Naša malá stabilizácia

Slnko vždy vychádza na východe, ročné obdobia sa pravidelne menia, v roku je 365 alebo 366 dní, zimy sú chladné, letá teplé... Nuda. Ale užime si túto nudu! Po prvé, nebude to trvať večne. Po druhé, naša malá stabilizácia je len zvláštny a dočasný prípad v chaotickej slnečnej sústave ako celku.

Pohyb planét, mesiacov a všetkých ostatných objektov v slnečnej sústave sa zdá byť usporiadaný a predvídateľný. Ale ak áno, ako vysvetlíte všetky krátery, ktoré vidíme na Mesiaci, a mnohé z nebeských telies v našej sústave? Aj na Zemi je ich veľa, no keďže máme atmosféru a s ňou aj eróziu, vegetáciu a vodu, nevidíme zemskú húštinu tak jasne ako na iných miestach.

Ak by slnečná sústava pozostávala z idealizovaných hmotných bodov fungujúcich výlučne na newtonovských princípoch, potom, keď poznáme presné polohy a rýchlosti Slnka a všetkých planét, môžeme kedykoľvek v budúcnosti určiť ich polohu. Bohužiaľ, realita sa líši od Newtonovej úhľadnej dynamiky.

vesmírny motýľ

Veľký pokrok prírodnej vedy začal práve pokusmi o opis kozmických telies. Rozhodujúce objavy vysvetľujúce zákony pohybu planét urobili "otcovia zakladatelia" modernej astronómie, matematiky a fyziky - Copernicus, Galileo, Kepler i newton. Hoci je však mechanika dvoch nebeských telies interagujúcich pod vplyvom gravitácie dobre známa, pridanie tretieho objektu (tzv. problém troch telies) skomplikuje problém natoľko, že ho nedokážeme analyticky vyriešiť.

Dokážeme predpovedať pohyb Zeme povedzme na miliardu rokov dopredu? Alebo inými slovami: je slnečná sústava stabilná? Na túto otázku sa vedci pokúšali odpovedať už celé generácie. Dosiahli prvé výsledky Peter Simon z Laplace i Jozefa Louisa Lagrange, nepochybne navrhol kladnú odpoveď.

Na konci XNUMX storočia bolo riešenie problému stability slnečnej sústavy jednou z najväčších vedeckých výziev. švédsky kráľ Oscar II, dokonca založil špeciálnu cenu pre toho, kto tento problém rieši. Získal ho v roku 1887 francúzsky matematik Henri Poincare. Jeho dôkazy, že rušivé metódy nemusia viesť k správnemu riešeniu, sa však nepovažujú za presvedčivé.

Vytvoril základy matematickej teórie pohybovej stability. Alexander M. Lapunovktorý sa čudoval, ako rýchlo sa časom zväčšuje vzdialenosť medzi dvoma blízkymi trajektóriami v chaotickom systéme. Keď v druhej polovici XX. Edward Lorenz, meteorológ z Massachusettského technologického inštitútu, zostrojil zjednodušený model zmeny počasia, ktorý závisí len od dvanástich faktorov, nesúvisel priamo s pohybom telies v slnečnej sústave. Edward Lorenz vo svojom článku z roku 1963 ukázal, že malá zmena vo vstupných údajoch spôsobuje úplne iné správanie systému. Táto vlastnosť, neskôr známa ako „motýľový efekt“, sa ukázala ako typická pre väčšinu dynamických systémov používaných na modelovanie rôznych javov vo fyzike, chémii alebo biológii.

Zdrojom chaosu v dynamických systémoch sú sily rovnakého rádu pôsobiace na po sebe nasledujúce telesá. Čím viac tiel v systéme, tým väčší chaos. V Slnečnej sústave je v dôsledku obrovského nepomeru hmotností všetkých zložiek v porovnaní so Slnkom dominantná interakcia týchto zložiek s hviezdou, takže miera chaosu vyjadrená v Ljapunovových exponentoch by nemala byť veľká. Ale tiež by nás podľa Lorentzových výpočtov nemala prekvapiť myšlienka na chaotickú povahu slnečnej sústavy. Bolo by prekvapujúce, keby systém s takým veľkým počtom stupňov voľnosti bol regulárny.

Pred desiatimi rokmi Jacques Lascar z parížskeho observatória urobil viac ako tisíc počítačových simulácií pohybu planét. V každom z nich sa počiatočné podmienky nevýznamne líšili. Modelovanie ukazuje, že v najbližších 40 miliónoch rokov sa nám nič vážnejšie nestane, no neskôr v 1 – 2 % prípadov môže úplná destabilizácia slnečnej sústavy. Aj týchto 40 miliónov rokov máme k dispozícii len za podmienky, že sa neobjaví nejaký nečakaný hosť, faktor alebo nový prvok, s ktorým sa momentálne nepočíta.

