¿Por qué decimos que la Tierra se mueve alrededor del Sol?

Imagina dos naves espaciales con forma de dona que se encuentran en el espacio profundo. Además, suponga que cuando un pasajero en el barco A mira por la ventana, ve que el barco B gira en el sentido de las agujas del reloj. Eso significa que cuando un pasajero en B mira por la ventana, también ve que el barco A gira en el sentido de las agujas del reloj (¡levanta las dos manos e inténtalo!).

Desde la cinemática pura, no podemos decir "el barco A está realmente girando y el barco B está realmente estacionario", ni lo contrario. Las dos descripciones, una con A girando y la otra con B, son equivalentes. (También podríamos decir que ambos giran una cantidad parcial). Todo lo que sabemos, desde un punto de vista cinemático puro, es que las naves tienen cierta rotación relativa.

Sin embargo, la física no está de acuerdo en que la rotación de las naves sea puramente relativa. Los pasajeros de los barcos sentirán la gravedad artificial . Quizás el barco A siente mucha gravedad artificial y el barco B no siente nada. Entonces podemos decir con certeza que el barco A es el que realmente está girando.

Así que el movimiento en la física no es todo relativo. Hay un conjunto de marcos de referencia, llamados marcos de inercia, que el universo de alguna manera selecciona como especiales. Los barcos que no tienen velocidad angular en estos marcos de inercia no sienten gravedad artificial. Estos marcos están todos relacionados entre sí a través del grupo de Poincaré .

En relatividad general, la imagen es un poco más complicada (y dejaré que otros respondientes discutan GR, ya que no sé mucho), pero la idea básica es que tenemos una simetría en las leyes físicas que nos permite impulsar a marcos de referencia moviéndose a velocidad constante, pero no a marcos de referencia que están acelerando. Este principio subyace en la existencia de la inercia , porque si los marcos acelerados tuvieran la misma física que los marcos normales, no se necesitaría fuerza para acelerar las cosas.

Para la Tierra girando alrededor del sol y viceversa, sí, es posible describir la cinemática de la situación diciendo que la Tierra está estacionaria. Sin embargo, cuando haces esto, ya no estás trabajando en un marco inercial. Las leyes de Newton no se cumplen en un marco con la Tierra estacionaria.

Esto fue demostrado dramáticamente para la rotación de la Tierra sobre su propio eje por el péndulo de Foucalt , que mostró una aceleración inexplicable del péndulo a menos que tengamos en cuenta las fuerzas ficticias inducidas por la rotación de la Tierra.

De manera similar, si creyéramos que la Tierra está estacionaria y que el Sol la orbita, no podríamos explicar el movimiento del Sol, porque es extremadamente masivo, pero no tiene una fuerza lo suficientemente grande como para hacerlo girar alrededor de la Tierra. Al mismo tiempo, el Sol debería estar ejerciendo una enorme fuerza sobre la Tierra, pero la Tierra, al estar estacionaria, no se mueve, otra violación de las leyes de Newton.

Entonces, la razón por la que decimos que la Tierra gira alrededor del sol es que cuando hacemos eso, podemos calcular su órbita usando solo las leyes de Newton.

De hecho, en un marco de inercia, el sol se mueve ligeramente debido a la atracción de la Tierra sobre él (y mucho más debido a la de Júpiter), por lo que realmente no decimos que el sol está estacionario. Decimos que se mueve mucho menos que la Tierra.

(Esta respuesta repite en gran medida la anterior de Lubos, pero ya había terminado la mayor parte del camino cuando publicó, y creo que nuestras respuestas son lo suficientemente diferentes como para complementarse entre sí).

sí, puede describir el movimiento desde cualquier marco de referencia, incluido el geocéntrico, suponiendo que agregue las fuerzas "ficticias" apropiadas (centrífugas, Coriolis, etc.).

Pero la propiedad especial del marco de referencia asociado con el Sol, más precisamente, con el baricentro (centro de masa) del Sistema Solar, que está a solo un radio solar del centro del Sol, es que este sistema es inercial. Significa que no hay fuerzas centrífugas u otras fuerzas de inercia. Las ecuaciones de la física tienen una forma particularmente simple en el marco asociado con el Sol.

