Наша маленькая стабилизация

Солнце всегда встает на востоке, времена года регулярно меняются, в году 365 или 366 дней, зима холодная, лето теплое… Скучно. Но давайте наслаждаться этой скукой! Во-первых, это не будет длиться вечно. Во-вторых, наша небольшая стабилизация — всего лишь частный и временный случай в хаотической солнечной системе в целом.

Движение планет, лун и всех других объектов Солнечной системы кажется упорядоченным и предсказуемым. Но если это так, как вы объясните все кратеры, которые мы видим на Луне, и многие небесные тела в нашей системе? На Земле их тоже много, но поскольку у нас есть атмосфера, а с ней эрозия, растительность и вода, мы не видим земную чащу так ясно, как в других местах.

Если бы Солнечная система состояла из идеализированных материальных точек, действующих исключительно по ньютоновским принципам, то, зная точные положения и скорости Солнца и всех планет, мы могли бы определить их местонахождение в любое время в будущем. К сожалению, реальность отличается от аккуратной динамики Ньютона.

Космическая бабочка

Великий прогресс естествознания начался именно с попыток описания космических тел. Решающие открытия, объясняющие законы движения планет, были сделаны «отцами-основателями» современной астрономии, математики и физики — Коперник, Галилео, Кеплера i Ньютон. Однако, хотя механика двух небесных тел, взаимодействующих под действием силы тяжести, хорошо известна, добавление третьего объекта (так называемая задача трех тел) усложняет задачу до такой степени, что мы не можем решить ее аналитически.

Можем ли мы предсказать движение Земли, скажем, на миллиард лет вперед? Или, другими словами: стабильна ли Солнечная система? Ученые на протяжении многих поколений пытались ответить на этот вопрос. Первые результаты, которые они получили Питер Саймон из Лаплас i Джозеф Луи Лагранжа, несомненно, предполагал положительный ответ.

В конце XNUMX века решение проблемы устойчивости Солнечной системы было одной из величайших научных задач. король Швеции, Оскар II, он даже учредил специальную награду тому, кто решит эту задачу. Он был получен в 1887 году французским математиком Анри Пуанкаре. Однако его свидетельство того, что методы возмущения могут не привести к правильному разрешению, не считается окончательным.

Он создал основы математической теории устойчивости движения. Александр М. Лапуновкто задавался вопросом, как быстро расстояние между двумя близкими траекториями в хаотической системе увеличивается с течением времени. Когда во второй половине ХХ в. Эдвард Лоренц, метеоролог из Массачусетского технологического института, построил упрощенную модель изменения погоды, зависящую только от двенадцати факторов, она не была непосредственно связана с движением тел в Солнечной системе. В своей работе 1963 года Эдвард Лоренц показал, что небольшое изменение исходных данных вызывает совершенно другое поведение системы. Это свойство, впоследствии известное как «эффект бабочки», оказалось типичным для большинства динамических систем, используемых для моделирования различных явлений в физике, химии или биологии.

Источником хаоса в динамических системах являются силы одного порядка, действующие на последовательные тела. Чем больше тел в системе, тем больше хаос. В Солнечной системе из-за огромной диспропорции масс всех компонентов по сравнению с Солнцем взаимодействие этих компонентов со звездой является доминирующим, поэтому степень хаотичности, выражаемая в показателях Ляпунова, не должна быть большой. Но также, по расчетам Лоренца, нас не должна удивлять мысль о хаотической природе Солнечной системы. Было бы удивительно, если бы система с таким большим числом степеней свободы была регулярной.

Десять лет назад Жак Ласкар из Парижской обсерватории он сделал более тысячи компьютерных симуляций движения планет. В каждом из них начальные условия различались незначительно. Моделирование показывает, что в ближайшие 40 миллионов лет ничего более серьезного с нами не произойдет, но позже в 1-2% случаев может полная дестабилизация Солнечной системы. В нашем распоряжении тоже эти 40 миллионов лет только при условии, что не появится какой-то неожиданный гость, фактор или новый элемент, не учитываемый в данный момент.