Výpočty napríklad ukazujú, že do 5 miliárd rokov sa dráha Merkúra (prvej planéty od Slnka) zmení najmä vplyvom Jupitera. To môže viesť k Zrážka Zeme s Marsom alebo Merkúrom presne tak. Keď zadáme jeden zo súborov údajov, každý obsahuje 1,3 miliardy rokov. Ortuť môže spadnúť do Slnka. V inej simulácii sa ukázalo, že po 820 miliónoch rokov Mars bude vylúčený zo systémua po 40 miliónoch rokov príde k kolízia Merkúra a Venuše.

Štúdia dynamiky nášho Systému od Lascara a jeho tímu odhadla Lapunov čas (teda obdobie, počas ktorého sa dá presne predpovedať priebeh daného procesu) pre celý Systém na 5 miliónov rokov.

Ukazuje sa, že chyba len 1 km pri určovaní počiatočnej polohy planéty sa môže zvýšiť na 1 astronomickú jednotku za 95 miliónov rokov. Aj keby sme poznali počiatočné údaje Systému s ľubovoľne vysokou, no konečnou presnosťou, nedokázali by sme predpovedať jeho správanie na žiadne časové obdobie. Aby sme odhalili budúcnosť Systému, ktorý je chaotický, musíme poznať pôvodné údaje s nekonečnou presnosťou, čo je nemožné.

Navyše to nevieme s istotou. celková energia slnečnej sústavy. Ale aj s prihliadnutím na všetky vplyvy, vrátane relativistických a presnejších meraní, by sme nezmenili chaotickú povahu slnečnej sústavy a nedokázali by sme predpovedať jej správanie a stav v danom čase.

Všetko sa môže stať

Takže slnečná sústava je len chaotická, to je všetko. Toto tvrdenie znamená, že nemôžeme predpovedať dráhu Zeme za povedzme 100 miliónov rokov. Na druhej strane slnečná sústava v súčasnosti nepochybne zostáva stabilná ako štruktúra, pretože malé odchýlky parametrov charakterizujúcich dráhy planét vedú k rôznym obežným dráham, ale s blízkymi vlastnosťami. Je teda nepravdepodobné, že sa v najbližších miliardách rokov zrúti.

Samozrejme, môžu existovať nové prvky, ktoré už boli spomenuté, ktoré nie sú zohľadnené vo vyššie uvedených výpočtoch. Napríklad, systém trvá 250 miliónov rokov, kým dokončí obežnú dráhu okolo stredu galaxie Mliečna dráha. Tento krok má dôsledky. Meniace sa vesmírne prostredie narúša jemnú rovnováhu medzi Slnkom a ostatnými objektmi. To sa, samozrejme, nedá predvídať, no stáva sa, že takáto nerovnováha vedie k zvýšeniu účinku. aktivita komét. Tieto objekty lietajú smerom k slnku častejšie ako zvyčajne. To zvyšuje riziko ich kolízie so Zemou.

Hviezda po 4 miliónoch rokov Glize 710 bude 1,1 svetelného roka od Slnka, čo môže narušiť obežné dráhy objektov v Oortov oblak a zvýšenie pravdepodobnosti zrážky kométy s jednou z vnútorných planét slnečnej sústavy.

Vedci sa spoliehajú na historické údaje a na základe štatistických záverov z nich predpovedajú, že pravdepodobne o pol milióna rokov meteor dopadajúci na zem 1 km v priemere, čo spôsobilo kozmickú katastrofu. Na druhej strane sa očakáva, že v perspektíve 100 miliónov rokov bude meteorit klesať vo veľkosti porovnateľnej s tou, ktorá spôsobila vyhynutie kriedy pred 65 miliónmi rokov.

Až 500-600 miliónov rokov, musíte čakať čo najdlhšie (opäť na základe dostupných údajov a štatistík) blesk alebo hyperenergetický výbuch supernovy. V takejto vzdialenosti by lúče mohli zasiahnuť ozónovú vrstvu Zeme a spôsobiť hromadné vymieranie podobné ordovickému vymieraniu – ak je len hypotéza o tomto správna. Vyžarované žiarenie však musí smerovať presne na Zem, aby tu mohlo spôsobiť nejaké škody.

Radujme sa teda z opakovania a malej stabilizácie sveta, ktorý vidíme a v ktorom žijeme. Matematika, štatistika a pravdepodobnosť ho zamestnávajú z dlhodobého hľadiska. Našťastie je táto dlhá cesta ďaleko za našimi možnosťami.