Unsere kleine Stabilisierung
Die Sonne geht immer im Osten auf, die Jahreszeiten wechseln regelmäßig, es gibt 365 oder 366 Tage im Jahr, die Winter sind kalt, die Sommer warm … Langweilig. Aber genießen wir diese Langeweile! Erstens wird es nicht ewig dauern. Zweitens ist unsere kleine Stabilisierung nur ein besonderer und vorübergehender Fall im chaotischen Sonnensystem insgesamt.
Die Bewegung der Planeten, Monde und aller anderen Objekte im Sonnensystem scheint geordnet und vorhersehbar zu sein. Aber wenn ja, wie erklären Sie all die Krater, die wir auf dem Mond und vielen Himmelskörpern in unserem System sehen? Auch auf der Erde gibt es viele davon, aber da wir eine Atmosphäre und damit Erosion, Vegetation und Wasser haben, sehen wir das Erddickicht nicht so deutlich wie anderswo.
Wenn das Sonnensystem aus idealisierten materiellen Punkten bestünde, die ausschließlich nach Newtonschen Prinzipien funktionieren, könnten wir, wenn wir die genauen Positionen und Geschwindigkeiten der Sonne und aller Planeten kennen, ihren Standort jederzeit in der Zukunft bestimmen. Leider weicht die Realität von Newtons ordentlicher Dynamik ab.
Weltraumschmetterling
Der große Fortschritt der Naturwissenschaften begann gerade mit Versuchen, kosmische Körper zu beschreiben. Die entscheidenden Entdeckungen zur Erklärung der Gesetze der Planetenbewegung wurden von den „Gründervätern“ der modernen Astronomie, Mathematik und Physik gemacht – Kopernikus, Galileo, Kepler i Newton. Obwohl die Mechanik zweier Himmelskörper, die unter dem Einfluss der Schwerkraft interagieren, gut bekannt ist, verkompliziert die Hinzufügung eines dritten Objekts (das sogenannte Dreikörperproblem) das Problem so weit, dass wir es nicht mehr analytisch lösen können.
Können wir die Bewegung der Erde beispielsweise eine Milliarde Jahre im Voraus vorhersagen? Oder anders gefragt: Ist das Sonnensystem stabil? Wissenschaftler versuchen seit Generationen, diese Frage zu beantworten. Die ersten Ergebnisse, die sie erhielten Peter Simon aus Laplace i Joseph Louis Lagrange, schlug zweifellos eine positive Antwort vor.
Ende des XNUMX. Jahrhunderts war die Lösung des Problems der Stabilität des Sonnensystems eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen. König von Schweden Oskar IIEr hat sogar einen Sonderpreis für denjenigen ins Leben gerufen, der dieses Problem löst. Es wurde 1887 vom französischen Mathematiker ermittelt Henri Poincaré. Sein Beweis, dass Störungsmethoden möglicherweise nicht zu einer korrekten Lösung führen, wird jedoch nicht als schlüssig angesehen.
Er schuf die Grundlagen der mathematischen Theorie der Bewegungsstabilität. Alexander M. LapunowWer hat sich gefragt, wie schnell der Abstand zwischen zwei nahe beieinander liegenden Flugbahnen in einem chaotischen System mit der Zeit zunimmt? Als in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts. Eduard Lorenz, ein Meteorologe am Massachusetts Institute of Technology, erstellte ein vereinfachtes Modell der Wetterveränderung, das nur von zwölf Faktoren abhängt und nicht direkt mit der Bewegung von Körpern im Sonnensystem zusammenhängt. In seiner Arbeit von 1963 zeigte Edward Lorentz, dass eine kleine Änderung der Eingabedaten ein völlig anderes Verhalten des Systems hervorruft. Diese Eigenschaft, die später als „Schmetterlingseffekt“ bekannt wurde, erwies sich als typisch für die meisten dynamischen Systeme, die zur Modellierung verschiedener Phänomene in der Physik, Chemie oder Biologie verwendet werden.
Die Ursache des Chaos in dynamischen Systemen sind Kräfte gleicher Ordnung, die auf aufeinanderfolgende Körper wirken. Je mehr Körper im System sind, desto mehr Chaos. Im Sonnensystem ist aufgrund des enormen Missverhältnisses der Massen aller Komponenten im Vergleich zur Sonne die Wechselwirkung dieser Komponenten mit dem Stern vorherrschend, sodass der in Lyapunov-Exponenten ausgedrückte Grad des Chaos nicht groß sein sollte. Aber auch, so Lorentz‘ Berechnungen, sollte uns der Gedanke an die chaotische Natur des Sonnensystems nicht überraschen. Es wäre überraschend, wenn ein System mit so vielen Freiheitsgraden regulär wäre.
Vor zehn Jahren Jacques Lascar Vom Pariser Observatorium aus erstellte er über tausend Computersimulationen der Planetenbewegung. In jedem von ihnen unterschieden sich die Anfangsbedingungen unwesentlich. Modellierungen zeigen, dass uns in den nächsten 40 Millionen Jahren nichts Schlimmeres passieren wird, später jedoch in 1–2 % der Fälle völlige Destabilisierung des Sonnensystems. Auch diese 40 Millionen Jahre stehen uns nur unter der Bedingung zur Verfügung, dass nicht ein unerwarteter Gast auftaucht, ein Faktor oder ein neues Element, das im Moment nicht berücksichtigt wird.
