Sự ổn định nhỏ của chúng tôi

Mặt trời luôn mọc ở phía đông, các mùa thay đổi thường xuyên, có 365 hoặc 366 ngày trong năm, mùa đông lạnh, mùa hè ấm… Chán. Nhưng chúng ta hãy tận hưởng sự nhàm chán này! Đầu tiên, nó sẽ không tồn tại mãi mãi. Thứ hai, sự ổn định nhỏ của chúng ta chỉ là một trường hợp đặc biệt và tạm thời trong toàn bộ hệ mặt trời hỗn loạn.

Chuyển động của các hành tinh, mặt trăng và tất cả các vật thể khác trong hệ mặt trời dường như có trật tự và có thể dự đoán được. Nhưng nếu vậy, bạn giải thích thế nào về tất cả các miệng núi lửa mà chúng ta nhìn thấy trên Mặt trăng và nhiều thiên thể trong hệ thống của chúng ta? Có rất nhiều trong số chúng trên Trái đất, nhưng vì chúng ta có bầu khí quyển, cùng với sự xói mòn, thảm thực vật và nước, chúng ta không nhìn thấy lớp dày của trái đất rõ ràng như ở những nơi khác.

Nếu hệ Mặt Trời bao gồm các điểm vật chất lý tưởng hóa chỉ hoạt động theo nguyên lý Newton, thì khi biết chính xác vị trí và vận tốc của Mặt trời và tất cả các hành tinh, chúng ta có thể xác định vị trí của chúng bất kỳ lúc nào trong tương lai. Thật không may, thực tế khác với động lực học gọn gàng của Newton.

bướm không gian

Sự tiến bộ vượt bậc của khoa học tự nhiên bắt đầu chính xác với những nỗ lực mô tả các cơ thể vũ trụ. Những khám phá mang tính quyết định giải thích quy luật chuyển động của hành tinh được thực hiện bởi "những người cha sáng lập" của thiên văn học, toán học và vật lý hiện đại - Copernicus, Galileo, Kepler i Newton. Tuy nhiên, mặc dù cơ học của hai thiên thể tương tác dưới tác dụng của lực hấp dẫn đã được biết rõ, nhưng việc bổ sung thêm một vật thể thứ ba (cái gọi là vấn đề ba thiên thể) làm phức tạp vấn đề đến mức chúng ta không thể giải quyết nó một cách phân tích.

Liệu chúng ta có thể dự đoán chuyển động của Trái đất, một tỷ năm trước không? Hay nói cách khác: hệ mặt trời có ổn định không? Các nhà khoa học đã cố gắng trả lời câu hỏi này trong nhiều thế hệ. Kết quả đầu tiên họ nhận được Peter Simon từ Laplace i Joseph Louis Lagrange, không nghi ngờ gì đã đề xuất một câu trả lời tích cực.

Vào cuối thế kỷ XNUMX, việc giải quyết vấn đề về sự ổn định của hệ mặt trời là một trong những thách thức khoa học lớn nhất. vua của Thụy Điển Oscar II, anh ấy thậm chí còn thiết lập một giải thưởng đặc biệt cho người giải quyết được vấn đề này. Nó được thu được vào năm 1887 bởi nhà toán học người Pháp Henri Poincaré. Tuy nhiên, bằng chứng của ông rằng các phương pháp nhiễu loạn có thể không dẫn đến giải pháp chính xác không được coi là kết luận.

Ông đã tạo ra nền tảng của lý thuyết toán học về sự ổn định chuyển động. Alexander M. Lapunovngười tự hỏi khoảng cách giữa hai quỹ đạo gần nhau trong một hệ thống hỗn loạn tăng nhanh như thế nào theo thời gian. Khi vào nửa sau của thế kỷ XX. Edward Lorenz, một nhà khí tượng học tại Viện Công nghệ Massachusetts, đã xây dựng một mô hình đơn giản về sự thay đổi thời tiết chỉ phụ thuộc vào 1963 yếu tố, nó không liên quan trực tiếp đến chuyển động của các thiên thể trong hệ mặt trời. Trong bài báo năm XNUMX của mình, Edward Lorenz đã chỉ ra rằng một thay đổi nhỏ trong dữ liệu đầu vào gây ra một hành vi hoàn toàn khác của hệ thống. Tính chất này, sau này được gọi là "hiệu ứng cánh bướm", hóa ra là điển hình của hầu hết các hệ động lực được sử dụng để mô hình hóa các hiện tượng khác nhau trong vật lý, hóa học hoặc sinh học.

Nguồn gốc của sự hỗn loạn trong các hệ động lực là các lực có cùng bậc tác dụng lên các vật liên tiếp. Càng nhiều cơ quan trong hệ thống, càng hỗn loạn. Trong Hệ Mặt trời, do khối lượng của tất cả các thành phần so với Mặt trời có sự chênh lệch rất lớn, tương tác của các thành phần này với ngôi sao là chủ đạo, do đó mức độ hỗn loạn thể hiện trong số mũ Lyapunov không được lớn. Nhưng cũng theo tính toán của Lorentz, chúng ta không nên ngạc nhiên khi nghĩ đến bản chất hỗn loạn của hệ mặt trời. Sẽ rất ngạc nhiên nếu một hệ thống có số bậc tự do lớn như vậy là chính quy.

Cách đây mười năm Jacques Lascar từ Đài thiên văn Paris, ông đã thực hiện hơn một nghìn mô phỏng máy tính về chuyển động của hành tinh. Trong mỗi người trong số họ, các điều kiện ban đầu khác nhau không đáng kể. Mô hình hóa cho thấy rằng không có gì nghiêm trọng hơn sẽ xảy ra với chúng ta trong 40 triệu năm tới, nhưng muộn hơn trong 1-2% trường hợp, nó có thể hoàn toàn mất ổn định của hệ mặt trời. Chúng ta cũng có thể sử dụng 40 triệu năm này với điều kiện không xuất hiện một số vị khách bất ngờ, nhân tố hoặc nhân tố mới chưa được tính đến vào thời điểm hiện tại.