Este iba a ser un comentario sobre la respuesta de Luboš Motl, pero ahora sería más apropiado como una respuesta completa.

Su respuesta dice: Las leyes de la física se pueden escribir de manera más simple para el centro de masa del sistema solar (baricentro) que para un punto en la Tierra (geocéntrico).

¡Sólo una cosa! Uno no debe descuidar las no-idealidades del propio baricentro, que tiene una ubicación en la Vía Láctea que la sesga al menos gravitacionalmente. En la superficie, esto es una tontería, pero el punto más importante es que la idealidad de cualquier marco de referencia también es relativa , y no existe un marco "definitivo".

Asimismo, elegir un punto en la piel de un elefante sobre un punto geocéntrico es sacrificar la universalidad tanto como elegir un punto geocéntrico sobre el baricentro. Sin embargo, a primera vista, la consideración de la física formulada en un punto más allá de la superficie del elefante puede ser simplemente "académica". ¿Suena familiar?

Sí, la proposición: "el sol gira alrededor de la tierra" tenía la tierra inmóvil. Esto convenía a la teología de la época que era totalmente antropocéntrica y por eso prevaleció sobre otras teorías provenientes de la antigüedad, como la de Aristarco, que tenía una propuesta heliocéntrica.

Se exploró la relatividad del movimiento, como describe Lubos, cuando se podían escribir ecuaciones, y se elige el heliocéntrico por su belleza y sencillez. Los epiciclos existen si uno traza las soluciones en un sistema geocéntrico, pero son tan engorrosos y "feos" como una taquigrafía de la física.

Puede haber una confusión: es erróneo decir que la Tierra es el centro del Universo , es decir, el (único) punto a partir del cual se va a describir (fundamentalmente) el Universo (el hecho de que el Sol gira alrededor de la Tierra es sólo una consecuencia de esto); lo que en realidad importa es que no hay centro del Universo : no hay tal punto; la descripción del Universo desde cualquier punto es equivalente a la descripción del Universo desde cualquier otro (entonces se le permite describir movimientos ya sea desde la Tierra o desde el Sol).

Matemáticamente, en mecánica clásica, se dice que el Universo es un espacio afín .

Tanto el Sol como la Tierra se mueven en círculos alrededor de su baricentro, es decir, el centro de masa.

El truco es que, dado que el Sol es demasiado masivo, el centro de masa está demasiado cerca del Sol, en realidad debajo de la superficie del Sol, lo que hace que el movimiento del Sol sea insignificante. Y, decimos que la Tierra se mueve alrededor del Sol.

Tengo que usar esto como una oportunidad para repetir una gran historia sobre el filósofo Wittgenstein, relatada por su alumna Elizabeth Anscombe:

[Wittgenstein] una vez me saludó con la pregunta: "¿Por qué la gente dice que era natural pensar que el sol giraba alrededor de la tierra en lugar de que la tierra giraba sobre su eje?" Respondí: "Supongo, porque parecía como si el sol girara alrededor de la tierra". "Bueno", preguntó, "¿cómo se habría visto si hubiera parecido como si la tierra girara sobre su eje?"

Pero, ¿y la física? En términos de teorías físicas reales, ¿el sol realmente gira alrededor de la tierra, o solo parece hacerlo porque lo estamos viendo desde el marco de referencia giratorio de la tierra?

Un marco giratorio se distingue de un marco no giratorio, sin referencia a nada externo. Esto es cierto tanto en la mecánica newtoniana como en la relatividad especial y general. Hay varias formas de saber si estás en un marco giratorio, incluido un péndulo de Foucault, un giroscopio mecánico o un giroscopio láser de anillo del tipo que se usa en los aviones comerciales. El péndulo de Foucault como prueba de la rotación de la tierra se remonta a alrededor de 1850. (Mucho antes de eso, el heliocentrismo había sido aceptado entre los físicos por motivos menos definitivos, como el hecho de que las leyes de Kepler tienen una forma simple en un marco heliocéntrico). un ejemplo relativista, el análisis de la famosa prueba de Hafele-Keatingde la relatividad general requería la introducción de tres efectos: dilatación cinemática del tiempo; dilatación del tiempo gravitacional; y el efecto Sagnac, que es sensible a la rotación de la tierra.

