Mūsų mažas stabilizavimas

Saulė visada teka rytuose, metų laikai keičiasi reguliariai, per metus būna 365 ar 366 dienos, žiemos šaltos, vasaros šiltos... Nuobodu. Bet mėgaukimės šiuo nuoboduliu! Pirma, tai nesitęs amžinai. Antra, mūsų mažas stabilizavimas yra tik ypatingas ir laikinas atvejis visoje chaotiškoje saulės sistemoje.

Atrodo, kad planetų, mėnulių ir visų kitų Saulės sistemos objektų judėjimas yra tvarkingas ir nuspėjamas. Bet jei taip, kaip paaiškinti visus kraterius, kuriuos matome Mėnulyje, ir daugelį mūsų sistemos dangaus kūnų? Žemėje jų taip pat yra daug, bet kadangi turime atmosferą, o kartu su ja eroziją, augmeniją ir vandenį, žemės tankmę nematome taip aiškiai kaip kitose vietose.

Jei Saulės sistemą sudarytų idealizuoti materialūs taškai, veikiantys vien Niutono principais, tai žinodami tikslias Saulės ir visų planetų padėtis bei greičius, galėtume bet kada ateityje nustatyti jų vietą. Deja, tikrovė skiriasi nuo Niutono tvarkingos dinamikos.

kosminis drugelis

Didelė gamtos mokslų pažanga prasidėjo būtent nuo bandymų apibūdinti kosminius kūnus. Lemtingus atradimus, paaiškinančius planetų judėjimo dėsnius, padarė šiuolaikinės astronomijos, matematikos ir fizikos „tėvai įkūrėjai“ – Kopernikas, Galilėjus, Kepleris i Niutonas. Tačiau, nors dviejų dangaus kūnų, sąveikaujančių veikiant gravitacijai, mechanika yra gerai žinoma, trečiojo objekto pridėjimas (vadinamoji trijų kūnų problema) apsunkina problemą tiek, kad negalime jos išspręsti analitiškai.

Ar galime numatyti Žemės judėjimą, tarkime, milijardą metų į priekį? Arba, kitaip tariant: ar saulės sistema yra stabili? Į šį klausimą mokslininkai bandė atsakyti ištisas kartas. Pirmieji jų rezultatai Petras Simonas iš Laplasas i Juozapas Luisas Lagranžas, neabejotinai pasiūlė teigiamą atsakymą.

XNUMX amžiaus pabaigoje Saulės sistemos stabilumo problemos sprendimas buvo vienas didžiausių mokslo iššūkių. Švedijos karalius Oskaras II, jis netgi įsteigė specialų apdovanojimą tam, kuris sprendžia šią problemą. Jį 1887 metais gavo prancūzų matematikas Henri Poincare. Tačiau jo įrodymai, kad perturbacijos metodai gali neduoti tinkamo sprendimo, nėra laikomi įtikinamais.

Jis sukūrė matematinės judėjimo stabilumo teorijos pagrindus. Aleksandras M. Lapunovaskurie stebėjosi, kaip greitai atstumas tarp dviejų artimų trajektorijų chaotiškoje sistemoje laikui bėgant didėja. Kai XX amžiaus antroje pusėje. Edvardas Lorencas, Masačusetso technologijos instituto meteorologas, sukonstravo supaprastintą oro kaitos modelį, kuris priklauso tik nuo dvylikos faktorių, jis nebuvo tiesiogiai susijęs su kūnų judėjimu Saulės sistemoje. Savo 1963 m. darbe Edwardas Lorentzas parodė, kad nedidelis įvesties duomenų pasikeitimas sukelia visiškai kitokį sistemos elgesį. Ši savybė, vėliau žinoma kaip „drugelio efektas“, pasirodė būdinga daugumai dinaminių sistemų, naudojamų įvairiems fizikos, chemijos ar biologijos reiškiniams modeliuoti.

Chaoso šaltinis dinaminėse sistemose yra tos pačios eilės jėgos, veikiančios nuoseklius kūnus. Kuo daugiau kūnų sistemoje, tuo daugiau chaoso. Saulės sistemoje dėl didžiulės visų komponentų masių disproporcijos, palyginti su Saule, dominuoja šių komponentų sąveika su žvaigžde, todėl Liapunovo eksponentais išreikštas chaoso laipsnis neturėtų būti didelis. Tačiau taip pat, remiantis Lorentzo skaičiavimais, mūsų neturėtų stebinti mintis apie chaotišką Saulės sistemos prigimtį. Būtų keista, jei sistema su tokiu dideliu laisvės laipsnių skaičiumi būtų reguliari.

Prieš dešimt metų Žakas Laskaras iš Paryžiaus observatorijos jis atliko per tūkstantį kompiuterinių planetų judėjimo modeliavimų. Kiekvienoje iš jų pradinės sąlygos skyrėsi nežymiai. Modeliavimas rodo, kad per ateinančius 40 milijonų metų nieko rimtesnio mums nenutiks, tačiau vėliau 1-2% atvejų gali visiškas saulės sistemos destabilizavimas. Šiuos 40 milijonų metų irgi turime savo žinioje tik su sąlyga, kad neatsiras koks nors netikėtas svečias, veiksnys ar naujas elementas, į kurį šiuo metu neatsižvelgiama.

