Naša mala stabilizacija

Sonce vedno vzhaja na vzhodu, letni časi se redno spreminjajo, v letu je 365 ali 366 dni, zime so mrzle, poletja topla ... Dolgočasna. Ampak uživajmo v tem dolgčasu! Prvič, ne bo trajalo večno. Drugič, naša majhna stabilizacija je le poseben in začasen primer v kaotičnem sončnem sistemu kot celoti.

Zdi se, da je gibanje planetov, lun in vseh drugih objektov v sončnem sistemu urejeno in predvidljivo. Toda če je tako, kako si razlagate vse kraterje, ki jih vidimo na Luni, in številna nebesna telesa v našem sistemu? Tudi na Zemlji jih je veliko, a ker imamo atmosfero, z njo pa erozijo, vegetacijo in vodo, zemeljske goščave ne vidimo tako jasno kot drugod.

Če bi sončni sistem sestavljale idealizirane materialne točke, ki delujejo izključno po Newtonovih principih, potem bi lahko ob poznavanju točnih položajev in hitrosti Sonca in vseh planetov kadar koli v prihodnosti določili njihovo lokacijo. Na žalost se realnost razlikuje od Newtonove čedne dinamike.

vesoljski metulj

Velik napredek naravoslovja se je začel ravno s poskusi opisovanja kozmičnih teles. Odločilna odkritja, ki pojasnjujejo zakone gibanja planetov, so naredili "ustanovni očetje" sodobne astronomije, matematike in fizike - Kopernik, Galileo, Kepler i Newton. Čeprav je mehanika dveh nebesnih teles, ki si medsebojno delujeta pod vplivom gravitacije, dobro znana, dodajanje tretjega predmeta (t. i. problem treh teles) zaplete problem do te mere, da ga analitično ne moremo rešiti.

Ali lahko napovemo gibanje Zemlje, recimo, milijardo let naprej? Ali z drugimi besedami: ali je sončni sistem stabilen? Znanstveniki so na to vprašanje poskušali odgovoriti že več generacij. Prvi rezultati, ki so jih dobili Peter Simon iz Laplace i Joseph Louis Lagrange, je brez dvoma predlagal pozitiven odgovor.

Ob koncu XNUMX. stoletja je bilo reševanje problema stabilnosti sončnega sistema eden največjih znanstvenih izzivov. švedski kralj Oskar II, ustanovil je celo posebno nagrado za tistega, ki rešuje ta problem. Leta 1887 ga je pridobil francoski matematik Henri Poincare. Vendar se njegov dokaz, da metode motenj morda ne vodijo do pravilne rešitve, ne šteje za prepričljivega.

Ustvaril je temelje matematične teorije stabilnosti gibanja. Aleksander M. Lapunovki se je spraševal, kako hitro se s časom povečuje razdalja med dvema bližnjima trajektorijama v kaotičnem sistemu. Ko je v drugi polovici dvajsetega stoletja. Edward Lorenz, meteorolog na Massachusetts Institute of Technology, zgradil poenostavljen model spremembe vremena, ki je odvisen le od dvanajstih dejavnikov, ni bil neposredno povezan s gibanjem teles v sončnem sistemu. Edward Lorentz je v svojem prispevku iz leta 1963 pokazal, da majhna sprememba vhodnih podatkov povzroči popolnoma drugačno obnašanje sistema. Ta lastnost, kasneje znana kot "učinek metulja", se je izkazala za tipično za večino dinamičnih sistemov, ki se uporabljajo za modeliranje različnih pojavov v fiziki, kemiji ali biologiji.

Vir kaosa v dinamičnih sistemih so sile istega reda, ki delujejo na zaporedna telesa. Več teles v sistemu, več kaosa. V Osončju je zaradi velikega nesorazmerja v masah vseh komponent v primerjavi s Soncem interakcija teh komponent z zvezdo prevladujoča, zato stopnja kaosa, izražena v eksponentih Lyapunova, ne bi smela biti velika. A tudi po Lorentzovih izračunih nas ne bi smela presenetiti misel na kaotično naravo sončnega sistema. Presenetljivo bi bilo, če bi bil sistem s tako velikim številom stopenj svobode reden.

Pred desetimi leti Jacques Lascar s pariškega observatorija je naredil več kot tisoč računalniških simulacij gibanja planetov. V vsakem od njih so se začetni pogoji neznatno razlikovali. Modeliranje kaže, da se nam v naslednjih 40 milijonih let ne bo zgodilo nič hujšega, kasneje pa v 1-2 % primerov popolna destabilizacija sončnega sistema. Tudi teh 40 milijonov let imamo na voljo le pod pogojem, da se ne pojavi kakšen nepričakovan gost, dejavnik ali nov element, ki ga trenutno ne upoštevamo.

