A mi kis stabilizációnk

A nap mindig keleten kel fel, az évszakok rendszeresen változnak, 365 vagy 366 nap van egy évben, a tél hideg, a nyár meleg… Unalmas. De élvezzük ezt az unalmat! Először is, ez nem tart örökké. Másodszor, a mi kis stabilizációnk csak egy különleges és átmeneti eset a kaotikus Naprendszer egészében.

A bolygók, holdak és minden más objektum mozgása a Naprendszerben rendezettnek és kiszámíthatónak tűnik. De ha igen, hogyan magyarázza meg az összes krátert, amelyet a Holdon látunk, és sok égitestet rendszerünkben? A Földön is nagyon sok van belőlük, de mivel légkörünk van, és vele együtt erózió, növényzet és víz, nem látjuk olyan tisztán a földbozótot, mint máshol.

Ha a Naprendszer kizárólag newtoni elvek alapján működő idealizált anyagi pontokból állna, akkor a Nap és az összes bolygó pontos helyzetének és sebességének ismeretében a jövőben bármikor meghatározhatnánk azok elhelyezkedését. Sajnos a valóság eltér Newton ügyes dinamikájától.

űrlepke

A természettudomány nagy előrehaladása éppen a kozmikus testek leírására tett kísérletekkel kezdődött. A bolygómozgás törvényeit magyarázó döntő felfedezéseket a modern csillagászat, matematika és fizika "alapító atyái" tették - Kopernikusz, Galilei, Kepler i Newton. Bár a gravitáció hatására kölcsönhatásba lépő két égitest mechanikája jól ismert, egy harmadik objektum hozzáadása (az úgynevezett háromtest-probléma) odáig bonyolítja a problémát, hogy analitikusan nem tudjuk megoldani.

Megjósolhatjuk a Föld mozgását mondjuk egymilliárd évre előre? Vagy más szóval: stabil a naprendszer? A tudósok generációk óta próbálják megválaszolni ezt a kérdést. Az első eredmények, amiket kaptak Simon Péter tól Laplace i Lajos József Lagrange, kétségtelenül pozitív választ javasolt.

A XNUMX. század végén a Naprendszer stabilitásának problémájának megoldása volt az egyik legnagyobb tudományos kihívás. svéd király Oscar II, még különdíjat is alapított annak, aki ezt a problémát megoldja. 1887-ben szerezte meg egy francia matematikus Henri Poincaré. Arra vonatkozó bizonyítéka azonban, hogy a perturbációs módszerek esetleg nem vezetnek megfelelő felbontáshoz, nem tekinthetők meggyőzőnek.

Ő teremtette meg a mozgásstabilitás matematikai elméletének alapjait. Alekszandr M. Lapunovaki azon töprengett, hogy egy kaotikus rendszerben milyen gyorsan növekszik az idő előrehaladtával a távolság két közeli pálya között. Amikor a huszadik század második felében. Edward Lorenz, a Massachusetts Institute of Technology meteorológusa az időjárás változásának leegyszerűsített modelljét építette fel, amely mindössze tizenkét tényezőtől függ, nem állt közvetlenül kapcsolatban a naprendszerben lévő testek mozgásával. Edward Lorenz 1963-as cikkében kimutatta, hogy a bemeneti adatok kis változása a rendszer teljesen más viselkedését okozza. Ez a tulajdonság, amelyet később "pillangó-effektusként" ismertek, jellemzőnek bizonyult a legtöbb dinamikus rendszerre, amelyet különféle fizika, kémia vagy biológia jelenségeinek modellezésére használnak.

A dinamikus rendszerekben a káosz forrása az egymást követő testekre ható azonos rendű erők. Minél több test van a rendszerben, annál nagyobb a káosz. A Naprendszerben az összes komponens tömegének a Naphoz viszonyított hatalmas aránytalansága miatt ezeknek az összetevőknek a csillaggal való kölcsönhatása a domináns, így a Ljapunov-kitevökben kifejezett káosz mértéke nem lehet nagy. De Lorentz számításai szerint sem kell meglepődnünk a Naprendszer kaotikus természetének gondolatán. Meglepő lenne, ha egy ilyen nagy számú szabadságfokkal rendelkező rendszer szabályos lenne.

Tíz éve Jacques Lascar a Párizsi Obszervatóriumból több mint ezer számítógépes szimulációt készített a bolygómozgásról. Mindegyikben a kezdeti feltételek jelentéktelen mértékben különböztek egymástól. A modellezés azt mutatja, hogy a következő 40 millió évben semmi komolyabb nem fog történni velünk, de később az esetek 1-2%-ában előfordulhat a naprendszer teljes destabilizálása. Ez a 40 millió év is csak azzal a feltétellel áll rendelkezésünkre, ha nem jelenik meg valamilyen váratlan vendég, tényező vagy új elem, amit jelenleg nem vettek figyelembe.

