تثبیت کوچک ما

خورشید همیشه از شرق طلوع می کند، فصول به طور منظم تغییر می کنند، 365 یا 366 روز در سال وجود دارد، زمستان ها سرد، تابستان ها گرم ... خسته کننده است. اما بیایید از این کسالت لذت ببریم! اول اینکه برای همیشه دوام نخواهد داشت. ثانیاً، تثبیت کوچک ما فقط یک مورد خاص و موقتی در کل منظومه شمسی آشفته است.

حرکت سیارات، قمرها و سایر اجرام منظومه شمسی منظم و قابل پیش بینی به نظر می رسد. اما اگر چنین است، چگونه تمام دهانه هایی را که در ماه می بینیم و بسیاری از اجرام آسمانی در منظومه خود توضیح می دهید؟ تعداد زیادی از آنها روی زمین نیز وجود دارد، اما از آنجایی که ما جو داریم و همراه با آن فرسایش، پوشش گیاهی و آب داریم، زمین را مانند جاهای دیگر به وضوح نمی بینیم.

اگر منظومه شمسی از نقاط مادی ایده آلی تشکیل شده باشد که صرفاً بر اساس اصول نیوتنی عمل می کنند، با دانستن موقعیت و سرعت دقیق خورشید و تمام سیارات، می توانیم مکان آنها را در هر زمانی در آینده تعیین کنیم. متأسفانه، واقعیت با دینامیک منظم نیوتن متفاوت است.

پروانه فضایی

پیشرفت عظیم علوم طبیعی دقیقاً با تلاش برای توصیف اجسام کیهانی آغاز شد. اکتشافات تعیین کننده توضیح دهنده قوانین حرکت سیارات توسط "پدران" نجوم، ریاضیات و فیزیک مدرن انجام شد - کپرنیک, گالیله, کپلر i نیوتن. با این حال، اگرچه مکانیک دو جرم آسمانی که تحت تأثیر گرانش برهم کنش می‌کنند، به خوبی شناخته شده است، اما افزودن جسم سوم (به اصطلاح مشکل سه جسمی) مسئله را به حدی پیچیده می‌کند که نمی‌توانیم آن را به صورت تحلیلی حل کنیم.

آیا می توانیم حرکت زمین را مثلاً یک میلیارد سال جلوتر پیش بینی کنیم؟ یا به عبارت دیگر: آیا منظومه شمسی پایدار است؟ دانشمندان چندین نسل سعی کرده اند به این سوال پاسخ دهند. اولین نتایجی که گرفتند پیتر سیمون از لاپلاس i جوزف لوئیس لاگرانژ، بدون شک پاسخ مثبت را پیشنهاد کرد.

در پایان قرن XNUMX، حل مشکل پایداری منظومه شمسی یکی از بزرگترین چالش های علمی بود. پادشاه سوئد اسکار دوماو حتی یک جایزه ویژه برای کسی که این مشکل را حل کند تعیین کرد. در سال 1887 توسط یک ریاضیدان فرانسوی به دست آمد هانری پوانکره. با این حال، شواهد او مبنی بر اینکه روش‌های اغتشاش ممکن است منجر به تفکیک صحیح نشوند، قطعی تلقی نمی‌شوند.

او پایه های نظریه ریاضی ثبات حرکت را ایجاد کرد. الکساندر ام. لاپونوفکه تعجب کرد که فاصله بین دو مسیر نزدیک در یک سیستم آشفته با گذشت زمان چقدر سریع افزایش می یابد. هنگامی که در نیمه دوم قرن بیستم. ادوارد لورنزیک هواشناس در مؤسسه فناوری ماساچوست، یک مدل ساده از تغییر آب و هوا ساخت که تنها به دوازده عامل بستگی دارد، این مدل مستقیماً با حرکت اجسام در منظومه شمسی مرتبط نبود. ادوارد لورنتز در مقاله خود در سال 1963 نشان داد که یک تغییر کوچک در داده های ورودی باعث رفتار کاملاً متفاوت سیستم می شود. این ویژگی که بعداً به عنوان "اثر پروانه ای" شناخته شد، مشخص شد که نمونه ای از سیستم های دینامیکی است که برای مدل سازی پدیده های مختلف در فیزیک، شیمی یا زیست شناسی استفاده می شود.

منبع آشوب در سیستم‌های دینامیکی نیروهایی از همان نظم هستند که بر روی اجسام متوالی اثر می‌کنند. هر چه تعداد بدن در سیستم بیشتر باشد، هرج و مرج بیشتر می شود. در منظومه شمسی، به دلیل عدم تناسب عظیم در جرم همه اجزا در مقایسه با خورشید، برهمکنش این اجزا با ستاره غالب است، بنابراین درجه هرج و مرج بیان شده در شارهای لیاپانوف نباید زیاد باشد. اما همچنین، طبق محاسبات لورنتس، نباید از فکر ماهیت آشفته منظومه شمسی شگفت زده شویم. اگر سیستمی با این تعداد درجات آزادی منظم باشد تعجب آور خواهد بود.