Hay otras teorías en las que no se puede detectar la rotación de un marco, excepto en relación con la materia distante, por ejemplo, la gravedad de Brans-Dicke. El artículo original sobre la gravedad de BD está disponible en línea en http://loyno.edu/~brans/ST-history/ y es muy fácil de leer incluso si no es un especialista. Los resultados positivos de las técnicas enumeradas anteriormente no se interpretarían como evidencia de rotación absoluta sino como evidencia de rotación relativa a galaxias distantes. Pero la gravedad de BD ya no es viable según las pruebas del sistema solar que datan de la década de 1970. Entonces, si lo desea, puede decir que Galileo finalmente se demostró que tenía razón en la década de 1970.

El sol, la luna, la tierra (y así sucesivamente) se mueven unos alrededor de otros.

La razón por la que decimos que la tierra se mueve alrededor del sol es porque los efectos son más visibles a escala macro y más fáciles de predecir con una precisión razonable. Sí, es más correcto decir que todo movimiento es relativo, pero se vuelve mucho más complicado explicarlo si hablas con un profano.

Una respuesta muy tardía, que espero se sume a las excelentes respuestas de Mark y Luboš.

Desde la perspectiva de la mecánica newtoniana, no hay nada malo per se .con el uso de un punto de vista geocéntrico. Tal punto de vista requiere agregar fuerzas y pares ficticios que de otro modo estarían ausentes en una perspectiva inercial, pero si tiene sentido hacerlo, está bien. Dicho esto, hay un mundo de diferencia entre elegir usar una perspectiva geocéntrica cuando hacerlo tiene sentido, como predecir el clima, en comparación con un mandato ahora no científico de que siempre se debe usar una perspectiva geocéntrica. Hay una buena explicación de esas fuerzas y pares ficticios que resultan de elegir usar una perspectiva geocéntrica: son una ficción que resulta de esa elección de perspectiva. En cambio, este mandato de alguna manera haría que todas esas fuerzas y pares ficticios fueran reales. ¿Qué hace que estas fuerzas se produzcan,

Aunque una perspectiva geocéntrica es conceptualmente válida desde una perspectiva newtoniana, el concepto de parsimonia (también conocido como simplicidad, también conocido como la navaja de Occam) dice que debemos rechazar la idea de volver a un punto de vista geocéntrico obligatorio (y, por lo tanto, renunciar a medio milenio de progreso científico). ). La parsimonia ha jugado un papel muy importante en la ciencia desde la época de Galileo. Los científicos prefieren con mucho las explicaciones simples a las complejas. Usar una perspectiva geocéntrica para describir el movimiento de una exoluna alrededor de un exoplaneta es una proposición ridícula.

Desde la perspectiva de la relatividad general, hay algo erróneo per se en usar un punto de vista geocéntrico para describir todo el universo. Mientras que los sistemas de coordenadas son globales en la mecánica newtoniana, son locales en la relatividad general. Los sistemas de coordenadas son gráficos locales en el espacio-tiempo de Riemann en relatividad general. No tienen extensión universal. Una perspectiva geocéntrica obligatoria no tiene sentido en términos de relatividad general.

Dado que es una pregunta recurrente, prefiero agregar mi respuesta aquí que a las más recientes.

Espero poder aclarar algunos puntos que no estaban completamente bien enfocados en algunas respuestas anteriores.

