Stabilisasi kecil kami

Matahari selalu terbit di timur, musim berganti secara teratur, ada 365 atau 366 hari dalam setahun, musim dingin terasa dingin, musim panas hangat… Membosankan. Tapi mari nikmati kebosanan ini! Pertama, itu tidak akan bertahan selamanya. Kedua, stabilisasi kecil kita hanyalah kasus khusus dan sementara di tata surya yang kacau secara keseluruhan.

Pergerakan planet, bulan, dan semua objek lain di tata surya tampaknya teratur dan dapat diprediksi. Tetapi jika demikian, bagaimana Anda menjelaskan semua kawah yang kita lihat di Bulan dan banyak benda langit di sistem kita? Ada banyak dari mereka di Bumi juga, tetapi karena kita memiliki atmosfer, dan dengan itu erosi, tumbuh-tumbuhan dan air, kita tidak melihat semak belukar bumi sejelas di tempat lain.

Jika tata surya terdiri dari titik-titik material ideal yang beroperasi semata-mata berdasarkan prinsip Newton, maka, dengan mengetahui posisi dan kecepatan yang tepat dari Matahari dan semua planet, kita dapat menentukan lokasinya kapan saja di masa depan. Sayangnya, kenyataan berbeda dengan dinamika rapi Newton.

kupu-kupu luar angkasa

Kemajuan besar ilmu pengetahuan alam dimulai dengan tepat dengan upaya untuk menggambarkan benda-benda kosmik. Penemuan menentukan yang menjelaskan hukum gerak planet dibuat oleh "bapak pendiri" astronomi, matematika, dan fisika modern - Copernicus, Galileo, Kepler i Newton. Namun, meskipun mekanika dua benda langit yang berinteraksi di bawah pengaruh gravitasi sudah diketahui dengan baik, penambahan objek ketiga (yang disebut masalah tiga benda) memperumit masalah ke titik di mana kita tidak dapat menyelesaikannya secara analitis.

Bisakah kita memprediksi gerakan Bumi, katakanlah, satu miliar tahun ke depan? Atau dengan kata lain: apakah tata surya stabil? Para ilmuwan telah mencoba menjawab pertanyaan ini selama beberapa generasi. Hasil pertama yang mereka dapatkan Peter Simon dari Laplace i Joseph Louis Lagrange, tidak diragukan lagi menyarankan jawaban yang positif.

Pada akhir abad XNUMX, memecahkan masalah stabilitas tata surya adalah salah satu tantangan ilmiah terbesar. raja Swedia Oscar II, ia bahkan memberikan penghargaan khusus untuk orang yang memecahkan masalah ini. Itu diperoleh pada tahun 1887 oleh ahli matematika Prancis Henri Poincaré. Namun, buktinya bahwa metode gangguan mungkin tidak menghasilkan resolusi yang benar tidak dianggap konklusif.

Dia menciptakan dasar-dasar teori matematika stabilitas gerak. Alexander M. Lapunovyang bertanya-tanya seberapa cepat jarak antara dua lintasan dekat dalam sistem kacau meningkat seiring waktu. Ketika di paruh kedua abad kedua puluh. Edward Lorenzo, seorang ahli meteorologi di Massachusetts Institute of Technology, membangun model sederhana perubahan cuaca yang hanya bergantung pada dua belas faktor, tidak terkait langsung dengan pergerakan benda-benda di tata surya. Dalam makalahnya tahun 1963, Edward Lorentz menunjukkan bahwa perubahan kecil pada data input menyebabkan perilaku sistem yang sama sekali berbeda. Sifat ini, yang kemudian dikenal sebagai "efek kupu-kupu", ternyata menjadi ciri khas sebagian besar sistem dinamis yang digunakan untuk memodelkan berbagai fenomena dalam fisika, kimia, atau biologi.

Sumber kekacauan dalam sistem dinamis adalah gaya-gaya dengan urutan yang sama yang bekerja pada benda-benda yang berurutan. Semakin banyak tubuh dalam sistem, semakin banyak kekacauan. Di Tata Surya, karena disproporsi besar dalam massa semua komponen dibandingkan dengan Matahari, interaksi komponen-komponen ini dengan bintang dominan, sehingga tingkat kekacauan yang dinyatakan dalam eksponen Lyapunov tidak boleh besar. Tetapi juga, menurut perhitungan Lorentz, kita tidak perlu terkejut dengan pemikiran tentang sifat kacau tata surya. Akan mengejutkan jika sistem dengan sejumlah besar derajat kebebasan itu teratur.

Sepuluh tahun yang lalu Jacques Lascar dari Observatorium Paris, dia membuat lebih dari seribu simulasi komputer dari gerakan planet. Di masing-masing dari mereka, kondisi awal berbeda secara signifikan. Pemodelan menunjukkan bahwa tidak ada yang lebih serius yang akan terjadi pada kita dalam 40 juta tahun ke depan, tetapi kemudian dalam 1-2% kasus mungkin terjadi destabilisasi lengkap tata surya. Kami juga memiliki 40 juta tahun ini hanya dengan syarat bahwa beberapa tamu tak terduga, faktor atau elemen baru yang tidak diperhitungkan saat ini tidak muncul.

