Vår lille stabilisering

Solen står alltid opp i øst, årstidene skifter regelmessig, det er 365 eller 366 dager i året, vintrene er kalde, somrene er varme... Kjedelig. Men la oss nyte denne kjedsomheten! For det første vil det ikke vare evig. For det andre er vår lille stabilisering bare et spesielt og midlertidig tilfelle i det kaotiske solsystemet som helhet.

Bevegelsen til planetene, månene og alle andre objekter i solsystemet ser ut til å være ryddig og forutsigbar. Men i så fall, hvordan forklarer du alle kratrene vi ser på Månen og mange av himmellegemene i systemet vårt? Det er mange av dem på jorden også, men siden vi har en atmosfære, og med den erosjon, vegetasjon og vann, ser vi ikke jordkrattet like tydelig som andre steder.

Hvis solsystemet besto av idealiserte materielle punkter som utelukkende opererte på Newtonske prinsipper, så, ved å vite de nøyaktige posisjonene og hastighetene til Solen og alle planetene, kunne vi bestemme deres plassering når som helst i fremtiden. Dessverre skiller virkeligheten seg fra Newtons pene dynamikk.

romsommerfugl

Naturvitenskapens store fremskritt begynte nettopp med forsøk på å beskrive kosmiske kropper. De avgjørende oppdagelsene som forklarer lovene for planetarisk bevegelse ble gjort av "grunnleggerne" til moderne astronomi, matematikk og fysikk - Copernicus, Galileo, Kepler i Newton. Men selv om mekanikken til to himmellegemer som samhandler under påvirkning av tyngdekraften er velkjent, kompliserer tilsetningen av et tredje objekt (det såkalte trekroppsproblemet) problemet til det punktet at vi ikke kan løse det analytisk.

Kan vi forutsi jordens bevegelse, for eksempel en milliard år fremover? Eller med andre ord: er solsystemet stabilt? Forskere har forsøkt å svare på dette spørsmålet i generasjoner. De første resultatene de fikk Peter Simon fra Laplace i Joseph Louis Lagrange, foreslo uten tvil et positivt svar.

På slutten av XNUMXth århundre var løsningen av problemet med stabiliteten til solsystemet en av de største vitenskapelige utfordringene. konge av Sverige Oscar II, etablerte han til og med en spesiell pris for den som løser dette problemet. Den ble oppnådd i 1887 av den franske matematikeren Henri Poincaré. Imidlertid anses hans bevis for at forstyrrelsesmetoder kanskje ikke fører til riktig oppløsning ikke avgjørende.

Han skapte grunnlaget for den matematiske teorien om bevegelsesstabilitet. Alexander M. Lapunovsom lurte på hvor raskt avstanden mellom to nære baner i et kaotisk system øker med tiden. Da i andre halvdel av det tjuende århundre. Edward Lorenz, en meteorolog ved Massachusetts Institute of Technology, bygget en forenklet modell av værforandringer som bare avhenger av tolv faktorer, den var ikke direkte relatert til bevegelsen av kropper i solsystemet. I sin artikkel fra 1963 viste Edward Lorenz at en liten endring i inndataene forårsaker en helt annen oppførsel av systemet. Denne egenskapen, senere kjent som "sommerfugleffekten", viste seg å være typisk for de fleste dynamiske systemer som brukes til å modellere ulike fenomener innen fysikk, kjemi eller biologi.

Kilden til kaos i dynamiske systemer er krefter av samme orden som virker på påfølgende kropper. Jo flere kropper i systemet, jo mer kaos. I solsystemet, på grunn av den enorme misforholdet i massene til alle komponentene sammenlignet med solen, er interaksjonen mellom disse komponentene med stjernen dominerende, så graden av kaos uttrykt i Lyapunov-eksponenter bør ikke være stor. Men også, ifølge Lorentz sine beregninger, bør vi ikke bli overrasket over tanken på solsystemets kaotiske natur. Det ville være overraskende om et system med et så stort antall frihetsgrader var regelmessig.

Ti år siden Jacques Lascar fra Paris-observatoriet laget han over tusen datasimuleringer av planetarisk bevegelse. I hver av dem skilte de opprinnelige betingelsene seg ubetydelig. Modellering viser at ingenting mer alvorlig vil skje med oss ​​i løpet av de neste 40 millioner årene, men senere i 1-2 % av tilfellene kan det fullstendig destabilisering av solsystemet. Vi har også disse 40 millioner årene til rådighet kun under forutsetning av at en uventet gjest, faktor eller nytt element som ikke er tatt i betraktning for øyeblikket ikke dukker opp.

