Vores lille stabilisering

Solen står altid op i øst, årstiderne skifter regelmæssigt, der er 365 eller 366 dage om året, vintrene er kolde, somrene er varme... Kedeligt. Men lad os nyde denne kedsomhed! For det første vil det ikke vare evigt. For det andet er vores lille stabilisering kun et særligt og midlertidigt tilfælde i det kaotiske solsystem som helhed.

Bevægelsen af ​​planeterne, månerne og alle andre objekter i solsystemet ser ud til at være velordnet og forudsigelig. Men hvis ja, hvordan forklarer du så alle de kratere, vi ser på Månen og mange af himmellegemerne i vores system? Dem er der også rigtig mange af på Jorden, men da vi har en atmosfære, og med den erosion, vegetation og vand, ser vi ikke jordkrattet så tydeligt som andre steder.

Hvis solsystemet bestod af idealiserede materielle punkter, der udelukkende fungerede efter Newtonske principper, så kunne vi, ved at kende Solens og alle planeternes nøjagtige positioner og hastigheder, bestemme deres placering til enhver tid i fremtiden. Desværre adskiller virkeligheden sig fra Newtons pæne dynamik.

rumsommerfugl

Naturvidenskabens store fremskridt begyndte netop med forsøg på at beskrive kosmiske legemer. De afgørende opdagelser, der forklarer lovene for planetarisk bevægelse, blev gjort af "grundlæggerne" af moderne astronomi, matematik og fysik - Copernicus, Galileo, Kepler i Newton. Men selvom mekanikken i to himmellegemer, der interagerer under påvirkning af tyngdekraften, er velkendt, komplicerer tilføjelsen af ​​et tredje objekt (det såkaldte tre-legeme-problem) problemet til det punkt, hvor vi ikke kan løse det analytisk.

Kan vi forudsige Jordens bevægelse, f.eks. en milliard år frem? Eller med andre ord: er solsystemet stabilt? Forskere har forsøgt at besvare dette spørgsmål i generationer. De første resultater fik de Peter Simon fra Laplace i Joseph Louis Lagrange, foreslog uden tvivl et positivt svar.

I slutningen af ​​det XNUMX. århundrede var løsningen af ​​problemet med solsystemets stabilitet en af ​​de største videnskabelige udfordringer. konge af Sverige Oscar II, oprettede han endda en særlig pris til den, der løser dette problem. Det blev opnået i 1887 af den franske matematiker Henri Poincaré. Hans beviser for, at forstyrrelsesmetoder muligvis ikke fører til korrekt opløsning, anses dog ikke for afgørende.

Han skabte grundlaget for den matematiske teori om bevægelsesstabilitet. Alexander M. Lapunovder undrede sig over, hvor hurtigt afstanden mellem to tætte baner i et kaotisk system stiger med tiden. Da i anden halvdel af det tyvende århundrede. Edward Lorenz, en meteorolog ved Massachusetts Institute of Technology, byggede en forenklet model af vejrændringer, der kun afhænger af tolv faktorer, den var ikke direkte relateret til bevægelser af kroppe i solsystemet. I sit papir fra 1963 viste Edward Lorentz, at en lille ændring i inputdataene forårsager en helt anden opførsel af systemet. Denne egenskab, senere kendt som "sommerfugleeffekten", viste sig at være typisk for de fleste dynamiske systemer, der bruges til at modellere forskellige fænomener inden for fysik, kemi eller biologi.

Kilden til kaos i dynamiske systemer er kræfter af samme orden, der virker på successive kroppe. Jo flere kroppe i systemet, jo mere kaos. I solsystemet er vekselvirkningen mellem disse komponenter og stjernen dominerende på grund af den enorme misforhold i masserne af alle komponenter i forhold til Solen, så graden af ​​kaos udtrykt i Lyapunov-eksponenter bør ikke være stor. Men også, ifølge Lorentz' beregninger, bør vi ikke blive overrasket over tanken om solsystemets kaotiske natur. Det ville være overraskende, hvis et system med et så stort antal frihedsgrader var regulært.

Ti år siden Jacques Lascar fra Paris Observatory lavede han over tusind computersimuleringer af planetarisk bevægelse. I hver af dem adskilte de oprindelige betingelser sig ubetydeligt. Modellering viser, at der ikke vil ske noget mere alvorligt for os i de næste 40 millioner år, men senere i 1-2 % af tilfældene kan det fuldstændig destabilisering af solsystemet. Vi har også disse 40 millioner år til vores rådighed kun på betingelse af, at der ikke dukker en uventet gæst op, en faktor eller et nyt element, der ikke tages i betragtning i øjeblikket.

