Das Mercury-gebundene MESSENGER-Raumschiff hat am 2. August 2005 mehrere atemberaubende Bilder der Erde während eines Schwerkraftunterstützungs-Swingbys seines Heimatplaneten aufgenommen. Mehrere hundert Bilder wurden mit der Weitwinkelkamera im Mercury Dual Imaging System (MDIS) von MESSENGER aufgenommen sequenziert in einen Film, der die Ansicht von MESSENGER dokumentiert, als er die Erde verließ. (NASA / MESSENGER MISSION)

Fragen Sie Ethan: Warum können wir nicht fühlen, wie die Erde durch den Weltraum fliegt?

Unsere Bewegung durch den Raum ist unbestreitbar. Warum können wir es nicht fühlen?

Unser Planet ist nicht der stationäre Ort, an dem wir uns unter unseren Füßen befinden, sondern bewegt sich auf unglaublich komplexe Weise durch das Universum. Wir drehen uns alle 24 Stunden um unsere Achse, drehen uns einmal im Jahr um die Sonne, während das gesamte Sonnensystem mit 220 km / s um die Milchstraße kreist, die in der lokalen Gruppe, die sich relativ zur Strahlung selbst bewegt, in Richtung Andromeda beschleunigt vom Urknall übrig geblieben. Das ist viel kosmische Bewegung! Und doch können wir es überhaupt nicht fühlen. Dies beunruhigt viele, einschließlich der Leserin Annie Bennett, die fragt:

Ich brauche dringend deine Hilfe! Bitte helfen Sie mir, meinem Mann zu erklären, warum Sie nicht spüren können, wie die Erde durch den Weltraum fliegt!

Es gibt einen einfachen Grund, warum wir es in unserem Körper nicht fühlen können, aber es wird für niemanden intuitiv sein, der an seine Erfahrungen hier auf der Erde gewöhnt ist.

Wenn Sie Ihre Gliedmaßen aus einem fahrenden Auto herausstrecken, spüren Sie eine Kraft, während die Luft vorbeiströmt. Wenn Sie Ihre Geschwindigkeit verdoppeln, vervierfacht sich die Kraft. Wenn Sie jedoch relativ zur Luft in Ruhe sind, werden Sie überhaupt keine Kraft erfahren. (PXHERE / FOTO-NUMMER 151399)

Wenn Sie in einem Auto sitzen, das sich mit 15 Meilen pro Stunde (mph) bewegt, und Ihre Gliedmaßen aus dem Fenster strecken, spüren Sie, wie der Wind leicht dagegen weht. Es ist wahr, je schneller Sie gehen, desto größer ist die Kraft, die Sie fühlen werden, aber die Art und Weise, wie Ihre Hand oder Ihr Fuß die Kraft fühlen, ist nicht unbedingt intuitiv. Wenn Sie sich mit 30 Meilen pro Stunde beschleunigen, beträgt die Kraft auf Ihr Glied viermal so viel wie bei 15 Meilen pro Stunde. Wenn Sie bis zu 60 Meilen pro Stunde beschleunigen, eskaliert diese Kraft auf das Sechzehnfache von 15 Meilen pro Stunde.

Diese Kraft existiert jedoch nur, weil sich Ihre Hand physisch mit einer relativen Geschwindigkeit zu den Luftmolekülen bewegt, mit denen sie kollidiert. Wenn Sie stattdessen die Autofenster geschlossen hätten, würde Ihre Hand überhaupt keine Kraft spüren. Und das liegt daran, dass die Luft im Auto relativ zu Ihrem Körper stationär ist. Nur wenn zwei Objekte relativ zueinander sind, können Sie eine Kraft spüren.

