Das an Quecksilber gebundene MESSENGER-Raumschiff hat am 2. August 2005 bei einem Schwerkraft-Assistenz-Swingby seines Heimatplaneten mehrere atemberaubende Bilder von der Erde aufgenommen Sequenziert in einen Film, der die Ansicht von MESSENGER dokumentiert, als er die Erde verließ. (NASA / MESSENGER MISSION)

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

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

Unser Planet ist nicht der stationäre Ort, den wir als unter unseren Füßen empfinden, 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 selbst relativ zur Strahlung bewegt, in Richtung Andromeda beschleunigt übrig vom Urknall. Das ist viel kosmische Bewegung! Und doch können wir es überhaupt nicht fühlen. Dies stört viele, einschließlich der Leserin Annie Bennett, die fragt:

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

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, wenn die Luft vorbei rauscht. Wenn Sie Ihre Geschwindigkeit verdoppeln, vervierfacht sich die Kraft. Wenn Sie sich jedoch relativ zur Luft ausruhen, werden Sie überhaupt keine Gewalt erfahren. (PXHERE / FOTONUMMER 151399)

Wenn Sie sich in einem Auto befinden, das sich mit 24 km / h 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 spüren werden, aber die Art und Weise, wie Ihre Hand oder Ihr Fuß die Kraft spüren, ist nicht unbedingt intuitiv. Wenn Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 30 Meilen pro Stunde fortbewegen, wird die Kraft auf Ihr Glied viermal so hoch sein wie bei einer Geschwindigkeit von 15 Meilen pro Stunde. Wenn Sie auf 60 Meilen pro Stunde beschleunigen, eskaliert diese Kraft auf das Sechzehnfache der Geschwindigkeit 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 sich zwei Objekte relativ zueinander bewegen, 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 nicht hinter der Sonne ziehen oder eine 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, die uns beschleunigt, übt auch eine proportionale Kraft auf die Erde aus und bewirkt, dass sie sich mit beschleunigt 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 Sie ebenfalls an den Planeten Erde gebunden sind. Dies gilt für jede erdenkliche Skala, von der Dynamik des Sonnensystems bis hin zu den Skalen des gesamten Universums.

Die relativ attraktiven und abstoßenden Wirkungen von Regionen mit zu hoher und zu geringer Dichte auf die Milchstraße. Der kombinierte Effekt ist als Dipol-Repeller bekannt. Obwohl sich unsere lokale Gruppe mit ca. 600 km / s relativ zum übrig gebliebenen Glühen 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, NATUR ASTRONOMIE 1, 0036 (2017))

Tatsächlich geht die Geschichte sogar noch tiefer, als Einstein vor mehr als 100 Jahren zum ersten Mal vermutete. Er nannte es "sein glücklichster Gedanke" 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 das nun Einsteins Äquivalenzprinzip und es besagt, dass ein beschleunigter Referenzrahmen seine Beschleunigungsursache nicht von einem 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 sind es) und die Erde sich beschleunigt, beschleunigen Sie sich auch und Sie werden die Auswirkungen nicht spüren können von einer der verschiedenen Ursachen.

Dies wurde zuerst von Galileo erkannt, der begriff, dass ein Ball, der vom Schiefen Turm von Pisa gefallen war, nicht zurückbleiben würde, wenn sich die Erde drehte, sondern direkt nach unten fallen würde, da sich die Erdatmosphäre mit unserem Planeten mitbewegte.