Beregninger viser for eksempel at innen 5 milliarder år vil banen til Merkur (den første planeten fra Solen) endre seg, hovedsakelig på grunn av Jupiters påvirkning. Dette kan føre til Jorden kolliderer med Mars eller Merkur nøyaktig. Når vi går inn i et av datasettene, inneholder hvert enkelt 1,3 milliarder år. Merkur kan falle ned i solen. I en annen simulering viste det seg at etter 820 millioner år Mars vil bli utvist fra systemet, og etter 40 millioner år vil komme til kollisjon mellom Merkur og Venus.

En studie av dynamikken i systemet vårt av Lascar og teamet hans estimerte Lapunov-tiden (dvs. perioden hvor forløpet av en gitt prosess kan forutsies nøyaktig) for hele systemet til 5 millioner år.

Det viser seg at en feil på bare 1 km ved å bestemme den opprinnelige posisjonen til planeten kan øke til 1 astronomisk enhet om 95 millioner år. Selv om vi kjente de første dataene til systemet med en vilkårlig høy, men begrenset nøyaktighet, ville vi ikke være i stand til å forutsi oppførselen for noen tidsperiode. For å avsløre fremtiden til systemet, som er kaotisk, må vi kjenne de originale dataene med uendelig presisjon, noe som er umulig.

Dessuten vet vi ikke sikkert. solsystemets totale energi. Men selv om vi tar i betraktning alle effektene, inkludert relativistiske og mer nøyaktige målinger, ville vi ikke endre den kaotiske naturen til solsystemet og ville ikke være i stand til å forutsi dets oppførsel og tilstand til enhver tid.

Alt kan skje

Så solsystemet er bare kaotisk, det er alt. Denne uttalelsen betyr at vi ikke kan forutsi jordens bane utover for eksempel 100 millioner år. På den annen side forblir solsystemet utvilsomt stabilt som struktur for øyeblikket, siden små avvik i parameterne som karakteriserer banene til planetene fører til forskjellige baner, men med nære egenskaper. Så det er usannsynlig at det vil kollapse i løpet av de neste milliarder av år.

Selvfølgelig kan det allerede være nevnt nye elementer som ikke er tatt med i beregningene ovenfor. For eksempel tar systemet 250 millioner år å fullføre en bane rundt sentrum av Melkeveien. Dette grepet får konsekvenser. Det skiftende rommiljøet forstyrrer den delikate balansen mellom solen og andre objekter. Dette kan selvfølgelig ikke forutsies, men det hender at en slik ubalanse fører til en økning i effekten. kometaktivitet. Disse gjenstandene flyr mot solen oftere enn vanlig. Dette øker risikoen for deres kollisjon med jorden.

Stjerne etter 4 millioner år Gliese 710 vil være 1,1 lysår fra solen, og potensielt forstyrre banene til objekter i Oort-skyen og en økning i sannsynligheten for at en komet kolliderer med en av de indre planetene i solsystemet.

Forskere stoler på historiske data, og trekker statistiske konklusjoner fra dem, forutsier at trolig om en halv million år meteor som treffer bakken 1 km i diameter, forårsaker en kosmisk katastrofe. I sin tur, i et perspektiv på 100 millioner år, forventes en meteoritt å falle i størrelse som kan sammenlignes med den som forårsaket utryddelsen av kritt for 65 millioner år siden.

Opp til 500-600 millioner år må du vente så lenge som mulig (igjen, basert på tilgjengelige data og statistikk) blits eller supernova hyperenergieksplosjon. På en slik avstand kan strålene påvirke jordens ozonlag og forårsake en masseutryddelse som ligner på Ordovicium-utryddelsen – hvis bare hypotesen om dette er riktig. Imidlertid må den utsendte strålingen rettes presist mot jorden for å kunne forårsake skade her.

Så la oss glede oss over gjentagelsen og den lille stabiliseringen av verden som vi ser og som vi lever i. Matematikk, statistikk og sannsynlighet holder ham opptatt i det lange løp. Heldigvis er denne lange reisen langt utenfor vår rekkevidde.