Nasza mała stabilizacja

Słońce zawsze wschodzi na wschodzie, pory roku zmieniają się regularnie, jest 365 lub 366 dni w roku, zimy są mroźne, lata ciepłe… Nudne. Ale cieszmy się tą nudą! Po pierwsze, to nie będzie trwało wiecznie. Po drugie, nasza mała stabilizacja jest tylko szczególnym i tymczasowym przypadkiem w chaotycznym Układzie Słonecznym jako całości.

Ruch planet, księżyców i wszystkich innych obiektów w Układzie Słonecznym wydaje się być uporządkowany i przewidywalny. Ale jeśli tak, jak wyjaśnisz wszystkie kratery, które widzimy na Księżycu i wiele ciał niebieskich w naszym systemie? Na Ziemi też jest ich dużo, ale ponieważ mamy atmosferę, a wraz z nią erozję, roślinność i wodę, nie widzimy gęstwiny ziemi tak wyraźnie, jak w innych miejscach.

Gdyby Układ Słoneczny składał się z wyidealizowanych punktów materialnych działających wyłącznie na zasadach newtonowskich, to znając dokładne pozycje i prędkości Słońca oraz wszystkich planet, moglibyśmy określić ich położenie w dowolnym momencie w przyszłości. Niestety, rzeczywistość różni się od zgrabnej dynamiki Newtona.

kosmiczny motyl

Wielki postęp nauk przyrodniczych rozpoczął się właśnie od prób opisu ciał kosmicznych. Decydujących odkryć wyjaśniających prawa ruchu planet dokonali „ojcowie założyciele” współczesnej astronomii, matematyki i fizyki - Kopernik, Galileo, Keplera i Newton. Jednak chociaż mechanika dwóch ciał niebieskich oddziałujących pod wpływem grawitacji jest dobrze znana, dodanie trzeciego obiektu (tzw. problem trzech ciał) komplikuje problem do tego stopnia, że ​​nie możemy go rozwiązać analitycznie.

Czy możemy przewidzieć ruch Ziemi, powiedzmy, miliard lat do przodu? Lub innymi słowy: czy układ słoneczny jest stabilny? Naukowcy od pokoleń próbują odpowiedzieć na to pytanie. Uzyskali pierwsze wyniki Piotr Szymon z Laplace i Józef Ludwik Lagrange, bez wątpienia sugeruje pozytywną odpowiedź.

Pod koniec XIX wieku rozwiązanie problemu stabilności Układu Słonecznego było jednym z największych wyzwań naukowych. król Szwecji Oskar II, ustanowił nawet specjalną nagrodę dla tego, kto rozwiąże ten problem. Uzyskał go w 1887 roku francuski matematyk Henri Poincaré. Jednak jego dowód, że metody perturbacyjne mogą nie prowadzić do prawidłowego rozwiązania, nie jest uważany za rozstrzygający.

Stworzył podstawy matematycznej teorii stabilności ruchu. Aleksander M. Łapunowktóry zastanawiał się, jak szybko zwiększa się w czasie odległość między dwiema bliskimi trajektoriami w układzie chaotycznym. Kiedy w drugiej połowie XX w. Edwarda Lorenza, meteorolog z Massachusetts Institute of Technology, zbudował uproszczony model zmiany pogody, który zależy tylko od dwunastu czynników, nie był bezpośrednio związany z ruchem ciał w Układzie Słonecznym. W swojej pracy z 1963 roku Edward Lorentz wykazał, że niewielka zmiana danych wejściowych powoduje zupełnie inne zachowanie systemu. Właściwość ta, nazwana później „efektem motyla”, okazała się charakterystyczna dla większości układów dynamicznych wykorzystywanych do modelowania różnych zjawisk w fizyce, chemii czy biologii.

Źródłem chaosu w układach dynamicznych są siły tego samego rzędu działające na kolejne ciała. Im więcej ciał w systemie, tym większy chaos. W Układzie Słonecznym, ze względu na ogromną dysproporcję mas wszystkich składników w stosunku do Słońca, oddziaływanie tych składników z gwiazdą jest dominujące, więc stopień chaosu wyrażony w wykładnikach Lapunowa nie powinien być duży. Ale też, zgodnie z obliczeniami Lorentza, nie powinna nas dziwić myśl o chaotycznej naturze Układu Słonecznego. Byłoby zaskakujące, gdyby układ o tak dużej liczbie stopni swobody był regularny.

Dziesięć lat temu Jakub Lascar z Obserwatorium Paryskiego wykonał ponad tysiąc komputerowych symulacji ruchu planet. W każdym z nich warunki początkowe różniły się nieznacznie. Modelowanie pokazuje, że nic poważniejszego nam się nie przydarzy w ciągu najbliższych 40 milionów lat, ale później w 1-2% przypadków może całkowita destabilizacja Układu Słonecznego. My też mamy do dyspozycji te 40 milionów lat tylko pod warunkiem, że nie pojawi się jakiś nieoczekiwany gość, czynnik lub nowy element, który nie jest w tej chwili brany pod uwagę.