Das identische Verhalten eines auf den Boden fallenden Balls in einer beschleunigten Rakete (links) und auf der Erde (rechts) ist eine Demonstration des Einsteinschen Äquivalenzprinzips. (WIKIMEDIA COMMONS BENUTZER MARKUS POESSEL, ÜBERARBEITET VON PBROKS13)

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

Diese Kräfte lassen dich beschleunigen. Dieselben Kräfte bewirken jedoch auch, dass alle Objekte in Ihrer Umgebung, einschließlich der anderen Astronauten mit Ihnen, leblose Objekte (wie Früchte) und die Raumstation selbst mit derselben Geschwindigkeit beschleunigen wie Sie. 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 wahrnehmbare 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 feststellen können, obwohl es zweifelhaft ist, ob Ihr Körper empfindlich genug ist. Es gibt Kräfte, die wir durch die 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 Erdanziehungskraft auf Ihre Füße 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, ein klassischer Test für Einsteins Gravitationstheorie, der es auf spektakuläre Weise bestätigte.

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

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

Obwohl Sie als Einzelperson nicht empfindlich genug sind, um die Kraftänderungen zu erkennen, können Sie die Fluten leicht wahrnehmen, wenn sich die Erde um ihre Achse dreht. Die Tatsache, dass wir zwei Ozeanwölbungen haben und die Erde sich einmal am Tag dreht, bedeutet, dass wir täglich zwei Ebben und zwei Fluten haben. Sie sind möglicherweise nicht in der Lage, die Gezeitenkräfte in Ihrem eigenen Körper zu spüren, aber Sie können die 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 verlängert. Da der Mond auf der Erde zwei Gezeitenausbuchtungen erzeugt, die sich selbst einmal pro Tag drehen, erleben wir täglich zwei Ebben und zwei Fluten. (WIKIMEDIA COMMONS 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 (d. H. 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, wodurch es eine zusätzliche 360-Grad-Drehung über ein Objekt erfahren würde, das nicht auf der Erde wäre. Die beiden verschiedenen Hemisphären drehen sich jedoch in entgegengesetzte Richtungen: Der Nordpol dreht sich gegen den Uhrzeigersinn, der Südpol im Uhrzeigersinn. Für jemanden am Äquator sinkt die Kraft auf Null und für jemanden in mittleren Breiten wird im Laufe eines Tages nur eine Teilrotation ausgeführt.

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 auf diesem Breitengrad eine einzige vollständige Umdrehung durchzuführen. (CLEON TEUNISSEN / CLEONIS.NL)

Das erste Mal wurde dieses Experiment auf dramatische Weise in Frankreich 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 wurde, wurde es im Laufe eines Tages schwingend und schwingend überwacht. Als die Stunden vergingen, wurde klar, dass sich das Pendel nicht in einer einfachen Hin- und Herbewegung bewegte, sondern 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 an der Ciudad de las Artes und der Ciencias de Valencia in Málaga, Spanien, in Aktion gezeigt wird, dreht sich im Laufe eines Tages und stößt verschiedene (auf dem Boden gezeigte) Heringe um, während sich die Erde schwingt und dreht . (DANIEL SANCHO / FLICKR)

Als menschliches Wesen sind die Kraftsensoren an unserem Körper primitiv und funktionieren nur über extrem kurze Zeiträume. Die enormen kumulativen Effekte, die nur im Laufe eines Tages auftreten, sind erforderlich, um die Erdrotation zu erleben, oder Präzisionsmessungen, die weit über die Fähigkeiten unseres Körpers hinausgehen, um die Erdbewegung zu erfassen.

Aber diese Bewegung ist real und der Grund, warum Sie sie nicht spüren können, ist nicht, dass wir uns nicht bewegen, sondern dass Ihr menschlicher Körper in ständiger, gleichmäßiger Bewegung in Bezug auf die Erde selbst ist. Wenn etwas von der Erde auf Sie eine andere Kraft ausübt, spüren Sie dies sofort. Andernfalls benötigen Sie ein viel empfindlicheres Instrument als einen bloßen 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 erkunden und etwas darüber zu lernen. Die Erde bewegt sich, und mit einem Foucault-Pendel können Sie die Auswirkungen selbst sehen!

Senden Sie Ihre Ask Ethan-Einsendungen an startswithabang at gmail dot com!

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