Izračuni na primer kažejo, da se bo v roku 5 milijard let spremenila orbita Merkurja (prvi planet od Sonca), predvsem zaradi vpliva Jupitra. To lahko privede do Zemlja trči z Marsom ali Merkurjem točno. Ko vnesemo enega od naborov podatkov, vsak vsebuje 1,3 milijarde let. Merkur lahko pade v Sonce. V drugi simulaciji se je izkazalo, da po 820 milijonih let Mars bo izgnan iz sistema, in po 40 milijonih let bo prišel na trk Merkurja in Venere.

Študija dinamike našega sistema, ki sta jo opravila Lascar in njegova ekipa, je ocenila čas Lapunov (tj. obdobje, v katerem je mogoče natančno napovedati potek določenega procesa) za celoten sistem na 5 milijonov let.

Izkazalo se je, da se lahko napaka le 1 km pri določanju začetnega položaja planeta poveča na 1 astronomsko enoto v 95 milijonih let. Tudi če bi poznali začetne podatke sistema s poljubno visoko, a končno natančnostjo, ne bi mogli predvideti njegovega obnašanja za nobeno časovno obdobje. Da bi razkrili prihodnost sistema, ki je kaotičen, moramo z neskončno natančnostjo poznati izvirne podatke, kar je nemogoče.

Poleg tega ne vemo zagotovo. skupna energija sončnega sistema. A tudi ob upoštevanju vseh učinkov, vključno z relativističnimi in natančnejšimi meritvami, ne bi spremenili kaotične narave sončnega sistema in ne bi mogli napovedati njegovega obnašanja in stanja v danem trenutku.

Vse se lahko zgodi

Torej, sončni sistem je samo kaotičen, to je vse. Ta izjava pomeni, da Zemljine poti ne moremo napovedati dlje kot recimo 100 milijonov let. Po drugi strani pa sončni sistem trenutno nedvomno ostaja stabilen kot struktura, saj majhna odstopanja parametrov, ki označujejo poti planetov, vodijo v različne orbite, vendar z bližnjimi lastnostmi. Zato je malo verjetno, da se bo sesula v naslednjih milijardah let.

Seveda so lahko že omenjeni novi elementi, ki v zgornjih izračunih niso upoštevani. Sistem na primer potrebuje 250 milijonov let, da dokonča orbito okoli središča galaksije Rimske ceste. Ta poteza ima posledice. Spreminjajoče se vesoljsko okolje poruši občutljivo ravnovesje med Soncem in drugimi predmeti. Tega seveda ni mogoče predvideti, vendar se zgodi, da takšno neravnovesje povzroči povečanje učinka. aktivnost kometa. Ti predmeti letijo proti soncu pogosteje kot običajno. To povečuje tveganje njihovega trka z Zemljo.

Zvezda po 4 milijonih let Gliese 710 bo od Sonca oddaljeno 1,1 svetlobnega leta, kar bi lahko motilo orbite predmetov v Oortov oblak in povečanje verjetnosti trka kometa v enega od notranjih planetov sončnega sistema.

Znanstveniki se zanašajo na zgodovinske podatke in ob statističnih zaključkih iz njih napovedujejo, da bo verjetno čez pol milijona let meteor pade na tla 1 km v premeru, kar je povzročilo kozmično katastrofo. Po drugi strani pa naj bi meteorit v perspektivi 100 milijonov let padel v velikosti, ki je primerljiva z velikostjo, ki je povzročila izumrtje iz krede pred 65 milijoni let.

Do 500-600 milijonov let je treba čakati čim dlje (spet glede na razpoložljive podatke in statistiko) bliskavico ali hiperenergijska eksplozija supernove. Na takšni razdalji bi lahko žarki vplivali na zemeljsko ozonsko plast in povzročili množično izumrtje, podobno izumrtju v ordoviciji – če je le hipoteza o tem pravilna. Vendar mora biti oddano sevanje usmerjeno natančno proti Zemlji, da lahko tukaj povzroči kakršno koli škodo.

Zato se veselimo ponovitve in male stabilizacije sveta, ki ga vidimo in v katerem živimo. Matematika, statistika in verjetnost ga dolgoročno držijo zaposlenega. Na srečo je ta dolga pot daleč izven našega dosega.