Что такое «проблема трёх тел»? Астрофизик объясняет концепцию популярного шоу Netflix

Что такое «проблема трех тел»? Астрофизик объясняет концепцию популярного шоу Netflix
Основанная на серии книг Лю Цысиня, «Проблема трёх тел» использует научно-фантастический подход к сложным концепциям квантовой механики и астрофизики, включая проблему трёх тел. 3 кредит

«Проблема трех тел», новая высокобюджетная адаптация серии книг Лю Цысиня, созданная Netflix и созданная создателями «Игры престолов», объединяет науку в научной фантастике.

Сериал посвящен ученым, пытающимся разгадать тайну, охватывающую десятилетия, континенты и даже галактики. Это означает, что «Проблема трех тел» знакомит зрителей с довольно сложными концепциями квантовой механики и астрофизики, пытаясь, иногда буквально, спустить эти идеи на землю.

Однако в основе этой серии лежит проблема трёх тел — вопрос, который веками ставил учёных в тупик.

Что такое задача трёх тел и почему она до сих пор неразрешима? Джонатан Блазек, доцент кафедры физики Северо-Восточного университета, объясняет, что системы, в которых два объекта оказывают друг на друга гравитационное воздействие, будь то частицы или звезды и планеты, предсказуемы. Ученые смогли решить эту проблему двух тел и предсказать орбиты объектов еще со времен Исаака Ньютона. Но как только в смесь попадает третье тело, вся система погружается в хаос.

«Задача трех тел — это утверждение, что если у вас есть три тела, тяготеющие друг к другу в соответствии с законом тяготения Ньютона, для этой ситуации не существует общего решения в замкнутой форме», — говорит Блазек. «Небольшие различия усиливаются и могут привести к совершенно непредсказуемому поведению в будущем».

В «Проблеме трех тел», как и в книге Цысиня, это реальность для инопланетян, живущих в солнечной системе с тремя солнцами. Поскольку все три звезды оказывают друг на друга гравитационные силы, они в конечном итоге повергают Солнечную систему в хаос, швыряя друг друга взад и вперед. Для трисолярцев, названия этих инопланетян, это означает, что, когда солнце выбрасывается далеко, их планета замерзает, а когда солнце подбрасывается очень близко к их планете, оно сгорает. Хуже того, из-за проблемы трех тел эти движения совершенно непредсказуемы.

На протяжении веков ученые размышляли над вопросом, как определить стабильную отправную точку для трех гравитационных тел, которые привели бы к предсказуемым орбитам. До сих пор не существует обобщающего решения, которое можно было бы вынести из теории и смоделировать в реальности, хотя в последнее время ученые начали находить некоторые потенциально творческие решения, в том числе с помощью моделей, основанных на движениях пьяных людей.

«Если вы хотите [предсказать], что будет делать Солнечная система, мы можем поместить все планеты и столько астероидов, сколько мы знаем, в компьютерный код и, по сути, сказать, что мы собираемся вычислить силу между всем и двигаться вперед. немного», — говорит Блазек. «Это работает, но если вы делаете некоторые приближения… все эти вещи в конечном итоге сломаются, и ваш прогноз станет неточным».

Блазек говорит, что проблема трех тел захватила научные умы, потому что это, казалось бы, простая проблема. Большинство старшеклассников-физиков изучают закон гравитации Ньютона и могут разумно рассчитывать и предсказывать движение двух тел.

Системы трех тел и более чем системы трех тел также встречаются во Вселенной, поэтому этот вопрос невероятно актуален. Не смотрите дальше нашей солнечной системы.

Отношения между Солнцем, Землей и нашей Луной представляют собой систему трех тел. Но Блазек говорит, что, поскольку Солнце оказывает более сильное гравитационное воздействие на Землю, а Земля делает то же самое на Луну, оно создает пару систем двух тел со стабильными, предсказуемыми орбитами — на данный момент.

Блазек говорит, что, хотя наша Солнечная система кажется стабильной, нет никакой гарантии, что она останется такой и в далеком будущем, поскольку в ней все еще действуют системы нескольких тел. Небольшие изменения, такие как столкновение астероида с одним из спутников Юпитера и незначительное изменение его орбиты, могут в конечном итоге привести к более крупным изменениям.

Это не означает, что человечество столкнется с кризисом, подобным тому, с которым столкнулись трисолярцы в «Проблеме трех тел». Эти изменения происходят чрезвычайно медленно, но Блазек говорит, что это еще одно напоминание о том, почему эти концепции интересны и важны для размышления как в науке, так и в научной фантастике.

«Я не думаю, что что-то произойдет в масштабе нашей недели или даже, возможно, нашего вида — у нас есть более серьезные проблемы, чем нестабильность орбит в нашей солнечной системе», — говорит Блазек. «Но, тем не менее, если вы думаете о миллиардах лет, в течение этого периода мы не знаем, останутся ли орбиты такими, какие они есть сейчас. Есть большая вероятность, что возникнет некоторая нестабильность, которая изменит внешний вид Солнечной системы».