Η μικρή μας σταθεροποίηση

Ο ήλιος ανατέλλει πάντα στην ανατολή, οι εποχές αλλάζουν τακτικά, υπάρχουν 365 ή 366 ημέρες το χρόνο, οι χειμώνες είναι κρύοι, τα καλοκαίρια είναι ζεστά… Βαρετό. Ας απολαύσουμε όμως αυτή την πλήξη! Πρώτον, δεν θα διαρκέσει για πάντα. Δεύτερον, η μικρή μας σταθεροποίηση είναι μόνο μια ειδική και προσωρινή περίπτωση στο χαοτικό ηλιακό σύστημα συνολικά.

Η κίνηση των πλανητών, των φεγγαριών και όλων των άλλων αντικειμένων στο ηλιακό σύστημα φαίνεται να είναι τακτική και προβλέψιμη. Αλλά αν ναι, πώς εξηγείτε όλους τους κρατήρες που βλέπουμε στη Σελήνη και πολλά από τα ουράνια σώματα στο σύστημά μας; Υπάρχουν πολλά από αυτά στη Γη, αλλά επειδή έχουμε μια ατμόσφαιρα, και μαζί της διάβρωση, βλάστηση και νερό, δεν βλέπουμε τη γη να πυκνώνει τόσο καθαρά όσο σε άλλα μέρη.

Εάν το ηλιακό σύστημα αποτελούνταν από εξιδανικευμένα υλικά σημεία που λειτουργούσαν αποκλειστικά με βάση τις Νευτώνειες αρχές, τότε, γνωρίζοντας τις ακριβείς θέσεις και ταχύτητες του Ήλιου και όλων των πλανητών, θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε τη θέση τους ανά πάσα στιγμή στο μέλλον. Δυστυχώς, η πραγματικότητα διαφέρει από την τακτοποιημένη δυναμική του Νεύτωνα.

διαστημική πεταλούδα

Η μεγάλη πρόοδος της φυσικής επιστήμης ξεκίνησε ακριβώς με τις προσπάθειες περιγραφής των κοσμικών σωμάτων. Οι αποφασιστικές ανακαλύψεις που εξηγούν τους νόμους της κίνησης των πλανητών έγιναν από τους «ιδρυτές» της σύγχρονης αστρονομίας, των μαθηματικών και της φυσικής - Κοπέρνικος, Γαλιλαίος, Κέπλερ i Νιούτον. Ωστόσο, αν και η μηχανική δύο ουράνιων σωμάτων που αλληλεπιδρούν υπό την επίδραση της βαρύτητας είναι γνωστή, η προσθήκη ενός τρίτου αντικειμένου (το λεγόμενο πρόβλημα των τριών σωμάτων) περιπλέκει το πρόβλημα σε σημείο που δεν μπορούμε να το λύσουμε αναλυτικά.

Μπορούμε να προβλέψουμε την κίνηση της Γης, ας πούμε, ένα δισεκατομμύριο χρόνια μπροστά; Ή, με άλλα λόγια: είναι το ηλιακό σύστημα σταθερό; Οι επιστήμονες προσπάθησαν να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα εδώ και γενιές. Τα πρώτα αποτελέσματα που πήραν Peter Simon από Laplace i Τζόζεφ Λούις Λαγκράντζ, αναμφίβολα πρότεινε μια θετική απάντηση.

Στα τέλη του XNUMXου αιώνα, η επίλυση του προβλήματος της σταθερότητας του ηλιακού συστήματος ήταν μια από τις μεγαλύτερες επιστημονικές προκλήσεις. βασιλιάς της Σουηδίας Όσκαρ Β', καθιέρωσε μάλιστα και ειδικό βραβείο για αυτόν που λύνει αυτό το πρόβλημα. Αποκτήθηκε το 1887 από τον Γάλλο μαθηματικό Ανρί Πουανκαρέ. Ωστόσο, οι αποδείξεις του ότι οι μέθοδοι διαταραχής μπορεί να μην οδηγούν σε σωστή ανάλυση δεν θεωρούνται πειστικές.

Δημιούργησε τα θεμέλια της μαθηματικής θεωρίας της ευστάθειας κίνησης. Alexander M. Lapunovπου αναρωτήθηκε πόσο γρήγορα αυξάνεται η απόσταση μεταξύ δύο κοντινών τροχιών σε ένα χαοτικό σύστημα με το χρόνο. Όταν στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα. Έντουαρντ Λόρεντζ, μετεωρολόγος στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, κατασκεύασε ένα απλοποιημένο μοντέλο αλλαγής του καιρού που εξαρτάται μόνο από δώδεκα παράγοντες, δεν είχε άμεση σχέση με την κίνηση των σωμάτων στο ηλιακό σύστημα. Στην εργασία του το 1963, ο Edward Lorentz έδειξε ότι μια μικρή αλλαγή στα δεδομένα εισόδου προκαλεί μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά του συστήματος. Αυτή η ιδιότητα, αργότερα γνωστή ως «φαινόμενο της πεταλούδας», αποδείχθηκε ότι είναι τυπική των περισσότερων δυναμικών συστημάτων που χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση διαφόρων φαινομένων στη φυσική, τη χημεία ή τη βιολογία.

