La nostra piccola stabilizzazione

Il sole sorge sempre ad est, le stagioni cambiano regolarmente, ci sono 365 o 366 giorni all'anno, gli inverni sono freddi, le estati sono calde… Noiosa. Ma godiamoci questa noia! Primo, non durerà per sempre. In secondo luogo, la nostra piccola stabilizzazione è solo un caso speciale e temporaneo nel caotico sistema solare nel suo insieme.

Il movimento dei pianeti, delle lune e di tutti gli altri oggetti del sistema solare sembra essere ordinato e prevedibile. Ma se sì, come spieghi tutti i crateri che vediamo sulla Luna e molti dei corpi celesti nel nostro sistema? Ce ne sono molti anche sulla Terra, ma dal momento che abbiamo un'atmosfera, e con essa l'erosione, la vegetazione e l'acqua, non vediamo la macchia terrestre così chiaramente come in altri luoghi.

Se il sistema solare fosse costituito da punti materiali idealizzati che operano esclusivamente secondo i principi newtoniani, allora, conoscendo le posizioni e le velocità esatte del Sole e di tutti i pianeti, potremmo determinare la loro posizione in qualsiasi momento nel futuro. Sfortunatamente, la realtà differisce dalle nette dinamiche di Newton.

farfalla spaziale

Il grande progresso delle scienze naturali iniziò proprio con i tentativi di descrivere i corpi cosmici. Le scoperte decisive che spiegano le leggi del moto planetario furono fatte dai "padri fondatori" dell'astronomia, della matematica e della fisica moderne - Copernico, Galileo, Keplero i Newton. Tuttavia, sebbene sia ben nota la meccanica di due corpi celesti che interagiscono sotto l'influenza della gravità, l'aggiunta di un terzo oggetto (il cosiddetto problema dei tre corpi) complica il problema al punto che non possiamo risolverlo analiticamente.

Possiamo prevedere il movimento della Terra, diciamo, un miliardo di anni prima? O, in altre parole: il sistema solare è stabile? Gli scienziati hanno cercato di rispondere a questa domanda per generazioni. I primi risultati che hanno ottenuto Pietro Simone da Laplace i Giuseppe Luigi Lagrange, senza dubbio ha suggerito una risposta positiva.

Alla fine del XIX secolo, risolvere il problema della stabilità del sistema solare era una delle più grandi sfide scientifiche. re di Svezia Oscar II, ha anche istituito un premio speciale per chi risolve questo problema. Fu ottenuto nel 1887 dal matematico francese Henri Poincaré. Tuttavia, la sua prova che i metodi perturbativi potrebbero non portare a una risoluzione corretta non è considerata conclusiva.

Ha creato le basi della teoria matematica della stabilità del movimento. Alexander M. Lapunovchi si chiedeva quanto velocemente aumenta nel tempo la distanza tra due traiettorie ravvicinate in un sistema caotico. Quando nella seconda metà del Novecento. Edoardo Lorenz, un meteorologo del Massachusetts Institute of Technology, ha costruito un modello semplificato del cambiamento climatico che dipende solo da dodici fattori, non era direttamente correlato al movimento dei corpi nel sistema solare. Nel suo articolo del 1963, Edward Lorenz ha mostrato che un piccolo cambiamento nei dati di input provoca un comportamento completamente diverso del sistema. Questa proprietà, più tardi nota come "effetto farfalla", si è rivelata tipica della maggior parte dei sistemi dinamici utilizzati per modellare vari fenomeni in fisica, chimica o biologia.

La fonte del caos nei sistemi dinamici sono le forze dello stesso ordine che agiscono su corpi successivi. Più corpi nel sistema, più caos. Nel Sistema Solare, a causa dell'enorme sproporzione delle masse di tutte le componenti rispetto al Sole, l'interazione di queste componenti con la stella è dominante, quindi il grado di caos espresso negli esponenti di Lyapunov non dovrebbe essere grande. Ma anche, secondo i calcoli di Lorentz, non dovremmo sorprenderci al pensiero della natura caotica del sistema solare. Sarebbe sorprendente se un sistema con così tanti gradi di libertà fosse regolare.

Dieci anni fa Jacques Lascar dall'Osservatorio di Parigi, ha realizzato oltre mille simulazioni al computer del movimento planetario. In ciascuno di essi, le condizioni iniziali differivano in modo irrilevante. La modellazione mostra che nei prossimi 40 milioni di anni non accadrà nulla di più grave, ma in seguito nell'1-2% dei casi potrebbe completa destabilizzazione del sistema solare. Abbiamo anche questi 40 milioni di anni a nostra disposizione solo a condizione che non compaia qualche ospite, fattore o elemento nuovo inaspettato che al momento non viene preso in considerazione.

