Журнал Кванта

May 04, 2023

16 мая 2023 г.

Харол Бустос для журнала Quanta

Старший писатель

16 мая 2023 г.

В 2009 году пара астрономов Парижской обсерватории объявила о поразительном открытии. Построив подробную вычислительную модель нашей Солнечной системы, они провели тысячи численных симуляций, прогнозируя движения планет на миллиарды лет в будущее. В большинстве этих симуляций, в ходе которых стартовая точка Меркурия варьировалась в диапазоне чуть менее 1 метра, все шло так, как и ожидалось. Планеты продолжали вращаться вокруг Солнца, описывая эллипсообразные орбиты, которые выглядели более или менее так же, как на протяжении всей истории человечества.

Но примерно в 1% случаев дела пошли не так — в буквальном смысле. Форма орбиты Меркурия существенно изменилась. Ее эллиптическая траектория постепенно выравнивалась, пока планета либо не упала на Солнце, либо не столкнулась с Венерой. Иногда, когда он прокладывал свой новый путь через космос, его поведение дестабилизировало и другие планеты: например, Марс мог быть выброшен из Солнечной системы или врезаться в Землю. Венера и Земля могли в медленном космическом танце несколько раз поменяться орбитами, прежде чем в конечном итоге столкнуться.

Возможно, Солнечная система была не такой стабильной, как когда-то думали люди.

На протяжении веков, с тех пор как Исаак Ньютон сформулировал свои законы движения и гравитации, математики и астрономы пытались решить эту проблему. В простейшей модели Солнечной системы, которая учитывает только гравитационные силы, действующие на Солнце, планеты вечно движутся по своим эллиптическим орбитам, как часовой механизм. «Это довольно утешительная картина», — сказал Ричард Мёкель, математик из Университета Миннесоты. «Это будет продолжаться вечно, и нас уже давно не будет, но Юпитер все равно будет вращаться».

Но как только учесть гравитационное притяжение между самими планетами, все становится сложнее. Вы больше не можете точно рассчитывать положения и скорости планет в течение длительных периодов времени и вместо этого должны задавать качественные вопросы о том, как они могут вести себя. Могут ли эффекты взаимного притяжения планет накопиться и сломать часовой механизм?

Подробные численные модели, подобные тем, которые были опубликованы Жаком Ласкаром и Микаэлем Гастино из Парижской обсерватории в 2009 году, позволяют предположить, что существует небольшая, но реальная вероятность того, что дела пойдут наперекосяк. Но эти симуляции, хотя и важны, но не то же самое, что математическое доказательство. Они не могут быть абсолютно точными, и, как показывает само моделирование, небольшая неточность может — в течение миллиардов смоделированных лет — привести к совершенно другим результатам. Более того, они не дают основного объяснения того, почему могут разворачиваться определенные события. «Вы хотите понять, какие математические механизмы вызывают нестабильность, и доказать, что они действительно существуют», — сказал Марсель Гуардия, математик из Барселонского университета.

Получите журнал Quanta Magazine на свой почтовый ящик

Математики Марсель Гуардиа (слева) и Жак Фейоз уже много лет сотрудничают в поисках доказательства того, что нестабильность может возникнуть в модели Солнечной системы.

Джессика Массетти

Теперь в трех статьях, общий объем которых превышает 150 страниц, Гуардиа и двое его сотрудников впервые доказали, что нестабильность неизбежно возникает в модели планет, вращающихся вокруг Солнца.

«Результат действительно очень впечатляющий», — сказала Габриэлла Пинзари, физик-математик из Падуанского университета в Италии. «Авторы доказали теорему, которая является одной из самых красивых теорем, которые можно доказать». Это также может помочь объяснить, почему наша Солнечная система выглядит именно так.

Столетия назад уже было ясно, что взаимодействие между планетами может иметь долгосрочные последствия. Рассмотрим Меркурий. Чтобы совершить путешествие вокруг Солнца по эллиптической траектории, требуется примерно три месяца. Но этот путь также медленно вращается — на один градус каждые 600 лет, полный оборот каждые 200 000 лет. Этот вид вращения, известный как прецессия, во многом является результатом притяжения Меркурия Венеры, Земли и Юпитера.