Ein genaues Modell, wie die Planeten die Sonne umkreisen, die sich dann in einer anderen Bewegungsrichtung durch die Galaxie bewegt. Beachten Sie, dass sich die Planeten alle in derselben Ebene befinden und sich nicht hinter die Sonne ziehen oder irgendeine Spur bilden. (RHYS TAYLOR)

Wenn die Erde die Sonne umkreist oder wenn das Sonnensystem die Galaxie umkreist oder wenn sich unsere Galaxie relativ zu den anderen Galaxien in unserer lokalen Gruppe bewegt oder wenn sich die lokale Gruppe relativ zum Rest des Universums bewegt, hat dies keine Auswirkungen auf unsere Körper, die wir fühlen können.

Es gibt keinen Kraftsensor, den wir anwenden können, um die Auswirkungen dieser Bewegung aus einem einfachen Grund zu erfassen: Alles, was eine Kraft auf unseren Körper ausübt und uns beschleunigt, übt auch eine proportionale Kraft auf die Erde aus, wodurch diese beschleunigt wird genau die gleiche Rate. So wie Sie sich in einem reibungslos fahrenden Auto mit hochgeklappten Fenstern nicht in Bewegung fühlen können, können Sie auch nicht spüren, wie sich die Erde durch das Universum bewegt, solange auch Sie an den Planeten Erde gebunden sind. Dies gilt für alle denkbaren Maßstäbe, von der Dynamik des Sonnensystems bis hin zu Maßstäben des gesamten Universums.

Die relativ attraktiven und abstoßenden Auswirkungen von über- und unterdichten Regionen auf die Milchstraße. Der kombinierte Effekt ist als Dipol-Repeller bekannt. Obwohl sich unsere lokale Gruppe mit einer Geschwindigkeit von ~ 600 km / s relativ zum übrig gebliebenen Schein des Urknalls bewegt, können wir es nicht fühlen, da es keine relative Bewegung oder Kraft zwischen unseren Körpern und der Bewegung der Erde gibt. (YEHUDA HOFFMAN, DANIEL POMARÈDE, R. BRENT TULLY UND HÉLÈNE COURTOIS, NATURE ASTRONOMY 1, 0036 (2017))

Tatsächlich geht die Geschichte noch tiefer, als Einstein vor mehr als 100 Jahren zum ersten Mal ahnte. Er nannte es „seinen glücklichsten Gedanken“ und erkannte, dass jede Änderung der Bewegung eines Objekts eine Beschleunigung zu sein scheint und dass alle Formen der konstanten Beschleunigung - einschließlich der Gravitation - nicht voneinander zu unterscheiden sind.

Wir nennen dies nun das Einsteinsche Äquivalenzprinzip und es sagt uns, dass ein beschleunigter Referenzrahmen seine Beschleunigungsursache nicht durch ein Objekt bestimmen lassen kann, das Teil des internen Systems ist. Mit anderen Worten, wenn Sie ein Teil der Erde sind (und es tut mir leid, Annie, Sie und Ihr Mann) und die Erde sich beschleunigt, werden Sie auch beschleunigen und Sie werden die Auswirkungen nicht spüren können einer der verschiedenen Ursachen.

Dies wurde zuerst von Galileo erkannt, der verstand, dass ein Ball, der vom Schiefen Turm von Pisa gefallen war, direkt nach unten fallen würde, anstatt zurückzubleiben, wenn sich die Erde drehte, weil sich die Erdatmosphäre mit unserem Planeten bewegte.

Das identische Verhalten eines Balls, der in einer beschleunigten Rakete (links) und auf der Erde (rechts) auf den Boden fällt, ist eine Demonstration von Einsteins Äquivalenzprinzip. (WIKIMEDIA GEMEINSAMER BENUTZER MARKUS POESSEL, RÜCKGEGEBEN VON PBROKS13)

Dieses Phänomen würde auch dann zutreffen, wenn Sie nicht auf der Erde wären! Wenn Sie im Weltraum wären - zum Beispiel auf der Internationalen Raumstation - würden Sie aufgrund des Einflusses von allem, was Sie durch das Universum bewegt, absolut beschleunigen. Die Erde zieht an dir; Die Sonne und die Planeten ziehen an dir. Der Rest der Galaxie und des Universums üben ebenfalls eine Gravitationskraft auf Sie aus.

