Meidän pieni vakautus

Aurinko nousee aina idästä, vuodenajat vaihtuvat säännöllisesti, vuodessa on 365 tai 366 päivää, talvet ovat kylmiä, kesät lämpimiä… Tylsää. Mutta nautitaan tästä tylsyydestä! Ensinnäkin se ei kestä ikuisesti. Toiseksi, pieni vakautuksemme on vain erityinen ja väliaikainen tapaus kaoottisessa aurinkokunnassa kokonaisuudessaan.

Planeettojen, kuuiden ja kaikkien muiden aurinkokunnan kohteiden liikkeet näyttävät olevan säännöllisiä ja ennustettavia. Mutta jos on, miten selität kaikki Kuussa näkemämme kraatterit ja monet järjestelmämme taivaankappaleet? Niitä on paljon myös maan päällä, mutta koska meillä on ilmakehä ja sen mukana eroosio, kasvillisuus ja vesi, emme näe maapalloa yhtä selvästi kuin muualla.

Jos aurinkokunta koostuisi idealisoiduista aineellisista pisteistä, jotka toimisivat yksinomaan Newtonin periaatteilla, niin Auringon ja kaikkien planeettojen tarkat sijainnit ja nopeudet tietäen voisimme määrittää niiden sijainnin milloin tahansa tulevaisuudessa. Valitettavasti todellisuus eroaa Newtonin siististä dynamiikasta.

avaruusperhonen

Luonnontieteen suuri edistys alkoi juuri yrityksistä kuvata kosmisia kappaleita. Ratkaisevat löydöt, jotka selittävät planeettojen liikkeen lakeja, tekivät modernin tähtitieteen, matematiikan ja fysiikan "perustajaisät" - Kopernikus, Galileo, Kepler i Newton. Vaikka kahden painovoiman vaikutuksen alaisena vuorovaikutuksessa olevan taivaankappaleen mekaniikka on hyvin tiedossa, kolmannen kohteen lisääminen (ns. kolmen kappaleen ongelma) mutkistaa ongelman siihen pisteeseen, että emme pysty ratkaisemaan sitä analyyttisesti.

Voimmeko ennustaa Maan liikkeen vaikkapa miljardi vuotta eteenpäin? Tai toisin sanoen: onko aurinkokunta vakaa? Tiedemiehet ovat yrittäneet vastata tähän kysymykseen sukupolvien ajan. He saivat ensimmäiset tulokset Peter Simon alkaen Laplace i Joseph Louis Lagrange, ehdotti epäilemättä myönteistä vastausta.

XNUMX-luvun lopussa aurinkokunnan vakauden ongelman ratkaiseminen oli yksi suurimmista tieteellisistä haasteista. Ruotsin kuningas Oscar II, hän jopa perusti erikoispalkinnon sille, joka ratkaisee tämän ongelman. Sen hankki vuonna 1887 ranskalainen matemaatikko Henri Poincaré. Hänen todisteitaan siitä, että häiriömenetelmät eivät välttämättä johda oikeaan ratkaisuun, ei kuitenkaan pidetä ratkaisevana.

Hän loi liikkeen vakauden matemaattisen teorian perustan. Aleksanteri M. Lapunovjoka ihmetteli, kuinka nopeasti kahden läheisen lentoradan välinen etäisyys kaoottisessa järjestelmässä kasvaa ajan myötä. Kun XNUMX-luvun jälkipuoliskolla. Edward Lorenz, meteorologi Massachusetts Institute of Technologysta, rakensi yksinkertaistetun mallin säänmuutoksesta, joka riippuu vain kahdestatoista tekijästä, se ei liittynyt suoraan kappaleiden liikkeeseen aurinkokunnassa. Edward Lorentz osoitti vuoden 1963 artikkelissaan, että pieni muutos syöttötiedoissa aiheuttaa järjestelmän täysin erilaisen käyttäytymisen. Tämä ominaisuus, joka tunnettiin myöhemmin nimellä "perhosefekti", osoittautui tyypilliseksi useimmille dynaamisille järjestelmille, joita käytetään mallintamaan erilaisia ​​fysiikan, kemian tai biologian ilmiöitä.

Dynaamisten järjestelmien kaaoksen lähde on samaa suuruusluokkaa olevat voimat, jotka vaikuttavat peräkkäisiin kappaleisiin. Mitä enemmän ruumiita järjestelmässä on, sitä enemmän kaaosta. Aurinkokunnassa, koska kaikkien komponenttien massoissa on valtava epäsuhta aurinkoon verrattuna, näiden komponenttien vuorovaikutus tähden kanssa on hallitseva, joten Lyapunov-eksponenteilla ilmaistun kaaoksen asteen ei pitäisi olla suuri. Mutta Lorentzin laskelmien mukaan meidän ei pitäisi myöskään yllättyä ajatuksesta aurinkokunnan kaoottisesta luonteesta. Olisi yllättävää, jos järjestelmä, jossa on niin suuri määrä vapausasteita, olisi säännöllinen.

Kymmenen vuotta sitten Jacques Lascar Pariisin observatoriosta hän teki yli tuhat tietokonesimulaatiota planeettojen liikkeestä. Jokaisessa niistä alkuolosuhteet poikkesivat merkityksettömästi. Mallintaminen osoittaa, että meille ei tapahdu mitään vakavampaa seuraavan 40 miljoonan vuoden aikana, mutta myöhemmin 1-2 prosentissa tapauksista se voi aurinkokunnan täydellinen epävakaus. Meillä on myös nämä 40 miljoonaa vuotta käytössämme vain sillä ehdolla, että jokin odottamaton vieras, tekijä tai uusi elementti, jota ei tällä hetkellä huomioida, ei ilmesty.