Z obliczeń wynika np., że w ciągu 5 miliardów lat orbita Merkurego (pierwszej planety od Słońca) ulegnie zmianie, głównie pod wpływem Jowisza. Może to prowadzić do Zderzenie Ziemi z Marsem lub Merkurym Dokładnie. Kiedy wchodzimy do jednego ze zbiorów danych, każdy zawiera 1,3 miliarda lat. Merkury może spaść na Słońce. W innej symulacji okazało się, że po 820 milionach lat Mars zostanie usunięty z systemu, a po 40 milionach lat dojdzie do zderzenie Merkurego i Wenus.

Badanie dynamiki naszego Systemu przeprowadzone przez Lascara i jego zespół oszacowało czas Lapunowa (tj. okres, w którym można dokładnie przewidzieć przebieg danego procesu) dla całego Systemu na 5 milionów lat.

Okazuje się, że błąd zaledwie 1 km w określeniu początkowej pozycji planety może wzrosnąć do 1 jednostki astronomicznej w ciągu 95 milionów lat. Nawet gdybyśmy znali początkowe dane Układu z dowolnie dużą, ale skończoną dokładnością, nie bylibyśmy w stanie przewidzieć jego zachowania w dowolnym okresie czasu. Aby ujawnić przyszłość Systemu, który jest chaotyczny, musimy znać oryginalne dane z nieskończoną precyzją, co jest niemożliwe.

Co więcej, nie wiemy tego na pewno. całkowita energia układu słonecznego. Ale nawet biorąc pod uwagę wszystkie efekty, w tym relatywistyczne i dokładniejsze pomiary, nie zmienilibyśmy chaotycznej natury Układu Słonecznego i nie bylibyśmy w stanie przewidzieć jego zachowania i stanu w dowolnym momencie.

Wszystko może się zdarzyć

Układ słoneczny jest po prostu chaotyczny, to wszystko. To stwierdzenie oznacza, że ​​nie możemy przewidzieć trajektorii Ziemi poza, powiedzmy, 100 milionów lat. Z drugiej strony Układ Słoneczny pozostaje obecnie niewątpliwie strukturą stabilną, gdyż niewielkie odchylenia parametrów charakteryzujących tory torów planet prowadzą do różnych orbit, ale o zbliżonych właściwościach. Jest więc mało prawdopodobne, że zapadnie się w ciągu najbliższych miliardów lat.

Oczywiście mogą być już wspomniane nowe elementy, które nie są brane pod uwagę w powyższych obliczeniach. Na przykład system potrzebuje 250 milionów lat, aby zakończyć orbitę wokół centrum galaktyki Drogi Mlecznej. Ten ruch pociąga za sobą konsekwencje. Zmieniające się środowisko kosmiczne zakłóca delikatną równowagę między Słońcem a innymi obiektami. Tego oczywiście nie da się przewidzieć, ale zdarza się, że taka nierównowaga prowadzi do zwiększenia efektu. aktywność komety. Obiekty te lecą w kierunku słońca częściej niż zwykle. Zwiększa to ryzyko ich zderzenia z Ziemią.

Gwiazda po 4 milionach lat Glize 710 znajdzie się 1,1 roku świetlnego od Słońca, potencjalnie zaburzając orbity obiektów Chmura Oorta oraz wzrost prawdopodobieństwa zderzenia komety z jedną z wewnętrznych planet Układu Słonecznego.

Naukowcy opierają się na danych historycznych i wyciągając z nich wnioski statystyczne przewidują, że prawdopodobnie za pół miliona lat meteoryt uderzający w ziemię 1 km średnicy, powodując kosmiczną katastrofę. Z kolei w perspektywie 100 mln lat meteoryt ma spaść wielkości porównywalnej z tą, która spowodowała wymieranie kredy 65 mln lat temu.

Do 500-600 milionów lat trzeba czekać tak długo, jak to możliwe (znowu na podstawie dostępnych danych i statystyk) Lampa błyskowa Lub wybuch hiperenergii supernowej. Z tej odległości promienie mogłyby uderzyć w warstwę ozonową Ziemi i spowodować masowe wymieranie podobne do wymierania w ordowiku – jeśli tylko hipoteza na ten temat jest słuszna. Jednak emitowane promieniowanie musi być skierowane właśnie na Ziemię, aby mogło tu wyrządzić jakiekolwiek szkody.

Cieszmy się więc z powtarzalności i małej stabilizacji świata, który widzimy iw którym żyjemy. Matematyka, statystyka i rachunek prawdopodobieństwa zajmują go na dłuższą metę. Na szczęście ta długa podróż jest daleko poza naszym zasięgiem.