Η πηγή του χάους στα δυναμικά συστήματα είναι δυνάμεις της ίδιας τάξης που δρουν σε διαδοχικά σώματα. Όσο περισσότερα σώματα στο σύστημα, τόσο περισσότερο χάος. Στο Ηλιακό Σύστημα, λόγω της τεράστιας δυσαναλογίας στις μάζες όλων των συστατικών σε σύγκριση με τον Ήλιο, η αλληλεπίδραση αυτών των συστατικών με το αστέρι είναι κυρίαρχη, επομένως ο βαθμός χάους που εκφράζεται στους εκθέτες Lyapunov δεν πρέπει να είναι μεγάλος. Αλλά επίσης, σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Lorentz, δεν πρέπει να μας εκπλήσσει η σκέψη της χαοτικής φύσης του ηλιακού συστήματος. Θα ήταν περίεργο αν ένα σύστημα με τόσο μεγάλο αριθμό βαθμών ελευθερίας ήταν κανονικό.

Δέκα χρόνια πριν Ζακ Λασκάρ από το Αστεροσκοπείο του Παρισιού, έκανε πάνω από χίλιες προσομοιώσεις πλανητικής κίνησης σε υπολογιστή. Σε καθένα από αυτά οι αρχικές συνθήκες διέφεραν ασήμαντα. Το μόντελινγκ δείχνει ότι τίποτα πιο σοβαρό δεν θα μας συμβεί στα επόμενα 40 εκατομμύρια χρόνια, αλλά αργότερα σε 1-2% των περιπτώσεων μπορεί πλήρης αποσταθεροποίηση του ηλιακού συστήματος. Έχουμε επίσης αυτά τα 40 εκατομμύρια χρόνια στη διάθεσή μας μόνο με την προϋπόθεση να μην εμφανιστεί κάποιος απρόσμενος καλεσμένος, ένας παράγοντας ή ένα νέο στοιχείο που δεν λαμβάνεται υπόψη αυτή τη στιγμή.

Οι υπολογισμοί δείχνουν, για παράδειγμα, ότι μέσα σε 5 δισεκατομμύρια χρόνια η τροχιά του Ερμή (του πρώτου πλανήτη από τον Ήλιο) θα αλλάξει, κυρίως λόγω της επιρροής του Δία. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε Η γη σε σύγκρουση με τον Άρη ή τον Ερμή ακριβώς. Όταν εισάγουμε ένα από τα σύνολα δεδομένων, το καθένα περιέχει 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια. Ο υδράργυρος μπορεί να πέσει στον Ήλιο. Σε άλλη προσομοίωση, αποδείχθηκε ότι μετά από 820 εκατομμύρια χρόνια Ο Άρης θα αποβληθεί από το σύστημα, και μετά από 40 εκατομμύρια χρόνια θα έρθει σε σύγκρουση Ερμή και Αφροδίτης.

Μια μελέτη της δυναμικής του συστήματός μας από τον Lascar και την ομάδα του υπολόγισε τον χρόνο Lapunov (δηλαδή, την περίοδο κατά την οποία η πορεία μιας δεδομένης διαδικασίας μπορεί να προβλεφθεί με ακρίβεια) για ολόκληρο το Σύστημα σε 5 εκατομμύρια χρόνια.

Αποδεικνύεται ότι ένα σφάλμα μόλις 1 km στον προσδιορισμό της αρχικής θέσης του πλανήτη μπορεί να αυξηθεί σε 1 αστρονομική μονάδα σε 95 εκατομμύρια χρόνια. Ακόμα κι αν γνωρίζαμε τα αρχικά δεδομένα του Συστήματος με αυθαίρετα υψηλή, αλλά πεπερασμένη ακρίβεια, δεν θα μπορούσαμε να προβλέψουμε τη συμπεριφορά του για κανένα χρονικό διάστημα. Για να αποκαλύψουμε το μέλλον του Συστήματος, το οποίο είναι χαοτικό, πρέπει να γνωρίζουμε τα αρχικά δεδομένα με άπειρη ακρίβεια, κάτι που είναι αδύνατο.