Berechnungen zeigen beispielsweise, dass sich innerhalb von 5 Milliarden Jahren die Umlaufbahn von Merkur (dem ersten Planeten von der Sonne) ändern wird, hauptsächlich aufgrund des Einflusses von Jupiter. Dies kann dazu führen Die Erde kollidiert mit dem Mars oder Merkur Exakt. Wenn wir einen der Datensätze eingeben, enthält jeder 1,3 Milliarden Jahre. Merkur könnte in die Sonne fallen. In einer anderen Simulation stellte sich heraus, dass dies nach 820 Millionen Jahren der Fall war Der Mars wird aus dem System ausgeschlossen, und nach 40 Millionen Jahren wird es soweit kommen Kollision von Merkur und Venus.
Eine von Lascar und seinem Team durchgeführte Untersuchung der Dynamik unseres Systems schätzte die Lapunov-Zeit (dh den Zeitraum, in dem der Verlauf eines bestimmten Prozesses genau vorhergesagt werden kann) für das gesamte System auf 5 Millionen Jahre.
Es stellt sich heraus, dass ein Fehler von nur 1 km bei der Bestimmung der Anfangsposition des Planeten in 1 Millionen Jahren auf 95 astronomische Einheit anwachsen kann. Selbst wenn wir die Anfangsdaten des Systems mit beliebig hoher, aber endlicher Genauigkeit kennen würden, wären wir nicht in der Lage, sein Verhalten für einen bestimmten Zeitraum vorherzusagen. Um die Zukunft des Systems aufzudecken, das chaotisch ist, müssen wir die Originaldaten mit unendlicher Präzision kennen, was unmöglich ist.
Außerdem wissen wir es nicht genau. Gesamtenergie des Sonnensystems. Aber selbst unter Berücksichtigung aller Effekte, einschließlich relativistischer und genauerer Messungen, würden wir die chaotische Natur des Sonnensystems nicht ändern und wären nicht in der Lage, sein Verhalten und seinen Zustand zu einem bestimmten Zeitpunkt vorherzusagen.
Alles kann passieren
Das Sonnensystem ist also einfach nur chaotisch, das ist alles. Diese Aussage bedeutet, dass wir die Flugbahn der Erde nicht über beispielsweise 100 Millionen Jahre hinaus vorhersagen können. Andererseits bleibt das Sonnensystem als Struktur derzeit zweifellos stabil, da kleine Abweichungen der Parameter, die die Bahnen der Planeten charakterisieren, zu unterschiedlichen Umlaufbahnen führen, jedoch mit ähnlichen Eigenschaften. Daher ist es unwahrscheinlich, dass es in den nächsten Milliarden Jahren zusammenbricht.
Natürlich kann es bereits erwähnte neue Elemente geben, die in den obigen Berechnungen nicht berücksichtigt werden. Beispielsweise benötigt das System 250 Millionen Jahre, um eine Umlaufbahn um das Zentrum der Milchstraße zu vollenden. Dieser Schritt hat Konsequenzen. Die sich verändernde Weltraumumgebung stört das empfindliche Gleichgewicht zwischen der Sonne und anderen Objekten. Das lässt sich natürlich nicht vorhersagen, aber es kommt vor, dass ein solches Ungleichgewicht zu einer Verstärkung der Wirkung führt. Kometenaktivität. Diese Objekte fliegen häufiger als gewöhnlich der Sonne entgegen. Dadurch erhöht sich das Risiko einer Kollision mit der Erde.
Stern nach 4 Millionen Jahren Glide 710 wird 1,1 Lichtjahre von der Sonne entfernt sein und möglicherweise die Umlaufbahnen von Objekten stören Oortsche Wolke und eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, dass ein Komet mit einem der inneren Planeten des Sonnensystems kollidiert.
Wissenschaftler stützen sich auf historische Daten und ziehen daraus statistische Schlussfolgerungen, um dies wahrscheinlich in einer halben Million Jahren vorherzusagen Meteor schlägt auf den Boden 1 km Durchmesser und verursachte eine kosmische Katastrophe. Im Gegenzug wird in der Perspektive von 100 Millionen Jahren erwartet, dass ein Meteorit in einer Größe fällt, die mit der Größe vergleichbar ist, die vor 65 Millionen Jahren das Aussterben der Kreidezeit verursachte.
Bis zu 500–600 Millionen Jahren muss man so lange wie möglich warten (wiederum basierend auf den verfügbaren Daten und Statistiken). Blitz oder Supernova-Hyperenergie-Explosion. In dieser Entfernung könnten die Strahlen auf die Ozonschicht der Erde treffen und ein Massensterben ähnlich dem ordovizischen Aussterben auslösen – wenn nur die Hypothese dazu stimmt. Allerdings muss die emittierte Strahlung genau auf die Erde gerichtet sein, um hier etwaige Schäden anrichten zu können.
Freuen wir uns also über die Wiederholung und kleine Stabilisierung der Welt, die wir sehen und in der wir leben. Mathematik, Statistik und Wahrscheinlichkeit beschäftigen ihn auf Dauer. Glücklicherweise liegt diese lange Reise weit außerhalb unserer Reichweite.