Diese Kräfte bewirken, dass Sie beschleunigen. Dieselben Kräfte bewirken jedoch auch, dass alle Objekte in Ihrer Umgebung, einschließlich der anderen Astronauten, leblosen Objekte (wie Obst) und der Raumstation selbst, mit der gleichen Geschwindigkeit wie Sie beschleunigen. Sie befinden sich in dem, was Sie als „freien Fall“ erleben, und alle anderen Objekte dort auch. In Bezug auf Ihre Umgebung gibt es keine Nettokraft und daher keine erkennbare Beschleunigung.

Astronauten und Obst an Bord der Internationalen Raumstation. Beachten Sie, dass die Schwerkraft nicht ausgeschaltet ist, sondern dass alles - einschließlich des Raumfahrzeugs - gleichmäßig beschleunigt wird, was zu einem Null-g-Erlebnis führt. Die ISS ist ein Beispiel für einen Trägheitsreferenzrahmen (PUBLIC DOMAIN IMAGE).

Es gibt jedoch einige Ausnahmen, die Sie erkennen können, obwohl es zweifelhaft ist, ob Ihr Körper empfindlich genug ist. Es gibt Kräfte, die wir aus der Tatsache erfahren, dass die Erde ein großes dreidimensionales Objekt ist und wir uns nur an einem Punkt auf ihrer Oberfläche befinden. In Bezug auf die Erde erfahren wir einige Kräfte etwas anders als die Erde insgesamt.

Eine solche Ausnahme sind Gezeitenkräfte. Sie selbst sind ein dreidimensionales Objekt. Ihre Füße auf dem Boden befinden sich etwas näher am Erdmittelpunkt als Ihr Kopf, was bedeutet, dass die Gravitationskraft der Erde auf Ihren Füßen etwas größer ist. Dies ist möglicherweise nicht signifikant genug, um es zu bemerken, aber Sie können ein Experiment entwerfen, das empfindlich genug für die winzigen Unterschiede in der Gravitationskraft ist. Das erste, das es sah, war das Pound-Rebka-Experiment, das einer der klassischen Tests von Einsteins Gravitationstheorie war und es spektakulär verifizierte.

Der Physiker Glen Rebka am unteren Ende der Jefferson Towers an der Harvard University rief Professor Pound während des Aufbaus des berühmten Pound-Rebka-Experiments am Telefon an. (CORBIS MEDIA / HARVARD UNIVERSITY)

Ein weiterer Grund ist die Auswirkung der Gezeiten auf die Erde. Die Erde dreht sich und der Mond zieht sowohl an der Erdkruste als auch an den sie umgebenden Ozeanen. Während sich die Erde dreht, ändert sich die Kraft des Mondes an jedem einzelnen Punkt, wodurch sich die Ozeane ausbeulen.

Obwohl Sie als einzelne Person nicht empfindlich genug sind, um die Kraftänderungen zu erkennen, können Sie die ein- und ausgehenden Gezeiten leicht erleben, wenn sich die Erde um ihre Achse dreht. Die Tatsache, dass wir zwei Ozeanwölbungen haben und dass sich die Erde einmal am Tag dreht, bedeutet, dass wir täglich zwei Ebbe und zwei Flut bekommen. Möglicherweise können Sie die Gezeitenkräfte in Ihrem eigenen Körper nicht spüren, aber Sie können ihre Auswirkungen deutlich spüren.

Der Mond übt eine Gezeitenkraft auf die Erde aus, die nicht nur unsere Gezeiten verursacht, sondern auch die Erdrotation bremst und den Tag anschließend verlängert. Während der Mond zwei Gezeitenwölbungen auf der Erde erzeugt, die sich einmal pro Tag drehen, erleben wir täglich zwei Ebben und zwei Fluten. (WIKIMEDIA GEMEINSAME BENUTZER WIKIKLAAS UND E. SIEGEL)

Schließlich führt die Tatsache, dass sich die Erde selbst dreht, zu einer besonderen Art von Kraft, die von allem auf ihrer Oberfläche erfahren wird: der Coriolis-Kraft. Da sich die Erde relativ zu einem festen Ort (dh um ihre Achse) dreht, erfahren Punkte entlang ihrer Oberfläche in verschiedenen Breiten eine leichte Kraft, die eine zusätzliche Drehung verursacht.

