Pesawat ruang angkasa MESSENGER yang terikat dengan Merkurius menangkap beberapa gambar Bumi yang menakjubkan selama gravitasi membantu ayunan planet induknya pada 2 Agustus 2005. Beberapa ratus gambar, diambil dengan kamera sudut lebar dalam Sistem Pencitraan Ganda Merkuri MESSENGER (MDIS), adalah diurutkan menjadi sebuah film yang mendokumentasikan pandangan dari MESSENGER saat meninggalkan Bumi. (NASA / MESSENGER MISSION)

Tanya Ethan: Mengapa Kita Tidak Merasa Bumi Terbang Melalui Ruang Angkasa?

Gerakan kita melalui ruang tidak bisa dipungkiri. Jadi mengapa kita tidak merasakannya?

Planet kita bukanlah tempat yang stasioner yang kita rasakan berada di bawah kaki kita, melainkan bergerak dengan cara yang sangat kompleks melalui Semesta. Kami memutar pada poros kami sekali setiap 24 jam, berputar mengelilingi Matahari sekali per tahun, sementara seluruh Tata Surya mengorbit pada 220 km / s di sekitar Bimasakti, yang berakselerasi ke Andromeda di Grup Lokal, yang dengan sendirinya bergerak relatif terhadap radiasi tersisa dari Big Bang. Itu banyak gerakan kosmik! Namun, kita tidak bisa merasakannya sama sekali. Ini banyak masalah, termasuk pembaca Annie Bennett, yang bertanya:

Saya sangat membutuhkan bantuan Anda! Tolong bantu saya menjelaskan kepada suami saya mengapa Anda tidak bisa merasakan bumi terbang di luar angkasa!

Ada alasan sederhana mengapa kita tidak bisa merasakannya di tubuh kita, tetapi itu tidak akan intuitif bagi siapa pun yang terbiasa dengan pengalaman mereka di Bumi.

Jika Anda menjulurkan anggota tubuh keluar dari mobil yang bergerak, Anda akan merasakan kekuatan saat udara melaju kencang. Jika Anda menggandakan kecepatan, kekuatannya akan berlipat empat. Namun, jika Anda sedang beristirahat relatif terhadap udara, Anda tidak akan mengalami kekuatan sama sekali. (PXHERE / FOTO NOMOR 151399)

Jika Anda berada di dalam mobil yang bergerak dengan kecepatan 15 mil per jam (mph) dan Anda menjulurkan anggota tubuh ke luar jendela, Anda akan merasakan angin berhembus pelan ke arahnya. Memang benar bahwa semakin cepat Anda pergi, semakin besar kekuatan yang akan Anda rasakan, tetapi cara tangan atau kaki Anda merasakan kekuatan itu tidak selalu intuitif. Jika Anda mempercepat untuk bergerak pada 30 mph, gaya pada pelengkap Anda akan empat kali lipat dari pada 15 mph; jika Anda mempercepat hingga 60 mph, kekuatan itu meningkat hingga enam belas kali lipat dari 15 mph.

Tetapi kekuatan itu hanya ada karena tangan Anda, secara fisik, bergerak dengan kecepatan relatif terhadap molekul udara yang bertabrakan dengannya. Jika, alih-alih, Anda menutup jendela mobil, tangan Anda tidak akan merasakan kekuatan sama sekali. Dan itu karena udara di dalam mobil tidak bergerak relatif terhadap tubuh Anda. Hanya ketika dua objek bergerak relatif satu sama lain, Anda dapat merasakan suatu kekuatan.

Model yang akurat tentang bagaimana planet-planet mengorbit Matahari, yang kemudian bergerak melalui galaksi dengan arah gerak yang berbeda. Perhatikan bahwa semua planet berada di bidang yang sama, dan tidak terseret di belakang Matahari atau membentuk gelombang apa pun. (RHYS TAYLOR)

Ketika Bumi mengorbit Matahari, atau ketika Tata Surya mengorbit galaksi, atau ketika galaksi kita bergerak relatif terhadap galaksi lain di Grup Lokal kita, atau ketika Grup Lokal bergerak relatif terhadap seluruh alam semesta, tidak ada efek pada kita tubuh yang kita mampu rasakan.

Tidak ada sensor gaya yang dapat kita terapkan untuk mendeteksi efek gerakan ini karena alasan sederhana: segala sesuatu yang memberikan gaya pada tubuh kita, menyebabkan kita berakselerasi, juga mengerahkan kekuatan proporsional di Bumi, menyebabkannya berakselerasi pada tingkat yang sama persis. Sama seperti Anda tidak dapat merasakan diri Anda bergerak dalam mobil yang mengendarai dengan mulus dengan jendelanya digulung, Anda tidak dapat merasakan Bumi bergerak melalui Semesta asalkan Anda juga terikat pada planet Bumi. Ini berlaku untuk skala apa pun yang Anda bayangkan, dari dinamika Tata Surya hingga skala seluruh Semesta.

