Неудобная правда о природе или как укротить хаос «проблемы трех тел»

Неудобная правда о природе или как укротить хаос «проблемы трех тел»

Физики не один век стараются понять неудобную правду о природе, которая связана с тремя звездами, каждая из которых находится на такой траектории, которая приведет их к неизбежному столкновению. И разгадать загадку не могут, хотя давно высчитали и местоположение, и скорость объектов в нанометрах и в миллисекундах. Но такие точные расчеты не смогли предсказать судьбу этих звезд.

Стоит отметить, что космическое пространство довольно часто предлагает исследователям задачу из трех тел и черной дыры. Дело в том, что образованные таким образом скопления продолжают жить долгое время. И вообще непонятно, произойдет когда-либо столкновение или нет. Более того, судьба скоплений совершенно непредсказуема.

Старания ученых все же были вознаграждены. Кажется, они все же придумали, как предсказать диапазон результатов больших групп взаимодействий с тремя телами. Были использованы несколько моделей на примере Земли. К примеру, рассматривался вариант, если Земля будет сцепляться с Марсом и Меркурием тысячи раз, то насколько часто будет происходить выброс Марса? Физик Барак Кол упростил этот вопрос, представив его с абстрактной точки зрения. И, как это ни странно, тем самым смог получить один из самых точных прогнозов.

Решение хаоса

Неудобная правда о природе или как укротить хаос «проблемы трех тел»

Еще в 1600-х годах Исаак Ньютон сумел записать краткие уравнения движения космических тел на базе следующего явления. Когда гравитация сближает два объекта, потенциально возможное будущее вычислить довольно просто. Эти объекты могут приближаться друг к другу или же могут уходить на эллиптическую орбиту вокруг общего центра масс. Это — просто, поэтому великий ученый сумел составить те самые уравнения.

Но современные ученые сталкиваются с вопросом, когда к этим двум уже вращающимся вокруг друг друга звездам присоединяется еще одна звезда, все предсказания лишаются смысла. Вторженец может выбрать предсказуемое приближение или вступить в схватку, начав период, наполненный яростными петлями и поворотами, которые могут длиться мгновения или же годы. В конце концов, ажиотаж утихает, когда одна из трех звезд отбрасывается от двух других. Далее может сработать один из двух сценариев: если у отброшенного объекта достаточно энергии, он преспокойной улетает, оставляя пару жить в мире. Или, если этого не происходит, этот третий объект улетит, только чтобы снова вернуться к паре и запустить следующую серию борьбы.

Вот только есть еще одна проблема, и чтобы решить ее физики обратились к статистическим прогнозам. Учитывая общую информацию о трех телах, такую ​​как их энергия и их коллективное вращение, можно говорить о вероятности того, что, например, самое легкое из них в конечном итоге будет выброшено. Но так ли это?

Задачу начали решать с перехода из знакомой базы трехмерного пространства в абстрактное поле Фазового пространства. В этом обширном царстве каждая точечка представляет одну из возможных конфигураций трех звезд: это трехмерное положение, трехмерная скорость и масса для каждого из трех тел — неизменное 21-мерное пространство, как бы все вместе. Конкретное событие, происходящее с тремя телами, к примеру, звезда, летящая к уже сформированной паре, начинается в некоторой точке фазового пространства. Далее отслеживается путь по мере его эволюции от одной конфигурации к другой.

И вот тут хаос начинает покоряться ученым. Как известно, у хаоса нет одного или двух контролируемых исходов события. Исходов может быть множество. И это значит, если позволить системе из трех тел продолжить эволюционировать во времени, то она может использовать все возможные хаотические пути развития. Иными словами, путь эволюции может достичь каждого укромного уголка какой-нибудь области хаоса в этом фазовом пространстве.

Физикам пришлось применить все свои знания, чтобы сократить многомерность фазового пространства до восьми измерений. Дальнейшая работа в этом направлении привела в 2019 году к созданию модели Николаса Стоуна из Еврейского университета в Иерусалиме и исследователя Ли. И эта модель создала выгодные условия для построения наиболее точной и математически строгой модели трех тел.

В своей работе ученые Стоун и Ли сосредоточились не на внутренней части хаотического мира, а на его внешней границе, где системы трех тел переходят от хаоса к регулярному (обычному) движению, выталкивая одно тело.

Что касается Кола из Еврейского университета в Иерусалиме, то он предпочел изучить метафорическую дыру в хаотическом объемном пространстве. По его мнению, чем дольше и больше система из трех тел борется внутри системы, тем больше вероятности, что он найдет-таки эту самую дыру, куда будет выброшено третье тело, а жизнь двух объектов придет в норму, избегая хаоса.

Подход Стоуна и Ли представляет хаотическую область в виде воздушного шара, вся поверхность которого немного протекает, и она везде одинаковая. Подход Барака Кола гласит, что в воздушном шаре есть отдельные отверстия и некоторые пятна, которые «протекают» сильнее, чем другие.

Предположения Кола кажутся перспективными. Было запущено множество симуляций гибридных приложений между тройками звезд разной массы, чтобы увидеть, как часто каждую звезду исключают из группы. Выяснилось, когда звезды имеют одинаковую массу, непредсказуемость хаотического движения гарантирует, что у каждого члена тройки есть равный шанс получить пинок — никаких причудливых моделей не требуется. Но по мере смещения масс возникает закономерность: более яркие звезды легче выбрасывать. И это подтверждается теорией Кола. В то время как другие расчеты говорили о том, что как раз более легкие, а не яркие, звезды будут чаще выбрасываться из сообщества.

Как бы хорошо все это ни звучало, вопрос еще и в другом: никто не знает размер и качество отверстий выхода и входа третьих звезд. Модель Стоуна и Ли 2019 года хоть как-то объясняет эту задачу. А для определения возможностей модели Кола делать аналогичные прогнозы предстоит провести еще множество симуляций со множеством неизвестных в уравнении.

Популярные материалы