Mica noastră stabilizare

Soarele răsare mereu în est, anotimpurile se schimbă regulat, sunt 365 sau 366 de zile pe an, iernile sunt reci, verile sunt calde... Plictisitor. Dar să ne bucurăm de această plictiseală! În primul rând, nu va dura pentru totdeauna. În al doilea rând, mica noastră stabilizare este doar un caz special și temporar în sistemul solar haotic în ansamblu.

Mișcarea planetelor, a lunilor și a tuturor celorlalte obiecte din sistemul solar pare să fie ordonată și previzibilă. Dar dacă da, cum explicați toate craterele pe care le vedem pe Lună și multe dintre corpurile cerești din sistemul nostru? Sunt foarte multe și pe Pământ, dar din moment ce avem o atmosferă și, odată cu ea, eroziune, vegetație și apă, nu vedem desișul de pământ la fel de clar ca în alte locuri.

Dacă sistemul solar ar consta din puncte materiale idealizate care funcționează exclusiv pe principii newtoniene, atunci, cunoscând pozițiile și vitezele exacte ale Soarelui și ale tuturor planetelor, am putea determina locația acestora în orice moment în viitor. Din păcate, realitatea diferă de dinamica îngrijită a lui Newton.

fluture spațial

Marele progres al științelor naturale a început tocmai cu încercările de a descrie corpurile cosmice. Descoperirile decisive care explică legile mișcării planetare au fost făcute de „părinții fondatori” ai astronomiei, matematicii și fizicii moderne - Copernic, Galileo, Kepler i Newton. Cu toate acestea, deși mecanica a două corpuri cerești care interacționează sub influența gravitației este binecunoscută, adăugarea unui al treilea obiect (așa-numita problemă a trei corpuri) complică problema până la punctul în care nu o putem rezolva analitic.

Putem prezice mișcarea Pământului, să zicem, cu un miliard de ani înainte? Sau, cu alte cuvinte: sistemul solar este stabil? Oamenii de știință au încercat să răspundă la această întrebare timp de generații. Primele rezultate pe care le-au obținut Peter Simon de la Laplace i Joseph Louis Lagrange, a sugerat fără îndoială un răspuns pozitiv.

La sfârșitul secolului al XNUMX-lea, rezolvarea problemei stabilității sistemului solar a fost una dintre cele mai mari provocări științifice. rege al Suediei Oscar II, a stabilit chiar și un premiu special pentru cel care rezolvă această problemă. A fost obținut în 1887 de către matematicianul francez Henri Poincaré. Cu toate acestea, dovada lui că metodele de perturbare ar putea să nu conducă la o rezoluție corectă nu este considerată concludentă.

El a creat bazele teoriei matematice a stabilității mișcării. Alexandru M. Lapunovcare s-a întrebat cât de repede crește distanța dintre două traiectorii apropiate într-un sistem haotic. Când în a doua jumătate a secolului al XX-lea. Edward Lorenz, un meteorolog la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, a construit un model simplificat de schimbare a vremii care depinde doar de doisprezece factori, nefiind legat direct de mișcarea corpurilor în sistemul solar. În lucrarea sa din 1963, Edward Lorentz a arătat că o mică modificare a datelor de intrare determină un comportament complet diferit al sistemului. Această proprietate, cunoscută mai târziu sub numele de „efectul fluture”, s-a dovedit a fi tipică pentru majoritatea sistemelor dinamice utilizate pentru modelarea diferitelor fenomene din fizică, chimie sau biologie.

Sursa haosului în sistemele dinamice sunt forțele de același ordin care acționează asupra corpurilor succesive. Cu cât sunt mai multe corpuri în sistem, cu atât mai mult haos. În Sistemul Solar, din cauza disproporției uriașe a maselor tuturor componentelor față de Soare, interacțiunea acestor componente cu steaua este dominantă, astfel încât gradul de haos exprimat în exponenții Lyapunov nu ar trebui să fie mare. Dar, de asemenea, conform calculelor lui Lorentz, nu ar trebui să fim surprinși de gândul la natura haotică a sistemului solar. Ar fi surprinzător dacă un sistem cu un număr atât de mare de grade de libertate ar fi regulat.

Acum zece ani Jacques Lascar de la Observatorul din Paris, a realizat peste o mie de simulări pe computer ale mișcării planetare. În fiecare dintre ele, condițiile inițiale diferă nesemnificativ. Modelarea arată că nimic mai grav nu ni se va întâmpla în următorii 40 de milioane de ani, dar mai târziu, în 1-2% din cazuri, se poate întâmpla. destabilizarea completă a sistemului solar. Avem și acești 40 de milioane de ani la dispoziție doar cu condiția să nu apară vreun invitat neașteptat, factor sau element nou care nu este luat în considerare momentan.