Perhitungan menunjukkan, misalnya, bahwa dalam 5 miliar tahun orbit Merkurius (planet pertama dari Matahari) akan berubah, terutama karena pengaruh Jupiter. Ini dapat menyebabkan Bumi bertabrakan dengan Mars atau Merkurius tepat. Saat kita memasukkan salah satu set data, masing-masing berisi 1,3 miliar tahun. Merkurius mungkin jatuh ke Matahari. Dalam simulasi lain, ternyata setelah 820 juta tahun Mars akan dikeluarkan dari sistem, dan setelah 40 juta tahun akan datang ke tabrakan Merkurius dan Venus.

Sebuah studi tentang dinamika Sistem kami oleh Lascar dan timnya memperkirakan waktu Lapunov (yaitu, periode di mana jalannya proses tertentu dapat diprediksi secara akurat) untuk seluruh Sistem pada 5 juta tahun.

Ternyata kesalahan hanya 1 km dalam menentukan posisi awal planet dapat meningkat menjadi 1 unit astronomi dalam 95 juta tahun. Bahkan jika kami mengetahui data awal Sistem dengan akurasi tinggi yang sewenang-wenang, tetapi terbatas, kami tidak akan dapat memprediksi perilakunya untuk periode waktu apa pun. Untuk mengungkap masa depan Sistem, yang kacau, kita perlu mengetahui data asli dengan presisi tak terbatas, yang tidak mungkin.

Apalagi kita tidak tahu pasti. energi total tata surya. Tetapi bahkan dengan mempertimbangkan semua efek, termasuk pengukuran relativistik dan lebih akurat, kami tidak akan mengubah sifat kacau tata surya dan tidak akan dapat memprediksi perilaku dan keadaannya pada waktu tertentu.

Segalanya bisa terjadi

Jadi, tata surya hanya kacau, itu saja. Pernyataan ini berarti bahwa kita tidak dapat memprediksi lintasan Bumi di luar, katakanlah, 100 juta tahun. Di sisi lain, tata surya tidak diragukan lagi tetap stabil sebagai struktur saat ini, karena penyimpangan kecil dari parameter yang mencirikan jalur planet mengarah ke orbit yang berbeda, tetapi dengan sifat yang dekat. Jadi tidak mungkin itu akan runtuh dalam miliaran tahun ke depan.

Tentu saja, mungkin sudah disebutkan elemen baru yang tidak diperhitungkan dalam perhitungan di atas. Misalnya, sistem membutuhkan 250 juta tahun untuk menyelesaikan orbit di sekitar pusat galaksi Bima Sakti. Langkah ini memiliki konsekuensi. Lingkungan luar angkasa yang berubah mengganggu keseimbangan halus antara Matahari dan benda-benda lainnya. Ini, tentu saja, tidak dapat diprediksi, tetapi kebetulan bahwa ketidakseimbangan seperti itu mengarah pada peningkatan efeknya. aktivitas komet. Benda-benda ini terbang menuju matahari lebih sering dari biasanya. Ini meningkatkan risiko tabrakan mereka dengan Bumi.

Bintangi setelah 4 juta tahun Glize 710 akan berjarak 1,1 tahun cahaya dari Matahari, berpotensi mengganggu orbit objek di Awan Oort dan peningkatan kemungkinan komet bertabrakan dengan salah satu planet bagian dalam tata surya.

Para ilmuwan mengandalkan data historis dan, menarik kesimpulan statistik dari mereka, memprediksi bahwa, mungkin dalam setengah juta tahun meteor menghantam tanah berdiameter 1 km, menyebabkan bencana kosmik. Pada gilirannya, dalam perspektif 100 juta tahun, sebuah meteorit diperkirakan akan jatuh dalam ukuran yang sebanding dengan yang menyebabkan kepunahan Kapur 65 juta tahun yang lalu.

Hingga 500-600 juta tahun, Anda harus menunggu selama mungkin (sekali lagi, berdasarkan data dan statistik yang tersedia) flash atau ledakan hiperenergi supernova. Pada jarak seperti itu, sinar dapat berdampak pada lapisan ozon bumi dan menyebabkan kepunahan massal yang mirip dengan kepunahan Ordovisium - jika saja hipotesis tentang ini benar. Namun, radiasi yang dipancarkan harus diarahkan tepat ke Bumi agar dapat menyebabkan kerusakan di sini.

Jadi mari kita bersukacita dalam pengulangan dan stabilisasi kecil dari dunia yang kita lihat dan di mana kita hidup. Matematika, statistik, dan probabilitas membuatnya sibuk dalam jangka panjang. Untungnya, perjalanan panjang ini jauh di luar jangkauan kita.