הייצוב הקטן שלנו
השמש תמיד זורחת במזרח, העונות מתחלפות בקביעות, יש 365 או 366 ימים בשנה, החורף קר, הקיץ חם... משעמם. אבל בואו נהנה מהשעמום הזה! ראשית, זה לא יימשך לנצח. שנית, הייצוב הקטן שלנו הוא רק מקרה מיוחד וזמני במערכת השמש הכאוטית בכללותה.
התנועה של כוכבי הלכת, הירחים וכל שאר העצמים במערכת השמש נראית מסודרת וניתנת לחיזוי. אבל אם כן, איך אתה מסביר את כל המכתשים שאנו רואים על הירח ורבים מגרמי השמיים במערכת שלנו? יש הרבה כאלה גם בכדור הארץ, אבל מכיוון שיש לנו אטמוספירה, ואיתה שחיקה, צמחייה ומים, אנחנו לא רואים את סבך האדמה בצורה ברורה כמו במקומות אחרים.
אם מערכת השמש הייתה מורכבת מנקודות חומר אידיאליות הפועלות אך ורק על פי עקרונות ניוטונים, אזי, בידיעה המדויקת של המיקומים והמהירויות המדויקות של השמש ושל כל כוכבי הלכת, נוכל לקבוע את מיקומן בכל עת בעתיד. למרבה הצער, המציאות שונה מהדינמיקה המסודרת של ניוטון.
פרפר חלל
ההתקדמות הגדולה של מדעי הטבע החלה דווקא בניסיונות לתאר גופים קוסמיים. התגליות המכריעות המסבירות את חוקי התנועה הפלנטרית נעשו על ידי "האבות המייסדים" של האסטרונומיה, המתמטיקה והפיסיקה המודרנית - קופרניקוס, גלילאו, קפלר i ניוטון. עם זאת, למרות שהמכניקה של שני גרמי שמים המקיימים אינטראקציה בהשפעת כוח הכבידה ידועה היטב, הוספת עצם שלישי (מה שנקרא בעיית שלושת הגופים) מסבכת את הבעיה עד לנקודה שבה איננו יכולים לפתור אותה בצורה אנליטית.
האם נוכל לחזות את תנועת כדור הארץ, נניח, מיליארד שנים קדימה? או, במילים אחרות: האם מערכת השמש יציבה? מדענים ניסו לענות על שאלה זו במשך דורות. התוצאות הראשונות שהם קיבלו פיטר סיימון מ לפלאס i ג'וזף לואיס לגראנז ', ללא ספק הציע תשובה חיובית.
בסוף המאה ה- XNUMX, פתרון בעיית היציבות של מערכת השמש היה אחד האתגרים המדעיים הגדולים ביותר. מלך שוודיה אוסקר השני, הוא אפילו הקים פרס מיוחד למי שפותר את הבעיה הזו. הוא הושג בשנת 1887 על ידי המתמטיקאי הצרפתי אנרי פואנקרה. עם זאת, הראיות שלו לכך ששיטות הפרעה עשויות שלא להוביל לפתרון נכון אינן נחשבות חותכות.
הוא יצר את היסודות של התיאוריה המתמטית של יציבות התנועה. אלכסנדר מ' לפונובשתהה באיזו מהירות המרחק בין שני מסלולים קרובים במערכת כאוטית גדל עם הזמן. כאשר במחצית השנייה של המאה העשרים. אדוארד לורנץ, מטאורולוג במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, בנה מודל מפושט של שינויי מזג האוויר שתלוי רק בשנים עשר גורמים, הוא לא היה קשור ישירות לתנועת גופים במערכת השמש. במאמרו משנת 1963, אדוארד לורנץ הראה ששינוי קטן בנתוני הקלט גורם להתנהגות שונה לחלוטין של המערכת. תכונה זו, שנודעה מאוחר יותר כ"אפקט הפרפר", התבררה כאופיינית לרוב המערכות הדינמיות המשמשות למודל של תופעות שונות בפיזיקה, כימיה או ביולוגיה.
מקור הכאוס במערכות דינמיות הוא כוחות מאותו סדר הפועלים על גופים עוקבים. ככל שיש יותר גופים במערכת, יותר כאוס. במערכת השמש, בשל חוסר הפרופורציה העצום במסה של כל המרכיבים בהשוואה לשמש, האינטראקציה של מרכיבים אלו עם הכוכב היא דומיננטית, ולכן מידת הכאוס המתבטאת במערכי ליאפונוב לא צריכה להיות גדולה. אבל גם, לפי חישוביו של לורנץ, אל לנו להיות מופתעים מהמחשבה על האופי הכאוטי של מערכת השמש. זה יהיה מפתיע אם מערכת עם מספר כה גדול של דרגות חופש הייתה סדירה.
לפני עשר שנים ז'אק לסקר ממצפה הכוכבים של פריז, הוא עשה למעלה מאלף הדמיות מחשב של תנועה פלנטרית. בכל אחד מהם, התנאים ההתחלתיים היו שונים באופן לא משמעותי. דוגמנות מראה ששום דבר חמור יותר לא יקרה לנו ב-40 מיליון השנים הקרובות, אבל מאוחר יותר ב-1-2% מהמקרים זה עלול ערעור מוחלט של מערכת השמש. יש לנו גם את 40 מיליון השנים האלה לרשותנו רק בתנאי שלא יופיע איזה אורח בלתי צפוי, גורם או אלמנט חדש שלא נלקח בחשבון כרגע.
