Onze kleine stabilisatie

De zon komt altijd op in het oosten, de seizoenen veranderen regelmatig, er zijn 365 of 366 dagen in een jaar, koude winters, warme zomers... Saai. Maar laten we genieten van deze verveling! In de eerste plaats zal het niet eeuwig duren. Ten tweede is onze lichte stabilisatie slechts een speciaal en tijdelijk geval in het chaotische zonnestelsel als geheel.

De beweging van planeten, manen en alle andere objecten in het zonnestelsel lijkt ordelijk en voorspelbaar. Maar als dit waar is, hoe verklaar je dan alle kraters die we op de maan zien en de vele hemellichamen in ons systeem? Er zijn er ook veel op aarde, maar omdat we een atmosfeer hebben, en daarmee erosie, vegetatie en water, kunnen we het struikgewas van de aarde niet zo duidelijk zien als op andere plaatsen.

Als het zonnestelsel zou bestaan ​​uit geïdealiseerde punten van materie die uitsluitend volgens de Newtoniaanse principes zouden werken, dan zouden we, als we de exacte posities en snelheden van de zon en alle planeten kenden, op elk moment in de toekomst hun locatie kunnen bepalen. Helaas is de realiteit anders dan de nette dynamiek van Newton.

Ruimte vlinder

De grote vooruitgang van de natuurwetenschap begon juist met pogingen om kosmische lichamen te beschrijven. De beslissende ontdekkingen die de wetten van de beweging van planeten verklaren, zijn gedaan door de “grondleggers” van de moderne astronomie, wiskunde en natuurkunde - Copernicus, Galileo, Kepler i Newton. Hoewel de werking van twee hemellichamen die onder invloed van de zwaartekracht op elkaar inwerken welbekend is, compliceert de toevoeging van een derde object (het zogenaamde drielichamenprobleem) het probleem echter zozeer dat we het analytisch niet kunnen oplossen.

Kunnen we de beweging van de aarde bijvoorbeeld een miljard jaar van tevoren voorspellen? Of, met andere woorden: is het zonnestelsel stabiel? Wetenschappers proberen deze vraag al generaties lang te beantwoorden. De eerste resultaten die ze behaalden Peter Simon uit Laplace i Jozef Lodewijk Lagrangeimpliceerde zeker een positief antwoord.

Aan het einde van de XNUMXe eeuw was het oplossen van het probleem van de stabiliteit van het zonnestelsel een van de grootste wetenschappelijke uitdagingen. koning van Zweden, Oscar II, heeft hij zelfs een speciale beloning ingesteld voor degene die dit probleem oplost. Het werd in 1887 verkregen door een Franse wiskundige Henri Poincare. Zijn bewijs dat verstoringsmethoden mogelijk niet tot een correcte resolutie leiden, wordt echter niet als overtuigend beschouwd.

Hij creëerde de basis voor de wiskundige theorie van bewegingsstabiliteit. Alexander M. Lapunovdie zich afvroegen hoe snel de afstand tussen twee korte trajecten in een chaotisch systeem in de loop van de tijd toeneemt. Toen in de tweede helft van de twintigste eeuw. Eduard Lorenz, een meteoroloog aan het Massachusetts Institute of Technology, bouwde een vereenvoudigd model van weersveranderingen dat van slechts twaalf factoren afhing; het was niet direct gerelateerd aan de beweging van lichamen in het zonnestelsel. In zijn werk uit 1963 toonde Edward Lorenz aan dat een kleine verandering in invoergegevens een heel ander systeemgedrag veroorzaakt. Deze eigenschap, later bekend als het ‘vlindereffect’, bleek typerend voor de meeste dynamische systemen die worden gebruikt om verschillende verschijnselen in de natuurkunde, scheikunde of biologie te modelleren.

De bron van chaos in dynamische systemen zijn krachten van dezelfde orde die op opeenvolgende lichamen inwerken. Hoe meer lichamen in het systeem, hoe groter de chaos. In het zonnestelsel is, vanwege de enorme wanverhouding van de massa's van alle componenten vergeleken met de zon, de interactie van deze componenten met de ster dominant, daarom zou de mate van chaos uitgedrukt in Lyapunov-exponenten niet groot moeten zijn. Maar volgens de berekeningen van Lorentz moeten we ook niet verrast zijn door het idee van de chaotische aard van het zonnestelsel. Het zou verrassend zijn als een systeem met zo’n groot aantal vrijheidsgraden regulier zou zijn.

Tien jaar geleden Jacques Lascar van het Observatorium van Parijs maakte hij meer dan duizend computersimulaties van planeetbewegingen. In elk van hen verschilden de beginvoorwaarden enigszins. Modellering laat zien dat er de komende 40 miljoen jaar niets ernstigers met ons zal gebeuren, maar later kan dit in 1-2% van de gevallen het geval zijn. volledige destabilisatie van het zonnestelsel. We hebben deze 40 miljoen jaar ook alleen tot onze beschikking op voorwaarde dat er geen onverwachte gast, factor of nieuw element verschijnt waar op dit moment geen rekening mee is gehouden.