Calculele arată, de exemplu, că în 5 miliarde de ani orbita lui Mercur (prima planetă de la Soare) se va schimba, în principal din cauza influenței lui Jupiter. Acest lucru poate duce la Pământul se ciocnește cu Marte sau Mercur exact. Când introducem unul dintre seturile de date, fiecare conține 1,3 miliarde de ani. Mercur poate cădea în Soare. Într-o altă simulare, s-a dovedit că după 820 de milioane de ani Marte va fi expulzat din sistem, iar după 40 de milioane de ani va veni la ciocnirea lui Mercur cu Venus.

Un studiu al dinamicii sistemului nostru de către Lascar și echipa sa a estimat timpul Lapunov (adică, perioada în care cursul unui proces dat poate fi prezis cu precizie) pentru întregul Sistem la 5 milioane de ani.

Se dovedește că o eroare de numai 1 km în determinarea poziției inițiale a planetei poate crește la 1 unitate astronomică în 95 de milioane de ani. Chiar dacă am cunoaște datele inițiale ale Sistemului cu o precizie arbitrar de mare, dar finită, nu am fi capabili să-i prezicem comportamentul pentru nicio perioadă de timp. Pentru a dezvălui viitorul Sistemului, care este haotic, trebuie să cunoaștem datele originale cu o precizie infinită, ceea ce este imposibil.

În plus, nu știm sigur. energia totală a sistemului solar. Dar chiar și luând în considerare toate efectele, inclusiv măsurători relativiste și mai precise, nu am schimba natura haotică a sistemului solar și nu am putea prezice comportamentul și starea acestuia la un moment dat.

Orice se poate întâmpla

Deci, sistemul solar este pur și simplu haotic, asta-i tot. Această afirmație înseamnă că nu putem prezice traiectoria Pământului dincolo de, să zicem, 100 de milioane de ani. Pe de altă parte, sistemul solar rămâne, fără îndoială, stabil ca structură în acest moment, deoarece micile abateri ale parametrilor care caracterizează traseele planetelor duc la orbite diferite, dar cu proprietăți apropiate. Deci, este puțin probabil să se prăbușească în următoarele miliarde de ani.

Desigur, pot exista elemente noi deja menționate care nu sunt luate în considerare în calculele de mai sus. De exemplu, sistemul durează 250 de milioane de ani pentru a finaliza o orbită în jurul centrului galaxiei Calea Lactee. Această mișcare are consecințe. Mediul spațial în schimbare perturbă echilibrul delicat dintre Soare și alte obiecte. Acest lucru, desigur, nu poate fi prezis, dar se întâmplă ca un astfel de dezechilibru să ducă la o creștere a efectului. activitatea cometelor. Aceste obiecte zboară spre soare mai des decât de obicei. Acest lucru crește riscul de coliziune a acestora cu Pământul.

Steaua după 4 milioane de ani Gliese 710 va fi la 1,1 ani lumină de Soare, putând perturba orbitele obiectelor în Norul Oort și o creștere a probabilității ca o cometă să se ciocnească cu una dintre planetele interioare ale sistemului solar.

Oamenii de știință se bazează pe date istorice și, trăgând concluzii statistice din acestea, prevăd că, probabil, într-o jumătate de milion de ani meteor care lovește pământul 1 km în diametru, provocând o catastrofă cosmică. La rândul său, în perspectiva a 100 de milioane de ani, se așteaptă ca un meteorit să scadă în dimensiune comparabilă cu cea care a cauzat dispariția Cretacicului acum 65 de milioane de ani.

Până la 500-600 de milioane de ani, trebuie să așteptați cât mai mult posibil (din nou, pe baza datelor și statisticilor disponibile) flash sau explozie de hiperenergie supernova. La o asemenea distanță, razele ar putea impacta stratul de ozon al Pământului și ar putea provoca o extincție în masă similară cu cea a ordovicianului - dacă doar ipoteza despre aceasta este corectă. Cu toate acestea, radiațiile emise trebuie direcționate precis către Pământ pentru a putea provoca orice daune aici.

Așa că să ne bucurăm de repetarea și mica stabilizare a lumii pe care o vedem și în care trăim. Matematica, statistica și probabilitatea îl țin ocupat pe termen lung. Din fericire, această călătorie lungă este cu mult dincolo de atingerea noastră.