Расчеты показывают, например, что в течение 5 миллиардов лет изменится орбита Меркурия (первой планеты от Солнца), в основном из-за влияния Юпитера. Это может привести к столкновение Земли с Марсом или Меркурием точно. Когда мы вводим один из наборов данных, каждый из них содержит 1,3 миллиарда лет. Меркурий может упасть на Солнце. В другом моделировании оказалось, что через 820 млн лет Марс будет изгнан из Системы, а через 40 миллионов лет придет к столкновение Меркурия и Венеры.

Исследование динамики нашей Системы Ласкаром и его командой оценило Лапуновское время (т.е. период, в течение которого можно точно предсказать ход данного процесса) для всей Системы в 5 миллионов лет.

Получается, что погрешность всего в 1 км в определении начального положения планеты может возрасти до 1 астрономической единицы через 95 миллионов лет. Даже если бы мы знали начальные данные Системы со сколь угодно высокой, но конечной точностью, мы не смогли бы предсказать ее поведение на любой отрезок времени. Чтобы раскрыть будущее Системы, которая хаотична, нам нужно знать исходные данные с бесконечной точностью, что невозможно.

Кроме того, мы точно не знаем полная энергия Солнечной системы. Но даже при учете всех эффектов, включая релятивистские и более точные измерения, мы не изменили бы хаотическую природу Солнечной системы и не смогли бы предсказать ее поведение и состояние в любой момент времени.

Все может случиться

Итак, Солнечная система просто хаотична, и все. Это утверждение означает, что мы не можем предсказать траекторию Земли дальше, скажем, 100 миллионов лет. С другой стороны, Солнечная система, несомненно, остается в данный момент устойчивой как структура, поскольку малые отклонения параметров, характеризующих пути планет, приводят к различным орбитам, но с близкими свойствами. Так что вряд ли он рухнет в ближайшие миллиарды лет.

Конечно, могут быть уже упомянутые новые элементы, которые не учитываются в приведенных выше расчетах. Например, системе требуется 250 миллионов лет, чтобы совершить оборот вокруг центра галактики Млечный Путь. Этот шаг имеет последствия. Меняющаяся космическая среда приводит к нарушению хрупкого равновесия между Солнцем и другими объектами. Это, конечно, нельзя предсказать, но бывает, что такой дисбаланс приводит к усилению эффекта. активность комет. Эти объекты летят к солнцу чаще, чем обычно. Это увеличивает риск их столкновения с Землей.

Звезда через 4 миллиона лет Глизе 710 будет на расстоянии 1,1 светового года от Солнца, потенциально нарушая орбиты объектов в Облоку Оорта и увеличение вероятности столкновения кометы с одной из внутренних планет Солнечной системы.

Ученые опираются на исторические данные и, делая из них статистические выводы, предсказывают, что, вероятно, через полмиллиона лет метеор упадет на землю 1 км в диаметре, вызвав космическую катастрофу. В свою очередь, в перспективе 100 миллионов лет ожидается падение метеорита по размерам, сравнимым с тем, что вызвало меловое вымирание 65 миллионов лет назад.

До 500-600 млн лет приходится ждать как можно дольше (опять же исходя из имеющихся данных и статистики) вспышка Lub гиперэнергетический взрыв сверхновой. На таком расстоянии лучи могли бы воздействовать на озоновый слой Земли и вызвать массовое вымирание, подобное ордовикскому вымиранию, — если только гипотеза об этом верна. Однако испускаемое излучение должно быть направлено именно на Землю, чтобы иметь возможность нанести здесь какой-либо ущерб.

Так давайте радоваться повторению и малой стабилизации мира, который мы видим и в котором живем. Математика, статистика и вероятность не дают ему скучать в долгосрочной перспективе. К счастью, этот долгий путь далеко за пределами нашей досягаемости.