A számítások azt mutatják például, hogy 5 milliárd éven belül a Merkúr (az első bolygó a Naptól) pályája megváltozik, elsősorban a Jupiter hatására. Ez oda vezethet Föld ütközik a Marssal vagy a Merkúrral pontosan. Amikor beírjuk az egyik adatkészletet, mindegyik 1,3 milliárd évet tartalmaz. A Merkúr a Napba eshet. Egy másik szimulációban kiderült, hogy 820 millió év után A Mars kiszorul a rendszerből, és 40 millió év múlva el fog jönni Merkúr és Vénusz ütközése.

A rendszerünk dinamikájáról Lascar és csapata által készített tanulmány a Lapunov-időt (azaz azt az időszakot, amely alatt egy adott folyamat lefolyása pontosan megjósolható) az egész rendszerre 5 millió évre becsülte.

Kiderült, hogy a bolygó kiindulási helyzetének meghatározásában a mindössze 1 km-es hiba 1 millió év alatt 95 csillagászati ​​egységre nőhet. Még ha tetszőlegesen nagy, de véges pontossággal ismernénk is a Rendszer kezdeti adatait, akkor sem tudnánk megjósolni a viselkedését egy ideig. A rendszer kaotikus jövőjének feltárásához végtelen pontossággal kell ismernünk az eredeti adatokat, ami lehetetlen.

Ráadásul nem tudjuk biztosan. a naprendszer teljes energiája. De még az összes hatást, beleértve a relativisztikus és pontosabb méréseket is, nem változtatnánk meg a Naprendszer kaotikus jellegén, és nem tudnánk megjósolni egy adott időpontban a viselkedését és állapotát.

Minden megtörténhet

Szóval, a Naprendszer egyszerűen kaotikus, ennyi. Ez az állítás azt jelenti, hogy nem tudjuk megjósolni a Föld pályáját mondjuk 100 millió éven túl. Ezzel szemben a Naprendszer kétségtelenül jelenleg is szerkezetileg stabil marad, hiszen a bolygók útját jellemző paraméterek kis eltérései eltérő, de közeli tulajdonságokkal rendelkező pályákra vezetnek. Így nem valószínű, hogy a következő évmilliárdokban összeomlik.

Természetesen előfordulhatnak már említett új elemek, amelyeket a fenti számítások nem vesznek figyelembe. Például a rendszernek 250 millió évre van szüksége ahhoz, hogy a Tejút-galaxis közepe körül keringjen. Ennek a lépésnek következményei vannak. A változó térkörnyezet felborítja a Nap és más objektumok kényes egyensúlyát. Ezt természetesen nem lehet megjósolni, de előfordul, hogy egy ilyen egyensúlyhiány a hatás fokozódásához vezet. üstökös tevékenység. Ezek a tárgyak a szokásosnál gyakrabban repülnek a nap felé. Ez növeli a Földdel való ütközés kockázatát.

Csillag 4 millió év után Glize 710 1,1 fényévnyire lesz a Naptól, ami megzavarhatja az objektumok pályáját Az Oort-felhő és növeli annak a valószínűségét, hogy egy üstökös ütközik a Naprendszer egyik belső bolygójával.

A tudósok történelmi adatokra támaszkodnak, és statisztikai következtetéseket vonva le belőlük azt jósolják, hogy valószínűleg félmillió év múlva földet érő meteor 1 km átmérőjű, kozmikus katasztrófát okozva. Ezzel szemben 100 millió év távlatában egy meteorit várhatóan akkora zuhanást jelent, mint a 65 millió évvel ezelőtti kréta kihalást okozó meteorit.

Akár 500-600 millió évig is várni kell, ameddig csak lehet (ismét a rendelkezésre álló adatok és statisztikák alapján) vaku vagy szupernóva-hiperenergia-robbanás. Ilyen távolságban a sugarak a Föld ózonrétegére csaphatnak, és az ordovíciumi kihaláshoz hasonló tömeges kihalást okozhatnak – ha csak az erről szóló hipotézis igaz. A kibocsátott sugárzásnak azonban pontosan a Földre kell irányulnia, hogy itt bármiféle kárt tudjon okozni.

Örüljünk hát annak a világnak, amit látunk és amelyben élünk, ismétlődésének és kis stabilizálódásának. A matematika, a statisztika és a valószínűségek hosszú távon elfoglalják. Szerencsére ez a hosszú út messze túlmutat rajtunk.