ثباتنا الصغير
تشرق الشمس دائمًا في الشرق ، وتتغير الفصول بانتظام ، هناك 365 أو 366 يومًا في السنة ، والشتاء بارد ، والصيف دافئ ... ممل. لكن دعونا نستمتع بهذا الملل! أولاً ، لن يستمر إلى الأبد. ثانيًا ، إن ثباتنا الصغير ليس سوى حالة خاصة ومؤقتة في النظام الشمسي الفوضوي ككل.
تبدو حركة الكواكب والأقمار وجميع الأجسام الأخرى في النظام الشمسي منظمة ويمكن التنبؤ بها. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، كيف تفسر كل الحفر التي نراها على القمر والعديد من الأجرام السماوية في نظامنا؟ هناك الكثير منها على الأرض أيضًا ، ولكن نظرًا لأن لدينا غلافًا جويًا ، ومعه تآكل ونبات وماء ، فإننا لا نرى غابة الأرض بشكل واضح كما هو الحال في أماكن أخرى.
إذا كان النظام الشمسي يتألف من نقاط مادية مثالية تعمل فقط على مبادئ نيوتن ، فعند معرفة مواقع وسرعات الشمس وجميع الكواكب بدقة ، يمكننا تحديد موقعها في أي وقت في المستقبل. لسوء الحظ ، يختلف الواقع عن ديناميكيات نيوتن الأنيقة.
فراشة الفضاء
بدأ التقدم العظيم في العلوم الطبيعية على وجه التحديد بمحاولات وصف الأجسام الكونية. الاكتشافات الحاسمة التي تشرح قوانين حركة الكواكب تم إجراؤها من قبل "الآباء المؤسسين" لعلم الفلك والرياضيات والفيزياء الحديثين - كوبرنيكوس, غاليليو, كبلر i نيوتن. ومع ذلك ، على الرغم من أن ميكانيكا جرمين سماويين يتفاعلان تحت تأثير الجاذبية معروفة جيدًا ، فإن إضافة جسم ثالث (ما يسمى بمشكلة الأجسام الثلاثة) تعقد المشكلة لدرجة أننا لا نستطيع حلها بشكل تحليلي.
هل يمكننا التنبؤ بحركة الأرض ، على سبيل المثال ، قبل مليار سنة؟ أو بعبارة أخرى: هل النظام الشمسي مستقر؟ حاول العلماء الإجابة على هذا السؤال لأجيال. النتائج الأولى التي حصلوا عليها بيتر سيمون من لابلاس i جوزيف لويس لاغرانج، لا شك أنه اقترح إجابة إيجابية.
في نهاية القرن التاسع عشر ، كان حل مشكلة استقرار النظام الشمسي أحد أكبر التحديات العلمية. ملك السويد أوسكار الثانيحتى أنه أنشأ جائزة خاصة لمن يحل هذه المشكلة. حصل عليها عالم الرياضيات الفرنسي عام 1887 هنري بوانكاريه. ومع ذلك ، فإن دليله على أن أساليب الاضطراب قد لا تؤدي إلى الحل الصحيح لا يعتبر قاطعًا.
لقد أنشأ أسس النظرية الرياضية لاستقرار الحركة. الكسندر ام لابونوفمن تساءل عن مدى سرعة زيادة المسافة بين مسارين قريبين في نظام فوضوي مع مرور الوقت. عندما في النصف الثاني من القرن العشرين. إدوارد لورنزقام عالم الأرصاد الجوية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ببناء نموذج مبسط لتغير الطقس يعتمد فقط على اثني عشر عاملاً ، ولم يكن مرتبطًا بشكل مباشر بحركة الأجسام في النظام الشمسي. في بحثه عام 1963 ، أظهر إدوارد لورنتز أن تغييرًا طفيفًا في بيانات الإدخال يؤدي إلى سلوك مختلف تمامًا للنظام. هذه الخاصية ، التي عُرفت فيما بعد باسم "تأثير الفراشة" ، تبين أنها نموذجية لمعظم الأنظمة الديناميكية المستخدمة لنمذجة الظواهر المختلفة في الفيزياء أو الكيمياء أو علم الأحياء.
مصدر الفوضى في الأنظمة الديناميكية هو قوى من نفس الترتيب تعمل على الهيئات المتعاقبة. كلما زاد عدد الجثث في النظام ، زادت الفوضى. في النظام الشمسي ، نظرًا للتفاوت الهائل في كتل جميع المكونات مقارنة بالشمس ، فإن تفاعل هذه المكونات مع النجم هو المسيطر ، لذا يجب ألا تكون درجة الفوضى التي تم التعبير عنها في دعاة Lyapunov كبيرة. ولكن أيضًا ، وفقًا لحسابات لورنتز ، لا ينبغي أن نتفاجأ بفكرة الطبيعة الفوضوية للنظام الشمسي. سيكون من المدهش أن يكون نظامًا بمثل هذا العدد الكبير من درجات الحرية منتظمًا.
قبل عشر سنوات جاك لاسكار من مرصد باريس ، أجرى أكثر من ألف محاكاة حاسوبية لحركة الكواكب. في كل منها ، اختلفت الظروف الأولية بشكل ضئيل. تظهر النمذجة أنه لن يحدث لنا شيء أكثر خطورة في الأربعين مليون سنة القادمة ، ولكن لاحقًا في 40-1٪ من الحالات قد يحدث زعزعة كاملة للنظام الشمسي. لدينا أيضًا هذه الأربعين مليون سنة تحت تصرفنا فقط بشرط عدم ظهور ضيف غير متوقع ، أو عامل أو عنصر جديد لا يؤخذ في الاعتبار في الوقت الحالي.