Efek yang relatif menarik dan menjijikkan dari daerah overdense dan underdense di Bima Sakti. Efek gabungan ini dikenal sebagai Repeller Dipole. Meskipun grup lokal kami bergerak sekitar 600 km / s relatif terhadap cahaya yang tersisa dari Big Bang, kami tidak dapat merasakannya, karena tidak ada gerakan atau kekuatan relatif antara tubuh kita dan gerakan Bumi. (YEHUDA HOFFMAN, DANIEL POMARÈDE, R. BRENT TULLY, DAN HÉLÈNE COURTOIS, NATUR ASTRONOMI 1, 0036 (2017))

Faktanya, ceritanya bahkan lebih dalam dari itu, ketika Einstein pertama kali intuisi lebih dari 100 tahun yang lalu. Menyebutnya "pemikiran paling bahagia," ia menyadari bahwa setiap perubahan dalam gerakan objek akan tampak sebagai akselerasi, dan bahwa semua bentuk akselerasi konstan - termasuk gravitasi - tidak dapat dibedakan satu sama lain.

Kami sekarang menyebut prinsip kesetaraan Einstein ini, dan ia memberi tahu kami bahwa kerangka referensi yang dipercepat tidak dapat menyebabkan akselerasi ditentukan oleh objek yang merupakan bagian dari sistem internal. Dengan kata lain, jika Anda adalah bagian dari Bumi (dan maaf, Annie, Anda dan suami sama-sama) dan Bumi mengalami percepatan, maka Anda akan mempercepat juga, dan Anda tidak akan dapat merasakan efeknya. salah satu penyebab yang berbeda.

Ini pertama kali disadari oleh Galileo, yang mengerti bahwa bola yang jatuh dari Menara Miring Pisa akan jatuh lurus ke bawah, daripada tertinggal ketika Bumi berputar, karena atmosfer Bumi bergerak bersama dengan planet kita.

Perilaku identik bola jatuh ke lantai dalam roket yang dipercepat (kiri) dan di Bumi (kanan) adalah demonstrasi prinsip kesetaraan Einstein. (WIKIMEDIA COMMONS PENGGUNA MARKUS POESSEL, DIPEROLEH OLEH PBROKS13)

Fenomena ini akan berlaku bahkan jika Anda tidak di Bumi! Jika Anda berada di luar angkasa - di Stasiun Luar Angkasa Internasional, misalnya - Anda benar-benar akan mempercepat karena pengaruh segala sesuatu yang menggerakkan Anda melalui Semesta. Bumi menarik Anda; Matahari dan planet menarikmu; sisa galaksi dan Semesta mengerahkan kekuatan gravitasi pada Anda juga.

Kekuatan-kekuatan itu menyebabkan Anda berakselerasi. Tetapi kekuatan yang sama itu juga menyebabkan semua benda di lingkungan Anda, termasuk astronot lain bersamamu, benda mati (seperti buah), dan stasiun ruang angkasa itu sendiri, berakselerasi pada kecepatan yang sama seperti Anda. Anda berada dalam apa yang Anda alami sebagai "jatuh bebas," dan begitu juga semua benda lain di sana. Relatif terhadap lingkungan Anda, tidak ada gaya total, dan karenanya, tidak ada akselerasi yang terlihat.

Astronot, dan buah-buahan, naik Stasiun Luar Angkasa Internasional. Perhatikan bahwa gravitasi tidak dimatikan, tetapi segala sesuatu - termasuk pesawat ruang angkasa - dipercepat secara seragam, menghasilkan pengalaman nol-g. ISS adalah contoh kerangka referensi inersia. (GAMBAR DOMAIN PUBLIK)

Tetapi ada beberapa pengecualian yang dapat Anda deteksi, meskipun diragukan bahwa tubuh Anda cukup sensitif. Ada kekuatan yang kita alami dari kenyataan bahwa Bumi adalah objek tiga dimensi yang besar, dan kita berada hanya pada satu titik di permukaannya. Relatif terhadap Bumi, kita mengalami beberapa kekuatan yang agak berbeda dari bagaimana Bumi, secara keseluruhan, mengalaminya.

Satu pengecualian seperti itu adalah kekuatan pasang surut. Anda sendiri adalah objek tiga dimensi. Kaki Anda, di tanah, sedikit lebih dekat ke pusat bumi daripada kepala Anda, yang berarti bahwa gaya gravitasi dari Bumi sedikit lebih besar di kaki Anda. Ini mungkin tidak cukup signifikan untuk Anda perhatikan, tetapi Anda dapat merancang percobaan yang cukup sensitif terhadap perbedaan kecil dalam gaya gravitasi. Yang pertama melihatnya adalah eksperimen Pound-Rebka, yang merupakan salah satu tes klasik teori gravitasi Einstein, membuktikannya secara spektakuler.

Fisikawan Glen Rebka, di ujung bawah Menara Jefferson, Universitas Harvard, memanggil Profesor Pound di telepon selama persiapan percobaan Pound-Rebka yang terkenal itu. (CORBIS MEDIA / UNIVERSITAS HARVARD)

Lain adalah efek pasang surut di Bumi itu sendiri. Bumi berputar, dan Bulan menarik-narik kerak bumi dan lautan di sekitarnya. Saat Bumi berputar, gaya dari Bulan berubah pada setiap titik, menyebabkan lautan membesar.