Laskelmat osoittavat esimerkiksi, että 5 miljardin vuoden sisällä Merkuriuksen (ensimmäinen planeetta Auringosta) kiertorata muuttuu pääasiassa Jupiterin vaikutuksesta. Tämä voi johtaa Maa törmää Marsiin tai Merkuriukseen tarkalleen. Kun syötämme yhteen tietojoukoista, jokainen sisältää 1,3 miljardia vuotta. Merkurius voi pudota aurinkoon. Toisessa simulaatiossa kävi ilmi, että 820 miljoonan vuoden jälkeen Mars karkotetaan järjestelmästä, ja se tulee 40 miljoonan vuoden kuluttua Merkuriuksen ja Venuksen törmäys.

Lascarin ja hänen tiiminsä tekemässä järjestelmämme dynamiikkaa koskevassa tutkimuksessa Lapunov-ajaksi (eli ajanjaksoksi, jonka aikana tietyn prosessin kulku voidaan ennustaa tarkasti) koko järjestelmälle arvioitiin 5 miljoonaa vuotta.

Osoittautuu, että vain 1 km:n virhe planeetan alkuperäisen sijainnin määrittämisessä voi kasvaa yhteen tähtitieteelliseen yksikköön 1 miljoonassa vuodessa. Vaikka tietäisimme Järjestelmän alkutiedot mielivaltaisen suurella, mutta äärellisellä tarkkuudella, emme pystyisi ennustamaan sen käyttäytymistä millekään ajanjaksolle. Järjestelmän kaoottisen tulevaisuuden paljastamiseksi meidän on tiedettävä alkuperäiset tiedot äärettömällä tarkkuudella, mikä on mahdotonta.

Lisäksi emme tiedä varmasti. aurinkokunnan kokonaisenergia. Mutta vaikka kaikki vaikutukset, mukaan lukien relativistiset ja tarkemmat mittaukset, otettaisiin huomioon, emme muuttaisi aurinkokunnan kaoottista luonnetta emmekä pystyisi ennustamaan sen käyttäytymistä ja tilaa kulloinkin.

Kaikkea voi tapahtua

Joten aurinkokunta on vain kaoottinen, siinä kaikki. Tämä väite tarkoittaa, että emme voi ennustaa Maan liikerataa esimerkiksi 100 miljoonan vuoden jälkeen. Toisaalta aurinkokunta pysyy epäilemättä rakenteellisena tällä hetkellä vakaana, koska pienet poikkeamat planeettojen kulkureittejä luonnehtivissa parametreissa johtavat erilaisille kiertoradoille, mutta ominaisuuksiltaan läheisiä. Joten on epätodennäköistä, että se romahtaa seuraavien miljardien vuosien aikana.

Tietysti voi olla jo mainittuja uusia elementtejä, joita ei ole otettu huomioon yllä olevissa laskelmissa. Esimerkiksi järjestelmällä kestää 250 miljoonaa vuotta kiertoradan suorittamiseen Linnunradan galaksin keskustan ympäri. Tällä liikkeellä on seurauksensa. Avaruusympäristön muuttuminen häiritsee herkkää tasapainoa auringon ja muiden esineiden välillä. Tätä ei tietenkään voida ennustaa, mutta tapahtuu, että tällainen epätasapaino johtaa vaikutuksen lisääntymiseen. komeettojen toimintaa. Nämä esineet lentävät kohti aurinkoa tavallista useammin. Tämä lisää niiden törmäyksen riskiä Maahan.

Tähti 4 miljoonan vuoden jälkeen Gliese 710 on 1,1 valovuoden päässä Auringosta, mikä saattaa häiritä objektien kiertoradat Oortin pilvi ja lisääntynyt todennäköisyys, että komeetta törmää yhteen aurinkokunnan sisäplaneetoista.

Tiedemiehet luottavat historiallisiin tietoihin ja tehden niistä tilastollisia johtopäätöksiä ennustavat sen todennäköisesti puolen miljoonan vuoden kuluttua meteori osui maahan 1 km halkaisijaltaan aiheuttaen kosmisen katastrofin. 100 miljoonan vuoden perspektiivissä puolestaan ​​meteoriitin odotetaan putoavan kooltaan, joka on verrattavissa siihen, joka aiheutti liitukauden sukupuuton 65 miljoonaa vuotta sitten.

Jopa 500-600 miljoonaa vuotta, sinun on odotettava niin kauan kuin mahdollista (jälleen käytettävissä olevien tietojen ja tilastojen perusteella) salama tai supernovan hyperenergiaräjähdys. Tällaisella etäisyydellä säteet voivat osua Maan otsonikerrokseen ja aiheuttaa ordovikian sukupuuttoa vastaavan massasukupuuton - jos vain hypoteesi tästä pitää paikkansa. Säteilyn tulee kuitenkin suunnata tarkasti Maahan, jotta se voi aiheuttaa vahinkoa täällä.

Iloitkaamme siis näkemämme ja jossa elämme maailman toistosta ja pienestä vakiintumisesta. Matematiikka, tilastot ja todennäköisyys pitävät hänet kiireisenä pitkällä aikavälillä. Onneksi tämä pitkä matka on kauas ulottumattomissamme.