Penstabilan kecil kami

Matahari sentiasa terbit di timur, musim berubah dengan kerap, terdapat 365 atau 366 hari setahun, musim sejuk sejuk, musim panas hangat... Membosankan. Tetapi mari kita nikmati kebosanan ini! Pertama, ia tidak akan kekal selama-lamanya. Kedua, penstabilan kecil kami hanyalah kes khas dan sementara dalam sistem suria yang huru-hara secara keseluruhan.

Pergerakan planet, bulan dan semua objek lain dalam sistem suria nampaknya teratur dan boleh diramal. Tetapi jika ya, bagaimana anda menerangkan semua kawah yang kita lihat di Bulan dan banyak badan angkasa dalam sistem kita? Terdapat banyak daripada mereka di Bumi juga, tetapi kerana kita mempunyai atmosfera, dan dengan hakisan, tumbuh-tumbuhan dan air, kita tidak melihat belukar bumi dengan jelas seperti di tempat lain.

Jika sistem suria terdiri daripada titik bahan ideal yang beroperasi semata-mata berdasarkan prinsip Newton, maka, dengan mengetahui kedudukan dan halaju tepat Matahari dan semua planet, kita boleh menentukan lokasinya pada bila-bila masa pada masa hadapan. Malangnya, realiti berbeza daripada dinamik kemas Newton.

rama-rama angkasa

Kemajuan besar sains semula jadi bermula tepat dengan percubaan untuk menggambarkan badan kosmik. Penemuan penting yang menjelaskan undang-undang pergerakan planet telah dibuat oleh "bapa pengasas" astronomi moden, matematik dan fizik - Copernicus, Galileo, Kepler i Newton. Walau bagaimanapun, walaupun mekanisme dua jasad angkasa yang berinteraksi di bawah pengaruh graviti diketahui umum, penambahan objek ketiga (yang dipanggil masalah tiga badan) merumitkan masalah sehingga kita tidak dapat menyelesaikannya secara analitik.

Bolehkah kita meramalkan pergerakan Bumi, katakan, satu bilion tahun ke hadapan? Atau, dengan kata lain: adakah sistem suria stabil? Para saintis telah cuba menjawab soalan ini selama beberapa generasi. Keputusan pertama yang mereka dapat Peter Simon dari Laplace i Joseph Louis Lagrange, tidak syak lagi mencadangkan jawapan yang positif.

Pada akhir abad ke-XNUMX, menyelesaikan masalah kestabilan sistem suria adalah salah satu cabaran saintifik yang paling hebat. raja Sweden Oscar II, dia juga menubuhkan anugerah khas untuk orang yang menyelesaikan masalah ini. Ia diperoleh pada tahun 1887 oleh ahli matematik Perancis Henri Poincaré. Walau bagaimanapun, bukti beliau bahawa kaedah gangguan mungkin tidak membawa kepada penyelesaian yang betul tidak dianggap muktamad.

Beliau mencipta asas teori matematik kestabilan gerakan. Alexander M. Lapunovyang tertanya-tanya betapa cepatnya jarak antara dua trajektori rapat dalam sistem yang huru-hara meningkat dengan masa. Apabila pada separuh kedua abad kedua puluh. Edward Lorenzo, ahli meteorologi di Institut Teknologi Massachusetts, membina model mudah perubahan cuaca yang hanya bergantung kepada dua belas faktor, ia tidak berkaitan secara langsung dengan pergerakan badan dalam sistem suria. Dalam kertas kerjanya pada tahun 1963, Edward Lorenz menunjukkan bahawa perubahan kecil dalam data input menyebabkan tingkah laku sistem yang sama sekali berbeza. Sifat ini, yang kemudiannya dikenali sebagai "kesan rama-rama", ternyata tipikal bagi kebanyakan sistem dinamik yang digunakan untuk memodelkan pelbagai fenomena dalam fizik, kimia atau biologi.

Punca huru-hara dalam sistem dinamik adalah kuasa-kuasa susunan yang sama bertindak pada badan berturut-turut. Lebih banyak badan dalam sistem, lebih banyak huru-hara. Dalam Sistem Suria, disebabkan ketidakkadaran besar dalam jisim semua komponen berbanding Matahari, interaksi komponen ini dengan bintang adalah dominan, jadi tahap huru-hara yang dinyatakan dalam eksponen Lyapunov tidak sepatutnya besar. Tetapi juga, mengikut pengiraan Lorentz, kita tidak sepatutnya terkejut dengan pemikiran tentang sifat huru-hara sistem suria. Adalah mengejutkan jika sistem dengan bilangan darjah kebebasan yang begitu besar adalah tetap.

Sepuluh tahun lalu Jacques Lascar dari Balai Cerap Paris, dia membuat lebih seribu simulasi komputer tentang gerakan planet. Dalam setiap daripada mereka, keadaan awal berbeza tidak ketara. Pemodelan menunjukkan bahawa tiada yang lebih serius akan berlaku kepada kita dalam 40 juta tahun akan datang, tetapi kemudian dalam 1-2% kes ia mungkin ketidakstabilan lengkap sistem suria. Kami juga mempunyai 40 juta tahun ini untuk digunakan hanya dengan syarat beberapa tetamu yang tidak dijangka, faktor atau elemen baharu yang tidak diambil kira pada masa ini tidak muncul.