تظهر الحسابات ، على سبيل المثال ، أنه في غضون 5 مليارات سنة سيتغير مدار عطارد (أول كوكب من الشمس) ، ويرجع ذلك أساسًا إلى تأثير كوكب المشتري. قد يؤدي هذا إلى اصطدام الأرض بالمريخ أو عطارد بالضبط. عندما ندخل إحدى مجموعات البيانات ، تحتوي كل مجموعة على 1,3 مليار سنة. قد يقع عطارد في الشمس. في محاكاة أخرى تبين ذلك بعد 820 مليون سنة سيتم طرد المريخ من النظام، وبعد 40 مليون سنة سيأتي تصادم عطارد والزهرة.
قدرت دراسة لديناميكيات نظامنا بواسطة لاسكار وفريقه وقت لابونوف (أي الفترة التي يمكن خلالها التنبؤ بدقة بمسار عملية معينة) للنظام بأكمله عند 5 ملايين سنة.
اتضح أن خطأ يبلغ كيلومترًا واحدًا فقط في تحديد الموقع الأولي للكوكب يمكن أن يزيد إلى وحدة فلكية واحدة في 1 مليون سنة. حتى لو عرفنا البيانات الأولية للنظام بدقة عالية عشوائية ولكن محدودة ، فلن نتمكن من التنبؤ بسلوكه لأي فترة زمنية. للكشف عن مستقبل النظام الفوضوي ، نحتاج إلى معرفة البيانات الأصلية بدقة غير محدودة ، وهو أمر مستحيل.
علاوة على ذلك ، نحن لا نعرف على وجه اليقين. إجمالي الطاقة للنظام الشمسي. ولكن حتى مع الأخذ في الاعتبار جميع التأثيرات ، بما في ذلك القياسات النسبية والأكثر دقة ، فلن نغير الطبيعة الفوضوية للنظام الشمسي ولن نكون قادرين على التنبؤ بسلوكه وحالته في أي وقت.
يمكن أن يحدث أي شيء
إذاً ، النظام الشمسي فوضوياً فقط ، هذا كل شيء. هذا البيان يعني أنه لا يمكننا التنبؤ بمسار الأرض بعد 100 مليون سنة على سبيل المثال. من ناحية أخرى ، يظل النظام الشمسي بلا شك مستقرًا كهيكل في الوقت الحالي ، نظرًا لأن الانحرافات الصغيرة للمعلمات التي تميز مسارات الكواكب تؤدي إلى مدارات مختلفة ، ولكن بخصائص قريبة. لذا فمن غير المرجح أن ينهار في مليارات السنين القادمة.
بالطبع ، قد تكون هناك عناصر جديدة مذكورة بالفعل لم يتم أخذها في الاعتبار في الحسابات المذكورة أعلاه. على سبيل المثال ، يستغرق النظام 250 مليون سنة لإكمال مدار حول مركز مجرة درب التبانة. هذه الخطوة لها عواقب. البيئة الفضائية المتغيرة تعطل التوازن الدقيق بين الشمس والأشياء الأخرى. هذا ، بالطبع ، لا يمكن التنبؤ به ، ولكن يحدث أن مثل هذا الخلل يؤدي إلى زيادة في التأثير. نشاط المذنب. هذه الأجسام تطير باتجاه الشمس أكثر من المعتاد. هذا يزيد من خطر اصطدامهم بالأرض.
نجم بعد 4 ملايين سنة 710 ستكون على بعد 1,1 سنة ضوئية من الشمس ، مما قد يؤدي إلى تعطيل مدارات الأجسام الموجودة فيها سحابة أورت وزيادة احتمالية اصطدام مذنب بأحد الكواكب الداخلية للنظام الشمسي.
يعتمد العلماء على البيانات التاريخية ، واستخلاص النتائج الإحصائية منها ، يتوقعون ذلك ، على الأرجح خلال نصف مليون سنة نيزك يضرب الأرض قطرها كيلومتر واحد ، مما تسبب في كارثة كونية. في المقابل ، في منظور 1 مليون سنة ، من المتوقع أن ينخفض حجم نيزك مماثل لتلك التي تسببت في انقراض العصر الطباشيري قبل 100 مليون سنة.
حتى 500-600 مليون سنة ، عليك الانتظار لأطول فترة ممكنة (مرة أخرى ، بناءً على البيانات والإحصاءات المتاحة) فلاش أو انفجار مستعر أعظم. عند هذه المسافة ، يمكن أن تؤثر الأشعة على طبقة الأوزون على الأرض وتتسبب في انقراض جماعي مشابه لانقراض Ordovician - إذا كانت الفرضية حول هذا فقط صحيحة. ومع ذلك ، يجب أن يوجه الإشعاع المنبعث بدقة إلى الأرض حتى يمكن التسبب في أي ضرر هنا.
لذلك دعونا نبتهج بالتكرار والتثبيت البسيط للعالم الذي نراه والذي نعيش فيه. الرياضيات والإحصاء والاحتمالات تجعله مشغولاً على المدى الطويل. لحسن الحظ ، هذه الرحلة الطويلة بعيدة المنال.