Descripción cinemática

Una vez que hemos elegido el marco de referencia que nos gusta (aquí no importa si es inercial o no) y tenemos una descripción de las trayectorias de N cuerpos, digamos N vectores${\bf r}_i(t)$, siempre podemos usar un marco de referencia centrado en uno de los cuerpos, digamos el a -ésimo, simplemente restando el vector de posición del cuerpo elegido a cualquier otro vector de posición. Por tanto, en este nuevo marco de referencia las trayectorias del sistema original de N cuerpos serán:

Un ejemplo de tal transformación de coordenadas es el cambio de marco de referencia requerido si queremos encontrar la descripción adecuada del sistema solar tal como lo ve un observador en la Tierra, comenzando por las trayectorias en el marco de referencia (inercial) donde el centro de masa del Sistema Solar está en reposo. Tenga en cuenta que un observador en reposo en la superficie de la Tierra no solo se está trasladando con el planeta, con respecto al centro de masa, sino que también está girando, por lo que la transformación real sería más complicada que la ecuación. [$1$]. Sin embargo, podemos ignorar la necesidad de una rotación adicional de nuestros vectores si limitamos nuestras consideraciones a marcos de referencia que no rotan con relación al marco original .

En este punto debería quedar claro que no hay nada malo en describir el movimiento de los cuerpos del Sistema Solar desde la Tierra. Es solo una de las infinitas opciones posibles del origen del marco de referencia, y probablemente la más útil para los observadores terrestres. Tiene el mismo derecho a ser utilizado como marco de referencia fijado en un automóvil en movimiento para describir lo que ven los pasajeros.

Sin embargo, la posibilidad de cambiar el punto de vista no implica que diferentes elecciones proporcionen la misma descripción de las trayectorias en un sistema de N-cuerpos. Muy interesante, si partimos de un marco de referencia donde el cuerpo$a$está en reposo, es decir${\bf r}_a(t)=0$, donde un segundo cuerpo b se mueve según${\bf r}_b(t)$, y pasamos a un nuevo marco de referencia basado en el cuerpo$b$, en el nuevo cuerpo del sistema$a$será descrita por el vector${\bf r}^{\prime}_a(t)=-{\bf r}_b(t)$. Esto implica que el movimiento de$a$visto por$b$o movimiento de$b$visto por$a$difieren solo por una inversión y por lo tanto tienen la misma descripción sintética.

¿Qué hay de aplicar la consideración anterior al sistema Tierra-Sol? En el caso del sistema de dos cuerpos las cosas son bastante simples. La forma de la trayectoria de la Tierra vista desde el Sol o la del Sol vista desde la Tierra son las mismas. Además, dado que el centro de masa del sistema Sol-Tierra está dentro del Sol, la trayectoria de la Tierra vista desde el Sol casi coincide con la misma órbita descrita desde el centro de masa.

En las siguientes dos figuras he trazado la órbita de los dos cuerpos en el marco de referencia del centro de masa.

y en el marco de referencia de la Tierra (no giratoria). Las unidades de distancia son millones de kilómetros.

Las cosas cambian mucho cuando describimos el movimiento de otros cuerpos del sistema solar. Los siguientes dos gráficos muestran el movimiento del Sol, Venus, la Tierra, Marte y Júpiter, vistos desde el centro de masa del sistema o desde la Tierra (sin rotación).

Incluso a este nivel cinemático, es evidente la mayor simplicidad de la descripción en el marco del centro de masa. Sin embargo, quiero enfatizar una vez más que no hay nada malo con esta descripción. Es lo más cercano a lo que obtenemos de las observaciones basadas en la Tierra.

Descripción dinámica

Desde el punto de vista de resolver un problema de dinámica newtoniana, todos sabemos que el marco de referencia del centro de masa de un sistema de N-cuerpos es conveniente. Como es un marco inercial, podemos usar la ley de Newton${\bf F}=m{\bf a}$en conexión con la ley de la fuerza de la gravedad de Newton, sin necesidad de introducir fuerzas de inercia adicionales.

Nótese, sin embargo, que una vez que se ha escrito el conjunto de ecuaciones diferenciales de movimiento para el problema gravitacional de N-cuerpos:

