Nagu sa juba aru said, tähendab Päikesesüsteem just nimelt Päikese baasil loodud taustsüsteemi.

Kõige lihtsamat tüüpi taustsüsteemid, mida mõista, on inertsiaalsüsteemid. Me teame, eks ole, et on olemas selline asi nagu Newtoni esimene seadus (keha liigub ühtlase kiirusega ja sirgjooneliselt või on paigal, kui sellele mõjuv resultantjõud on null). Seda lauset nimetatakse ka inertsiseaduseks. Iga taustsüsteemi, milles inertsiseadus kehtib, võime nimetada inertsiaalsüsteemiks - nende puhul ei ole mingil kehal kiirendust, kui seda keha ei mõjuta mõni teine keha. See on kasulik ja hea viis kirjeldada enamikke inimtegevuse protsesse. Muidugi on see abstraktsioon, mis ei vasta reaalsusele - aga aitab mõista ühte väga olulist asja: inertsiaalseid taustsüsteeme on lõpmatult palju ja kõikides nendes kulgevad mehaanilised protsessid täpselt ühesuguselt.

Suitsumonster. Spoiler alert.
Miks? Väga lihtne. Võtame mingi punktmassi (mis kujutab mingit noolt, mida Katniss Everdeen laseb või kehastunud kommunismi või Losti suitsumonstrit or whatever the kids like these days), mis liigub. Et seda liikumist kuidagi jälgida, peame looma mingi koordinaadisüsteemi, mille järgi liikumist hinnata. Nüüd vaatame seda keha natuke teisest kohast - liigub ikka samamoodi. Muudame jälle asukohta - samamoodi. Liikumine on vektor ja vektori suund ja moodul on ikka sama, yo. Igatahes võime seda katset korrata lõpmatul arvul kordadel ja saame ikka samasuguse liikumise. Seda inertsiaalsüsteemide kohta käivat tähelepanekut nimetatakse Galilei printsiibiks, see on kasulik ja tore ja ütleb meile, et mehaanikaseadused on üldkehtivad.

Inertsiaalsüsteemidega tegeleme enamasti siis, kui me vaatame probleemi kitsalt. Kui meid huvitab auto liikumine maanteel, siis ilmselt pole eriti oluline Maa pöörlemine oma telje ümber (ja selle tangentsiaalkiirendus) ja võime vaadata enda probleemile vastavat inertsiaalsüsteemi. Pikka aega ei osatud sellega midagi peale hakata, kuni Einstein relatiivsusteooriad välja töötas. Selgub, et erirelatiivsusteooria ütleb meile, et kõikide inertsiaalsüsteemide invariant (muutumatu suurus) on valguse kiirus. See on hea, sest niimoodi saame me efektiivselt erinevaid süsteeme võrrelda. Aga veelgi enam, üldrelatiivsusteooria annab meile Einsteini relatiivsusprintsiibi, mis kehtib kõikide taustsüsteemide puhul - ümberöeldult: ükskõik millise taustsüsteemi puhul ei ole võimalik katseliselt määrata, missuguse kiirusega see taustsüsteem liigub. Ühesõnaga, taustsüsteemid on suhtelised ja absoluutset süsteemi ei saa olemas olla.

Relatiivsus ei tähenda muidugi seda, et "kõik on suhteline", nagu tihti öeldakse. Päikesesüsteemi massikese on Päikese lähedal ja Suurbritannia pealinn on hetkel London. Kõik need väited on ümberlükatavad (et näidata, et esialgne väide ei kehti, peame leidma sellise Suurbritannia, mille pealinn ei ole London) ja üheselt tõesed (sellist Suurbritanniat ei leidu, nii et esialgne väide kehtib ja Suurbritannia pealinn on London). Ühesõnaga, siin ei ole midagi suhtelist: öeldu kas kehtib või ei kehti. Liikumine on suhteline ja niisiis peame me liikumist kirjeldades alati märkima, mille suhtes me seda käsitleme - välja arvatud loomulikult juhtudel, kus see on mõttetu; kui me ütleme "auto kiirus on 45 kilomeetrit tunnis", siis ilmselgelt mõtleme kiirust maapinna, mitte näiteks Mira suhtes.

Koolihariduses esitatakse selliseid "fakte", nagu väide, millest artikli alguses juttu oli, üsna tihti. Selline tegevus võib olla ohtlik ja segada inimesel maailma mõistmist - olen üsna palju näinud inimesi, kes ei suuda liikumisi erinevates taustsüsteemides ette kujutada, peamiselt seetõttu, et planeedid liiguvad ju ümber Päikese ja Kuu tiirleb ümber Maa, muudmoodi ei saa! Ohtlik, ma ütlen. Lõppude lõpuks on teaduslikult mõtlemise alus siiski taju ja ettekujutusvõime, mitte faktide teadmine niikuinii - eriti raske on olukord siis, kui taju segab väär fakt.

(Vähemalt on eelpoolnimetatu faktiks nimetamisel mingisugune ajalooline tagapõhi, erinevalt sellest, et koolides õpetatakse inimestele, et lennukid lendavad, kuna tiiva peal ja all liigub õhk eri kiirusega, mistõttu esineb rõhuvahe, kus tiiva all on suurem rõhk kui tiiva peal, mis surub lennuki õhus üles. Lol.)

* Tehniliselt on see väide väär, korrektne on "Maa orbiit on ellips. mille ühes fookuses on kahekehalise süsteemi Päike-Maa massikese". **
** Tehniliselt on see väide samuti väär, sest liikumine on määratud gravitatsiooniväljas, missugustel on aga selline omadus, et nemad mitte otsa lõppeda ei taha. Nii täpseks minemine on üldiselt, eks ole, anaalne.

6 comments:

  1. Iga liikumine on kuse liikumine vastu tuult.

    ReplyDelete
  2. pange muidugi vabariigi aastapäeval teadusartikkel üles. kõik teavad et andrus ansipile meeldib teadus. te olete nii läbinähtavad.

    ReplyDelete
  3. Mis imejõud küll paneb õhu tiiva peal ja all erineva kiirusega liikuma?

    ReplyDelete
    Replies
    1. Selles häda ongi - aga vaata kooliõpikuid.

      Delete
  4. Teatavasti sätestab Newtoni esimene seadus siiski risti vastupidist sinu väidetule, keha liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt, siis, kui temale mõjuvate jõudude resultant võrdub nulliga. Küll oleks hea, kui keha liiguks ühtlaselt ja sirgjooneliselt ka siis kui talle mõjuksid jõud (resultant ei ole null), meil oleks lõputu energia allikas, paneme palli liikuma ning ühendame selle mehaanilise süsteemi külge, mis avaldab pallile negatiivset jõudu. Ehk pallile mõjuv resultantjõud ei oleks null, pall läheks liikumatult ja sirgjooneliselt edasi, ning meie mehaaniline süsteem saaks ka liikumise ja selle liikumise abil võime toota elektrit, keeta makarone või panna saekaatri tööle.

    ReplyDelete
    Replies
    1. jessuke, aju oli täiesti seisma jäänud, ise ka ei tea, mida seda kirjutades mõtlesin

      Delete