Vår lilla stabilisering

Solen går alltid upp i öster, årstiderna ändras regelbundet, det finns 365 eller 366 dagar om året, vintrarna är kalla, somrarna är varma... Tråkigt. Men låt oss njuta av denna tristess! För det första kommer det inte att vara för evigt. För det andra är vår lilla stabilisering bara ett speciellt och tillfälligt fall i det kaotiska solsystemet som helhet.

Planeternas, månarnas och alla andra objekts rörelser i solsystemet verkar vara ordnade och förutsägbara. Men i så fall, hur förklarar du alla kratrar vi ser på månen och många av himlakropparna i vårt system? Det finns många av dem på jorden också, men eftersom vi har en atmosfär, och med den erosion, växtlighet och vatten, ser vi inte jordsnåret lika tydligt som på andra platser.

Om solsystemet bestod av idealiserade materiella punkter som enbart arbetade enligt Newtonska principer, då vi, genom att veta de exakta positionerna och hastigheterna för solen och alla planeterna, skulle kunna bestämma deras plats när som helst i framtiden. Tyvärr skiljer sig verkligheten från Newtons snygga dynamik.

rymdfjäril

Naturvetenskapens stora framsteg började just med försök att beskriva kosmiska kroppar. De avgörande upptäckterna som förklarar planeternas rörelselagar gjordes av "grundläggarna" av modern astronomi, matematik och fysik - Copernicus, Galileo, Kepler i newton. Men även om mekaniken hos två himlakroppar som interagerar under inverkan av gravitationen är välkänd, komplicerar tillägget av ett tredje föremål (det så kallade trekroppsproblemet) problemet till den grad att vi inte kan lösa det analytiskt.

Kan vi förutsäga jordens rörelse, säg en miljard år framåt? Eller med andra ord: är solsystemet stabilt? Forskare har försökt svara på denna fråga i generationer. De första resultaten fick de Peter Simon från Laplace i Joseph Louis Lagrange, föreslog utan tvekan ett positivt svar.

I slutet av XNUMXth århundradet var en av de största vetenskapliga utmaningarna att lösa problemet med solsystemets stabilitet. kung av Sverige Oscar II, instiftade han till och med ett speciellt pris för den som löser detta problem. Den erhölls 1887 av den franske matematikern Henri Poincaré. Men hans bevis för att störningsmetoder kanske inte leder till korrekt upplösning anses inte vara avgörande.

Han skapade grunden för den matematiska teorin om rörelsestabilitet. Alexander M. Lapunovsom undrade hur snabbt avståndet mellan två närliggande banor i ett kaotiskt system ökar med tiden. När under andra hälften av nittonhundratalet. Edward Lorenz, en meteorolog vid Massachusetts Institute of Technology, byggde en förenklad modell av väderförändringar som bara beror på tolv faktorer, den var inte direkt relaterad till kropparnas rörelse i solsystemet. I sin uppsats från 1963 visade Edward Lorentz att en liten förändring i indata orsakar ett helt annat beteende hos systemet. Denna egenskap, senare känd som "fjärilseffekten", visade sig vara typisk för de flesta dynamiska system som används för att modellera olika fenomen inom fysik, kemi eller biologi.

Källan till kaos i dynamiska system är krafter av samma ordning som verkar på successiva kroppar. Ju fler kroppar i systemet, desto mer kaos. I solsystemet, på grund av den enorma disproportionen i massorna av alla komponenter jämfört med solen, är interaktionen mellan dessa komponenter och stjärnan dominerande, så graden av kaos uttryckt i Lyapunov-exponenter bör inte vara stor. Men också, enligt Lorentz beräkningar, bör vi inte bli förvånade över tanken på solsystemets kaotiska natur. Det skulle vara förvånande om ett system med ett så stort antal frihetsgrader var regelbundet.

Tio år sedan Jacques Lascar från Paris Observatory gjorde han över tusen datorsimuleringar av planetrörelser. I var och en av dem skilde sig de initiala förhållandena obetydligt. Modellering visar att inget allvarligare kommer att hända oss under de kommande 40 miljoner åren, men senare i 1-2% av fallen kan det fullständig destabilisering av solsystemet. Vi har också dessa 40 miljoner år till vårt förfogande endast under förutsättning att någon oväntad gäst, faktor eller nytt inslag som inte tas i beaktande för tillfället inte dyker upp.

