เสถียรภาพเล็กน้อยของเรา

ดวงอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันออกเสมอ ฤดูกาลเปลี่ยนเป็นประจำ มี 365 หรือ 366 วันต่อปี ฤดูหนาวอากาศหนาว ฤดูร้อนอบอุ่น… น่าเบื่อ แต่ขอให้สนุกกับความเบื่อหน่ายนี้! ประการแรก มันจะไม่คงอยู่ตลอดไป ประการที่สอง การรักษาเสถียรภาพเพียงเล็กน้อยของเราเป็นเพียงกรณีพิเศษและชั่วคราวในระบบสุริยะที่วุ่นวายโดยรวม

การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ดวงจันทร์ และวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะดูเหมือนจะเป็นระเบียบและคาดเดาได้ แต่ถ้าเป็นเช่นนั้น คุณจะอธิบายหลุมอุกกาบาตทั้งหมดที่เราเห็นบนดวงจันทร์และวัตถุท้องฟ้าจำนวนมากในระบบของเราได้อย่างไร มีพวกมันมากมายบนโลกด้วย แต่เนื่องจากเรามีชั้นบรรยากาศ และด้วยการกัดเซาะ พืชพรรณ และน้ำ เราจึงไม่เห็นพุ่มไม้หนาแผ่นดินได้ชัดเจนเหมือนในที่อื่นๆ

หากระบบสุริยะประกอบด้วยจุดวัสดุในอุดมคติซึ่งทำงานบนหลักการของนิวตันเพียงอย่างเดียว ดังนั้น เมื่อทราบตำแหน่งและความเร็วที่แน่นอนของดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ทั้งหมด เราก็สามารถระบุตำแหน่งของพวกมันได้ทุกเมื่อในอนาคต น่าเสียดายที่ความเป็นจริงแตกต่างจากพลวัตของนิวตัน

ผีเสื้ออวกาศ

ความก้าวหน้าที่ยิ่งใหญ่ของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติเริ่มต้นอย่างแม่นยำด้วยความพยายามที่จะอธิบายร่างกายของจักรวาล การค้นพบที่เด็ดขาดซึ่งอธิบายกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์เกิดขึ้นโดย "บรรพบุรุษผู้ก่อตั้ง" ของดาราศาสตร์ คณิตศาสตร์ และฟิสิกส์สมัยใหม่ - Copernicus, กาลิเลโอ, เคปเลอร์ i นิวตัน. อย่างไรก็ตาม แม้ว่ากลไกของวัตถุท้องฟ้าสองดวงที่มีปฏิสัมพันธ์ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงจะเป็นที่รู้จักกันดี แต่การเพิ่มวัตถุที่สาม (ที่เรียกว่าปัญหาสามวัตถุ) ทำให้ปัญหาซับซ้อนขึ้นจนถึงจุดที่เราไม่สามารถแก้ปัญหาในเชิงวิเคราะห์ได้

เราสามารถทำนายการเคลื่อนที่ของโลกได้ในอีกพันล้านปีข้างหน้าหรือไม่? หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง: ระบบสุริยะมีเสถียรภาพหรือไม่? นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามตอบคำถามนี้มาหลายชั่วอายุคน ผลลัพธ์แรกที่ได้รับ ปีเตอร์ ไซมอน จาก ลาปลาซ i โจเซฟ หลุยส์ ลากรองจ์ไม่ต้องสงสัยเลยแนะนำคำตอบในเชิงบวก

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ XNUMX การแก้ปัญหาความเสถียรของระบบสุริยะเป็นหนึ่งในความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุด กษัตริย์แห่งสวีเดน ออสการ์ IIเขายังได้มอบรางวัลพิเศษให้กับผู้ที่แก้ปัญหานี้ ได้รับในปี 1887 โดยนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Henri Poincaré. อย่างไรก็ตาม หลักฐานของเขาที่แสดงว่าวิธีการก่อกวนอาจไม่นำไปสู่การแก้ปัญหาที่ถูกต้องนั้นไม่ถือเป็นข้อสรุป

เขาสร้างรากฐานของทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของความเสถียรของการเคลื่อนที่ Alexander M. Lapunovผู้ซึ่งสงสัยว่าระยะห่างระหว่างวิถีโคจรใกล้สองทางในระบบที่วุ่นวายนั้นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเพียงใดตามเวลา เมื่อในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ยี่สิบ เอ็ดเวิร์ด ลอเรนซ์นักอุตุนิยมวิทยาที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้สร้างแบบจำลองการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศอย่างง่ายซึ่งขึ้นอยู่กับปัจจัยสิบสองประการเท่านั้น มันไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการเคลื่อนไหวของวัตถุในระบบสุริยะ ในรายงานปี 1963 ของเขา Edward Lorentz แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในข้อมูลที่ป้อนทำให้พฤติกรรมของระบบแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง คุณสมบัตินี้ ซึ่งต่อมารู้จักกันในชื่อ "เอฟเฟกต์ผีเสื้อ" กลายเป็นแบบอย่างของระบบไดนามิกส่วนใหญ่ที่ใช้ในการสร้างแบบจำลองปรากฏการณ์ต่างๆ ในฟิสิกส์ เคมี หรือชีววิทยา