חישובים מראים, למשל, שתוך 5 מיליארד שנים ישתנה מסלולו של מרקורי (כוכב הלכת הראשון מהשמש), בעיקר בגלל השפעתו של צדק. זה עלול להוביל ל כדור הארץ מתנגש במאדים או מרקורי בְּדִיוּק. כאשר אנו נכנסים לאחד ממערכי הנתונים, כל אחד מהם מכיל 1,3 מיליארד שנים. כספית עלולה ליפול לתוך השמש. בסימולציה אחרת התברר שאחרי 820 מיליון שנה מאדים יגורש מהמערכת, ואחרי 40 מיליון שנה יגיעו התנגשות של מרקורי ונוגה.
מחקר על הדינמיקה של המערכת שלנו על ידי לסקר וצוותו העריך את זמן לפונוב (כלומר, התקופה שבה ניתן לחזות במדויק את מהלך תהליך נתון) עבור המערכת כולה ב-5 מיליון שנים.
מסתבר ששגיאה של ק"מ אחד בלבד בקביעת מיקומו ההתחלתי של כוכב הלכת יכולה לגדול ליחידה אסטרונומית אחת תוך 1 מיליון שנים. גם אם היינו יודעים את הנתונים הראשוניים של המערכת עם דיוק גבוה באופן שרירותי אך סופי, לא נוכל לחזות את התנהגותה לכל פרק זמן. כדי לחשוף את עתיד המערכת, שהוא כאוטי, אנחנו צריכים לדעת את הנתונים המקוריים בדיוק אינסופי, וזה בלתי אפשרי.
יתר על כן, אנחנו לא יודעים בוודאות. האנרגיה הכוללת של מערכת השמש. אבל גם אם לוקחים בחשבון את כל ההשפעות, כולל מדידות רלטיביסטיות ומדויקות יותר, לא נשנה את האופי הכאוטי של מערכת השמש ולא נוכל לחזות את התנהגותה ואת מצבה בכל זמן נתון.
הכל יכול לקרות
אז, מערכת השמש היא פשוט כאוטית, זה הכל. משמעות ההצהרה הזו היא שאיננו יכולים לחזות את מסלול כדור הארץ מעבר, למשל, ל-100 מיליון שנה. מצד שני, מערכת השמש ללא ספק נשארת יציבה כמבנה כרגע, שכן סטיות קטנות של הפרמטרים המאפיינים את מסלולי כוכבי הלכת מובילות למסלולים שונים, אך בעלי תכונות קרובות. לכן אין זה סביר שהוא יתמוטט במיליארדי השנים הקרובות.
כמובן, ייתכן שכבר הוזכרו אלמנטים חדשים שאינם נלקחים בחשבון בחישובים לעיל. לדוגמה, למערכת לוקח 250 מיליון שנה להשלים מסלול סביב מרכז גלקסיית שביל החלב. למהלך הזה יש השלכות. סביבת החלל המשתנה משבשת את האיזון העדין בין השמש לבין עצמים אחרים. כמובן שאי אפשר לחזות זאת, אבל קורה שחוסר איזון כזה מוביל לעלייה בהשפעה. פעילות שביט. עצמים אלה עפים לעבר השמש לעתים קרובות יותר מהרגיל. זה מגביר את הסיכון להתנגשות שלהם בכדור הארץ.
כוכב אחרי 4 מיליון שנה גליזה 710 יהיה במרחק של 1,1 שנות אור מהשמש, דבר שעלול לשבש את מסלולי העצמים שבהם ענן אורט ועלייה בסבירות להתנגשות שביט באחד מכוכבי הלכת הפנימיים של מערכת השמש.
מדענים מסתמכים על נתונים היסטוריים, ומסיקים מהם מסקנות סטטיסטיות, חוזים שכנראה בעוד חצי מיליון שנה מטאור פוגע בקרקע קוטר 1 ק"מ, גורם לאסון קוסמי. בתורו, בפרספקטיבה של 100 מיליון שנה, מטאוריט צפוי לרדת בגודל דומה לזה שגרם להכחדת הקרטיקון לפני 65 מיליון שנה.
עד 500-600 מיליון שנים, עליך לחכות זמן רב ככל האפשר (שוב, בהתבסס על הנתונים והסטטיסטיקה הזמינים) הֶבזֵק לוב פיצוץ היפר-אנרגיה של סופרנובה. במרחק כזה, הקרניים עלולות לפגוע בשכבת האוזון של כדור הארץ ולגרום להכחדה המונית בדומה להכחדה האורדוביץ' - אם רק ההשערה לגבי זה נכונה. עם זאת, הקרינה הנפלטת חייבת להיות מכוונת בדיוק לכדור הארץ כדי שתוכל לגרום כאן נזק כלשהו.
אז בואו נשמח על החזרה וההתייצבות הקטנה של העולם שאנו רואים ובו אנו חיים. מתמטיקה, סטטיסטיקה והסתברות מעסיקים אותו בטווח הארוך. למרבה המזל, המסע הארוך הזה הוא הרבה מעבר להישג ידנו.