Beregninger viser for eksempel, at inden for 5 milliarder år vil Merkurs (den første planet fra Solen) kredsløb ændre sig, primært på grund af Jupiters indflydelse. Dette kan føre til Jorden kolliderer med Mars eller Merkur Nemlig. Når vi indtaster et af datasættene, indeholder hvert et 1,3 milliarder år. Kviksølv kan falde ned i Solen. I en anden simulering viste det sig, at efter 820 millioner år Mars vil blive fordrevet fra systemet, og efter 40 millioner år vil komme til kollision mellem Merkur og Venus.

En undersøgelse af dynamikken i vores system af Lascar og hans team estimerede Lapunov-tiden (dvs. den periode, hvor forløbet af en given proces kan forudsiges nøjagtigt) for hele systemet til 5 millioner år.

Det viser sig, at en fejl på kun 1 km ved bestemmelse af planetens begyndelsesposition kan stige til 1 astronomisk enhed om 95 millioner år. Selv hvis vi kendte systemets indledende data med en vilkårligt høj, men begrænset nøjagtighed, ville vi ikke være i stand til at forudsige dets opførsel i nogen tidsperiode. For at afsløre fremtiden for systemet, som er kaotisk, er vi nødt til at kende de originale data med uendelig præcision, hvilket er umuligt.

Desuden ved vi det ikke med sikkerhed. solsystemets samlede energi. Men selv under hensyntagen til alle virkningerne, inklusive relativistiske og mere nøjagtige målinger, ville vi ikke ændre solsystemets kaotiske natur og ville ikke være i stand til at forudsige dets adfærd og tilstand på et givet tidspunkt.

Alt kan ske

Så solsystemet er bare kaotisk, det er alt. Denne udtalelse betyder, at vi ikke kan forudsige Jordens bane ud over f.eks. 100 millioner år. På den anden side forbliver solsystemet utvivlsomt stabilt som struktur i øjeblikket, da små afvigelser af parametrene, der karakteriserer planeternes veje, fører til forskellige baner, men med tætte egenskaber. Så det er usandsynligt, at det vil kollapse i de næste milliarder af år.

Der kan naturligvis allerede være nævnt nye elementer, som ikke er taget højde for i ovenstående beregninger. For eksempel tager systemet 250 millioner år at fuldføre et kredsløb omkring centrum af Mælkevejsgalaksen. Dette skridt har konsekvenser. Det skiftende rummiljø forstyrrer den delikate balance mellem Solen og andre objekter. Dette kan selvfølgelig ikke forudsiges, men det sker, at en sådan ubalance fører til en stigning i effekten. komet aktivitet. Disse objekter flyver mod solen oftere end normalt. Dette øger risikoen for deres kollision med Jorden.

Stjerne efter 4 millioner år Glide 710 vil være 1,1 lysår fra Solen, hvilket potentielt forstyrrer kredsløbene for objekter i Oort sky og en stigning i sandsynligheden for, at en komet kolliderer med en af ​​de indre planeter i solsystemet.

Forskere stoler på historiske data, og ved at drage statistiske konklusioner fra dem forudsiger de, at sandsynligvis om en halv million år meteor rammer jorden 1 km i diameter, hvilket forårsager en kosmisk katastrofe. Til gengæld forventes en meteorit i et perspektiv på 100 millioner år at falde i størrelse, der kan sammenlignes med den, der forårsagede Kridt-udryddelsen for 65 millioner år siden.

Op til 500-600 millioner år skal du vente så længe som muligt (igen, baseret på de tilgængelige data og statistikker) blitz eller supernova hyperenergieksplosion. På denne afstand kunne strålerne påvirke Jordens ozonlag og forårsage en masseudryddelse svarende til den ordoviciske udryddelse - hvis blot hypotesen om dette er korrekt. Den udsendte stråling skal dog rettes præcist mod Jorden for at kunne forvolde skade her.

Så lad os glæde os over den gentagelse og lille stabilisering af den verden, vi ser, og som vi lever i. Matematik, statistik og sandsynlighed holder ham beskæftiget i det lange løb. Heldigvis er denne lange rejse langt uden for vores rækkevidde.