ที่มาของความโกลาหลในระบบไดนามิกคือกองกำลังที่มีลำดับเดียวกันซึ่งกระทำต่อวัตถุที่ต่อเนื่องกัน ยิ่งมีเนื้อหาในระบบมากเท่าไร ความโกลาหลก็จะมากขึ้นเท่านั้น ในระบบสุริยะ เนื่องจากมวลของส่วนประกอบทั้งหมดมีสัดส่วนไม่เท่ากันเมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์ ปฏิสัมพันธ์ของส่วนประกอบเหล่านี้กับดาวฤกษ์จึงมีความโดดเด่น ดังนั้นระดับของความโกลาหลที่แสดงออกมาเป็นเลขชี้กำลังของ Lyapunov ไม่ควรมีมาก แต่ตามการคำนวณของลอเรนซ์ เราไม่ควรแปลกใจกับความคิดเรื่องธรรมชาติที่วุ่นวายของระบบสุริยะ คงจะน่าแปลกใจถ้าระบบที่มีระดับความเป็นอิสระจำนวนมากเช่นนี้เป็นปกติ

สิบปีที่แล้ว Jacques Lascar จากหอดูดาวปารีส เขาทำการจำลองการเคลื่อนไหวของดาวเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์มากกว่าพันครั้ง เงื่อนไขเริ่มต้นแตกต่างกันเล็กน้อยในแต่ละเงื่อนไข แบบจำลองแสดงให้เห็นว่าจะไม่มีอะไรร้ายแรงเกิดขึ้นกับเราในอีก 40 ล้านปีข้างหน้า แต่ต่อมาใน 1-2% ของกรณีอาจ ความไม่เสถียรของระบบสุริยะอย่างสมบูรณ์. นอกจากนี้เรายังมีเวลา 40 ล้านปีเหล่านี้ในการกำจัดเฉพาะในกรณีที่แขกที่ไม่คาดคิดปัจจัยหรือองค์ประกอบใหม่ที่ไม่ได้นำมาพิจารณาในขณะนี้ไม่ปรากฏขึ้น

ตัวอย่างเช่น การคำนวณแสดงให้เห็นว่าภายใน 5 พันล้านปีวงโคจรของดาวพุธ (ดาวเคราะห์ดวงแรกจากดวงอาทิตย์) จะเปลี่ยนไป สาเหตุหลักมาจากอิทธิพลของดาวพฤหัสบดี ซึ่งอาจนำไปสู่ โลกชนกับดาวอังคารหรือดาวพุธ อย่างแน่นอน. เมื่อเราป้อนหนึ่งในชุดข้อมูล แต่ละชุดประกอบด้วย 1,3 พันล้านปี ดาวพุธอาจตกดวงอาทิตย์. ในอีกแบบจำลองหนึ่งปรากฏว่าหลังจาก 820 ล้านปี ดาวอังคารจะถูกขับออกจากระบบและหลังจาก 40 ล้านปีจะมาถึง การชนกันของดาวพุธและดาวศุกร์.

การศึกษาพลวัตของระบบของเราโดย Lascar และทีมของเขาประเมินเวลา Lapunov (กล่าวคือ ช่วงเวลาที่สามารถคาดการณ์กระบวนการที่กำหนดได้อย่างแม่นยำ) สำหรับทั้งระบบที่ 5 ล้านปี

ปรากฎว่าข้อผิดพลาดเพียง 1 กม. ในการกำหนดตำแหน่งเริ่มต้นของดาวเคราะห์สามารถเพิ่มขึ้นเป็น 1 หน่วยทางดาราศาสตร์ใน 95 ล้านปี แม้ว่าเราจะรู้ข้อมูลเบื้องต้นของระบบด้วยความถูกต้องสูงตามอำเภอใจ แต่มีความแม่นยำที่จำกัด เราก็ไม่สามารถคาดการณ์พฤติกรรมของระบบในช่วงเวลาใดๆ ได้ เพื่อเปิดเผยอนาคตของระบบที่วุ่นวาย เราต้องรู้ข้อมูลเดิมที่มีความแม่นยำไม่รู้จบ ซึ่งเป็นไปไม่ได้

