Наша маленька стабілізація
Сонце завжди встає на сході, пори року регулярно змінюються, у році 365 або 366 днів, зима холодна, літо тепле… Нудно. Але давайте насолоджуватися цією нудьгою! По-перше, це не триватиме вічно. По-друге, наша невелика стабілізація — лише окремий і тимчасовий випадок у хаотичній сонячній системі в цілому.
Рух планет, місяців та інших об'єктів Сонячної системи здається впорядкованим і передбачуваним. Але якщо це так, як ви поясните всі кратери, які ми бачимо на Місяці, та багато небесних тіл у нашій системі? На Землі їх теж багато, але оскільки ми маємо атмосферу, а з нею ерозію, рослинність і воду, ми не бачимо земної хащі так ясно, як в інших місцях.
Якби Сонячна система складалася з ідеалізованих матеріальних точок, що діють виключно за ньютонівськими принципами, то, знаючи точні положення та швидкості Сонця та всіх планет, ми могли б визначити їх місцезнаходження у будь-який час у майбутньому. На жаль, реальність відрізняється від акуратної динаміки Ньютона.
Космічний метелик
Великий прогрес природознавства розпочався саме із спроб опису космічних тіл. Вирішальні відкриття, що пояснюють закони руху планет, були зроблені «батьками-засновниками» сучасної астрономії, математики та фізики. Коперник, Галілео, Кеплер i ньютон. Однак, хоча механіка двох небесних тіл, що взаємодіють під дією сили тяжіння, добре відома, додавання третього об'єкта (так зване завдання трьох тіл) ускладнює завдання настільки, що ми не можемо вирішити її аналітично.
Чи можемо ми передбачити рух Землі, скажімо, мільярд років уперед? Або, тобто: чи стабільна Сонячна система? Вчені багато поколінь намагалися відповісти на це питання. Перші результати, які вони отримали Пітер Саймон із Лапласа i Джозеф Луї Лагранжа, безперечно, передбачав позитивну відповідь.
Наприкінці XNUMX століття вирішення проблеми стійкості Сонячної системи було одним із найбільших наукових завдань. король Швеції, Оскар IIВін навіть заснував спеціальну нагороду тому, хто вирішить це завдання. Він був отриманий у 1887 році французьким математиком Анрі Пуанкаре. Однак його свідчення того, що методи обурення можуть не призвести до правильного вирішення, не вважається остаточним.
Він створив основи математичної теорії сталості руху. Олександр М. Лапуновхто ставив питання, як швидко відстань між двома близькими траєкторіями в хаотичній системі збільшується з часом. Коли у другій половині ХХ ст. Едвард Лоренц, метеоролог з Массачусетського технологічного інституту, побудував спрощену модель зміни погоди, що залежить лише від дванадцяти факторів, вона не була безпосередньо пов'язана з рухом тіл у Сонячній системі. У своїй роботі 1963 Едвард Лоренц показав, що невелика зміна вихідних даних викликає зовсім інше поведінка системи. Ця властивість, згодом відома як «ефект метелика», виявилася типовою для більшості динамічних систем, що використовуються для моделювання різних явищ у фізиці, хімії чи біології.
Джерелом хаосу в динамічних системах є сили одного ладу, що діють на послідовні тіла. Чим більше тіл у системі, тим більший хаос. У Сонячній системі через величезну диспропорцію мас усіх компонентів порівняно з Сонцем взаємодія цих компонентів із зіркою є домінуючим, тому ступінь хаотичності, що виражається в показниках Ляпунова, не повинна бути великою. Але також, за розрахунками Лоренца, нас не повинна дивувати думка про хаотичну природу Сонячної системи. Було б дивно, якби система з такою великою кількістю ступенів свободи була регулярною.
Десять років тому Жак Ласкар з Паризької обсерваторії він зробив понад тисячу комп'ютерних симуляцій руху планет. У кожному їх початкові умови відрізнялися незначно. Моделювання показує, що в найближчі 40 мільйонів років нічого серйознішого з нами не відбудеться, але пізніше в 1-2% випадків може повна дестабілізація Сонячної системи. У нашому розпорядженні теж ці 40 мільйонів років лише за умови, що не з'явиться якийсь несподіваний гість, фактор або новий елемент, який зараз не враховується.