Uit berekeningen blijkt bijvoorbeeld dat binnen 5 miljard jaar de baan van Mercurius (de eerste planeet vanaf de zon) zal veranderen, vooral onder invloed van Jupiter. Dit kan leiden tot botsing van de aarde met Mars of Mercurius precies. Wanneer we een van de datasets invoeren, bevat elke dataset 1,3 miljard jaar. Mercurius kan in de zon vallen. Een andere simulatie ontdekte dat dit over 820 miljoen jaar zou gebeuren Mars zal uit het systeem worden verdreven, en over 40 miljoen jaar zal het zover zijn botsing van Mercurius en Venus.

Een onderzoek naar de dynamiek van ons systeem door Lascar en zijn team schatte de Lapunov-tijd (dat wil zeggen de periode waarin het verloop van een bepaald proces nauwkeurig kan worden voorspeld) voor het hele systeem op 5 miljoen jaar.

Het blijkt dat een fout van slechts 1 km bij het bepalen van de beginpositie van de planeet in 1 miljoen jaar kan oplopen tot 95 astronomische eenheid. Zelfs als we de initiële gegevens van het Systeem met een willekeurig hoge maar eindige nauwkeurigheid zouden kennen, zouden we zijn gedrag voor geen enkele periode kunnen voorspellen. Om de toekomst van het systeem, die chaotisch is, te onthullen, moeten we de brongegevens met oneindige precisie kennen, wat onmogelijk is.

Bovendien weten we het niet zeker totale energie van het zonnestelsel. Maar zelfs als we rekening zouden houden met alle effecten, inclusief relativistische en nauwkeurigere metingen, zouden we de chaotische aard van het zonnestelsel niet veranderen en zouden we het gedrag en de toestand ervan op geen enkel moment kunnen voorspellen.

Alles kan gebeuren

Het zonnestelsel is dus gewoon chaotisch, dat is alles. Deze verklaring betekent dat we het traject van de aarde na bijvoorbeeld 100 miljoen jaar niet kunnen voorspellen. Aan de andere kant blijft het zonnestelsel op dit moment ongetwijfeld stabiel als structuur, omdat kleine afwijkingen van de parameters die de banen van de planeten kenmerken, tot verschillende banen leiden, maar met vergelijkbare eigenschappen. Het is dus onwaarschijnlijk dat het in de komende miljarden jaren zal instorten.

Uiteraard kunnen er al nieuwe elementen zijn genoemd die in de bovenstaande berekeningen niet zijn meegenomen. Het systeem doet er bijvoorbeeld 250 miljoen jaar over om rond het centrum van de Melkweg te draaien. Deze stap heeft gevolgen. De veranderende ruimteomgeving verstoort het delicate evenwicht tussen de zon en andere objecten. Dit kan natuurlijk niet worden voorspeld, maar het komt voor dat een dergelijke onbalans tot een toename van het effect leidt. komeet activiteit. Deze objecten vliegen vaker dan normaal richting de zon. Dit vergroot het risico op een botsing met de aarde.

Ster na 4 miljoen jaar Glijden 710 zal zich op een afstand van 1,1 lichtjaar van de zon bevinden, wat mogelijk de banen van objecten in de ruimte zal verstoren Oblok Oort en een toename van de kans dat een komeet in botsing komt met een van de binnenplaneten van het zonnestelsel.

Wetenschappers vertrouwen op historische gegevens en voorspellen, op basis van deze statistische conclusies, dat dit waarschijnlijk binnen een half miljoen jaar zal gebeuren meteoor zal op aarde vallen 1 km in diameter, wat een kosmische catastrofe veroorzaakt. Op zijn beurt wordt in de komende 100 miljoen jaar een meteorietinslag verwacht van een omvang die vergelijkbaar is met die welke 65 miljoen jaar geleden het uitsterven van het Krijt veroorzaakte.

Tot 500-600 miljoen jaar moet je zo lang mogelijk wachten (opnieuw gebaseerd op beschikbare gegevens en statistieken) flash of hyperenergie supernova-explosie. Op deze afstand kunnen de stralen de ozonlaag van de aarde beïnvloeden en een massale uitsterving veroorzaken die vergelijkbaar is met het uitsterven van het Ordovicium - als de hypothese klopt. De uitgezonden straling moet echter specifiek op de aarde gericht zijn om hier schade te kunnen veroorzaken.

Laten we ons dus verheugen over de herhaling en kleine stabilisatie van de wereld die we zien en waarin we leven. Wiskunde, statistiek en waarschijnlijkheid houden hem op de lange termijn bezig. Gelukkig ligt deze lange reis ver buiten ons bereik.