ยิ่งกว่านั้นเราไม่ทราบแน่ชัด พลังงานทั้งหมดของระบบสุริยะ. แต่ถึงแม้จะคำนึงถึงผลกระทบทั้งหมด รวมทั้งการวัดเชิงสัมพัทธภาพและแม่นยำยิ่งขึ้น เราจะไม่เปลี่ยนธรรมชาติที่วุ่นวายของระบบสุริยะและจะไม่สามารถคาดการณ์พฤติกรรมและสถานะของระบบได้ในเวลาใดก็ตาม

อะไรก็เกิดขึ้นได้

ดังนั้น ระบบสุริยะก็เลยไม่เป็นระเบียบ แค่นั้นเอง ข้อความนี้หมายความว่าเราไม่สามารถทำนายวิถีโคจรของโลกเกินกว่า 100 ล้านปี ในทางกลับกัน ระบบสุริยะยังคงมีความเสถียรเหมือนโครงสร้างในขณะนี้ เนื่องจากการเบี่ยงเบนเล็กน้อยของพารามิเตอร์ที่แสดงลักษณะเส้นทางของดาวเคราะห์นำไปสู่วงโคจรที่แตกต่างกัน แต่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน ดังนั้นจึงไม่น่าเป็นไปได้ที่มันจะพังทลายในอีกพันล้านปีข้างหน้า

แน่นอนว่าอาจมีองค์ประกอบใหม่ที่ไม่ได้นำมาพิจารณาในการคำนวณข้างต้น ตัวอย่างเช่น ระบบใช้เวลา 250 ล้านปีในการโคจรรอบใจกลางดาราจักรทางช้างเผือกให้เสร็จสมบูรณ์ การย้ายครั้งนี้มีผลที่ตามมา สภาพแวดล้อมของอวกาศที่เปลี่ยนแปลงไปทำลายสมดุลอันละเอียดอ่อนระหว่างดวงอาทิตย์กับวัตถุอื่นๆ แน่นอนว่าสิ่งนี้ไม่สามารถคาดเดาได้ แต่มันเกิดขึ้นที่ความไม่สมดุลดังกล่าวนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของผลกระทบ กิจกรรมดาวหาง. วัตถุเหล่านี้บินเข้าหาดวงอาทิตย์บ่อยกว่าปกติ สิ่งนี้จะเพิ่มความเสี่ยงของการชนกับโลก

สตาร์หลังจาก 4 ล้านปี เกลซ 710 อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 1,1 ปีแสง ซึ่งอาจรบกวนวงโคจรของวัตถุใน เมฆออร์ต และเพิ่มโอกาสที่ดาวหางจะชนกับดาวเคราะห์ชั้นในของระบบสุริยะดวงใดดวงหนึ่ง

นักวิทยาศาสตร์อาศัยข้อมูลทางประวัติศาสตร์และดึงข้อสรุปทางสถิติจากข้อมูลเหล่านั้น คาดการณ์ว่าน่าจะในครึ่งล้านปี อุกกาบาตกระทบพื้น เส้นผ่านศูนย์กลาง 1 กม. ทำให้เกิดภัยพิบัติในจักรวาล ในทางกลับกัน ในมุมมองของ 100 ล้านปี อุกกาบาตคาดว่าจะมีขนาดที่เล็กลงเทียบเท่ากับที่ทำให้ยุคครีเทเชียสสูญพันธุ์เมื่อ 65 ล้านปีก่อน

นานถึง 500-600 ล้านปี คุณต้องรอนานที่สุด (อีกครั้งตามข้อมูลและสถิติที่มี) แฟลช หรือ การระเบิดของมหานวดารา. ในระยะดังกล่าว รังสีอาจส่งผลกระทบต่อชั้นโอโซนของโลกและทำให้เกิดการสูญเสียมวลคล้ายกับการสูญพันธุ์ของออร์โดวิเชียน หากเพียงสมมติฐานที่ถูกต้องเกี่ยวกับเรื่องนี้ อย่างไรก็ตาม รังสีที่ปล่อยออกมาจะต้องพุ่งตรงมายังโลกอย่างแม่นยำเพื่อที่จะสามารถสร้างความเสียหายใดๆ ได้ที่นี่

ดังนั้นจงชื่นชมยินดีกับความซ้ำซากจำเจและความมั่นคงเล็กน้อยของโลกที่เราเห็นและที่เราอาศัยอยู่ คณิตศาสตร์ สถิติ และความน่าจะเป็นทำให้เขายุ่งในระยะยาว โชคดีที่การเดินทางอันยาวนานนี้อยู่ไกลเกินเอื้อม