Розрахунки показують, наприклад, що протягом 5 мільярдів років зміниться орбіта Меркурія (першої планети від Сонця), переважно через вплив Юпітера. Це може привести до зіткнення Землі з Марсом чи Меркурієм точно. Коли ми вводимо один із наборів даних, кожен із них містить 1,3 мільярда років. Меркурій може впасти на Сонце. В іншому моделюванні виявилося, що через 820 млн років Марс буде вигнаний із Системи, а через 40 мільйонів років прийде до зіткнення Меркурія та Венери.
Дослідження динаміки нашої Системи Ласкаром та його командою оцінило Лапунівський час (тобто період, протягом якого можна точно передбачити хід даного процесу) для всієї Системи у 5 мільйонів років.
Виходить, що похибка всього за 1 км у визначенні початкового становища планети може зрости до 1 астрономічної одиниці через 95 мільйонів років. Навіть якби ми знали початкові дані Системи з якоюсь високою, але кінцевою точністю, ми не змогли б передбачити її поведінку на будь-який відрізок часу. Щоб розкрити майбутнє Системи, яка є хаотичною, нам потрібно знати вихідні дані з нескінченною точністю, що неможливо.
Крім того, ми точно не знаємо повна енергія Сонячної системи. Але навіть при врахуванні всіх ефектів, включаючи релятивістські та більш точні виміри, ми не змінили б хаотичну природу Сонячної системи та не змогли б передбачити її поведінку та стан у будь-який момент часу.
Все може трапитись
Отже Сонячна система просто хаотична, і все. Це твердження означає, що ми не можемо передбачити траєкторію Землі далі, скажімо, 100 мільйонів років. З іншого боку, Сонячна система, поза сумнівом, залишається на даний момент стійкою як структура, оскільки малі відхилення параметрів, що характеризують шляхи планет, призводять до різних орбіт, але з близькими властивостями. Тож навряд чи він звалиться в найближчі мільярди років.
Звичайно, можуть бути згадані нові елементи, які не враховуються в наведених вище розрахунках. Наприклад, системі потрібно 250 мільйонів років, щоб зробити оберт навколо центру галактики Чумацький Шлях. Цей крок має наслідки. Космічна середовище, що змінюється, призводить до порушення крихкої рівноваги між Сонцем та іншими об'єктами. Це, звичайно, не можна передбачити, але буває, що такий дисбаланс призводить до посилення ефекту. активність комет. Ці об'єкти летять до сонця частіше, ніж зазвичай. Це збільшує ризик їх зіткнення із Землею.
Зірка через 4 мільйони років Glize 710 буде на відстані 1,1 світлового року від Сонця, потенційно порушуючи орбіти об'єктів Хмара Оорта та збільшення ймовірності зіткнення комети з однією із внутрішніх планет Сонячної системи.
Вчені спираються на історичні дані і, роблячи з них статистичні висновки, передбачають, що, мабуть, через півмільйона років метеор впаде на землю 1 км у діаметрі, спричинивши космічну катастрофу. У свою чергу, у перспективі 100 мільйонів років очікується падіння метеориту за розмірами, порівнянними з тим, що викликало крейдяне вимирання 65 мільйонів років тому.
До 500-600 млн років доводиться чекати якомога довше (знову ж таки виходячи з наявних даних та статистики) спалах або гіперенергетичний вибух надновий. На такій відстані промені могли б впливати на озоновий шар Землі і викликати масове вимирання, подібне до ордовицького вимирання, — якщо тільки гіпотеза про це вірна. Однак випромінювання, що випускається, має бути спрямоване саме на Землю, щоб мати можливість завдати тут будь-якої шкоди.
Так давайте радіти повторенню та малій стабілізації світу, який ми бачимо і в якому живемо. Математика, статистика та ймовірність не дають йому нудьгувати у довгостроковій перспективі. На щастя, цей довгий шлях далеко поза нашою досяжністю.