Beräkningar visar till exempel att inom 5 miljarder år kommer Merkurius (den första planeten från solen) omlopp att förändras, främst på grund av Jupiters inflytande. Detta kan leda till Jorden kolliderar med Mars eller Merkurius exakt. När vi går in i en av datamängderna innehåller var och en 1,3 miljarder år. Merkurius kan falla in i solen. I en annan simulering visade det sig att efter 820 miljoner år Mars kommer att drivas ut ur systemet, och efter 40 miljoner år kommer till kollision mellan Merkurius och Venus.

En studie av dynamiken i vårt system av Lascar och hans team uppskattade Lapunovtiden (dvs den period under vilken förloppet av en given process kan förutsägas exakt) för hela systemet till 5 miljoner år.

Det visar sig att ett fel på endast 1 km vid bestämning av planetens initiala position kan öka till 1 astronomisk enhet på 95 miljoner år. Även om vi kände till systemets initiala data med en godtyckligt hög, men ändlig noggrannhet, skulle vi inte kunna förutsäga dess beteende under någon tidsperiod. För att avslöja framtiden för systemet, som är kaotiskt, måste vi känna till originaldata med oändlig precision, vilket är omöjligt.

Dessutom vet vi inte säkert. solsystemets totala energi. Men även om vi tar hänsyn till alla effekter, inklusive relativistiska och mer exakta mätningar, skulle vi inte ändra solsystemets kaotiska natur och skulle inte kunna förutsäga dess beteende och tillstånd vid en given tidpunkt.

Allt kan hända

Så, solsystemet är bara kaotiskt, det är allt. Detta uttalande innebär att vi inte kan förutsäga jordens bana längre än till säg 100 miljoner år. Å andra sidan förblir solsystemet utan tvekan stabilt som struktur för tillfället, eftersom små avvikelser av parametrarna som kännetecknar planeternas banor leder till olika banor, men med nära egenskaper. Så det är osannolikt att det kommer att kollapsa under de närmaste miljarder år.

Naturligtvis kan det finnas nya element som redan nämnts som inte beaktas i ovanstående beräkningar. Till exempel tar systemet 250 miljoner år att slutföra en bana runt Vintergatans centrum. Denna åtgärd får konsekvenser. Den föränderliga rymdmiljön stör den känsliga balansen mellan solen och andra föremål. Detta går naturligtvis inte att förutse, men det händer att en sådan obalans leder till en ökning av effekten. kometaktivitet. Dessa föremål flyger mot solen oftare än vanligt. Detta ökar risken för deras kollision med jorden.

Stjärna efter 4 miljoner år Gliese 710 kommer att vara 1,1 ljusår från solen, vilket potentiellt kan störa omloppsbanorna för objekt i Oorts moln och en ökning av sannolikheten för att en komet kolliderar med en av solsystemets inre planeter.

Forskare förlitar sig på historiska data och, med statistiska slutsatser från dem, förutspår de att det troligen kommer om en halv miljon år meteor som träffar marken 1 km i diameter, vilket orsakar en kosmisk katastrof. I sin tur, i ett perspektiv på 100 miljoner år, förväntas en meteorit minska i storlek jämförbar med den som orsakade kritans utrotning för 65 miljoner år sedan.

Upp till 500-600 miljoner år måste du vänta så länge som möjligt (igen, baserat på tillgänglig data och statistik) blixt eller supernova hyperenergiexplosion. På ett sådant avstånd kan strålarna påverka jordens ozonskikt och orsaka en massutrotning som liknar Ordoviciums utdöende - om bara hypotesen om detta stämmer. Den emitterade strålningen måste dock riktas exakt mot jorden för att här kunna orsaka någon skada.

Så låt oss glädjas åt upprepningen och den lilla stabiliseringen av världen som vi ser och som vi lever i. Matematik, statistik och sannolikhet håller honom sysselsatt i längden. Lyckligtvis är denna långa resa långt bortom vår räckhåll.