Pengiraan menunjukkan, sebagai contoh, bahawa dalam tempoh 5 bilion tahun orbit Mercury (planet pertama dari Matahari) akan berubah, terutamanya disebabkan oleh pengaruh Musytari. Ini mungkin membawa kepada Bumi berlanggar dengan Marikh atau Mercury betul-betul. Apabila kita memasukkan salah satu set data, setiap satu mengandungi 1,3 bilion tahun. Merkuri mungkin jatuh ke dalam Matahari. Dalam simulasi lain, ternyata selepas 820 juta tahun Marikh akan diusir dari sistem, dan selepas 40 juta tahun akan datang ke perlanggaran Mercury dan Venus.

Kajian tentang dinamik Sistem kami oleh Lascar dan pasukannya menganggarkan masa Lapunov (iaitu, tempoh di mana perjalanan proses tertentu boleh diramalkan dengan tepat) untuk keseluruhan Sistem pada 5 juta tahun.

Ternyata kesilapan hanya 1 km dalam menentukan kedudukan awal planet boleh meningkat kepada 1 unit astronomi dalam 95 juta tahun. Walaupun kami mengetahui data awal Sistem dengan ketepatan yang tinggi tetapi terhad, kami tidak akan dapat meramalkan kelakuannya untuk sebarang tempoh masa. Untuk mendedahkan masa depan Sistem, yang huru-hara, kita perlu mengetahui data asal dengan ketepatan yang tidak terhingga, yang mustahil.

Lebih-lebih lagi, kita tidak tahu pasti. jumlah tenaga sistem suria. Tetapi walaupun mengambil kira semua kesan, termasuk ukuran relativistik dan lebih tepat, kami tidak akan mengubah sifat huru-hara sistem suria dan tidak akan dapat meramalkan kelakuan dan keadaannya pada bila-bila masa.

Semua boleh berlaku

Jadi, sistem suria hanya huru-hara, itu sahaja. Kenyataan ini bermakna kita tidak boleh meramalkan trajektori Bumi melangkaui, katakan, 100 juta tahun. Sebaliknya, sistem suria sudah pasti kekal stabil sebagai struktur pada masa ini, kerana sisihan kecil parameter yang mencirikan laluan planet membawa kepada orbit yang berbeza, tetapi dengan sifat yang rapat. Jadi tidak mungkin ia akan runtuh dalam berbilion tahun akan datang.

Sudah tentu, mungkin telah disebutkan unsur-unsur baru yang tidak diambil kira dalam pengiraan di atas. Sebagai contoh, sistem mengambil masa 250 juta tahun untuk melengkapkan orbit di sekitar pusat galaksi Bima Sakti. Langkah ini ada akibatnya. Persekitaran angkasa yang berubah-ubah mengganggu keseimbangan halus antara Matahari dan objek lain. Ini, tentu saja, tidak boleh diramalkan, tetapi ia berlaku bahawa ketidakseimbangan sedemikian membawa kepada peningkatan kesan. aktiviti komet. Objek ini terbang ke arah matahari lebih kerap daripada biasa. Ini meningkatkan risiko perlanggaran mereka dengan Bumi.

Bintang selepas 4 juta tahun Glize 710 akan berada 1,1 tahun cahaya dari Matahari, berpotensi mengganggu orbit objek di dalamnya Awan Oort dan peningkatan kemungkinan komet berlanggar dengan salah satu planet dalam sistem suria.

Para saintis bergantung pada data sejarah dan, membuat kesimpulan statistik daripada mereka, meramalkan itu, mungkin dalam setengah juta tahun meteor melanda bumi 1 km diameter, menyebabkan malapetaka kosmik. Sebaliknya, dalam perspektif 100 juta tahun, meteorit dijangka jatuh dalam saiz yang setanding dengan yang menyebabkan kepupusan Cretaceous 65 juta tahun yang lalu.

Sehingga 500-600 juta tahun, anda perlu menunggu selama mungkin (sekali lagi, berdasarkan data dan statistik yang tersedia) kilat atau letupan hipertenaga supernova. Pada jarak sedemikian, sinaran boleh memberi kesan kepada lapisan ozon Bumi dan menyebabkan kepupusan besar-besaran serupa dengan kepupusan Ordovician - jika hanya hipotesis tentang ini adalah betul. Walau bagaimanapun, sinaran yang dipancarkan mesti diarahkan tepat ke Bumi supaya boleh menyebabkan sebarang kerosakan di sini.

Jadi mari kita bergembira dalam pengulangan dan penstabilan kecil dunia yang kita lihat dan di mana kita hidup. Matematik, statistik dan kebarangkalian membuatkan dia sibuk dalam jangka masa panjang. Nasib baik, perjalanan yang jauh ini jauh di luar jangkauan kami.