I calcoli mostrano, ad esempio, che entro 5 miliardi di anni l'orbita di Mercurio (il primo pianeta dal Sole) cambierà, principalmente a causa dell'influenza di Giove. Questo può portare a Terra in collisione con Marte o Mercurio Esattamente. Quando inseriamo uno dei set di dati, ognuno contiene 1,3 miliardi di anni. Mercurio potrebbe cadere nel Sole. In un'altra simulazione, si è scoperto che dopo 820 milioni di anni Marte sarà espulso dal sistema, e dopo 40 milioni di anni arriveranno collisione di Mercurio e Venere.

Uno studio della dinamica del nostro Sistema condotto da Lascar e dal suo team ha stimato il tempo di Lapunov (cioè il periodo durante il quale il corso di un dato processo può essere predetto con precisione) per l'intero Sistema a 5 milioni di anni.

Si scopre che un errore di solo 1 km nel determinare la posizione iniziale del pianeta può aumentare fino a 1 unità astronomica in 95 milioni di anni. Anche se conoscessimo i dati iniziali del Sistema con una precisione arbitrariamente alta, ma finita, non saremmo in grado di prevederne il comportamento per nessun periodo di tempo. Per svelare il futuro del Sistema, che è caotico, dobbiamo conoscere i dati originali con precisione infinita, cosa impossibile.

Inoltre, non lo sappiamo per certo. energia totale del sistema solare. Ma anche tenendo conto di tutti gli effetti, comprese misurazioni relativistiche e più accurate, non cambieremmo la natura caotica del sistema solare e non saremmo in grado di prevederne il comportamento e lo stato in un dato momento.

Tutto può succedere

Quindi, il sistema solare è solo caotico, tutto qui. Questa affermazione significa che non possiamo prevedere la traiettoria della Terra oltre, diciamo, 100 milioni di anni. D'altra parte, il sistema solare rimane indubbiamente stabile come struttura al momento, poiché piccole deviazioni dei parametri che caratterizzano le traiettorie dei pianeti portano a orbite diverse, ma con proprietà vicine. Quindi è improbabile che crolli nei prossimi miliardi di anni.

Naturalmente, potrebbero essere già menzionati nuovi elementi che non vengono presi in considerazione nei calcoli di cui sopra. Ad esempio, il sistema impiega 250 milioni di anni per completare un'orbita attorno al centro della Via Lattea. Questa mossa ha delle conseguenze. L'ambiente spaziale mutevole sconvolge il delicato equilibrio tra il Sole e altri oggetti. Questo, ovviamente, non può essere previsto, ma succede che un tale squilibrio porti ad un aumento dell'effetto. attività della cometa. Questi oggetti volano verso il sole più spesso del solito. Ciò aumenta il rischio della loro collisione con la Terra.

Stella dopo 4 milioni di anni Gliese 710 sarà a 1,1 anni luce dal Sole, potenzialmente interrompendo le orbite degli oggetti Nube di Oort e aumentando la probabilità che una cometa entri in collisione con uno dei pianeti interni del sistema solare.

Gli scienziati si basano su dati storici e, traendo da essi conclusioni statistiche, lo prevedono, probabilmente tra mezzo milione di anni meteora che colpisce il suolo 1 km di diametro, provocando una catastrofe cosmica. A sua volta, nella prospettiva di 100 milioni di anni, un meteorite dovrebbe diminuire di dimensioni paragonabili a quelle che causò l'estinzione del Cretaceo 65 milioni di anni fa.

Fino a 500-600 milioni di anni, devi aspettare il più a lungo possibile (di nuovo, in base ai dati e alle statistiche disponibili) veloce o esplosione di iperenergia di supernova. A tale distanza, i raggi potrebbero avere un impatto sullo strato di ozono terrestre e causare un'estinzione di massa simile all'estinzione dell'Ordoviciano, se solo l'ipotesi su questo è corretta. Tuttavia, la radiazione emessa deve essere diretta esattamente verso la Terra per poter causare danni qui.

Quindi rallegriamoci della ripetizione e della piccola stabilizzazione del mondo che vediamo e in cui viviamo. Matematica, statistica e probabilità lo tengono impegnato a lungo termine. Fortunatamente, questo lungo viaggio è ben al di là della nostra portata.