Meskipun Anda, sebagai individu, tidak cukup sensitif untuk mendeteksi perubahan gaya, Anda dapat dengan mudah mengalami pasang surut, ketika Bumi berputar pada porosnya. Fakta bahwa kita memiliki dua tonjolan lautan, dan bahwa Bumi berputar sekali sehari, berarti kita mendapatkan dua pasang surut dan dua pasang surut setiap hari. Anda mungkin tidak dapat merasakan kekuatan pasang surut di tubuh Anda sendiri, tetapi Anda dapat dengan jelas mengalami efeknya.

Bulan mengerahkan kekuatan pasang surut di Bumi, yang tidak hanya menyebabkan pasang surut kita, tetapi juga menyebabkan pengereman rotasi Bumi, dan perpanjangan hari berikutnya. Saat Bulan menciptakan dua tonjolan pasang surut di Bumi, yang dengan sendirinya berputar sekali sehari, kita mengalami dua pasang surut setiap hari. (WIKIMEDIA COMMONS PENGGUNA WIKIKLAAS DAN E. SIEGEL)

Akhirnya, fakta bahwa Bumi itu sendiri berotasi menghasilkan jenis kekuatan khusus yang dialami oleh semua yang ada di permukaannya: gaya Coriolis. Karena Bumi berputar relatif terhadap lokasi tetap (mis., Tentang sumbunya), titik di sepanjang permukaannya pada garis lintang yang berbeda akan mengalami sedikit gaya yang menyebabkan rotasi tambahan.

Jumlah kekuatan maksimum akan dialami oleh suatu objek baik di Kutub Utara atau Selatan, yang akan menyebabkannya mengalami rotasi 360 derajat tambahan atas objek yang tidak ada di Bumi. Tetapi dua belahan yang berbeda mengalami rotasi berlawanan arah: Kutub Utara merasakan rotasi berlawanan arah jarum jam sedangkan Kutub Selatan merasakan putaran berlawanan arah jarum jam. Untuk seseorang di garis katulistiwa, gaya jatuh ke nol, dan seseorang di garis lintang menengah hanya mendapat rotasi parsial selama satu hari.

Efek dari Gaya Coriolis pada pendulum berputar pada 45 derajat Lintang Utara. Perhatikan bahwa pendulum mengambil dua rotasi penuh Bumi untuk membuat satu rotasi lengkap pada garis lintang ini. (CLEON TEUNISSEN / CLEONIS.NL)

Pertama kali percobaan ini dilakukan adalah dengan cara dramatis di Prancis oleh Léon Foucault, yang melakukan percobaan 1851 dengan menempelkan beban yang sangat besar melalui tali panjang ke langit-langit Pantheon di Paris, Prancis. Setelah melepaskannya dalam garis lurus, itu dipantau selama sehari, berayun dan berayun. Seiring berlalunya waktu, menjadi jelas bahwa bandul itu tidak bergerak dalam gerakan bolak-balik yang sederhana, tetapi diputar relatif terhadap bagian Pantheon lainnya.

Ini adalah bukti yang tak terbantahkan bahwa Bumi itu sendiri berotasi, bahwa gaya Coriolis adalah nyata, dan bahwa prediksi Bumi yang berputar, pada kenyataannya, didukung oleh eksperimen langsung dan mudah terlihat.

Pendulum Foucault ini, yang dipamerkan beraksi di Ciudad de las Artes y de las Ciencias de Valencia di Málaga, Spanyol, berputar sepanjang hari, merobohkan berbagai pasak (ditampilkan di lantai) saat ia berayun dan Bumi berputar. . (DANIEL SANCHO / FLICKR)

Sebagai manusia, sensor gaya pada tubuh kita primitif, dan hanya bekerja dalam jangka waktu yang sangat singkat. Dibutuhkan efek kumulatif yang sangat besar yang hanya terjadi selama sehari untuk dapat mengalami rotasi Bumi, atau pengukuran presisi yang jauh melampaui kemampuan tubuh kita, untuk mendeteksi gerakan Bumi.

Tetapi gerakan ini nyata, dan alasan Anda tidak dapat merasakannya bukan karena kami tidak bergerak, melainkan karena tubuh manusia Anda berada dalam gerakan seragam yang konstan sehubungan dengan Bumi itu sendiri. Jika sesuatu memberikan kekuatan diferensial pada Anda dari Bumi, Anda akan segera merasakannya. Tetapi tanpa itu, Anda akan membutuhkan instrumen yang jauh lebih sensitif daripada tubuh manusia biasa. Singkatnya, itu adalah bagian besar dari apa sains adalah tentang: mencari cara di luar indera kita yang jelas untuk mengeksplorasi dan belajar tentang Alam Semesta. Bumi memang bergerak, dan pendulum Foucault adalah bagaimana Anda dapat melihat efeknya untuk diri sendiri!

Kirim kiriman Ask Ethan Anda ke startwithabang di gmail dot com!

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.