Die maximale Kraft würde ein Objekt entweder am Nord- oder am Südpol erfahren, was dazu führen würde, dass es eine zusätzliche 360-Grad-Drehung über ein Objekt erfährt, das sich nicht auf der Erde befindet. Die beiden unterschiedlichen Hemisphären drehen sich jedoch in entgegengesetzte Richtungen: Der Nordpol fühlt sich gegen den Uhrzeigersinn, der Südpol im Uhrzeigersinn. Für jemanden am Äquator fällt die Kraft auf Null, und jemand in mittleren Breiten erhält im Laufe eines Tages nur eine teilweise Rotation.

Die Auswirkungen der Coriolis-Kraft auf ein Pendel, das sich um 45 Grad nördlicher Breite dreht. Beachten Sie, dass das Pendel zwei volle Umdrehungen der Erde benötigt, um eine einzige vollständige Umdrehung in diesem Breitengrad durchzuführen. (CLEON TEUNISSEN / CLEONIS.NL)

Das erste Mal wurde dieses Experiment in Frankreich auf dramatische Weise von Léon Foucault durchgeführt, der sein Experiment von 1851 durch Anbringen eines enormen Gewichts über eine lange Schnur an der Decke des Pantheons in Paris, Frankreich, durchführte. Nachdem es in einer geraden Linie losgelassen worden war, wurde es im Laufe eines Tages überwacht, geschwungen und geschwungen. Als die Stunden vergingen, wurde klar, dass sich das Pendel nicht in einer einfachen Hin- und Herbewegung bewegte, sondern sich relativ zum Rest des Pantheons drehte.

Dies war ein unbestreitbarer Beweis dafür, dass sich die Erde selbst drehte, dass die Coriolis-Kraft real war und dass die Vorhersagen einer sich drehenden Erde tatsächlich durch ein direktes, leicht sichtbares Experiment bestätigt wurden.

Dieses Foucault-Pendel, das in Aktion auf der Ciudad de las Artes y de las Ciencias de Valencia in Málaga, Spanien, ausgestellt ist, dreht sich im Laufe eines Tages und schlägt verschiedene Stifte (auf dem Boden abgebildet) nieder, während es schwingt und die Erde rotiert . (DANIEL SANCHO / FLICKR)

Als Mensch sind die Kraftsensoren an unserem Körper primitiv und arbeiten nur über extrem kurze Zeiträume. Es bedarf der enormen kumulativen Effekte, die nur im Laufe eines Tages auftreten, um die Erdrotation oder Präzisionsmessungen, die weit über die Fähigkeiten unseres Körpers hinausgehen, zu erleben, um die Bewegung der Erde zu erfassen.

Aber diese Bewegung ist real und der Grund, warum Sie sie nicht fühlen können, ist nicht, dass wir uns nicht bewegen, sondern dass Ihr menschlicher Körper in Bezug auf die Erde selbst in ständiger, gleichmäßiger Bewegung ist. Wenn etwas eine unterschiedliche Kraft von der Erde auf dich ausübte, würdest du es sofort spüren. Wenn dies nicht der Fall ist, benötigen Sie ein viel empfindlicheres Instrument als nur einen menschlichen Körper. Kurz gesagt, das ist ein großer Teil dessen, worum es in der Wissenschaft geht: Wege zu finden, die über unsere bloßen offensichtlichen Sinne hinausgehen, um das Universum zu erforschen und zu lernen. Die Erde bewegt sich und mit einem Foucault-Pendel können Sie die Auswirkungen selbst sehen!

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Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.