Ví dụ, các tính toán chỉ ra rằng trong vòng 5 tỷ năm quỹ đạo của sao Thủy (hành tinh đầu tiên tính từ Mặt trời) sẽ thay đổi, chủ yếu là do ảnh hưởng của sao Mộc. Điều này có thể dẫn đến Trái đất va chạm với sao Hỏa hoặc sao Thủy một cách chính xác. Khi chúng ta nhập một trong các bộ dữ liệu, mỗi bộ chứa 1,3 tỷ năm. Sao Thủy có thể rơi vào Mặt trời. Trong một mô phỏng khác, hóa ra sau 820 triệu năm Sao Hỏa sẽ bị trục xuất khỏi hệ thống, và sau 40 triệu năm sẽ đến va chạm của sao Thủy và sao Kim.

Một nghiên cứu về động lực học của Hệ thống của chúng ta bởi Lascar và nhóm của ông đã ước tính thời gian Lapunov (tức là khoảng thời gian mà quá trình của một quá trình nhất định có thể được dự đoán chính xác) cho toàn bộ Hệ thống là 5 triệu năm.

Nó chỉ ra rằng một sai số chỉ 1 km trong việc xác định vị trí ban đầu của hành tinh có thể tăng lên 1 đơn vị thiên văn trong 95 triệu năm. Ngay cả khi chúng tôi biết dữ liệu ban đầu của Hệ thống với độ chính xác cao tùy ý, nhưng hữu hạn, chúng tôi sẽ không thể dự đoán hành vi của nó trong bất kỳ khoảng thời gian nào. Để tiết lộ tương lai của Hệ thống, vốn là hỗn loạn, chúng ta cần biết dữ liệu ban đầu với độ chính xác vô hạn, điều này là không thể.

Hơn nữa, chúng tôi không biết chắc chắn. tổng năng lượng của hệ mặt trời. Nhưng ngay cả khi tính đến tất cả các tác động, bao gồm các phép đo tương đối tính và chính xác hơn, chúng ta sẽ không thay đổi bản chất hỗn loạn của hệ mặt trời và sẽ không thể dự đoán hành vi và trạng thái của nó tại bất kỳ thời điểm nào.

Mọi thứ đều có thể xảy ra

Vì vậy, hệ mặt trời chỉ hỗn loạn, vậy thôi. Tuyên bố này có nghĩa là chúng ta không thể dự đoán quỹ đạo của Trái đất ngoài 100 triệu năm. Mặt khác, hệ mặt trời chắc chắn vẫn ổn định như một cấu trúc vào lúc này, vì những sai lệch nhỏ của các thông số đặc trưng cho đường đi của các hành tinh dẫn đến các quỹ đạo khác nhau, nhưng có các đặc tính gần nhau. Vì vậy không có khả năng nó sẽ sụp đổ trong hàng tỷ năm tới.

Tất nhiên, có thể có các yếu tố mới đã được đề cập không được tính đến trong các tính toán trên. Ví dụ, hệ thống này mất 250 triệu năm để hoàn thành một quỹ đạo quanh trung tâm của thiên hà Milky Way. Động thái này có hậu quả. Môi trường không gian thay đổi phá vỡ sự cân bằng mong manh giữa Mặt trời và các vật thể khác. Điều này, tất nhiên, không thể được dự đoán, nhưng nó xảy ra rằng sự mất cân bằng như vậy dẫn đến sự gia tăng hiệu ứng. hoạt động của sao chổi. Những vật thể này bay về phía mặt trời thường xuyên hơn bình thường. Điều này làm tăng nguy cơ va chạm của chúng với Trái đất.

Ngôi sao sau 4 triệu năm Glize 710 sẽ cách Mặt trời 1,1 năm ánh sáng, có khả năng phá vỡ quỹ đạo của các vật thể trong Đám mây Oort và sự gia tăng khả năng một sao chổi va chạm với một trong những hành tinh bên trong hệ mặt trời.

Các nhà khoa học dựa trên dữ liệu lịch sử và rút ra kết luận thống kê từ chúng, dự đoán rằng, có thể trong nửa triệu năm nữa sao băng chạm đất Đường kính 1 km, gây ra thảm họa vũ trụ. Ngược lại, trong viễn cảnh 100 triệu năm, một thiên thạch được cho là sẽ có kích thước tương đương với thiên thạch đã gây ra sự tuyệt chủng vào kỷ Phấn trắng cách đây 65 triệu năm.

Lên đến 500-600 triệu năm, bạn phải đợi càng lâu càng tốt (một lần nữa, dựa trên dữ liệu và thống kê có sẵn) tốc biến hoặc vụ nổ năng lượng siêu tân tinh. Ở khoảng cách như vậy, các tia này có thể tác động đến tầng ôzôn của Trái đất và gây ra sự tuyệt chủng hàng loạt tương tự như sự tuyệt chủng của loài Ordovic - nếu chỉ có giả thuyết về điều này là đúng. Tuy nhiên, bức xạ phát ra phải được hướng chính xác vào Trái đất để có thể gây ra bất kỳ thiệt hại nào ở đây.

Vì vậy, chúng ta hãy vui mừng trong sự lặp lại và ổn định nhỏ của thế giới mà chúng ta thấy và chúng ta đang sống. Toán học, thống kê và xác suất khiến anh ta bận rộn trong thời gian dài. May mắn thay, hành trình dài này vượt xa tầm tay của chúng tôi.