Ruch obrotowy Ziemi a Szczególna Teoria Względności

W teorii Einsteina ruch prostoliniowy jest względny. By się o tym przekonać, możemy cofnąć się w czasie o sto lat, pójść tropem Alberta Michelsona oraz innych naukowców końcówki XIX wieku i spróbować określić obiektywną, wypadkową prędkość liniową naszej planety. Na podstawie doświadczenia Michelsona-Morleya szybko zorientujemy się, że jest to praktycznie niemożliwe. Jest tak, ponieważ nie znamy w obserwowalnym Wszechświecie żadnego punktu, który byłby tak wyjątkowy i wyróżniony, by był tym jedynym właściwym punktem odniesienia. Po wyrzuceniu przez Alberta Einsteina teorii statycznego eteru na kosmiczny śmietnik, niemożliwe okazało się określenie „prawdziwej” prędkości ciał. Co prawda dziś, w XXI wieku, znamy naszą prędkość względem mikrofalowego promieniowania tła, co w pewnym sensie spełnia powyższe wymagania, jednakże jest to temat definitywnie zasługujący na oddzielny artykuł. Po Teorii Względności możliwe pozostało jedynie określanie prędkości względem wybranego punktu odniesienia. Tym sposobem szybkość, z jaką porusza się Ziemia, może przyjąć dowolną wartość od zera aż praktycznie do prędkości światła, w zależności od tego, w jaki sposób porusza się obserwator. Z punktu widzenia mieszkańców naszej planety, jest ona zupełnie statyczna, z tego też powodu przez wiele lat rządziła teoria geocentryczna, natomiast przy uznaniu Słońca za punkt odniesienia, Ziemia porusza się z szybkością około 30 kilometrów na sekundę.

Pod tym względem zupełnie inne właściwości posiada ruch obrotowy, który w teorii Einsteina jest absolutny. Gdy znajdujemy się w rotującym układzie odniesienia, obserwujemy pozorną siłę bezwładności. W tym przypadku istnieje „obiektywny” układ odniesienia, czyli taki, w którym pozorna siła bezwładności nie występuje, a za jego pomocą możemy określić „rzeczywistą” prędkość kątową obracającej się planety.

Choć nie damy rady określić prędkości liniowej Ziemi za pomocą interferometru (patrz artykuł Doświadczenie Michelsona-Morleya), być może jesteśmy w stanie określić tą metodą prędkość kątową? Do takiego wniosku w 1913 roku doszedł francuski uczony Georges Sagnac. Zapoczątkowało to długą serię eksperymentów, jednakże skupię się na prawdopodobnie najciekawszym z nich.

Doświadczenie Michelsona-Gale’a-Pearson

W 1925 roku Michelson, Gale oraz Pearson wykonali eksperyment podobny do tych, które wykonywał między innymi Sagnac, lecz nie wprawili interferometru w ruch obrotowy, jak robiono to wcześniej – wykorzystali obrót naszej planety. Użyty interferometr pierścieniowy miał obwód 1,9 kilometra, wystarczający, by pozwolić wykryć prędkość kątową Ziemi. Rezultatem eksperymentu było potwierdzenie, że prędkość kątowa Ziemi mierzona przez astronomię mieści się w granicach dokładności pomiarowej. Zmierzone przesunięcie prążka interferencyjnego wynosiło 230 części na 1000, z dokładnością 5 części na 1000. Przewidywane przesunięcie wynosiło 237 części na 1000. Według Michelsona / Gale’a eksperyment jest zgodny zarówno z ideą stacjonarnego eteru, jak i szczególną teorią względności. Tego dnia Einstein odniósł kolejne małe zwycięstwo. Dzisiaj efekt Sagnaca z powodu obrotu Ziemi jest rutynowo uwzględniany w technologii GPS. Co więcej, za pomocą interferometrów pierścieniowych oraz efektu Sagnaca naukowcy z dużą dokładnością wykrywają delikatne zmiany w ruchu obrotowym naszej planety.

Interferometr pierścieniowy C-II na University of Canterbury w Nowej Zelandii. Wraz z innymi interferometrami na UC służy do dokładnego kontrolowania ruchu obrotowego Ziemi.

Autor

Szymon Ryszkowski
Szymon Ryszkowski

Uczeń, redaktor AstroNETu, koordynator sekcji #Autorskie. Prywatnie miłośnik kartografii, historii oraz astrofizyki teoretycznej, a co najważniejsze, największy fan czeskiej Kofoli.