1. el segundo término en el lado derecho no es más que la contribución de la fuerza de inercia a la aceleración de la partícula$i$-th. Es un término puramente traslacional y no aparece ninguna fuerza centrífuga o de Coriolis , ya que el marco de referencia no inercial que coincide con el cuerpo$a$no está girando. Es un error bastante extendido pensar que en todos los marcos de referencia geocéntricos debería existir una fuerza centrífuga. En realidad, un marco de referencia fijo en la Tierra, pero que no gira con respecto al marco del centro de masa, no introduce tal fuerza de inercia, como se ve en la fórmula [$2$].
2. en el caso especial del problema de dos cuerpos, ecn.[$2$] para el cuerpo$1$se convierte en: $${\bf a'}_{1} = G m_2 \frac{ ({\bf r'}_2 - {\bf r'}_1) }{ \left|{\bf r'}_2 - {\bf r'}_1\right|^3 } - G m_1 \frac{ ({\bf r'}_1 - {\bf r'}_2) }{ \left|{\bf r'}_1 - {\bf r'}_2\right|^3 } = G (m_1+m_2) \frac{ ({\bf r'}_2 - {\bf r'}_1) }{ \left|{\bf r'}_2 - {\bf r'}_1\right|^3 }.$$ Multiplicando ambos lados por$\mu=m_1m_2/(m_1+m_2)$, reconocemos la ecuación clásica para el movimiento relativo $$\mu {\bf a'}_{1} = G m_1m_2\frac{ ({\bf r'}_2 - {\bf r'}_1) }{ \left|{\bf r'}_2 - {\bf r'}_1\right|^3 }$$ donde la masa reducida $\mu$aquí aparece como efecto de la fuerza de inercia.

En la antigüedad, no se conocía la mecánica del movimiento orbital debido a la atracción gravitacional. Sin embargo, lo que se sabía era que si la Tierra orbita alrededor del Sol, las estrellas mostrarían un movimiento cíclico llamado "paralaje". Los griegos en realidad predijeron esto, pero no tenían la tecnología para observarlo. Esta fue una de las principales razones por las que el modelo del sistema solar geocéntrico se mantuvo durante tanto tiempo. Sin embargo, el paralaje es real y observable, y proporciona evidencia de observación directa de que la Tierra orbita alrededor del Sol.

Podría deducirse con algunas observaciones cuidadosas, un poco de lógica y la premisa de que la solución más simple es probablemente la correcta.

Podemos hacer observaciones de estrellas y planetas, y usar paralaje para estimar sus distancias, y razonablemente concluir que las estrellas están muy lejos y que el Sol es muy grande y probablemente muy pesado. También podemos deducir (como lo hicieron los antiguos griegos) el tamaño de la Tierra y notar que el Sol es mucho, mucho más grande.

Podemos tomar una pelota en una cuerda y girarla, y observar que necesitamos cierta cantidad de fuerza para mantener la pelota restringida a una trayectoria circular.

Si asumiéramos que la Tierra está estacionaria y que todo en el cielo gira a nuestro alrededor, ¿qué mantendría todo en su lugar (piense en la pelota en la cuerda)? Por otro lado, si la Tierra estuviera girando, no hay ningún requisito para evitar que todo lo que hay allí arriba salga volando en todas las direcciones. Entonces, la Tierra está girando, no los cielos.

Las trayectorias de todos los planetas tienen mucho más sentido si se les ve viajando alrededor del Sol en lugar de la Tierra, con ese movimiento retrógrado de Marte y todo. Y se parecería mucho a lo que vemos cuando miramos con mucho cuidado a Júpiter y sus lunas: un cuerpo grande en el espacio con otros más pequeños orbitando a su alrededor.

Entonces, podrías concluir que todos los planetas en el cielo nocturno giran alrededor del Sol, pero el Sol gira alrededor de la Tierra. Excepto que el Sol es mucho más grande, y el modelo sería mucho más simple si la Tierra estuviera orbitando alrededor del Sol como los otros planetas.

...Y hemos llegado a nuestro entendimiento actual.

En mi opinión, la "descripción de la trayectoria" no es un tema de física, es un tema de cinemática (geometría del movimiento, consulte http://en.wikipedia.org/wiki/Kinematics ). Mientras que explicar el mecanismo que hace que un objeto siga una trayectoria particular ES un asunto de física.

Decir que "B gira alrededor de C" es describir una trayectoria en el espacio y el tiempo. Una trayectoria puede describirse por medios gráficos, por ejemplo, un círculo, una elipse, una hélice. Pero todas estas representaciones gráficas de una trayectoria son subjetivas, es decir, dependen del marco del observador. Un observador adjunto a C observará que B gira alrededor de C. Mientras que un observador adjunto a B observará que C gira alrededor de B.