Pavyzdžiui, skaičiavimai rodo, kad per 5 milijardus metų Merkurijaus (pirmosios planetos nuo Saulės) orbita pasikeis, daugiausia dėl Jupiterio įtakos. Tai gali sukelti Žemė susidūrė su Marsu arba Merkurijumi tiksliai. Kai įvedame vieną iš duomenų rinkinių, kiekviename iš jų yra 1,3 milijardo metų. Merkurijus gali nukristi į Saulę. Kito modeliavimo metu paaiškėjo, kad po 820 mln Marsas bus išmestas iš sistemos, o po 40 milijonų metų ateis Merkurijaus ir Veneros susidūrimas.

Mūsų sistemos dinamikos tyrimas, kurį atliko Lascaras ir jo komanda, apskaičiavo, kad Lapunovo laikas (ty laikotarpis, per kurį galima tiksliai numatyti tam tikro proceso eigą) visai Sistemai yra 5 milijonai metų.

Pasirodo, tik 1 km paklaida, nustatant pradinę planetos padėtį, per 1 milijonus metų gali padidėti iki 95 astronominio vieneto. Net jei ir žinotume savavališkai dideliu, bet baigtiniu tikslumu pradinius Sistemos duomenis, negalėtume numatyti jos elgsenos kuriam laikui. Norėdami atskleisti sistemos ateitį, kuri yra chaotiška, turime žinoti pirminius duomenis be galo tiksliai, o tai neįmanoma.

Be to, mes tiksliai nežinome. visos saulės sistemos energijos. Tačiau net ir atsižvelgdami į visus padarinius, įskaitant reliatyvistinius ir tikslesnius matavimus, nepakeistume Saulės sistemos chaotiškumo ir negalėtume nuspėti jos elgesio bei būsenos bet kuriuo metu.

Visko gali nutikti

Taigi, saulės sistema yra tiesiog chaotiška, tai viskas. Šis teiginys reiškia, kad negalime numatyti Žemės trajektorijos toliau, tarkime, po 100 milijonų metų. Kita vertus, Saulės sistema kaip struktūra šiuo metu neabejotinai išlieka stabili, nes nedideli planetų kelius apibūdinančių parametrų nuokrypiai veda į skirtingas, bet artimas savybes turinčias orbitas. Taigi mažai tikėtina, kad jis žlugs per ateinančius milijardus metų.

Žinoma, gali būti jau minėtų naujų elementų, į kuriuos neatsižvelgiama atliekant minėtus skaičiavimus. Pavyzdžiui, sistemai reikia 250 milijonų metų, kad užbaigtų orbitą aplink Paukščių Tako galaktikos centrą. Šis žingsnis turi pasekmių. Besikeičianti erdvės aplinka sutrikdo subtilią pusiausvyrą tarp Saulės ir kitų objektų. To, žinoma, negalima nuspėti, tačiau pasitaiko, kad toks disbalansas padidina poveikį. kometos veikla. Šie objektai dažniau nei įprastai skrenda link saulės. Tai padidina jų susidūrimo su Žeme riziką.

Žvaigždė po 4 milijonų metų Gliese 710 bus 1,1 šviesmečio nuo Saulės, todėl gali sutrikti objektų orbitos Oorto debesis ir kometos susidūrimo su viena iš vidinių Saulės sistemos planetų tikimybės padidėjimas.

Mokslininkai remiasi istoriniais duomenimis ir, darydami iš jų statistines išvadas, prognozuoja, kad tikriausiai po pusės milijono metų meteoras atsitrenkė į žemę 1 km skersmens, sukeldamas kosminę katastrofą. Savo ruožtu 100 milijonų metų perspektyvoje tikimasi, kad meteoritas nukris tokio dydžio, koks buvo kreidos periodo išnykimas prieš 65 milijonus metų.

Iki 500-600 milijonų metų reikia laukti kuo ilgiau (vėlgi, remiantis turimais duomenimis ir statistika) blykstė arba supernovos hiperenergijos sprogimas. Esant tokiam atstumui, spinduliai gali paveikti Žemės ozono sluoksnį ir sukelti masinį išnykimą, panašų į Ordoviko išnykimą – jei tik hipotezė apie tai yra teisinga. Tačiau skleidžiama spinduliuotė turi būti nukreipta būtent į Žemę, kad čia būtų galima padaryti kokią nors žalą.

Tad džiaukimės pasaulio, kurį matome ir kuriame gyvename, pasikartojimu ir mažu stabilizavimu. Matematika, statistika ir tikimybės ilgainiui jį užsiima. Laimei, ši ilga kelionė mums toli nepasiekiama.