ده سال قبل ژاک لاسکار از رصدخانه پاریس، او بیش از هزار شبیه سازی کامپیوتری از حرکت سیاره ای انجام داد. در هر یک از آنها، شرایط اولیه تفاوت ناچیزی داشت. مدل سازی نشان می دهد که در 40 میلیون سال آینده اتفاق جدی تری برای ما نخواهد افتاد، اما بعداً در 1-2٪ موارد ممکن است بی ثباتی کامل منظومه شمسی. ما هم این 40 میلیون سال را فقط به شرطی در اختیار داریم که مهمان غیرمنتظره، عامل یا عنصر جدیدی که در حال حاضر در نظر گرفته نشده است ظاهر نشود.

به عنوان مثال، محاسبات نشان می دهد که طی 5 میلیارد سال، مدار عطارد (اولین سیاره از خورشید) عمدتاً به دلیل تأثیر مشتری تغییر خواهد کرد. این ممکن است منجر شود برخورد زمین با مریخ یا عطارد دقیقا. وقتی یکی از مجموعه داده ها را وارد می کنیم، هر یک شامل 1,3 میلیارد سال است. ممکن است عطارد به خورشید بیفتد. در شبیه سازی دیگری مشخص شد که پس از 820 میلیون سال مریخ از منظومه اخراج خواهد شد، و بعد از 40 میلیون سال به آن خواهد رسید برخورد عطارد و زهره.

مطالعه دینامیک سیستم ما توسط لاسکار و تیمش زمان لاپانوف (یعنی دوره‌ای که طی آن می‌توان روند یک فرآیند معین را به طور دقیق پیش‌بینی کرد) برای کل سیستم 5 میلیون سال تخمین زد.

به نظر می رسد که خطای تنها 1 کیلومتر در تعیین موقعیت اولیه سیاره می تواند در 1 میلیون سال به 95 واحد نجومی افزایش یابد. حتی اگر داده‌های اولیه سیستم را با دقت بالا، اما محدود بدانیم، نمی‌توانیم رفتار آن را برای هیچ دوره زمانی پیش‌بینی کنیم. برای آشکار کردن آینده سیستم، که هرج و مرج است، باید داده های اصلی را با دقت بی نهایت بدانیم، که غیرممکن است.

علاوه بر این، ما به طور قطع نمی دانیم. کل انرژی منظومه شمسی. اما حتی با در نظر گرفتن تمام تأثیرات، از جمله اندازه‌گیری‌های نسبی‌گرا و دقیق‌تر، ماهیت آشفته منظومه شمسی را تغییر نمی‌دهیم و نمی‌توانیم رفتار و وضعیت آن را در هر زمان معین پیش‌بینی کنیم.

هر چیزی می تواند رخ دهد

بنابراین، منظومه شمسی فقط آشفته است، همین. این بیانیه به این معنی است که ما نمی توانیم مسیر زمین را بیش از مثلاً 100 میلیون سال پیش بینی کنیم. از سوی دیگر، منظومه شمسی بدون شک در حال حاضر به عنوان یک ساختار پایدار می ماند، زیرا انحرافات کوچک پارامترهای مشخص کننده مسیر سیارات منجر به مدارهای مختلف، اما با خواص نزدیک می شود. بنابراین بعید است که در میلیاردها سال آینده سقوط کند.

البته ممکن است قبلاً عناصر جدیدی ذکر شده باشد که در محاسبات فوق لحاظ نشده است. به عنوان مثال، این سیستم 250 میلیون سال طول می کشد تا مداری را به دور مرکز کهکشان راه شیری کامل کند. این حرکت عواقبی دارد. تغییر محیط فضایی تعادل ظریف بین خورشید و سایر اجرام را به هم می زند. البته این را نمی توان پیش بینی کرد، اما اتفاق می افتد که چنین عدم تعادلی منجر به افزایش اثر می شود. فعالیت دنباله دار. این اجسام بیشتر از حد معمول به سمت خورشید پرواز می کنند. این امر خطر برخورد آنها با زمین را افزایش می دهد.

ستاره بعد از 4 میلیون سال گلیس 710 1,1 سال نوری از خورشید فاصله خواهد داشت و به طور بالقوه مدار اجرام را مختل می کند ابر اورت و افزایش احتمال برخورد یک دنباله دار با یکی از سیارات داخلی منظومه شمسی.

دانشمندان با تکیه بر داده های تاریخی و نتیجه گیری آماری از آنها، پیش بینی می کنند که احتمالاً در نیم میلیون سال آینده برخورد شهاب به زمین 1 کیلومتر قطر، باعث یک فاجعه کیهانی. به نوبه خود، در چشم انداز 100 میلیون سال، انتظار می رود اندازه یک شهاب سنگ با اندازه ای که 65 میلیون سال پیش باعث انقراض کرتاسه شده بود، کاهش یابد.

تا 500-600 میلیون سال باید تا حد امکان صبر کنید (باز هم بر اساس داده ها و آمار موجود) فلاش یا انفجار ابرنواختر ابرنواختری. در چنین فاصله‌ای، پرتوها می‌توانند بر لایه اوزون زمین تأثیر بگذارند و باعث انقراض دسته جمعی مشابه انقراض اردویسین شوند - اگر فقط فرضیه در مورد این درست باشد. با این حال، تشعشعات ساطع شده باید دقیقاً به سمت زمین هدایت شود تا بتواند در اینجا آسیبی ایجاد کند.

پس بیایید به تکرار و تثبیت کوچک جهانی که می بینیم و در آن زندگی می کنیم شاد باشیم. ریاضیات، آمار و احتمال در دراز مدت او را مشغول می کند. خوشبختانه این سفر طولانی دور از دسترس ماست.