Naša mala stabilizacija

Sunce uvijek izlazi na istoku, godišnja doba se redovito mijenjaju, ima 365 ili 366 dana u godini, zime su hladne, ljeta topla... Dosadno. Ali uživajmo u ovoj dosadi! Prvo, to neće trajati zauvijek. Drugo, naša mala stabilizacija samo je poseban i privremeni slučaj u kaotičnom Sunčevom sustavu u cjelini.

Čini se da je kretanje planeta, mjeseca i svih drugih objekata u Sunčevom sustavu uredno i predvidljivo. Ali ako je tako, kako objašnjavate sve kratere koje vidimo na Mjesecu i mnoga nebeska tijela u našem sustavu? Ima ih puno i na Zemlji, ali budući da imamo atmosferu, a s njom eroziju, vegetaciju i vodu, ne vidimo gustiš zemlje tako jasno kao na drugim mjestima.

Kad bi se Sunčev sustav sastojao od idealiziranih materijalnih točaka koje djeluju isključivo na Newtonovim principima, tada bismo, znajući točne položaje i brzine Sunca i svih planeta, mogli odrediti njihov položaj u bilo kojem trenutku u budućnosti. Nažalost, stvarnost se razlikuje od Newtonove uredne dinamike.

svemirski leptir

Veliki napredak prirodne znanosti započeo je upravo pokušajima opisivanja kozmičkih tijela. Odlučna otkrića koja objašnjavaju zakone planetarnog kretanja napravili su "očevi osnivači" moderne astronomije, matematike i fizike - Kopernik, Galileo, Kepler i njutn. No, iako je mehanika dvaju nebeskih tijela koja međusobno djeluju pod utjecajem gravitacije dobro poznata, dodavanje trećeg objekta (tzv. problem tri tijela) komplicira problem do točke da ga ne možemo analitički riješiti.

Možemo li predvidjeti kretanje Zemlje, recimo, milijardu godina unaprijed? Ili, drugim riječima: je li Sunčev sustav stabilan? Znanstvenici su generacijama pokušavali odgovoriti na ovo pitanje. Prve rezultate su dobili Peter Simon iz Laplace i Josip Louis Lagrange, bez sumnje je sugerirao pozitivan odgovor.

Na kraju XNUMX. stoljeća rješavanje problema stabilnosti Sunčevog sustava bio je jedan od najvećih znanstvenih izazova. kralj Švedske Oskar II, čak je ustanovio i posebnu nagradu za onoga tko riješi ovaj problem. Dobio ga je 1887. francuski matematičar Henri Poincare. Međutim, njegov dokaz da metode perturbacije možda neće dovesti do ispravnog rješenja ne smatra se konačnim.

Stvorio je temelje matematičke teorije stabilnosti kretanja. Aleksandar M. Lapunovkoji se pitao kako se s vremenom povećava udaljenost između dviju bliskih putanja u kaotičnom sustavu. Kad je u drugoj polovici XX. stoljeća. Edward Lorenz, meteorolog s Massachusetts Institute of Technology, izgradio je pojednostavljeni model promjene vremena koji ovisi samo o dvanaest faktora, nije bio izravno povezan s kretanjem tijela u Sunčevom sustavu. U svom radu iz 1963. Edward Lorentz je pokazao da mala promjena u ulaznim podacima uzrokuje potpuno drugačije ponašanje sustava. Pokazalo se da je ovo svojstvo, kasnije poznato kao "efekt leptira", tipično za većinu dinamičkih sustava koji se koriste za modeliranje različitih pojava u fizici, kemiji ili biologiji.

Izvor kaosa u dinamičkim sustavima su sile istog reda koje djeluju na uzastopna tijela. Što je više tijela u sustavu, to je više kaosa. U Sunčevom sustavu, zbog ogromnog nesrazmjera u masama svih komponenti u odnosu na Sunce, interakcija ovih komponenti sa zvijezdom je dominantna, pa stupanj kaosa izražen u Ljapunovljevim eksponentima ne bi trebao biti velik. Ali isto tako, prema Lorentzovim izračunima, ne treba nas čuditi pomisao na kaotičnost Sunčevog sustava. Bilo bi iznenađujuće da je sustav s tako velikim brojem stupnjeva slobode pravilan.

Prije deset godina Jacques Lascar iz Pariškog opservatorija napravio je preko tisuću računalnih simulacija gibanja planeta. U svakom od njih početni uvjeti su se neznatno razlikovali. Modeliranje pokazuje da nam se ništa ozbiljnije neće dogoditi u sljedećih 40 milijuna godina, ali kasnije u 1-2% slučajeva može potpuna destabilizacija Sunčevog sustava. I ovih 40 milijuna godina imamo na raspolaganju samo pod uvjetom da se ne pojavi neki neočekivani gost, faktor ili novi element koji se u ovom trenutku ne vodi računa.