Επιπλέον, δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα. συνολική ενέργεια του ηλιακού συστήματος. Αλλά ακόμη και αν λάβουμε υπόψη όλα τα αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένων των σχετικιστικών και πιο ακριβών μετρήσεων, δεν θα αλλάξαμε τη χαοτική φύση του ηλιακού συστήματος και δεν θα μπορούσαμε να προβλέψουμε τη συμπεριφορά και την κατάστασή του σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή.

Οτιδήποτε μπορεί να συμβεί

Έτσι, το ηλιακό σύστημα είναι απλώς χαοτικό, αυτό είναι όλο. Αυτή η δήλωση σημαίνει ότι δεν μπορούμε να προβλέψουμε την τροχιά της Γης πέρα ​​από, ας πούμε, 100 εκατομμύρια χρόνια. Από την άλλη, το ηλιακό σύστημα παραμένει αναμφίβολα σταθερό ως δομή αυτή τη στιγμή, αφού μικρές αποκλίσεις των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τις διαδρομές των πλανητών οδηγούν σε διαφορετικές τροχιές, αλλά με κοντινές ιδιότητες. Άρα είναι απίθανο να καταρρεύσει τα επόμενα δισεκατομμύρια χρόνια.

Φυσικά, μπορεί να έχουν ήδη αναφερθεί νέα στοιχεία που δεν λαμβάνονται υπόψη στους παραπάνω υπολογισμούς. Για παράδειγμα, το σύστημα χρειάζεται 250 εκατομμύρια χρόνια για να ολοκληρώσει μια τροχιά γύρω από το κέντρο του γαλαξία του Γαλαξία. Αυτή η κίνηση έχει συνέπειες. Το μεταβαλλόμενο διαστημικό περιβάλλον διαταράσσει τη λεπτή ισορροπία μεταξύ του Ήλιου και άλλων αντικειμένων. Αυτό, φυσικά, δεν μπορεί να προβλεφθεί, αλλά συμβαίνει ότι μια τέτοια ανισορροπία οδηγεί σε αύξηση του αποτελέσματος. δραστηριότητα κομήτη. Αυτά τα αντικείμενα πετούν προς τον ήλιο πιο συχνά από το συνηθισμένο. Αυτό αυξάνει τον κίνδυνο σύγκρουσής τους με τη Γη.

Αστέρι μετά από 4 εκατομμύρια χρόνια Glide 710 θα απέχει 1,1 έτη φωτός από τον Ήλιο, διαταράσσοντας πιθανώς τις τροχιές των αντικειμένων μέσα σύννεφο Oort και αύξηση της πιθανότητας σύγκρουσης ενός κομήτη με έναν από τους εσωτερικούς πλανήτες του ηλιακού συστήματος.

Οι επιστήμονες βασίζονται σε ιστορικά δεδομένα και, βγάζοντας στατιστικά συμπεράσματα από αυτά, προβλέπουν ότι, πιθανώς σε μισό εκατομμύριο χρόνια μετεωρίτης που χτυπά στο έδαφος 1 km σε διάμετρο, προκαλώντας κοσμική καταστροφή. Με τη σειρά του, στην προοπτική των 100 εκατομμυρίων ετών, ένας μετεωρίτης αναμένεται να μειωθεί σε μέγεθος συγκρίσιμο με αυτό που προκάλεσε την εξαφάνιση του Κρητιδικού 65 εκατομμύρια χρόνια πριν.

Έως 500-600 εκατομμύρια χρόνια, πρέπει να περιμένετε όσο το δυνατόν περισσότερο (και πάλι, με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα και στατιστικά στοιχεία) λάμψη Lub υπερενεργειακή έκρηξη σουπερνόβα. Σε αυτή την απόσταση, οι ακτίνες θα μπορούσαν να προσκρούσουν στο στρώμα του όζοντος της Γης και να προκαλέσουν μια μαζική εξαφάνιση παρόμοια με την εξαφάνιση της Ορδοβικιανής - αν μόνο η υπόθεση για αυτό είναι σωστή. Ωστόσο, η εκπεμπόμενη ακτινοβολία πρέπει να κατευθύνεται ακριβώς στη Γη για να μπορεί να προκαλέσει οποιαδήποτε ζημιά εδώ.

Ας χαρούμε λοιπόν την επανάληψη και τη μικρή σταθεροποίηση του κόσμου που βλέπουμε και στον οποίο ζούμε. Τα μαθηματικά, τα στατιστικά και οι πιθανότητες τον κρατούν απασχολημένο μακροπρόθεσμα. Ευτυχώς, αυτό το μακρύ ταξίδι είναι πολύ πέρα ​​από τις δυνατότητές μας.