Vannak dolgok, amelyek annyira nyilvánvalónak tűnnek, hogy még kérdezni is furcsa róluk. A Nap a naprendszerünk központjában van, a Föld körülötte kering, és egy év alatt tesz meg egy teljes fordulatot – ezt valószínűleg mindenki tudja. De azért még ne siess bezárni a cikket, inkább olvasd el teljesen. Itt most ugyanis nem furcsa, laposföld-szerű elméletekről lesz szó.
Próbálj meg egy pillanatra megállni és feltenni a kérdést: mihez képest mozog pontosan a Föld?
Első pillantásra a válasz nyilvánvaló. Éppen a Naphoz képest. Ott áll a Naprendszer központjának közelében, a Föld pedig körülbelül másodpercenként 30 kilométeres sebességgel repül körülötte. Csakhogy a modern fizikában ezzel a válasszal van egy kis probléma. A mozgásnak önmagában nincs abszolút értelme. Nem lehet csak úgy venni az univerzumot, elhelyezni benne egy képzeletbeli mozdulatlan kamerát, és azt mondani: „Na most már pontosan tudjuk, ki mozog és ki áll.”
Képzeld el, hogy egy olyan vonaton ülsz, amely teljesen egyenletesen halad. Előveszed a telefonodat, ránézel, és látod, hogy hozzád képest mozdulatlanul fekszik. De a peronon álló ember azt mondja, hogy a telefon a vonattal együtt mozog. Kinek van igaza? Mindkettőtöknek. Számodra a telefon nyugalomban van, a peronon álló ember számára viszont mozog. A fizikának pedig nem kell választania e két lehetőség közül egyetlen „igazit”.
Ez nem csupán egy filozófiai szócséplés. Éppen az ilyen dolgokra épül a modern fizika.
Most térjünk vissza a Földhöz. Amikor azt mondjuk, hogy a Föld a Nap körül mozog, valójában egy kényelmes vonatkoztatási rendszert választunk – a Naphoz nagyjából kötődő rendszert. Ebben a rendszerben valóban az jön ki, hogy a Nap a központ közelében van, a Föld pedig pályán mozog. De ugyanígy választhatunk a Földhöz kötődő vonatkoztatási rendszert is. Akkor a Föld lesz majdnem mozdulatlan, a Nap pedig elkezdi a mozgását körülötte.
Sőt, ha nagyon akarjuk, építhetünk olyan matematikai leírást, amelyben bármilyen objektum lehet a mozdulatlan pont. A koordinátákat köthetjük a székedhez, az autóhoz, a Holdhoz vagy akár az orrod hegyéhez is. És akkor minden más a kiválasztott ponthoz képest fog mozogni.
Ez valami eretnekségnek tűnik, tudom... de most akkor a Föld mégis mozog, vagy nem?
Itt jön a legérdekesebb rész. A „mozog-e a Föld valójában?” kérdés a vonatkoztatási rendszer megjelölése nélkül egyszerűen hiányos és értelmetlen. Ez olyan, mintha azt kérdeznénk: „Ez az ember magas vagy alacsony?” Anélkül, hogy megmondanánk, kihez hasonlítjuk. A fizikában a mozgás mindig valamihez viszonyított mozgás.
Rendben, a székedhez képest a Föld majdnem mozdulatlan, a Naphoz képest mozog, a galaxisunk középpontjához képest pedig meg egészen másképp mozog. Szóval talán létezik valamilyen igazi, abszolút vonatkoztatási rendszer, amelyhez képest végre kideríthetjük, ki mozog valójában?
Valaha a fizikusok pontosan így gondolták.
A XIX. században létezett egy titokzatos közeg eszméje, amelyet éternek neveztek. Feltételezték, hogy a fénynek, a hanghullámhoz hasonlóan, valamilyen közegben kell terjednie. Ha a Föld áthalad ezen az éteren, ki lehetne mutatni az „igazi” sebességét. Úgy tűnt, elég elvégezni egy kísérletet, és kideríteni, hogyan változik a fény sebessége különböző irányokban.
De a kísérletek nem hozták a várt eredményt.
A leghíresebb a Michelson–Morley-kísérlet lett. A tudósok megpróbálták kimutatni a Föld mozgását a feltételezett éteren keresztül, összehasonlítva a fény terjedését különböző irányokban. Olyan eredményt kaptak, amely rendkívül kényelmetlennek bizonyult a régi világkép számára: a várt hatás gyakorlatilag nem létezett.
Később Einstein speciális relativitáselmélete egy sokkal radikálisabb ötletet javasolt. Nem létezik univerzális mozdulatlan színpad, amelynek hátterében az egész univerzumnak mozognia kellene. A fizika törvényeinek minden inerciarendszerben azonos formájúnak kell lenniük, a fény sebessége vákuumban pedig minden ilyen megfigyelő számára ugyanaz.
Ha az úton állsz, az autó elhalad melletted. Ha az autóban ülsz, az út mozog hozzád képest. Semmi meglepő. De a fénnyel már nem működik ez a megszokott logika. Nem lehet csak úgy összeadni a fény sebességét az autó sebességével, ahogy az 50 és 30 kilométer/órát összeadjuk. A fény sebessége vákuumban az inerciarendszerbeli megfigyelők számára ugyanaz marad.