En un sistema euclidiano de descripción, la trayectoria de un objeto en particular puede describirse de manera absoluta relacionando los desplazamientos espaciales (distancia y dirección) del objeto (en varios momentos en el tiempo) en relación con uno o más objetos de referencia (cuyas trayectorias son conocidas... en relación con algún estándar útil).

Si te sientas en una silla de oficina y alguien la gira, verás que las paredes de la oficina se mueven a tu alrededor. Sostengo que puede ser aceptable y útil decir que "la oficina se mueve a tu alrededor". Asimismo, es engañoso decir categóricamente que "la oficina NO se mueve a tu alrededor". Cualquier descripción de movimiento (movimiento) relaciona las posiciones de al menos dos objetos. Esto se aplica tanto a patrones de movimiento lineales como no lineales. Los físicos pueden optar por describir, medir y dar cuenta de las sensaciones y movimientos que experimenta eligiendo marcos de referencia particulares porque son más simples o más útiles. Pero esto no dicta cómo eliges describir la geometría dinámica de tu experiencia.

Por lo tanto, las siguientes descripciones de la geometría dinámica son todas aceptables y potencialmente útiles y potencialmente ambiguas: "la Tierra se mueve alrededor del Sol" "el Sol se mueve alrededor de la Tierra". "el Sol y la Tierra se mueven cada uno alrededor de su baricentro mutuo".

Hay evidencias experimentales del movimiento absoluto de la Tierra alrededor del Sol. Existe una anisotropía dipolar en medidas finas de la temperatura de Radiación de Fondo que se conoce a partir del análisis de las medidas del satélite COBE , a principios de los 90. Véase, por ejemplo , este artículo .

Para hacer las correcciones adecuadas, para que la Radiación Cósmica de Fondo "parezca" isotrópica, se debe tener en cuenta la velocidad absoluta del Grupo Local frente a la Radiación Cósmica de Fondo, pero esa corrección depende del mes del año, porque una pequeña parte de la corrección proviene de la velocidad orbital de la Tierra alrededor del baricentro del Sistema Solar (entre otros términos).

Esa pequeña parte de las correcciones necesarias es exactamente lo que esperaría si supusiera que es la Tierra la que gira alrededor del Sol, y no al revés.

(la anisotropía del dipolo de fondo cósmico, imagen de map.gsfc.nasa.gov)

He aquí un extracto del resumen del artículo citado:

Presentamos una determinación de la amplitud y dirección del dipolo del fondo cósmico de microondas a partir del primer año de datos de los radiómetros diferenciales de microondas (DMR) COBE (...) La velocidad implícita del grupo local con respecto al marco de reposo CMB es$v_{LG}=627 \pm 22 km s^{-1}$hacia (...). DMR también ha mapeado la anisotropía del dipolo que resulta del movimiento orbital de la Tierra alrededor del baricentro del Sistema Solar, lo que produce una medición de la temperatura CMB del monopolo (...)$T_0=2.75 \pm 0.05 K$

Sin embargo, esto no significa que haya un marco de referencia absoluto en el Universo. Otros observadores comóviles detectarán otra anisotropía dipolar. La Última Superficie de Dispersión, así como los horizontes cosmológicos son diferentes para diferentes observadores comóviles. Sin embargo, prueba que es la Tierra la que se mueve alrededor del Sol, y no al revés. Desde los años 90 esto ya no es una cuestión filosófica: NOSOTROS nos estamos moviendo con seguridad, absoluta, segura y gloriosamente, alrededor del Sol.

Estoy escribiendo una respuesta mucho más corta: el sol no se mueve, la tierra (junto con los otros planetas giratorios de nuestra galaxia) sí. La tierra básicamente gira alrededor del sol en un anillo (y su eje, pero ese no es el punto). Además, las iglesias siempre han hecho muchas afirmaciones erróneas (especialmente en la Edad Media), como que la tierra era plana. Pensaron así porque 'estamos en la cima de la tierra' mientras que en realidad no hay arriba ni abajo.