Proračuni pokazuju, na primjer, da će se u roku od 5 milijardi godina orbita Merkura (prvog planeta od Sunca) promijeniti, uglavnom zbog utjecaja Jupitera. To može dovesti do Zemlja u sudaru s Marsom ili Merkurom točno. Kada unesemo jedan od skupova podataka, svaki sadrži 1,3 milijarde godina. Merkur može pasti u Sunce. U drugoj simulaciji pokazalo se da nakon 820 milijuna godina Mars će biti izbačen iz sustava, a nakon 40 milijuna godina doći će do sudara Merkura i Venere.

Studija dinamike našeg Sustava koju su proveli Lascar i njegov tim procijenili su vrijeme Lapunova (tj. razdoblje tijekom kojeg se tijek određenog procesa može točno predvidjeti) za cijeli Sustav na 5 milijuna godina.

Ispada da se pogreška od samo 1 km u određivanju početnog položaja planeta može povećati na 1 astronomsku jedinicu u 95 milijuna godina. Čak i kada bismo znali početne podatke Sustava s proizvoljno visokom, ali konačnom točnošću, ne bismo mogli predvidjeti njegovo ponašanje za bilo koji vremenski period. Da bismo otkrili budućnost Sustava, koja je kaotična, moramo znati izvorne podatke s beskonačnom preciznošću, što je nemoguće.

Štoviše, ne znamo zasigurno. ukupna energija Sunčevog sustava. Ali čak i uzimajući u obzir sve učinke, uključujući relativistička i točnija mjerenja, ne bismo promijenili kaotičnu prirodu Sunčevog sustava i ne bismo mogli predvidjeti njegovo ponašanje i stanje u bilo kojem trenutku.

Svašta se može dogoditi

Dakle, Sunčev sustav je samo kaotičan, to je sve. Ova izjava znači da ne možemo predvidjeti putanju Zemlje nakon, recimo, 100 milijuna godina. S druge strane, Sunčev sustav u ovom trenutku nedvojbeno ostaje stabilan kao struktura, budući da mala odstupanja parametara koji karakteriziraju putanje planeta dovode do različitih orbita, ali bliskih svojstava. Stoga je malo vjerojatno da će se srušiti u sljedećim milijardama godina.

Naravno, mogu biti već spomenuti novi elementi koji nisu uzeti u obzir u gornjim izračunima. Na primjer, sustavu je potrebno 250 milijuna godina da dovrši orbitu oko središta galaksije Mliječne staze. Ovaj potez ima posljedice. Promjenjivo svemirsko okruženje narušava osjetljivu ravnotežu između Sunca i drugih objekata. To se, naravno, ne može predvidjeti, ali događa se da takva neravnoteža dovodi do povećanja učinka. aktivnost kometa. Ti objekti lete prema suncu češće nego inače. To povećava rizik od njihovog sudara sa Zemljom.

Zvijezda nakon 4 milijuna godina Glize 710 bit će udaljena 1,1 svjetlosnu godinu od Sunca, što bi potencijalno moglo poremetiti orbite objekata u Oortov oblak te povećanje vjerojatnosti sudara kometa s jednim od unutarnjih planeta Sunčevog sustava.

Znanstvenici se oslanjaju na povijesne podatke i, izvodeći statističke zaključke iz njih, predviđaju da će, vjerojatno za pola milijuna godina meteor udario o tlo 1 km u promjeru, uzrokujući kozmičku katastrofu. Zauzvrat, u perspektivi od 100 milijuna godina, očekuje se da će meteorit pasti u veličini usporedivoj s onom koja je uzrokovala izumiranje u kredi prije 65 milijuna godina.

Do 500-600 milijuna godina, morate čekati što je duže moguće (opet, na temelju dostupnih podataka i statistike) bljesak ili hiperenergetska eksplozija supernove. Na takvoj udaljenosti, zrake bi mogle utjecati na Zemljin ozonski omotač i uzrokovati masovno izumiranje slično izumiranju Ordovicija - samo ako je hipoteza o tome točna. No, emitirano zračenje mora biti usmjereno upravo na Zemlju kako bi ovdje moglo prouzročiti bilo kakvu štetu.

Zato se veselimo ponavljanju i maloj stabilizaciji svijeta koji vidimo i u kojem živimo. Matematika, statistika i vjerojatnost dugoročno ga zaokupljaju. Srećom, ovo dugo putovanje je daleko izvan našeg dosega.