Ez arra kényszerít minket, hogy lemondjunk az egységes kozmikus „most” és az egységes abszolút mozgás eszméjéről.
De hiszen tökéletesen láthatod, hogy a Föld a Nap körül kering. Megfigyelheted a helyzetét, kiszámíthatod a pályáját, űreszközöket indíthatsz, és hihetetlen pontossággal megjósolhatod a fogyatkozásokat. Vajon mindez csak játék a koordináta-rendszerekkel?
Nem.
Az, hogy abszolút mozgás nem létezik, egyáltalán nem jelenti azt, hogy a mozgást lehetetlen megmérni. Lehet mérni relatív sebességeket, gyorsulásokat, forgást, távolságváltozásokat és rengeteg más fizikai mennyiséget. A fizika egyszerűen nem ígér nekünk egyfajta univerzális mozdulatlan pontot, amelyből kiindulva mindennek a mozgását abszolút módon ki lehetne számítani.
Például a Föld forgását sokkal könnyebb kimutatni fizikai értelemben, mint a „mozgását általában”. A Foucault-inga demonstrálja a bolygó forgását. A giroszkópok képesek regisztrálni a forgást. Megfigyelhetjük a csillagok napi mozgását, a Coriolis-effektust és sok más jelenséget.
A Föld pályájával valami hasonló történik. Tökéletesen leírhatjuk a mozgását a Naphoz és más objektumokhoz képest. És egy ilyen vonatkoztatási rendszer rendkívül kényelmes. Sőt, a gravitációs elmélet lehetővé teszi az egész rendszer leírását úgy, hogy a Nap és a Föld mindketten egy közös tömegközéppont körül mozognak. A valóságban még a Nap sem áll teljesen mozdulatlanul: a Föld is egy kicsit „hintáztatja” a vonzásával.
És ha kilépünk a Naprendszer határain túlra, még érdekesebbé válik a dolog.
A Nap a Tejútrendszer középpontja körül mozog. Maga a Tejútrendszer más galaxisokhoz képest mozog. A galaxisok csoportokat és halmazokat alkotnak. Az univerzum tágul. Mi pedig mindeközben ülhetünk ugyanazon a helyen, anélkül, hogy e mozgásokból szinte bármit is éreznénk.
És itt felmerül egy szinte provokatív kérdés: akkor milyen sebességgel repülünk valójában az univerzumon keresztül? A válasz attól függ, mihez képest számoljuk.
A Naphoz képest a Föld körülbelül másodpercenként 30 kilométeres sebességgel mozog a pályáján. A Tejútrendszer középpontjához képest a kép már teljesen más. A kozmológiai háttérhez képest pedig meghatározható még egy jellemző sebesség. De e sebességek közül egyik sem a „Föld abszolút sebessége az univerzumban”.
Ez egy nagyon szokatlan gondolat. Megszoktuk, hogy az univerzumot egy hatalmas üres szobaként képzeljük el, amelyben tárgyak vannak. Akkor természetesnek tűnik megkérdezni: „Milyen sebességgel repül a Föld magához a szobához képest?” De a modern fizika azt mondja, hogy nincs ilyen egyszerű kozmikus szobánk, mozdulatlan falakkal.
A tér és az idő maguk is a fizikai kép részét képezik.
És éppen ezért a „Föld a Nap körül mozog” kifejezés egyszerre helyes és kissé leegyszerűsített.
Lehet még tovább menni. Képzelj el egy megfigyelőt, aki nagyon messze van a Naprendszertől. Olyan koordináta-rendszert választ, amelyben a Föld nyugalomban van. Az ő matematikai leírásában a Nap fog mozogni a Föld körül. Ez nem jelenti azt, hogy hirtelen bebizonyította a geocentrikus modellt a régi értelemben. Egyszerűen csak egy másik koordináta-rendszert választott.
Ezzel együtt egyes vonatkoztatási rendszerek sokkal kényelmesebbek, mint mások. Ha a bolygók mozgását akarod kiszámítani, természetes a Naphoz vagy a Naprendszer baricentrumához kötődő rendszert használni. Ha egy ember mozgását akarod leírni egy szobában, kényelmesebb a szobát használni. Ha egy repülőgép repülését számítod, a Földhöz kötődő rendszert használod.
A fizikát nem érdekli, milyen koordináta-rendszert választasz. Az a fontos számára, hogy a helyes átszámítás után ugyanazokat a megfigyelhető eredményeket kapd.
Szóval legközelebb, amikor valaki azt mondja: „A Föld másodpercenként 30 kilométeres sebességgel repül a Nap körül”, teljesen nyugodtan megkérdezheted: „És mihez képest?”
És ez nem a megfogalmazásba való belekötés lesz. Ez egyike azoknak az egyszerű kérdéseknek, amelyek egykor segítettek a fizikusoknak megérteni, hogy a térről és a mozgásról alkotott képünk sokkal naivabb volt, mint gondoltuk.
